CN110892550A - 一种锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本文提供了一种包含电极组件的锂离子电池，其中该电极组件包含至少一个阴极、至少一个阳极和放置在至少一个阴极和至少一个阳极之间的隔膜；且其中该隔膜包含多孔基材和涂覆在多孔基材的表面上并与至少一个阴极相邻的多孔聚合物层。包含本文所公开的隔膜的锂离子电池防止在过充时的热失控，由此确保了锂离子电池的安全性。

Description

一种锂离子电池
技术领域
本发明涉及电池的领域。具体地，本发明涉及锂离子电池。
背景技术
在过去的数十年中，锂离子电池(LIB)由于其优异的能量密度、长的循环寿命和放电能力，在各种应用尤其是消费类电子产品中被广泛应用。由于电动车辆(EV)和电网储能的快速的市场发展，目前，高性能、低成本的LIB对大规模储能设备提供了最有前景的选择之一。
目前，锂离子电池包含阴极、阳极、放置在阴极和阳极之间的隔膜和电解质溶液。使用例如多孔聚乙烯和多孔聚丙烯的传统的隔膜来生产锂离子电池。多孔聚乙烯隔膜的孔在高温下关闭来阻止锂离子的运输。然而，当电池的温度接近或高于多孔聚乙烯隔膜的熔化温度时，多孔聚乙烯隔膜会收缩和熔化，由此导致短路和热失控。
中国专利申请公开号CN105552277A公开了用于锂离子电池的隔膜，该隔膜包括基材和涂覆在基材的一个或两个表面的PVDF涂层，其中PVDF涂层的厚度是0.1μm至0.5μm。然而，当电池过充时，PVDF涂层不足以保护电池免受热失控。
美国专利申请公开号US2013/0089794A1公开了一种可再充锂电池，其包含正极；负极；在正极和负极之间的隔膜；在隔膜上的聚合物层，所述聚合物层包含以0.5g/m2至3.0g/m2范围内的载荷水平负载的聚偏二氟乙烯基类聚合物；和浸渍隔膜的电解质，所述电解质包含丙酸烷基酯。然而，过充时的电池的安全性能仅供以700mA的电流和5.25V的电压进行充电。
鉴于上文，总是需要开发在过充时具有改善的安全性能的锂离子电池。
发明内容
通过本文所公开的各个方面和实施方式满足了前述需求。
本文提供了一种包含电极组件的锂离子电池，其中电极组件包含至少一个阴极、至少一个阳极和放置在至少一个阴极和至少一个阳极之间的隔膜；
其中隔膜包含多孔基材和涂覆在多孔基材的表面上并与至少一个阴极相邻的多孔聚合物层；
其中多孔聚合物层的厚度是约10μm至约30μm；且
其中多孔聚合物层的面密度是约9g/m2至约30g/m2。
在一些实施方式中，多孔基材的熔点至少比多孔聚合物层的熔点高约30℃或至少比多孔聚合物层的熔点高约60℃。在某些实施方式中，多孔基材的熔点是约200℃或更高。
在某些实施方式中，多孔基材是膜、无纺布或纺织布。在一些实施方式中，多孔基材是选自由聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸丁二醇酯、聚缩醛、聚酰胺、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚砜、聚苯醚、聚苯硫醚、聚丙烯腈、聚偏二氟乙烯、聚(偏二氟乙烯)-六氟丙烯、聚乙烯吡咯烷酮及其组合构成的群组的聚合物。
在一些实施方式中，多孔基材的厚度是约5μm至约25μm。
在某些实施方式中，多孔聚合物层的厚度是约13μm至约25μm。在一些实施方式中，多孔聚合物层的面密度是约11g/m2至约25g/m2。
在一些实施方式中，多孔聚合物层包含选自由聚偏二氟乙烯、聚(偏二氟乙烯)-六氟丙烯、聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚缩醛、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚砜、聚苯醚、聚苯硫醚、聚乙烯吡咯烷酮、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸丁二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚亚甲基氧化物、聚四氟乙烯、聚氟化乙烯、聚乙烯、高密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、低密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚戊烯及其组合构成的群组的聚合物。在某些实施方式中，基于多孔聚合物层的总重量，在多孔聚合物层的聚合物的量是按重量计约70％至约100％。
在某些实施方式中，多孔聚合物层进一步包含选自由Al2O3、SiO2、TiO2、ZrO2、Mg(OH)2、MgO、SnO2、CaCO3、BaSO4、TiN、AlN、Na2O·mTiO2、K2O·nTiO2、BaOx、MTiO3及其组合构成的群组的无机材料，其中m是3或6，n是1、2、4、6或8，x是1或2，且M是Ba、Sr或Ca。在一些实施方式中，基于多孔聚合物层的总重量，无机材料的量是按重量计约0.01％至约30％。在某些实施方式中，无机材料的直径是约1nm至约1μm或约1μm至约5μm。
在一些实施方式中，隔膜的厚度是约15μm至约40μm。在某些实施方式中，隔膜的孔隙率是约30％至约55％。在一些实施方式中，隔膜的Gurley值是约5秒/100cm3至约200秒/100cm3。
在某些实施方式中，隔膜不含分散剂、表面活性剂、增塑剂或其组合。
在一些实施方式中，将至少一个阳极、至少一个阴极和隔膜构造成Z形折叠堆的电极组件。
在某些实施方式中，隔膜的宽度和至少一个阴极的宽度的比是大于约1。
附图说明
图1示出过充测试后实施例4的阴极表面的图像。
图2示出过充测试后比较例3的阳极表面的图像。
图3示出过充测试后实施例4的电池的图像。
图4示出过充测试后比较例3的电池的图像。
具体实施方式
本文提供了一种包含电极组件的锂离子电池，其中电极组件包含至少一个阴极、至少一个阳极和放置在至少一个阴极和至少一个阳极之间的隔膜；
其中隔膜包含多孔基材和涂覆在多孔基材的表面上并与至少一个阴极相邻的多孔聚合物层；
其中多孔聚合物层的厚度是约10μm至约30μm；且
其中多孔聚合物层的面密度是约9g/m2至约30g/m2。
术语“多孔基材”是指内部具有孔或空隙的基底。用作多孔基材的组分的材料可以是有机材料或无机材料，只要该材料是电绝缘材料。本文可以使用任何具有电绝缘性的多孔基材。多孔基材的一些非限制性示例包括纤维材料形成的多孔片，例如纺织布或无纺布或纸状片。纤维材料的一些非限制性示例包括天然和聚合物纤维。
术语“无纺布”是指不包含编织或针织的工艺制成的产品。这些材料中的纤维通过化学、机械、加热或溶剂处理连接到一起。
术语“聚合物”是指通过聚合相同或不同类型的单体来制备的聚合化合物。通用术语“聚合物”包括术语“均聚物”、“共聚物”、“三聚物”以及“互聚物”。
术语“聚酯”是指一种在其主链的每个重复单元中具有酯官能团的聚合物。合适的聚酯的一些非限制性示例包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和聚(对苯二甲酸环己二甲酯)(PCT)。
术语“电极”是指“阴极”或“阳极”。
术语“正极”与阴极可交换地使用。同样，术语“负极”与阳极可交换地使用。
术语“导电剂”是指化学上钝性的且具有良好导电性的材料。因此，导电剂通常在形成电极时与电极活性材料混合，以改善电极的导电性。
术语“室温”是指约18℃至约30℃的室内温度，例如18℃、19℃、20℃、21℃、22℃、23℃、24℃、25℃、26℃、27℃、28℃、29℃或30℃。在一些实施方式中，室温是指约20℃+/-1℃或+/-2℃或+/-3℃的温度。在其他实施方式中，室温是指约22℃或约25℃的温度。
术语“C倍率”是指在其总存储容量方面以Ah或mAh表示的电池的充电倍率或放电倍率。例如，1C的倍率意味着在一个小时内利用所有的存储能量；0.1C意味着在一个小时内利用能量的10％或在10个小时内利用全部的能量；以及5C意味着在12分钟内利用全部的能量。
术语“安时(Ah)”是指在说明电池的存储容量中所使用的单位。例如，1Ah容量的电池可以提供持续1小时的1安培的电流或者提供持续两小时的0.5安培的电流等。因此，1安时(Ah)相当于3,600库仑电荷。类似地，术语“毫安时(mAh)”也是指电池的存储容量中所使用的单位且是安时的1/1,000。
术语“电池循环寿命”是指在其额定容量降低至低于其初始的额定容量的80％之前电池可以执行的完全充电/放电循环的次数。
术语组合物的“主要组分”是指基于组合物的总重量或总体积，按重量或体积计大于50％、大于55％、大于60％、大于65％、大于70％、大于75％、大于80％、大于85％、大于90％或大于95％的组分。
术语组合物的“次要组分”是指基于组合物的总重量或总体积，按重量或体积计小于50％、小于45％、小于40％、小于35％、小于30％、小于25％、小于20％、小于15％、小于10％或小于5％的组分。
