CN114649498A - 包括复合阻燃剂粒子的锂电池组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了包括复合阻燃剂粒子的锂电池组。用于锂电池组的电化学电池包括负电极、正电极、聚合物隔离件、以及包括颗粒状基质材料和由颗粒状基质材料携带的阻燃剂材料的复合阻燃剂粒子。所述复合阻燃剂粒子可在电化学电池中沿穿过电化学电池的一个或多个组件延伸或在电化学电池的一个或多个组件之间的锂离子传输路径或电子传输路径安置。复合阻燃剂粒子可安置在限定外壳（其中包封有电化学电池）的层合结构的聚合物部分中。

Description

包括复合阻燃剂粒子的锂电池组
技术领域
本发明涉及用于锂电池组的电化学电池和锂电池组。
背景技术
本公开涉及二次锂电池组，并且更特别涉及增强二次锂电池组及其组件的的阻燃性能的材料。
二次锂离子电池组和锂金属电池组因其与其它可再充电电池组技术（包括铅-酸电池组、镍-镉和镍-金属-氢化物电池组）相比的相对高能量密度、高功率密度、缺乏记忆效应和长循环寿命而成为在消费、汽车和航空航天行业中为电子设备供电的合意候选。但是，锂电池组的普遍商业化取决于它们在常规运行条件下、在制造缺陷的情况下、在老化时、以及在多种滥用条件（包括暴露于高温、过度充电、过度放电和暴露于物理破坏其一种或多种内部组件的外力）下的确保性能。影响锂电池组的热、化学、电学和/或物理稳定性的条件可提高此类电池组的内部温度，其转而在电池组内可引发附加的不合意事件和/或化学反应，这可导致附加的发热。由于锂电池组的组件和/或其周边环境可为可燃的，合意的可为向此类电池组的内部组件中并入有效提高其抗燃烧性的材料。
发明内容
公开了用于锂电池组的电化学电池。该电化学电池可包括负电极、与该负电极间隔开的正电极、设置在该负电极与该正电极之间的多孔聚合物隔离件、和复合阻燃剂粒子。负电极可包括具有主要表面的负电极集流体和设置在该负电极集流体的主要表面上的负电极活性材料层。正电极可包括具有主要表面的正电极集流体和设置在该正电极集流体的主要表面上的正电极活性材料层。多孔聚合物隔离件可包括面向负电极的第一主要表面和相对的面向正电极的第二主要表面。锂离子传输路径可延伸穿过在负电极与正电极之间的多孔聚合物隔离件。第一电子传输路径可在负电极集流体与负电极活性材料层之间延伸。第二电子传输路径可在正电极集流体与正电极活性材料层之间延伸。复合阻燃剂粒子可沿以下中的至少一种的至少一部分安置：（i）锂离子传输路径，（ii）第一电子传输路径，或（iii）第二电子传输路径。复合阻燃剂粒子可包括颗粒状基质材料和由该颗粒状基质材料携带的阻燃剂材料。
颗粒状基质材料可包括包含多个开放孔隙的无机介孔材料的粒子。在此类情况下，阻燃剂材料可设置在无机介孔材料的开放孔隙中。每个复合阻燃剂粒子可封装在壳中，并且该阻燃剂材料可由该壳固定在无机介孔材料的开放孔隙中。壳可包含有机聚合物材料。
颗粒状基质材料可包含脱水沸石、活性炭、二氧化硅、氧化铝、磷酸铝、分子筛或金属有机骨架中的至少一种的粒子。
颗粒状基质材料包含锂化沸石材料的粒子。
阻燃剂材料可包含有机磷化合物、无机磷化合物、有机卤素化合物、含硼化合物、含铝化合物或含镁化合物中的至少一种。
阻燃剂材料可为膨胀材料。
复合阻燃剂粒子可安置在锂离子传输路径的至少一部分中或沿锂离子传输路径的至少一部分安置。在一种形式中，复合阻燃剂粒子可嵌在多孔聚合物隔离件中并遍布多孔聚合物隔离件分布，在其第一主要表面与第二主要表面之间。在另一种形式中，复合阻燃剂粒子可设置在多孔聚合物隔离件的第一主要表面或第二主要表面上。
复合阻燃剂粒子可安置在第一电子传输路径或第二电子传输路径的至少一部分中或沿第一电子传输路径或第二电子传输路径的至少一部分安置。在一种形式中，复合阻燃剂粒子可设置在负电极集流体的主要表面上，并且负电极活性材料层可设置在负电极集流体的主要表面上在复合阻燃剂粒子之上。附加或替代地，复合阻燃剂粒子可设置在正电极集流体的主要表面上，并且正电极活性材料层可设置在正电极集流体的主要表面上在复合阻燃剂粒子之上。
复合阻燃剂粒子可表现出10%至80%的孔隙率和50纳米至10微米的平均粒径。
公开了用于锂电池组的电化学电池。该电化学电池可包括负电极、与负电极间隔开的正电极、设置在负电极与正电极之间的多孔聚合物隔离件、和复合阻燃剂粒子。负电极可包括具有主要表面的负电极集流体和设置在负电极集流体的主要表面上的负电极活性材料层。正电极可包括具有主要表面的正电极集流体和设置在正电极集流体的主要表面上的正电极活性材料层。多孔聚合物隔离件可包括面向负电极的第一主要表面和相对的面向正电极的第二主要表面。复合阻燃剂粒子可包括颗粒状基质材料和由颗粒状基质材料携带的阻燃剂材料。复合阻燃剂粒子可：（i）嵌在多孔聚合物隔离件中并遍布多孔聚合物隔离件分布，在其第一主要表面与第二主要表面之间，（ii）设置在多孔聚合物隔离件的第一主要表面或第二主要表面上，（iii）设置在负电极集流体的主要表面上，并且负电极活性材料层可设置在负电极集流体的主要表面上在复合阻燃剂粒子之上，或（iv）设置在正电极集流体的主要表面上，并且正电极活性材料层可设置在正电极集流体的主要表面上在复合阻燃剂粒子之上。
颗粒状基质材料可包括包含多个开放孔隙的无机介孔材料的粒子。在此类情况下，阻燃剂材料可设置在无机介孔材料的开放孔隙中。
复合阻燃剂粒子各自可封装在聚合物壳内。在此类情况下，阻燃剂材料可由聚合物壳固定在无机介孔材料的开放孔隙中。
颗粒状基质材料可包含脱水沸石、锂化沸石、活性炭、二氧化硅、氧化铝、磷酸铝、分子筛或金属有机骨架中的至少一种的粒子。
公开了锂电池组。锂电池组可包含限定内部的外壳，气密地密封在外壳内部的多个电化学电池，和复合阻燃剂粒子。外壳可由层合结构限定，所述层合结构包括层合在第一聚合物片材和第二聚合物片材之间的金属箔。复合阻燃剂粒子可包括颗粒状基质材料和负载在基质材料上并由其携带的阻燃剂材料。复合阻燃剂粒子可遍布外壳的层合结构的第一聚合物片材和/或第二聚合物片材分布。
本发明公开了以下实施方案：
1．用于锂电池组的电化学电池，所述电化学电池包括：
负电极，所述负电极包括具有主要表面的负电极集流体和设置在所述负电极集流体的主要表面上的负电极活性材料层；
与所述负电极间隔开的正电极，所述正电极包括具有主要表面的正电极集流体和设置在所述正电极集流体的主要表面上的正电极活性材料层；
多孔聚合物隔离件，其设置在所述负电极与所述正电极之间并包括面向所述负电极的第一主要表面和相对的面向所述正电极的第二主要表面；
延伸穿过在所述负电极与所述正电极之间的所述多孔聚合物隔离件的锂离子传输路径；
在所述负电极集流体与所述负电极活性材料层之间延伸的第一电子传输路径；
在所述正电极集流体与所述正电极活性材料层之间延伸的第二电子传输路径；和
沿以下中的至少一种的至少一部分安置的复合阻燃剂粒子：（i）锂离子传输路径，（ii）第一电子传输路径，或（iii）第二电子传输路径，
其中所述复合阻燃剂粒子包括颗粒状基质材料和由所述颗粒状基质材料携带的阻燃剂材料。
2．根据实施方案1所述的电化学电池，其中所述颗粒状基质材料包括包含多个开放孔隙的无机介孔材料的粒子，并且其中所述阻燃剂材料设置在所述无机介孔材料的开放孔隙中。
3．根据实施方案2所述的电化学电池，其中每个复合阻燃剂粒子封装在壳中，并且其中所述阻燃剂材料由所述壳固定在所述无机介孔材料的开放孔隙中。
4．根据实施方案3所述的电化学电池，其中所述壳包含有机聚合物材料。
5．根据实施方案1所述的电化学电池，其中所述颗粒状基质材料包含脱水沸石、活性炭、二氧化硅、氧化铝、磷酸铝、分子筛或金属有机骨架中的至少一种的粒子。
6．根据实施方案1所述的电化学电池，其中所述颗粒状基质材料包含锂化沸石材料的粒子。