在以下描述中，本文所公开的所有数值是近似值，而不管是否结合使用词汇“约”或“近似”。它们可以变动1％、2％、5％或者有时10％至20％。每当公开具有下限RL和上限RU的数值范围时，特别公开了落入该范围内的任何数值。具体而言，在该范围内的以下数值被具体公开：R＝RL+k*(RU-RL)，其中k是具有1％增量的1％至100％的变量，即，k是1％、2％、3％、4％、5％、......、50％、51％、52％、......、95％、96％、97％、98％、99％或100％。并且，也具体公开了通过如以上所限定的两个R数值所限定的任何数值范围。
通常来说，使用多孔聚烯烃材料作为隔膜来分离锂离子电池中的阴极和阳极。这些聚烯烃基隔膜的主要缺点是其低热稳定限度。当过充时电池的温度超过隔膜的熔化温度时，聚烯烃隔膜迅速收缩，使得阴极和阳极直接接触，导致热失控。
本文所公开的隔膜包含多孔基材和涂覆在多孔基材的表面上的多孔聚合物层，其中多孔聚合物层布置成与阴极相邻。当电池经历例如过充的异常的情况时，会释放过量的热量。多孔聚合物层会在其熔化温度下熔化，在阴极的表面形成阻隔膜。具有高阻抗的熔化的聚合物层覆盖在阴极的表面上，用作阻挡或限制电流的屏障，由此降低电池内的温度和防止热失控的发生。
在一些实施方式中，阳极和阴极两者在尺寸上都小于隔膜，且阳极和阴极都放置在隔膜的尺寸之内。隔膜片布置成Z形折叠配置，使得阴极和阳极位于隔膜的对侧。由于涂覆在多孔基材上的多孔聚合物层被布置成与阴极相邻，且隔膜的尺寸大于阴极的尺寸，当多孔聚合物层熔化时，阴极的两个表面和4边都可以被聚合物层覆盖，以防止阴极和阳极相互接触。这可防止二次锂离子电池在过充时的热失控。图1示出了在拆卸电池和分离阳极、隔膜和阴极后，覆盖有完整的PVDF膜的阴极表面。
意想不到的是，当涂覆在多孔基材上的多孔聚合物层被布置成与阳极相邻时，隔膜不能在过充后防止热失控。图2示出在拆卸电池和分离阳极、隔膜和阴极后，由于在膜上形成裂痕和孔，而部分被PVDF膜覆盖的阳极表面。在阳极表面上形成的锂枝晶会引起熔化的聚合物在阳极表面上的不均匀分布。这会导致阳极和阴极的相互电连接的短路。在这种情况下，锂离子电池可能会遇到危险情况。在严苛的使用条件下，锂离子电池会发生热失控，产生极高的温度、烟雾、爆炸和火焰。在一些实施方式中，多孔聚合物层只涂覆在多孔基材的一侧，且电池堆(cell stack)包含至少一个与多孔基材相邻的阳极和至少一个与多孔聚合物层相邻的阴极。
在一些实施方式中，隔膜具有多孔基材和涂覆在其上的多孔聚合物层。在某些实施方式中，多孔基材是聚合物膜。在一些实施方式中，多孔基材是由聚合物纤维制成的纺织布或无纺布。
在一些实施方式中，多孔基材是选自由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸丁二醇酯、聚缩醛、聚酰胺、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚砜、聚苯醚、聚苯硫醚、聚丙烯腈、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚(偏二氟乙烯)-六氟丙烯、聚乙烯吡咯烷酮及其组合构成的群组的聚合物。在某些实施方式中，聚合物不是聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸丁二醇酯、聚缩醛、聚酰胺、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚砜、聚苯醚、聚苯硫醚、聚丙烯腈、聚偏二氟乙烯、聚(偏二氟乙烯)-六氟丙烯、聚乙烯吡咯烷酮或其组合。
在一些实施方式中，多孔基材不是聚烯烃。在某些实施方式中，多孔基材不是聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)。在一些实施方式中，多孔基材不是PP/PE/PP三层膜、PE/PP/PE三层膜或多层聚烯烃膜。
在一些实施方式中，多孔基材的熔点高于聚烯烃隔膜的熔点。在某些实施方式中，多孔基材的熔点是约160℃至约400℃、约160℃至约350℃、约160℃至约300℃、约200℃至约400℃、约200℃至约350℃、约200℃至约300℃或约250℃至约400℃。在一些实施方式中，多孔基材的熔点高于约160℃、高于约170℃、高于约180℃、高于约190℃、高于约200℃、高于约210℃、高于约220℃、高于约230℃、高于约240℃、高于约250℃、高于约260℃、高于约270℃、高于约280℃、高于约290℃或高于约300℃。在某些实施方式中，多孔基材的熔点低于约500℃、低于约450℃、低于约400℃、低于约350℃、低于约300℃或低于约250℃。
在一些实施方式中，多孔聚合物层包含选自由聚偏二氟乙烯、聚(偏二氟乙烯)-六氟丙烯、聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚缩醛、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚砜、聚苯醚、聚苯硫醚、聚乙烯吡咯烷酮、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸丁二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚亚甲基氧化物、聚四氟乙烯、聚氟化乙烯、聚乙烯、高密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、低密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚戊烯及其组合构成的群组的聚合物。在某些实施方式中，聚合物不是聚偏二氟乙烯、聚(偏二氟乙烯)-六氟丙烯、聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚缩醛、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚砜、聚苯醚、聚苯硫醚、聚乙烯吡咯烷酮、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸丁二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚亚甲基氧化物、聚四氟乙烯、聚氟化乙烯、聚乙烯、高密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、低密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚戊烯或其组合。
在某些实施方式中，隔膜具有多孔基材和涂覆在其上的多孔聚合物层。在一些实施方式中，多孔聚合物层包含多个聚合物颗粒。可以通过将含有聚合物颗粒的浆料喷洒在多孔基材的至少一个表面上来形成多孔聚合物层。聚合物颗粒是球形的，并铺展在多孔基材上形成颗粒垫。在某些实施方式中，聚合物颗粒的直径是约1nm至约5μm、约1μm至约5μm、约1μm至约4μm、约1μm至约3μm、约1μm至约2μm、约2μm至约5μm、约2μm至约4μm、约1nm至约1μm、约1nm至约800nm、约1nm至约600nm、约1nm至约500nm、约1nm至约300nm、约1nm至约100nm、约200nm至约1μm、约200nm至约500nm、约300nm至约900nm或约300nm至约700nm。在一些实施方式中，聚合物颗粒的直径小于约5μm、小于约4μm、小于约3μm、小于约2μm、小于约1μm、小于约800nm、小于约600nm、小于约500nm、小于约300nm或小于约100nm。在某些实施方式中，聚合物颗粒的直径是至少约1nm、至少约100nm、至少约300nm、至少约500nm、至少约700nm、至少约900nm、至少约1μm、至少约2μm、至少约3μm或至少约4μm。具有其它形状的聚合物颗粒，例如扁平、矩形、三角形或多边形的任何组合，可以用于形成多孔聚合物层。在一些实施方式中，多孔聚合物层进一步包含粘结剂材料。可以通过在多孔基材的至少一个表面上涂覆聚合物颗粒和粘结剂材料的混合物来形成多孔聚合物层。
在某些实施方式中，多孔聚合物层不包含聚合物颗粒，且是包含孔的微孔膜，其中孔均匀分布在其中。
在一些实施方式中，多孔聚合物层的熔点是约100℃至约300℃、约100℃至约250℃、约150℃至约300℃、约150℃至约250℃、约150℃至约200℃、约170℃至约300℃、约170℃至约250℃、约200℃至约300℃或约200℃至约250℃。在某些实施方式中多孔聚合物层的熔点低于约300℃、低于约280℃、低于约260℃、低于约250℃、低于约240℃、低于约220℃、低于约200℃、低于约190℃、低于约180℃、低于约170℃或低于约160℃。
多孔基材的熔点至少比多孔聚合物层的熔点高30℃。熔点的差异可允许多孔聚合物层熔化但不熔化多孔基材，使得多孔基材在多孔聚合物层熔化过程中可保持完整。如果多孔基材在多孔聚合物层熔化期间收缩，阳极和阴极会接触，导致短路。在一些实施方式中，多孔基材的熔点比多孔聚合物层的熔点高约30℃至约300℃、约30℃至约250℃、约30℃至约200℃、约30℃至约150℃、约50℃至约300℃、约50℃至约200℃、约50℃至约150℃、约70℃至约300℃、约70℃至约250℃、约70℃至约200℃、约100℃至约300℃或约100℃至约250℃的温度。在某些实施方式中，多孔基材的熔点比多孔聚合物层的熔点高至少约30℃、至少约35℃、至少约40℃、至少约45℃、至少约50℃、至少约55℃、至少约60℃、至少约65℃、至少约70℃、至少约75℃、至少约80℃、至少约85℃、至少约90℃、至少约95℃、至少约100℃、至少约110℃、至少约120℃、至少约130℃、至少约140℃、至少约150℃、至少约170℃、至少约200℃或至少约250℃的温度。
当多孔聚合物层的厚度小于10μm时，过充期间抑制过度高温的效果不足够，从而引起火灾或爆炸。当多孔聚合物层的厚度大于30μm时，增加的隔膜厚度增大了锂离子电池的内电阻，且占用了填充电极活性材料的空间，引起容量降低、电压降低和能量密度受损。在一些实施方式中，多孔聚合物层的厚度是约10μm至约30μm、约10μm至约28μm、约10μm至约26μm、约10μm至约25μm、约10μm至约24μm、约10μm至约22μm、约10μm至约20μm、约10μm至约18μm、约10μm至约16μm、约10μm至约15μm、约12μm至约30μm、约12μm至约28μm、约12μm至约26μm、约12μm至约25μm、约12μm至约24μm、约12μm至约22μm、约12μm至约20μm、约12μm至约18μm、约12μm至约16μm、约15μm至约30μm、约15μm至约28μm、约15μm至约26μm、约15μm至约25μm、约15μm至约20μm、约18μm至约30μm、约18μm至约28μm、约18μm至约25μm、约20μm至约30μm、约20μm至约28μm、约20μm至约25μm或约25μm至约30μm。在某些实施方式中，多孔聚合物层的厚度是至少约10μm、至少约11μm、至少约12μm、至少约13μm、至少约14μm、至少约15μm、至少约16μm、至少约17μm、至少约18μm、至少约19μm、至少约20μm、至少约21μm、至少约22μm、至少约23μm、至少约24μm、至少约25μm、至少约26μm、至少约27μm、至少约28μm或至少约29μm。在一些实施方式中，多孔聚合物层的厚度小于约30μm、小于约29μm、小于约28μm、小于约27μm、小于约26μm、小于约25μm、小于约24μm、小于约23μm、小于约22μm、小于约21μm、小于约20μm、小于约19μm、小于约18μm、小于约17μm、小于约16μm、小于约15μm、小于约14μm、小于约13μm、小于约12μm或小于约11μm。在某些实施方式中，多孔聚合物层的厚度是约10μm、约11μm、约12μm、约13μm、约14μm、约15μm、约16μm、约17μm、约18μm、约19μm、约20μm、约21μm、约22μm、约23μm、约24μm、约25μm、约26μm、约27μm、约28μm、约29μm或约30μm。
在一些实施方式中，多孔基材的厚度是约5μm至约25μm、约5μm至约20μm、约5μm至约15μm、约10μm至约25μm、约10μm至约20μm或约15μm至约25μm。在某些实施方式中，多孔基材的厚度小于约25μm、小于约20μm、小于约15μm或小于约10μm。在一些实施方式中，多孔基材的厚度是至少约5μm、至少约10μm、至少约15μm或至少约20μm。
增加的隔膜厚度增加了离子移动穿过隔膜的阻力。当使用的隔膜的厚度大于约40μm时，电阻明显增加。在一些实施方式中，隔膜的厚度是约10μm至约40μm、约10μm至约30μm、约15μm至约40μm、约15μm至约35μm、约15μm至约30μm、约15μm至约25μm、约15μm至约20μm、约20μm至约40μm、约20μm至约35μm、约20μm至约30μm、约25μm至约40μm、约25μm至约35μm或约30μm至约40μm。在某些实施方式中，隔膜的厚度小于约40μm、小于约35μm、小于约30μm、小于约25μm、小于约20μm或小于约15μm。在一些实施方式中，隔膜的厚度是至少约10μm、至少约15μm、至少约20μm、至少约25μm、至少约30μm或至少约35μm。
当多孔聚合物层的面密度小于9g/m2时，熔化的聚合物不足以确保电池的安全性。然而，当多孔聚合物层的面密度大于30g/m2时，由于电解质不能容易地扩散通过隔膜，这与孔隙率降低和因此在电池中电阻增大有关，从而影响电池的电化学性能。在一些实施方式中，多孔聚合物层的面密度是约9g/m2至约30g/m2、约9g/m2至约28g/m2、约9g/m2至约26g/m2、约9g/m2至约25g/m2、约9g/m2至约24g/m2、约9g/m2至约22g/m2、约9g/m2至约20g/m2、约9g/m2至约18g/m2、约9g/m2至约16g/m2、约9g/m2至约15g/m2、约11g/m2至约30g/m2、约11g/m2至约28g/m2、约11g/m2至约26g/m2、约11g/m2至约25g/m2、约11g/m2至约24g/m2、约11g/m2至约22g/m2、约11g/m2至约20g/m2、约11g/m2至约18g/m2、约15g/m2至约30g/m2、约15g/m2至约28g/m2、约15g/m2至约26g/m2、约15g/m2至约25g/m2、约15g/m2至约24g/m2、约15g/m2至约22g/m2、约15g/m2至约20g/m2、约18g/m2至约30g/m2、约18g/m2至约28g/m2、约18g/m2至约26g/m2、约18g/m2至约25g/m2、约18g/m2至约24g/m2、约20g/m2至约30g/m2、约20g/m2至约28g/m2、约20g/m2至约26g/m2、约20g/m2至约25g/m2、约22g/m2至约30g/m2、约22g/m2至约28g/m2或约25g/m2至约30g/m2。在某些实施方式中，多孔聚合物层的面密度是至少约9g/m2、至少约10g/m2、至少约11g/m2、至少约12g/m2、至少约13g/m2、至少约14g/m2、至少约15g/m2、至少约16g/m2、至少约17g/m2、至少约18g/m2、至少约19g/m2、至少约20g/m2、至少约21g/m2、至少约22g/m2、至少约23g/m2、至少约24g/m2、至少约25g/m2、至少约26g/m2、至少约27g/m2、至少约28g/m2或至少约29g/m2。在一些实施方式中，多孔聚合物层的面密度是小于约30g/m2、小于约29g/m2、小于约28g/m2、小于约27g/m2、小于约26g/m2、小于约25g/m2、小于约24g/m2、小于约23g/m2、小于约22g/m2、小于约21g/m2、小于约20g/m2、小于约19g/m2、小于约18g/m2、小于约17g/m2、小于约16g/m2、小于约15g/m2、小于约14g/m2、小于约13g/m2、小于约12g/m2、小于约11g/m2或小于约10g/m2。在某些实施方式中，多孔聚合物层的面密度是约10g/m2、约11g/m2、约12g/m2、约13g/m2、约14g/m2、约15g/m2、约16g/m2、约17g/m2、约18g/m2、约19g/m2、约20g/m2、约21g/m2、约22g/m2、约23g/m2、约24g/m2、约25g/m2、约26g/m2、约27g/m2、约28g/m2、约29g/m2或约30g/m2。
在一些实施方式中，多孔基材的面密度是约1g/m2至约25g/m2、约1g/m2至约20g/m2、约1g/m2至约15g/m2、约1g/m2至约10g/m2、约5g/m2至约25g/m2、约5g/m2至约20g/m2、约5g/m2至约15g/m2、约10g/m2至约25g/m2、约10g/m2至约20g/m2或约10g/m2至约15g/m2。在某些实施方式中，多孔基材的面密度小于约25g/m2、小于约20g/m2、小于约15g/m2、小于约10g/m2或小于约5g/m2。在一些实施方式中，多孔基材的面密度大于约1g/m2、大于约5g/m2、大于约10g/m2、大于约15g/m2或大于约20g/m2。
多孔基材和多孔聚合物层中的每一者独立地包含多个从多孔基材和多孔聚合物层的顶部表面延伸到底部表面的孔以用于锂离子移动。在一些实施方式中，多孔基材和多孔聚合物层具有相同的孔图案。在某些实施方式中，多孔基材和多孔聚合物层具有不同的孔图案。在一些实施方式中，多孔基材的孔的孔图案和/或多孔聚合物层的孔的孔图案在顶部表面和底部表面可以相同或不同。在某些实施方式中，多孔基材和多孔聚合物层的一些孔相互连接，以形成穿过隔膜的连续多孔网络。在某些实施方式中，多孔基材和多孔聚合物层中的每一者独立地包含直的和/或弯曲的通道。在一些实施方式中，多孔基材和多孔聚合物层中的一些通道不是相互连接的。在某些实施方式中，多孔基材和多孔聚合物层中的每一者的通道独立地不是直的或弯曲的。