7．根据实施方案1所述的电化学电池，其中所述阻燃剂材料包含有机磷化合物、无机磷化合物、有机卤素化合物、含硼化合物、含铝化合物或含镁化合物中的至少一种。
8．根据实施方案1所述的电化学电池，其中所述阻燃剂材料是膨胀材料。
9．根据实施方案1所述的电化学电池，其中所述复合阻燃剂粒子安置在锂离子传输路径的至少一部分中或沿锂离子传输路径的至少一部分安置。
10．根据实施方案9所述的电化学电池，其中所述复合阻燃剂粒子嵌在所述多孔聚合物隔离件中并遍布所述多孔聚合物隔离件分布，在其第一主要表面与第二主要表面之间。
11．根据实施方案9所述的电化学电池，其中所述复合阻燃剂粒子设置在所述多孔聚合物隔离件的第一主要表面或第二主要表面上。
12．根据实施方案1所述的电化学电池，其中所述复合阻燃剂粒子安置在第一电子传输路径或第二电子传输路径的至少一部分中或沿第一电子传输路径或第二电子传输路径的至少一部分安置。
13．根据实施方案1所述的电化学电池，其中所述复合阻燃剂粒子设置在所述负电极集流体的主要表面上，并且其中所述负电极活性材料层设置在所述负电极集流体的主要表面上在所述复合阻燃剂粒子之上。
14．根据实施方案1所述的电化学电池，其中所述复合阻燃剂粒子设置在所述正电极集流体的主要表面上，并且其中所述正电极活性材料层设置在所述正电极集流体的主要表面上在所述复合阻燃剂粒子之上。
15．根据实施方案1所述的电化学电池，其中所述复合阻燃剂粒子表现出10%至80%的孔隙率和50纳米至10微米的平均粒径。
16．用于锂电池组的电化学电池，所述电化学电池包括：
负电极，所述负电极包括具有主要表面的负电极集流体和设置在所述负电极集流体的主要表面上的负电极活性材料层；
与所述负电极间隔开的正电极，所述正电极包括具有主要表面的正电极集流体和设置在所述正电极集流体的主要表面上的正电极活性材料层；
多孔聚合物隔离件，其设置在所述负电极与所述正电极之间并包括面向所述负电极的第一主要表面和相对的面向所述正电极的第二主要表面；和
包括颗粒状基质材料和由所述颗粒状基质材料携带的阻燃剂材料的复合阻燃剂粒子，
其中所述复合阻燃剂粒子：
（i）嵌在所述多孔聚合物隔离件中并遍布所述多孔聚合物隔离件分布，在其第一主要表面与第二主要表面之间，
（ii）设置在所述多孔聚合物隔离件的第一主要表面或第二主要表面上，
（iii）设置在所述负电极集流体的主要表面上，并且其中所述负电极活性材料层设置在所述负电极集流体的主要表面上在所述复合阻燃剂粒子之上，或
（iv）设置在所述正电极集流体的主要表面上，并且其中所述正电极活性材料层设置在所述正电极集流体的主要表面上在所述复合阻燃剂粒子之上。
17．根据实施方案16所述的电化学电池，其中所述颗粒状基质材料包括包含多个开放孔隙的无机介孔材料的粒子，并且其中所述阻燃剂材料设置在所述无机介孔材料的开放孔隙中。
18．根据实施方案17所述的电化学电池，其中每个复合阻燃剂粒子封装在聚合物壳内，并且其中所述阻燃剂材料由所述聚合物壳固定在所述无机介孔材料的开放孔隙中。
19．根据实施方案16的电化学电池，其中所述颗粒状基质材料包含脱水沸石、锂化沸石、活性炭、二氧化硅、氧化铝、磷酸铝、分子筛或金属有机骨架中的至少一种的粒子。
20．锂电池组，其包括：
限定内部的外壳，所述外壳由层合结构限定，所述层合结构包括层合在第一聚合物片材和第二聚合物片材之间的金属箔；
气密地密封在所述外壳内部的多个电化学电池；和
包括颗粒状基质材料和负载在所述颗粒状基质材料上并由其携带的阻燃剂材料的复合阻燃剂粒子，
其中所述复合阻燃剂粒子遍布所述外壳的层合结构的第一聚合物片材或第二聚合物片材中的至少一种分布。
上面的发明内容不意在代表本公开的每一个可能实施方案或每一个方面。而是，上面的发明内容意在例举说明本文中公开的一部分新型方面和特征。当结合附图和所附权利要求时，本公开的上述特征和优点以及其它特征和优点将由用于实施本公开的代表性实施方案和模式的以下详细描述而显而易见。