本发明的隔膜大大地降低了内部短路的风险，然而隔膜的渗透性不受负面影响。在一些实施方式中，多孔基材的孔径是约2μm至约50μm、约2μm至约40μm、约2μm至约30μm、约2μm至约20μm、约2μm至约10μm、约10μm至约50μm、约10μm至约40μm、约10μm至约30μm或约20μm至约40μm。在某些实施方式中，多孔基材的孔径小于约50μm、小于约40μm、小于约30μm、小于约20μm或小于约10μm。在一些实施方式中，多孔基材的孔径大于约2μm、大于约10μm、大于约20μm、大于约30μm或大于约40μm。
在某些实施方式中，多孔聚合物层的孔径是约50nm至约2μm、约50nm至约1μm、约50nm至约800nm、约50nm至约600nm、约50nm至约500nm、约50nm至约300nm或约50nm至约200nm。在一些实施方式中，多孔聚合物层的孔径小于约2μm、小于约1μm、小于约800nm、小于约600nm、小于约500nm、小于约300nm或小于约100nm。在某些实施方式中，多孔聚合物层的孔径是至少约50nm、至少约100nm、至少约300nm、至少约500nm、至少约700nm、至少约900nm或至少约1μm。
在一些实施方式中，隔膜的孔径是约50nm至约50μm、约50nm至约30μm、约50nm至约10μm、约50nm至约1μm、约50nm至约500nm、约500nm至约50μm、约500nm至约10μm或约500nm至约1μm。在某些实施方式中，隔膜的孔径小于约50μm、小于约30μm、小于约10μm、小于约1μm或小于约500nm。在一些实施方式中，隔膜的孔径大于约50nm、大于约500nm、大于约1μm、大于约10μm或大于约30μm。
在一些实施方式中，多孔基材的孔隙率是约1％至约40％、约1％至约35％、约1％至约30％、约1％至约25％、约1％至约20％、约1％至约15％、约1％至约10％、约1％至约5％、约3％至约40％、约3％至约30％、约3％至约20％、约3％至约10％、约10％至约40％、约10％至约30％、约10％至约20％或约20％至约40％。在某些实施方式中，多孔基材的孔隙率小于约40％、小于约35％、小于约30％、小于约25％、小于约20％、小于约15％、小于约10％或小于约5％。在一些实施方式中，多孔基材的孔隙率大于约1％、大于约2％、大于约3％、大于约4％、大于约5％、大于约10％、大于约15％、大于约20％、大于约25％、大于约30％或大于约35％。
在某些实施方式中，隔膜的孔隙率是约30％至约55％、约30％至约50％、约30％至约45％、约30％至约40％、约30％至约35％、约40％至约55％、约40％至约50％或约45％至约55％。在一些实施方式中，隔膜的孔隙率小于约55％、小于约50％、小于约45％、小于约40％或小于约35％。在某些实施方式中，隔膜的孔隙率大于约30％、大于约35％、大于约40％、大于约45％或大于约50％。
Gurley值是确定多孔膜的渗透性或弯曲度的测量单位。低的Gurley值确保通过隔膜的良好微观传质。传质与电池的电阻相关。在一些实施方式中，多孔基材和隔膜的Gurley值中的每一者独立地是约1秒/100cm3至约200秒/100cm3、约1秒/100cm3至约150秒/100cm3、约1秒/100cm3至约100秒/100cm3、约1秒/100cm3至约50秒/100cm3、约1秒/100cm3至约20秒/100cm3、约50秒/100cm3至约200秒/100cm3、约50秒/100cm3至约150秒/100cm3或约100秒/100cm3至约200秒/100cm3。在某些实施方式中，多孔基材和隔膜的Gurley值中的每一者独立地小于约200秒/100cm3、小于约150秒/100cm3、小于约100秒/100cm3、小于约50秒/100cm3、小于约20秒/100cm3、小于约15秒/100cm3、小于约10秒/100cm3、小于约8秒/100cm3、小于约6秒/100cm3、小于约5秒/100cm3或小于约4秒/100cm3。在一些实施方式中，多孔基材和隔膜的Gurley值中的每一者独立地大于约1秒/100cm3、大于约10秒/100cm3、大于约20秒/100cm3、大于约50秒/100cm3、大于约100秒/100cm3或大于约150秒/100cm3。
在某些实施方式中，多孔聚合物层进一步包含选自由Al2O3、SiO2、TiO2、ZrO2、Mg(OH)2、MgO、SnO2、CaCO3、BaSO4、TiN、AlN、Na2O·mTiO2、K2O·nTiO2、BaOx、MTiO3及其组合构成的群组的无机材料，其中m是3或6，n是1、2、4、6或8，x是1或2，且M是Ba、Sr或Ca。无机材料均匀地分布在多孔聚合物层。在一些实施方式中，多孔聚合物层不含无机材料。在某些实施方式中，无机材料不是Al2O3、SiO2、TiO2、ZrO2、Mg(OH)2、MgO、SnO2、CaCO3、BaSO4、TiN、AlN、Na2O·mTiO2、K2O·nTiO2、BaOx、MTiO3或其组合，其中m是3或6，n是1、2、4、6或8，x是1或2，且M是Ba、Sr或Ca。包含无机材料的多孔聚合物层示出提高的机械稳定性，改善了隔膜的抗穿刺性。
无机材料可以是球形、片状、盘状、针状、圆柱形、不规则形状或其他已知的颗粒形状。在一些实施方式中，无机材料不是球形、片状、盘状、针状、圆柱形或不规则形状。
在某些实施方式中，无机材料的直径是约1nm至约5μm、约1nm至约1μm、约1μm至约5μm、约1nm至约800nm、约1nm至约600nm、约1nm至约500nm、约1nm至约400nm、约1nm至约200nm、约100nm至约1μm、约100nm至约500nm、约300nm至约800nm、约1μm至约4μm、约1μm至约3μm、约1μm至约2μm或约2μm至约4μm。在一些实施方式中，无机材料的直径小于约5μm、小于约4μm、小于约3μm、小于约2μm、小于约1μm、小于约800nm、小于约600nm、小于约500nm、小于约300nm或小于约100nm。在某些实施方式中，无机材料的直径大于约1nm、大于约100nm、大于约300nm、大于约500nm、大于约700nm、大于约900nm、大于约1μm或大于约3μm。
在一些实施方式中，多孔聚合物层包含选自由聚偏二氟乙烯、聚(偏二氟乙烯)-六氟丙烯、聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚缩醛、聚醚醚酮、聚砜、聚苯醚、聚苯硫醚、聚乙烯吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚亚甲基氧化物、聚四氟乙烯、聚氟化乙烯、聚乙烯、高密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、低密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚戊烯及其组合构成的群组的聚合物和无机材料的混合物。在某些实施方式中，聚合物是多孔聚合物层中的主要组分。在一些实施方式中，基于多孔聚合物层的总重量，在多孔聚合物层中的聚合物的量是按重量计约70％至约99％、约75％至约99％、约80％至约99％、约85％至约99％、约90％至约99％、约70％至约95％、约70％至约90％、约70％至约85％、约80％至约95％、约85％至约95％或约80％至约90％。在某些实施方式中，基于多孔聚合物层的总重量，在多孔聚合物层中的聚合物的量是按重量计少于约99％、少于约95％、少于约90％、少于约85％或少于约80％。在一些实施方式中，基于多孔聚合物层的总重量，在多孔聚合物层中的聚合物的量是按重量计大于约70％、大于约75％、大于约80％、大于约85％、大于约90％、大于约95％或大于约99％。在某些实施方式中，基于多孔聚合物层的总重量，在多孔聚合物层中的聚合物的量是按重量计约70％、约75％、约80％、约85％、约90％、约95％或约99％。