附图说明
下文将结合附图描述说明性实施方案，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：
图1是包括复合阻燃剂粒子的电化学电池的示意性侧面剖视图，电化学电池包括负电极集流体（其具有设置在其主要表面上的负电极活性材料层），正电极集流体（其具有在其主要表面上形成的正电极活性材料层），和设置在负电极与正电极活性材料层之间的多孔聚合物隔离件，复合阻燃剂粒子分散在整个聚合物隔离件中，并作为离散层沉积在负电极集流体的主要表面、正电极集流体的主要表面和聚合物隔离件的相对的第一和第二主要表面上；
图2是二次锂电池包的示意性透视图，其包括外壳，其中多个电化学电池气密地密封在外壳内部，其中复合阻燃剂粒子并入限定外壳的层合结构中和/或并入密封在外壳中的电化学电池的一个或多个组件中；
图3是图1的电化学电池的一部分的示意性侧面剖视图，描绘了负电极活性材料层、正电极活性材料层和设置在其间的多孔聚合物隔离件，其中遍布多孔聚合物隔离件分布的复合阻燃剂粒子包含膨胀阻燃剂材料；
图4是激活复合阻燃剂粒子且使膨胀阻燃剂材料膨胀之后的图3的电化学电池的示意性侧面剖视图；
图5是图1的电化学电池的一部分的示意性侧面剖视图，描绘了（负电极或正电极）集流体、设置在集流体的主要表面上的复合阻燃剂粒子层、和设置在集流体的主要表面上在复合阻燃剂粒子层之上的（负电极或正电极）活性材料层，其中复合阻燃剂粒子包含膨胀阻燃剂材料；
图6是激活复合阻燃剂粒子且使膨胀阻燃剂材料膨胀之后的图5的电化学电池的示意性侧面剖视图；和
图7是图2的外壳的一部分的示意性侧面剖视图，描绘了外壳的层合结构，其中复合阻燃剂粒子遍布外壳的层合结构的第一和第二聚合物片材分布。
本公开可以允许修改和替代形式，其中代表性实施方案作为实例显示在附图中并在下文中详细描述。本公开的发明方面不限于公开的特定形式。转而，本公开意在覆盖落入所附权利要求限定的本公开的范围内的修改、等效方案、组合和替代。
具体实施方式
本公开的复合阻燃剂粒子可并入锂电池组的电化学电池的一个或多个组件中以帮助改善电池组的性能，例如，通过规避可导致过热、热失控的条件和/或通过抑制或终止电池组内的燃烧反应。复合阻燃剂粒子包括颗粒状基质材料和负载在颗粒状基质材料上并由其携带的阻燃剂材料。颗粒状基质材料可包含包括多个开放孔隙的介孔材料，并且阻燃剂材料可设置在颗粒状基质材料的开放孔隙中。在将阻燃剂材料引入颗粒状基质材料的开放孔隙时，每个基质材料粒子可封装在聚合物壳中，其可将阻燃剂材料固定在颗粒状基质材料的开放孔隙中，直到电池组中的环境条件激活粒子，例如通过分解聚合物壳。复合阻燃剂粒子可并入电化学电池的一个或多个组件中，例如通过涂布在聚合物隔离件的一个或多个表面上，通过遍布聚合物隔离件分布，通过设置在负和/或正电极集流体的表面与负和/或正电极活性材料的上方层之间，和/或通过并入外壳中，其中包封有锂电池组的电化学电池。
在颗粒状基质材料包含锂化沸石的实施方案中，复合阻燃剂粒子还可帮助防止或减轻电化学电池的各种组件的劣化，例如通过捕获或抑制水分子、氢离子、氢氟酸（HF）和/或过渡金属离子如Mn2+、Ni2+/4+和/或Fe2+/3+粒子在电化学电池中的移动，这可帮助改善电池组的寿命和循环性能。术语“锂化沸石”是指以下沸石，其已经用锂离子进行离子交换，使得多个锂离子以自由离子和/或骨架外离子形式存在于沸石中。制备脱水锂化沸石粒子和将脱水锂化沸石粒子并入锂电池组的电化学电池的一个或多个组件中的方法公开在共同拥有的美国专利号10,483,592和10,615,461中，各自通过引用以其全文并入本文。
图1是电化学电池10的示意图，其包括沿锂离子传输路径和沿穿过电化学电池10的电子传输路径安置的复合阻燃剂粒子38。电化学电池10包括负电极12、与负电极12隔开的正电极14、和设置在负和正电极12、14之间并包括面向负电极12的第一主要表面18和相对的面向正电极14的第二主要表面20的聚合物隔离件16。负电极12包括具有面向聚合物隔离件16的主要表面24的负电极集流体22和设置在负电极集流体22的主要表面24上的负电极活性材料层 26。正电极14包括具有面向聚合物隔离件16的主要表面30的正电极集流体28和在正电极集流体28的主要表面30上形成的正电极活性材料层32。负和正电极12、14彼此隔开，并通过聚合物隔离件16彼此物理分离和电隔离。
负电极活性材料层 26、正电极活性材料层32和聚合物隔离件16是多孔的，并在组装中，负和正电极活性材料层26、32以及聚合物隔离件16被离子导电和电绝缘的电解质（未显示）渗透和/或润湿。电解质提供了穿过聚合物隔离件16并在负与正电极活性材料层26、32之间传输锂离子的介质。锂离子可以在电化学电池10运行过程中穿过以行进的电化学电池10的这些区域一起构成了电化学电池10中的锂离子传输路径，所述路径穿过聚合物隔离件16且在负与正电极活性材料层26、32之间延伸。
现在参照图1和2，在实践中，电化学电池10可与一种或多种其它电化学电池（未显示）组合并电连接以形成二次基于锂的电池组100，有时称为电池包。在电池组100中，电化学电池10可气密密封在柔性袋102形式的外壳中。在另一些实施方案中，电化学电池10可气密密封在不同类型的外壳中，例如圆柱形、棱柱形或纽扣电池外壳（未显示）。在袋102中，负电极集流体22的自由端（free end）34可电连接到负极端子104的近端（proximal end），其中远端（distal end）延伸到柔性袋102的外部。同时，正电极集流体28的自由端36可电连接到正极端子106的近端，其远端延伸到柔性袋102的外部。在实践中，负极端子104可经由外部电路（未显示）电连接到正极端子106上。在电化学电池10的运行过程中，此类布置提供了用于电子在负和正电极活性材料层26、32之间传输的导电路径，而同时锂离子经由负电极活性材料层 26与相对的正电极活性材料层32之间的电解质穿过聚合物隔离件16行进。
在电化学电池10的负电极集流体22与负电极活性材料层26之间限定的导电路径在本文中被可称为电化学电池10中的第一电子传输路径，并且在电化学电池10的正电极集流体28与正电极活性材料层32之间限定的导电路径在本文中可被称为电化学电池10中的第二电子传输路径。
复合阻燃剂粒子38包括颗粒状基质材料和负载在颗粒状基质材料上并由其携带的阻燃剂材料。在暴露于电池组100内的某些高温条件时，复合阻燃剂粒子38被配置为由钝化状态转变为活性状态，其中复合阻燃剂粒子38的阻燃剂材料经受某些化学反应和/或经历某些物理变化，其帮助稳定电池组100内的热力学条件。并非意在受理论束缚，据信当锂电池组的内部温度升高至高于阈值温度（例如大于大约65℃，或在某些情况下大于大约130℃）时，电池组100的组件可热分解和/或彼此化学反应，导致释放出各种气态化合物，并在电池组100中生成额外的热量。在某些情况下，电池组100的这些初始反应和提高的加热可在电池组100中引发附加的不合意事件和/或化学反应。复合阻燃剂粒子38的阻燃剂材料配置为阻止这些附加的不合意事件和/或化学反应的发生和/或传播。