在某些实施方式中，无机材料在多孔聚合物层中是次要组分。在一些实施方式中，基于多孔聚合物层的总重量，在多孔聚合物层中的无机材料的量是按重量计约0.1％至约50％、约0.1％至约40％、约0.1％至约30％、约0.1％至约20％、约0.1％至约10％、约0.1％至约5％、约0.1％至约4％、约0.1％至约3％、约0.1％至约2％、约0.1％至约1％、约0.1％至约0.5％、约1％至约30％、约1％至约25％、约1％至约20％、约1％至约15％、约1％至约10％、约1％至约8％、约1％至约6％、约1％至约5％、约1％至约4％、约1％至约3％、约1％至约2％、约2％至约10％或约3％至约10％。在某些实施方式中，基于多孔聚合物层的总重量，在多孔聚合物层中的无机材料的量是按重量计少于约50％、少于约40％、少于约30％、少于约25％、少于约20％、少于约15％、少于约10％、少于约5％、少于约4％、少于约3％、少于约2％、少于约1％、少于约0.5％或少于约0.1％。在一些实施方式中，基于多孔聚合物层的总重量，在多孔聚合物层中的无机材料的量是按重量计多于约0.1％、多于约0.5％、多于约1％、多于约2％、多于约3％、多于约4％、多于约5％、多于约10％、多于约15％、多于约20％或多于约25％。在某些实施方式中，基于多孔聚合物层的总重量，在多孔聚合物层中的无机材料的量是按重量计约0.1％、约0.5％、约1％、约2％、约3％、约4％、约5％、约10％、约15％、约20％、约25％或约30％。
在一些实施方式中，在多孔聚合物层中的聚合物的量和无机材料的量的比是约5∶1至约100∶1、约6∶1至约100∶1、约7∶1至约100∶1、约7.5∶1至约100∶1、约8∶1至约100∶1、约8.5∶1至约100∶1、约9∶1至约100∶1、约9.5∶1至约100∶1、约8∶1至约50∶1、约8.5∶1至约50∶1、约9∶1至约50∶1或约9∶1至约20∶1。在某些实施方式中，在多孔聚合物层中的聚合物的量和无机材料的量的比是至少约5∶1、至少约5.5∶1、至少约6∶1、至少约6.5∶1、至少约7∶1、至少约7.5∶1、至少约8∶1、至少约8.5∶1或至少约9∶1。
在一些实施方式中，多孔聚合物层进一步包含粘结剂材料。在某些实施方式中，粘结剂材料选自由丁苯橡胶(SBR)、羧甲基纤维素(CMC)、聚偏二氟乙烯、丙烯腈共聚物、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚(偏二氟乙烯)-六氟丙烯、乳胶、海藻酸盐、LA132、LA133及其组合构成的群组。在一些实施方式中，海藻酸盐包含选自Na、Li、K、Ca、NH4、Mg、Al或其组合的阳离子。在某些实施方式中，多孔聚合物层不含粘结剂材料。
在某些实施方式中，基于多孔聚合物层的总重量，多孔聚合物层中的粘结剂材料的量是按重量计约0.1％至约20％、约0.1％至约15％、约0.1％至约10％、约0.1％至约8％、约0.1％至约6％、约0.1％至约5％、约0.1％至约4％、约0.1％至约3％、约0.1％至约2％、约0.1％至约1％、约0.1％至约0.5％、约1％至约20％、约1％至约15％、约1％至约10％、约1％至约8％、约1％至约6％、约1％至约5％、约1％至约4％或约2％至约10％。在一些实施方式中，基于多孔聚合物层的总重量，多孔聚合物层中的粘结剂材料的量是按重量计少于约20％、少于约15％、少于约10％、少于约5％、少于约4％、少于约3％、少于约2％、少于约1％或少于约0.5％。在某些实施方式中，基于多孔聚合物层的总重量，多孔聚合物层中的粘结剂材料的量是按重量计至少约0.1％、至少约0.5％、至少约1％、至少约2％、至少约3％、至少约4％、至少约5％、至少约10％或至少约15％。
在一些实施方式中，多孔聚合物层进一步包含例如分散剂、表面活性剂或增塑剂的添加剂。在一些实施方式中，分散剂是聚羧酸、N，N-二甲基丙烯酰胺、N，N-二甲基氨基乙基丙烯酸酯、丙烯腈、丙烯酸乙酯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸、丙烯酸羟丁酯或其组合。在某些实施方式中，增塑剂是邻苯二甲酸酯基酯、环状碳酸酯、聚合碳酸酯或其组合。添加剂的使用提高了隔膜的机械强度。
当基于多孔聚合物层的总重量，多孔聚合物层中的分散剂、表面活性剂或增塑剂的量是按重量计大于10％时，电池的电化学性能降低。在一些实施方式中，基于多孔聚合物层的总重量，多孔聚合物层中的分散剂、表面活性剂或增塑剂的量是按重量计约0.1％至约10％、约0.1％至约8％、约0.1％至约6％、约0.1％至约5％、约0.1％至约4％、约0.1％至约3％、约0.1％至约2％、约0.1％至约1％、约0.1％至约0.5％、约1％至约10％、约1％至约8％、约1％至约6％、约1％至约5％、约1％至约4％、约1％至约3％、约2％至约10％、约2％至约8％或约3％至约9％。在某些实施方式中，基于多孔聚合物层的总重量，多孔聚合物层中的分散剂、表面活性剂或增塑剂的量是按重量计少于约20％、少于约15％、少于约10％、少于约8％、少于约6％、少于约5％、少于约4％、少于约3％、少于约2％、少于约1％、少于约0.5％或少于约0.1％。在一些实施方式中，多孔聚合物层不含添加剂。
电极组件包含至少一个阴极、至少一个阳极和放置在至少一个阴极和至少一个阳极之间的隔膜。电极组件可以通过将隔膜片折叠成具有多个Z形折叠的形状来形成，且阴极和阳极交替地布置在每个折叠中。阳极以规则的间隔布置在隔膜的一侧，且阴极以规则的间隔布置在隔膜的另一侧。在一些实施方式中，电极组件配置成Z形折叠堆。在某些实施方式中，电极组件具有卷绕式配置。
在一些实施方式中，隔膜的宽度大于至少一个阴极和至少一个阳极的宽度，来确保阴极和阳极不会相互接触。当多孔聚合物层熔化时，多孔聚合物层的孔关闭，且熔化的聚合物形成覆盖阴极的两个表面的绝缘层。该宽度是在垂直于隔膜的折叠或卷绕方向的方向上测量的。在一些实施方式中，隔膜的宽度和至少一个阴极的宽度的比是约1.01至约1.3、约1.01至约1.25、约1.01至约1.2、约1.01至约1.15、约1.01至约1.1、约1.01至约1.05、约1.05至约1.3、约1.05至约1.25、约1.05至约1.2、约1.05至约1.15、约1.05至约1.1、约1.1至约1.3、约1.1至约1.25、约1.1至约1.2、约1.1至约1.15、约1.15至约1.3、约1.15至约1.25、约1.15至约1.2、约1.2至约1.3或约1.2至约1.25。在某些实施方式中，隔膜的宽度和至少一个阴极的宽度的比是小于约1.3、小于约1.25、小于约1.2、小于约1.15、小于约1.1、小于约1.05或小于约1.01。在一些实施方式中，隔膜的宽度和至少一个阴极的宽度的比是大于约1.01、大于约1.05、大于约1.1、大于约1.15、大于约1.2或大于约1.25。在某些实施方式中，隔膜的宽度和至少一个阴极的宽度的比是约1.01、约1.05、约1.1、约1.15、约1.2、约1.25或约1.3。在其它实施方式中，隔膜的宽度和至少一个阴极的宽度不同，且至少一个阴极的宽度大于至少一个阳极的宽度。
至少一个阴极包含涂覆在阴极集流器的一个或两个表面上的阴极电极层。至少一个阳极包含涂覆在阳极集流器的一个或两个表面上的阳极电极层。在一些实施方式中，至少一个阴极和至少一个阳极的集流器中的每一者，可以是箔、片或膜的形式，独立地是不锈钢、钛、镍、铝、铜或导电树脂。在某些实施方式中，至少一个阴极的集流器是铝薄膜。在一些实施方式中，至少一个阳极的集流器是铜薄膜。
阴极电极层包含阴极活性材料、导电剂和粘结剂材料。阳极电极层包含阳极活性材料、导电剂和粘结剂材料。
阴极电极层或阳极电极层可以通过将包含分散在溶剂中的阴极活性材料或阳极活性材料、导电剂和粘结剂材料的阴极浆料或阳极浆料涂覆在阴极集流器或阳极集流器上，随后干燥来形成。
在一些实施方式中，阴极浆料的溶剂和阳极浆料的溶剂中的每一者独立地选自由N-甲基-2-吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、乙腈、碳酸亚丁酯、碳酸亚丙酯、溴乙烷、四氢呋喃、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、碳酸亚乙酯、水、纯水、去离子水、蒸馏水、乙醇、异丙醇、甲醇、丙酮、正丙醇、叔丁醇及其组合构成的群组。
可以使用水性溶剂作为溶剂来制备阴极浆料或阳极浆料以减少有害有机溶剂的使用。在某些实施方式中，阴极浆料的溶剂和阳极浆料的溶剂中的每一者独立地不含有机溶剂。在一些实施方式中，阴极浆料的溶剂和阳极浆料的溶剂中的每一者独立地不含N-甲基-2-吡咯烷酮。
引起热失控的阀值同样与阴极活性材料的能量密度和电池的容量相关。使用越大的电池和/或越高的能量密度的阴极活性材料，过充的电池的问题就越多，这是因为更多的能量储存在电池中。
在一些实施方式中，阴极活性材料是选自由Li1+xNiaMnbCocAl(1-a-b-c)O2、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、Li2MnO3、LiCrO2、Li4Ti5O12、LiV2O5、LiTiS2、LiMoS2、LiNi0.5Mn1.5O4、LiNi0.4Mn1.6O4及其组合构成的群组的锂过渡金属氧化物；其中0≤x≤0.2、0＜a≤1、0≤b＜1、0≤c＜1和a+b+c≤1。
在某些实施方式中，阴极活性材料是选自由Li1+xNiO2、Li1+xNiaMnbO2、Li1+ xNiaCocO2、Lil+xNiaMnbCocO2、Li1+xNiaCocAl(1-a-c)O2及其组合构成的群组的含镍阴极活性材料；其中0≤x≤0.2、0＜a≤1、0≤b≤1、0≤c≤1和a+b+c≤1。在某些实施方式中，阴极活性材料是选自由Li1+xNiO2、Li1+xNiaMnbO2、Li1+xNiaCocO2、Li1+xNiaMnbCocO2、Li1+xNiaCocAl(1-a-c)O2及其组合构成的群组的含镍阴极活性材料；其中0≤x≤0.2、0.3≤a≤1、0≤b≤0.6、0≤c≤0.6和a+b+c≤1。在一些实施方式中，阴极活性材料是选自由Li1+xNiO2、Li1+xNiaMnbO2、Li1+ xNiaCocO2、Li1+xNiaMn-bCocO2、Li1+xNiaCocAl(1-a-c)O2及其组合构成的群组的富镍阴极活性材料；其中0≤x≤0.2、0.5≤a≤1、0≤b≤0.3、0≤c≤0.3和a+b+c≤1。
在某些实施方式中，阴极活性材料是选自由LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2、LiNi0.4Mn0.4Co0.2O2、LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2、LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2、LiNi0.7Mn0.15Co0.15O2、LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2、LiNi0.aMn0.05Co0.15O2、Li0.9Mn0.05Co0.05O2、LiNi0.92Mn0.04Co0.04O2、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2、LiNi0.5Mn0.5O2、LiNi0.6Mn0.4O2、LiNi0.7Mn0.3O2、LiNi0.8Mn0.2O2、LiNi0.5Co0.5O2、LiNi0.6Co0.4O2、LiNi0.7Co0.3O2、LiNi0.8Co0.2O2、LiNiO2及其组合构成的群组。
在一些实施方式中，阴极活性材料包含或其本身即为具有核结构及壳结构的核-壳复合物，其中核及壳各自独立地包含锂过渡金属氧化物，其选自由Li1+ xNiaMnbCocAl(1-a-b-c)O2、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、Li2MnO3、LiCrO2、Li4Ti5O12、LiV2O5、LiTiS2、LiMoS2、LiNi0.5Mn1.5O4、LiNi0.4Mn1.6O4及其组合构成的群组；其中0≤x≤0.2、0＜a≤1、0≤b＜1、0≤c＜1和a+b+c≤1。在某些实施方式中，阴极活性材料不包含核结构及壳结构。
在某些实施方式中，阳极活性材料选自由石墨、天然石墨颗粒、合成石墨颗粒、硬碳、中间相碳、Sn颗粒、Li4Ti5O12颗粒、Si颗粒、Si-C复合颗粒及其组合构成的群组。
在一些实施方式中，阳极活性材料包含或其本身即为具有核结构及壳结构的核-壳复合物，其中核及壳各自独立地选自由石墨、天然石墨颗粒、合成石墨颗粒、硬碳、中间相碳、Sn颗粒、Li4Ti5O12颗粒、Si颗粒、Si-C复合颗粒及其组合构成的群组。在某些实施方式中，阳极活性材料不包含核结构及壳结构。
在某些实施方式中，阴极活性材料和阳极活性材料分别是阴极电极层和阳极电极层中的主要组分。在一些实施方式中，基于阴极电极层或阳极电极层的总重量，阴极活性材料和阳极活性材料中的每一者的量独立地是按重量计约70％至约99％、约70％至约95％、约70％至约90％、约70％至约85％、约70％至约80％、约80％至约99％、约80％至约95％、约80％至约90％、约85％至约95％、约85％至约90％或约90％至约99％。在某些实施方式中，基于阴极电极层或阳极电极层的总重量，阴极活性材料和阳极活性材料中的每一者的量独立地是按重量计少于约99％、少于约95％、少于约90％、少于约85％、少于约80％或少于约75％。在一些实施方式中，基于阴极电极层或阳极电极层的总重量，阴极活性材料和阳极活性材料中的每一者的量独立地是按重量计大于约70％、大于约75％、大于约80％、大于约85％、大于约90％或大于约95％。
在某些实施方式中，至少一个阴极和至少一个阳极中的导电剂独立地选自由碳、炭黑、乙炔黑、Super P、石墨烯、石墨烯纳米片、碳纤维、碳纳米纤维、石墨化碳片、碳管、碳纳米管、活性碳、介孔碳及其组合构成的群组。
在一些实施方式中，基于阴极电极层或阳极电极层的总重量，在阴极电极层和阳极电极层的导电剂中的每一者的量独立地是按重量计约1％至约20％、约1％至约15％、约1％至约10％、约1％至约8％、约1％至约6％、约1％至约5％、约1％至约4％、约1％至约3％、约2％至约10％、约2％至约8％或约3％至约10％。在某些实施方式中，基于阴极电极层或阳极电极层的总重量，在阴极电极层和阳极电极层的导电剂中的每一者的量独立地是按重量计少于约20％、少于约15％、少于约10％、少于约5％、少于约4％、少于约3％、少于约2％或少于约1％。在一些实施方式中，基于阴极电极层或阳极电极层的总重量，在阴极电极层和阳极电极层的导电剂中的每一者的量独立地是按重量计大于约1％、大于约2％、大于约3％、大于约4％、大于约5％或大于约10％。
在某些实施方式中，在阴极电极层和阳极电极层的粘结剂材料中的每一者独立地选自由丁苯橡胶、羧甲基纤维素、聚偏二氟乙烯、丙烯腈共聚物、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚(偏二氟乙烯)-六氟丙烯、乳胶、海藻酸盐、LA132、LA133及其组合构成的群组。在一些实施方式中，海藻酸盐包含选自Na、Li、K、Ca、NH4、Mg、Al或其组合的阳离子。
在某些实施方式中，基于阴极电极层或阳极电极层的总重量，在阴极电极层和阳极电极层的粘结剂材料中的每一者的量独立地是按重量计约1％至约20％、约1％至约15％、约1％至约10％、约1％至约8％、约1％至约6％、约1％至约5％、约1％至约4％、约2％至约10％、约2％至约8％或约3％至约10％。在一些实施方式中，基于阴极电极层或阳极电极层的总重量，在阴极电极层和阳极电极层的粘结剂材料中的每一者的量独立地是按重量计小于约20％、小于约15％、小于约10％、小于约8％、小于约6％、小于约5％、小于约4％、小于约3％、小于约2％或小于约1％。在某些实施方式中，基于阴极电极层或阳极电极层的总重量，在阴极电极层和阳极电极层的粘结剂材料中的每一者的量独立地是按重量计大于约1％、大于约2％、大于约3％、大于约4％、大于约5％、大于约6％、大于约8％或大于约10％。
在一些实施方式中，阴极电极层的厚度是约50μm至约150μm、约50μm至约120μm、约50μm至约100μm、约50μm至约80μm、约80μm至约150μm、约80μm至约120μm或约100μm至约150μm。在某些实施方式中，阴极电极层的厚度小于约150μm、小于约120μm、小于约100μm或小于约80μm。在一些实施方式中，阴极电极层的厚度大于约50μm、大于约80μm、大于约100μm或大于约120μm。
在某些实施方式中，阴极集流器的厚度是约10μm至约25μm、约10μm至约22μm、约10μm至约20μm、约10μm至约18μm、约10μm至约15μm、约15μm至约25μm、约15μm至约20μm或约18μm至约25μm。在一些实施方式中，阴极集流器的厚度小于约25μm、小于约22μm、小于约20μm、小于约18μm或小于约15μm。在某些实施方式中，阴极集流器的厚度大于约10μm、大于约15μm、大于约18μm、大于约20μm或大于约22μm。
在一些实施方式中，至少一个阴极的厚度是约60μm至约180μm、约60μm至约150μm、约60μm至约120μm、约60μm至约100μm、约90μm至约180μm、约90μm至约150μm或约120μm至约180μm。在某些实施方式中，至少一个阴极的厚度小于约180μm、小于约150μm、小于约120μm或小于约90μm。在一些实施方式中，至少一个阴极的厚度大于约60μm、大于约100μm、大于约120μm或大于约150μm。
在某些实施方式中，阳极电极层的厚度是约40μm至约140μm、约40μm至约100μm、约40μm至约80μm、约80μm至约140μm或约100μm至约140μm。在一些实施方式中，阳极电极层的厚度小于约140μm、小于约100μm或小于约80μm。在某些实施方式中，阳极电极层的厚度大于约40μm、大于约80μm或大于约100μm。
在一些实施方式中，阳极集流器的厚度是约6μm至约20μm、约6μm至约18μm、约6μm至约15μm、约6μm至约12μm、约10μm至约20μm、约10μm至约15μm或约12μm至约20μm。在某些实施方式中，阳极集流器的厚度小于约20μm、小于约18μm、小于约16μm、小于约14μm、小于约12μm或小于约10μm。在一些实施方式中，阳极集流器的厚度大于约6μm、大于约8μm、大于约10μm、大于约12μm、大于约14μm、大于约16μm或大于约18μm。
在某些实施方式中，至少一个阳极的厚度是约45μm至约160μm、约45μm至约120μm、约45μm至约100μm、约45μm至约80μm、约80μm至约160μm或约100μm至约160μm。在一些实施方式中，至少一个阳极的厚度小于约160μm、小于约120μm、小于约100μm或小于约80μm。在某些实施方式中，至少一个阳极的厚度大于约45μm、大于约80μm、大于约100μm或大于约120μm。
锂离子电池包含浸渍在电解质中的电极组件。在一些实施方式中，电解质是选自由碳酸酯基、酯基、醚基或其它非质子溶剂的非水性有机溶剂。碳酸酯基溶剂的一些非限制性示例包括碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯、碳酸甲丙酯、碳酸乙丙酯、碳酸甲乙酯、碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯及其组合。酯基溶剂的一些非限制性示例包括乙酸甲酯、丙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸正丙酯、乙酸二甲酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯及其组合。醚基溶剂的一些非限制性示例包括二丁基醚、四甘醇二甲醚、二甘醇二甲醚、二甲氧基乙烷、2-甲基四氢呋喃、四氢呋喃及其组合。其它非质子溶剂的一些非限制性示例包括溴甲烷、溴乙烷、甲酸甲酯、乙腈、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮及其组合。非水性有机溶剂可以单独使用或在混合物中使用。当在混合物中使用有机溶剂时，可以根据想要的电池性能来控制混合物的比例。
在一些实施方式中，电解质组合物包含电解质和溶解在其中的锂盐。锂盐溶解在非水性有机溶剂中并在可充电锂电池中提供锂离子。电解质可包含至少一种选自由LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiAsF6、LiClO4、LiCl、LiI、LiB(C2O4)2、LiSO3CF3、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2CF2CF3)2、LiC4F9SO3或其组合构成的群组的锂盐。可以使用浓度是约0.1M至约2.0M的锂盐。更严格的温度条件，例如-30℃可以通过电解质组合物来调控，这是由于在电解质中的锂盐导致的凝固点下降。
在某些实施方式中，电解质组合物进一步包含添加剂。添加剂的一些非限制性示例包括碳酸亚乙烯酯、己烯雌酚、丁烷磺内酯、二甲基硫醚及其组合。在一些实施方式中，基于电解质的总重量或总体积，添加剂的总量是按重量计或体积计约0.1％至约10％、约0.1％至约5％或约0.1％至约2％。
包含本文所公开的隔膜的锂离子电池可以防止电池过充、过电压和过电流和由此导致电池的点燃和/或爆炸。在一些实施方式中，当电池在约3V至约12V、约3V至约10V、约5V至约10V、约6V至约10V、约7V至约10V、约8V至约10V或约9V至约10V的电压下充电时，不会出现锂离子电池的点燃或爆炸。在某些实施方式中，当电池在大于或等于约3V、大于或等于约4V、大于或等于约5V、大于或等于约6V、大于或等于约7V、大于或等于约8V、大于或等于约9V或大于或等于约10V的电压下充电时，不会出现锂离子电池的点燃或爆炸。
在一些实施方式中，当电池在约1C至约3C、约1C至约2C或约2C至约3C的C倍率下充电时，不会出现锂离子电池的点燃或爆炸。在某些实施方式中，当电池在大于或等于约1C、大于或等于约2C或大于或等于约3C的C倍率下充电时，不会出现锂离子电池的点燃或爆炸。
为了例证本发明的实施方式给出以下的实施例。所有的数值是近似值。当给出数值范围时，应该理解，所声明的范围之外的实施方式仍落在本发明的范围内。在各个实施例中描述的特定细节不应该被理解成本发明的必要特征。
实施例
实施例1
A)阴极的制备
通过在10L水中分散50kg阴极活性材料NMC333(来自Shenzhen TianjiaoTechnology Co.Ltd.，中国)、2.5kg炭黑(Super P，来自Timcal Ltd，Bodio，瑞士)和15kg固含量为15wt.％的LA 132(来自Chengdu Indigo Power Sources Co.，Ltd.，中国)来制备阴极浆料。阴极浆料的固含量为70.6wt.％。在室温下，通过搅拌速度为20rpm和分散速度为1,500rpm的行星式搅拌混合器(60L混合器，Chienemei Co.Ltd.，中国)将阴极浆料均质3小时以得到均质化的阴极浆料。
使用转移涂布机将上述制备的均质化的阴极浆料涂覆在厚度为20μm的铝箔的两侧上，其中面密度为约26mg/cm2，并干燥。
B)阳极的制备
通过在20L水中分散25kg的硬碳(HC；99.5％纯度，来自Ruifute TechnologyLtd.，深圳，广东，中国)、0.8kg的炭黑和7.0kg的LA132来制备阳极浆料。阳极浆料的固含量为50.8wt.％。在室温下，通过行星式桨的速度为120rpm和分散桨速度为1,200rpm的行星式搅拌混合器(60L混合器，来自Chienemei Co.Ltd.，中国)将阳极浆料均质4小时以得到均质化的阳极浆料。
通过转移涂布机将阳极浆料涂覆在厚度为9μm的铜箔的两侧上，其中面密度为约15mg/cm2，并干燥。
C)软包电池的装配
干燥后，阴极和阳极分别被切割成宽度分别是48mm和49mm的单个阴极板和阳极板。使用含有厚度为10μm和面密度为12g/m2的PET多孔基材和在其上形成的厚度为15μm和面密度为20g/m2的PVDF多孔聚合物层的隔膜。隔膜的孔隙率为42％，Gurley值为6秒/100cm3，且宽度为53mm。PET多孔基材具有从一个表面延伸横跨至另一表面的垂直通道。隔膜被折叠成Z字形，并以交替插入阳极板和阴极板的方式堆叠来形成电池堆。阴极和阳极放置在同一隔膜的两侧。然后将电池堆封装在由铝-塑复合膜制成的容器(case)中。阴极和阳极片通过隔膜保持分开且该容器是预制成型的。
在具有湿度和氧含量小于1ppm的高纯度氩气气氛下，将电解质填充到容纳所包装的电极的容器中来形成软包电池。电解质是在以体积比为1∶1∶1的碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二甲酯(DMC)的混合物中的LiPF6(1M)的溶液。在电解质填充之后，软包电池被真空密封然后使用具有标准方形的冲压工具机械按压。
实施例1的锂离子电池中使用的组分和参数在表1中示出。
D)软包电池的电化学测量
I)额定容量
在电池测试仪上(BTS-5V20A，来自Neware Electronics Co.Ltd，中国)在25℃下并C/2的电流密度下，电压在3.0V和4.2V之间，恒流地测试该电池。额定容量是约3,300mAh。
II)循环性能
通过在3.0V和4.2V之间在1C的恒定电流倍率下充电和放电，测试软包电池的循环性能。在500次循环之后的容量保持率是初始值的约81％。实施例1的软包电池的电化学性能在表2中示出。
E)软包电池的过充测试
在室温下，在3.0V和4.2V之间以0.2C的倍率将软包电池完全(100％)放电，然后在室温下通过直流电源在10V和3C的倍率(10A)下充电1小时或直到电池电压停止增加。通过对另外2个软包电池过充来重复该步骤以评估安全性能。
在室温下，通过直流电源在10V和3C的倍率(10A)下将软包电池充电1小时。观察到在约20分钟后软包电池完全充电。充电30分钟后，电池电压停止增加且电池温度降低。在充电1小时后所有的软包电池没有出现点燃。实施例1的过充测试结果在表2中示出。
实施例2
通过实施例1的方法来制备软包电池，不同之处在于多孔聚合物层的厚度是30μm而不是15μm，且多孔聚合物层的面密度是9g/m2而不是20g/m2。
实施例3
通过实施例1的方法来制备软包电池，不同之处在于多孔聚合物层的厚度是10μm而不是15μm，且多孔聚合物层的面密度是30g/m2而不是20g/m2。
实施例4
通过实施例1的方法来制备软包电池，不同之处在于使用PVDF多孔聚合物层，其中含有Al2O3颗粒均匀分布在其中来代替纯PVDF多孔聚合物层。多孔聚合物层包含90wt.％的PVDF和10wt.％的Al2O3颗粒。然后将其中一个软包电池拆卸以得到阴极片、阳极片和隔膜片。图1示出拆卸后覆盖有PVDF膜的阴极表面。图3示出在高压过充1小时后的电池。电池的过充没有引起火灾或爆炸。
实施例5
通过实施例4的方法来制备软包电池，不同之处在于多孔聚合物层的厚度是30μm而不是15μm，且多孔聚合物层的面密度是9g/m2而不是20g/m2。
实施例6
通过实施例4的方法来制备软包电池，不同之处在于多孔聚合物层的厚度是10μm而不是15μm，且多孔聚合物层的面密度是30g/m2而不是20g/m2。
实施例7
通过实施例4的方法来制备软包电池，不同之处在于多孔聚合物层的面密度是11g/m2而不是20g/m2。
比较例1
通过实施例1的方法来制备软包电池，不同之处在于使用聚乙烯/Al2O3/PVDF三层隔膜而不是PET涂覆隔膜。三层隔膜包含厚度为20μm和孔隙率为40％的作为多孔基材的多孔聚乙烯层、涂覆在多孔聚乙烯层的表面上的厚度为3μm的Al2O3层和涂覆在Al2O3层的表面上的厚度为1μm和面密度为2g/m2的作为多孔聚合物层的多孔PVDF层。
比较例2
通过比较例1的方法来制备软包电池，不同之处在于使用多层隔膜而不是聚乙烯/Al2O3/PVDF三层隔膜。多层隔膜包含厚度为20μm和孔隙率为30％的作为多孔基材的PP/PE/PP多孔三层、涂覆在PP/PE/PP三层的表面上的厚度为3μm的Al2O3层和涂覆在Al2O3层的表面上的作为多孔聚合物层的多孔PVDF层。
比较例3
通过实施例4的方法来制备软包电池，不同之处在于以隔膜的多孔聚合物层与阳极相邻而不是与阴极相邻的方式装配电池堆。图2示出由于在膜上形成裂痕和孔，从而没有被PVDF膜完全覆盖的阳极表面。图4示出在高压下充电30分钟后的电池。30分钟后电池过热且燃烧。
比较例4
通过实施例4的方法来制备软包电池，不同之处在于多孔聚合物层的厚度是8μm而不是15μm。
比较例5
通过实施例4的方法来制备软包电池，不同之处在于多孔聚合物层的厚度是35μm而不是15μm且多孔基材的厚度是5μm而不是10μm。
比较例6
通过实施例4的方法来制备软包电池，不同之处在于多孔聚合物层的面密度为7.5g/m2而不是20g/m2。
比较例7
通过实施例4的方法来制备软包电池，不同之处在于多孔聚合物层的面密度为35g/m2而不是20g/m2。
比较例8
通过实施例4的方法来制备软包电池，不同之处在于多孔聚合物层的厚度是8μm而不是15μm且多孔聚合物层的面密度为35g/m2而不是20g/m2。
比较例9
通过实施例4的方法来制备软包电池，不同之处在于多孔聚合物层的厚度是35μm而不是15μm且多孔聚合物层的面密度为5g/m2而不是20g/m2。
比较例10
通过实施例1的方法制备软包电池，不同之处在于使用含有在PET无纺布多孔基材上涂覆厚度为4μm的Al2O3层的隔膜而不是涂覆有PVDF多孔聚合物层的隔膜，且多孔基材的厚度为20μm而不是10μm。
比较例11
通过比较例10的方法制备软包电池，不同之处在于PET多孔基材的厚度为12μm而不是20μm，且Al2O3层的厚度为8μm而不是4μm。
比较例12
通过实施例4的方法制备软包电池，不同之处在于阴极的宽度为53mm而不是48mm。
实施例2-7和比较例1-12的软包电池的电化学性能
通过实施例1所述的方法测试实施例2-7和比较例1-12的软包电池的电化学性能，测试结果在表2中示出。
实施例2-7和比较例1-12的软包电池的过充测试
通过实施例1所述的方法进行实施例2-7和比较例1-12的软包电池的过充测试，测试结果在表2中示出。
为了通过我们的过充测试，电池不能爆炸或点燃。实施例1-7的电池示出优异的安全性能。实施例1-7通过了过充测试，其中没有电池爆炸或点燃，然而比较例1-4、6和8-12没有通过过充测试。因此，比较例1-4、6和8-12的隔膜在过充条件下没有提供足够的保护。虽然比较例5和比较例7的电池通过过充测试，由于分别增加隔膜的厚度和增大多孔聚合物层的面密度，这增大了内电阻且能量密度受损，因此它们表现出较差的电化学性能。
Figure BDA0002351091750000391
表2
Figure BDA0002351091750000401
尽管结合有限数量的实施方式已经描述了本发明，然而一个实施方式的特定特征不应该限定本发明的其他实施方式。在一些实施方式中，所述方法可包括大量的本文没有提及的步骤。在其他实施方式中，所述方法不包括或者基本上不含有本文没有列举的任何步骤。存在来自于所描述的实施方式的变型和变化。所附的权利要求书意在涵盖落在本发明的范围内的所有这些变化和变型。

Claims (20)

1.一种包含电极组件的锂离子电池，其中所述电极组件包含至少一个阴极、至少一个阳极和放置在至少一个所述阴极和至少一个所述阳极之间的隔膜；
其中所述隔膜包含多孔基材和涂覆在所述多孔基材的表面上并与至少一个所述阴极相邻的多孔聚合物层；
其中所述多孔聚合物层的厚度是约10μm至约30μm；且
其中所述多孔聚合物层的面密度是约9g/m2至约30g/m2。
2.如权利要求1所述的锂离子电池，其中所述多孔基材的熔点至少比所述多孔聚合物层的熔点高约30℃。
3.如权利要求1所述的锂离子电池，其中所述多孔基材的熔点至少比所述多孔聚合物层的熔点高约60℃。
4.如权利要求1-3中任一项所述的锂离子电池，其中所述多孔基材的熔点是约200℃或更高。
5.如权利要求1-4中任一项所述的锂离子电池，其中所述多孔基材是膜、无纺布或纺织布。
6.如权利要求1-5中任一项所述的锂离子电池，其中所述多孔基材的厚度是约5μm至约25μm。
7.如权利要求1-6中任一项所述的锂离子电池，其中所述多孔基材是选自由聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸丁二醇酯、聚缩醛、聚酰胺、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚砜、聚苯醚、聚苯硫醚、聚丙烯腈、聚偏二氟乙烯、聚(偏二氟乙烯)-六氟丙烯、聚乙烯吡咯烷酮及其组合构成的群组的聚合物。
8.如权利要求1-7中任一项所述的锂离子电池，其中所述多孔聚合物层的厚度是约13μm至约25μm。
9.如权利要求1-8中任一项所述的锂离子电池，其中所述多孔聚合物层的面密度是约11g/m2至约25g/m2。
10.如权利要求1-9中任一项所述的锂离子电池，其中所述多孔聚合物层包含选自由聚偏二氟乙烯、聚(偏二氟乙烯)-六氟丙烯、聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚缩醛、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚砜、聚苯醚、聚苯硫醚、聚乙烯吡咯烷酮、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸丁二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚亚甲基氧化物、聚四氟乙烯、聚氟化乙烯、聚乙烯、高密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、低密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚戊烯及其组合构成的群组的聚合物。
11.如权利要求10所述的锂离子电池，其中所述多孔聚合物层进一步包含选自由Al2O3、SiO2、TiO2、ZrO2、Mg(OH)2、MgO、SnO2、CaCO3、BaSO4、TiN、AlN、Na2O·mTiO2、K2O·nTiO2、BaOx、MTiO3及其组合构成的群组的无机材料，其中m是3或6，n是1、2、4、6或8，x是1或2，且M是Ba、Sr或Ca。
12.如权利要求11所述的锂离子电池，其中基于所述多孔聚合物层的总重量，在所述多孔聚合物层的聚合物的量是按重量计约70％至约100％。
13.如权利要求11-12中任一项所述的锂离子电池，其中基于所述多孔聚合物层的总重量，所述无机材料的量是按重量计约0.01％至约30％。
14.如权利要求11-13中任一项所述的锂离子电池，其中所述无机材料的直径是约1nm至约1μm或约1μm至约5μm。
15.如权利要求1-14中任一项所述的锂离子电池，其中所述隔膜的厚度是约15μm至约40μm。
16.如权利要求1-15中任一项所述的锂离子电池，其中所述隔膜的孔隙率是约30％至约55％。
17.如权利要求1-16中任一项所述的锂离子电池，其中所述隔膜的Gurley值是约5秒/100cm3至约200秒/100cm3。
18.如权利要求1-17中任一项所述的锂离子电池，其中所述隔膜不含分散剂、表面活性剂、增塑剂或其组合。
19.如权利要求1-18中任一项所述的锂离子电池，其中将至少一个所述阳极、至少一个所述阴极和所述隔膜构造成Z形折叠堆的所述电极组件。
20.如权利要求1-19中任一项所述的锂离子电池，其中所述隔膜的宽度和至少一个所述阴极的宽度的比是大于约1。
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