阻燃剂材料可被配置为在加热时促进在电池组100的某些基于碳的组件（例如在聚合物隔离件16）的表面上原位形成称为“结焦物（char）”的固体非挥发性碳质材料的层。在此类基于碳的组件（例如在聚合物隔离件16的一个或多个表面18、20上）上形成碳质结焦物层可抑制进一步的燃烧反应和基于碳的组件的燃烧。在阻燃剂材料为膨胀材料（即在加热时膨胀或体积增加的材料）的实施方案中尤其如此。膨胀阻燃剂材料例如可通过在电池组100的某些组件周围或之上形成空隙或高度多孔的绝热屏障来抑制电池组100中发生进一步的燃烧反应，所述空隙或高度多孔的绝热屏障可减缓电池组100中的热传递，并还可防止燃烧反应在电池组100中传播。在一些实施方案中，包括膨胀阻燃剂材料的复合阻燃剂粒子38可安置在电化学电池10中，由此在加热时，膨胀阻燃剂材料将体积增大，并有效地中断或破坏电化学电池10中现有的锂离子或电子传输路径，由此阻止电化学电池10的进一步放电或再充电。此外或或者，阻燃剂材料可配置为在加热时与电池组100中例如由于电解质的分解和/或燃烧而生成的某些气体（例如H+和/或OH-）反应，以降低此类气体的化学反应性，并由此抑制燃烧的自由基氧化反应的进一步传播。
表现出一种或多种上述属性的阻燃剂材料包括有机磷化合物、无机磷化合物、有机卤素化合物、含硼化合物、含铝化合物和/或含镁化合物。阻燃有机磷化合物包括有机磷酸酯，其包括磷酸三苯酯、间苯二酚双(二苯基磷酸酯)、双酚A二苯基磷酸酯和/或磷酸三甲苯酯（TCP）；膦酸酯，其包括甲基膦酸二甲酯；次膦酸酯，其包括二乙基次膦酸铝；和/或卤代有机磷酸酯，其包括三(2,3-二溴丙基)磷酸酯（三(2,3-二溴丙基)磷酸酯，brominatedtris）和氯化有机磷酸酯（例如三(1,3-二氯-2-丙基)磷酸酯和/或四(2-氯乙基)二氯异戊基二磷酸酯）。阻燃无机磷化合物包括红磷。阻燃有机卤素化合物包括有机氯，其包括氯菌酸衍生物和/或氯化链烷烃；和/或有机溴，其包括十溴二苯醚、十溴二苯乙烷、聚合的溴化化合物（例如溴化聚苯乙烯）、溴化碳酸酯低聚物、溴化环氧低聚物、四溴邻苯二甲酸酐和/或四溴双酚A和/或六溴环十二烷。阻燃含硼化合物包括硼酸盐，其包括硼酸锌、硼酸钡、硼酸钠和/或氟硼酸铵。
颗粒状基质材料配置为支撑和携带阻燃剂材料，以使阻燃剂材料可以不干扰电化学电池10的正常运行并还允许阻燃剂材料可用于辅助稳定电池组100中的热力学条件（例如当电池组100被加热至高于阈值温度时）的方式并入电化学电池10。颗粒状基质材料还可辅助阻燃剂材料和/或与阻燃剂材料协同作用，以抑制电池组100中可导致热生成的化学反应。例如，颗粒状基质材料可配置为辅助或催化碳质结焦物层在电池组100的一个或多个基于碳的组件上（例如在聚合物隔离件16上）的形成。颗粒状基质材料还可在碳质结焦物形成后帮助稳定碳质结焦物，并可帮助保持电池组100的基于碳的组件周围和/或之上的绝热屏障，其可进一步抑制电池组100中的传热和传质，并还可防止或减缓燃烧反应在电池组100中的传播，例如通过抑制或停止气态反应物或反应产物穿过电池组100的移动。
颗粒状基质材料可包含具有互连的开放孔隙的三维网络的多孔无机材料，并且阻燃剂材料可负载在颗粒状基质材料上和/或被颗粒状基质材料携带。阻燃剂材料可负载在颗粒状基质材料上和/或被颗粒状基质材料携带，例如通过设置在颗粒状基质材料的开放孔隙中和/或通过物理或化学结合到颗粒状基质材料上。颗粒状基质材料可表现出结晶或至少部分结晶的结构。
颗粒状基质材料可包含具有直径为2纳米至50纳米的开放孔隙的无机介孔材料。颗粒状基质材料的开放孔隙可配置为在其中吸收和储存一种或多种阻燃剂材料化合物。阻燃剂材料化合物可以以钝化状态储存在颗粒状基质材料的开放孔隙中，在所述状态下，阻燃剂材料化合物不与电化学电池10的其它组件反应。但是，在暴露于电池组100中的某些高温条件时，复合阻燃剂粒子38可由钝化状态转化为活性状态，在所述状态下，储存在颗粒状基质材料的开放孔隙中的阻燃剂材料化合物可用于与电化学电池10的其它组件反应，以帮助阻止不合意的化学反应在电化学电池10内的发生和/或传播。颗粒状基质材料可表现出10%至80%的孔隙率，并可包括平均粒径为50纳米至10微米的粒子。
表现出一种或多种上述属性的颗粒状基质材料包括脱水天然和/或合成沸石、活性炭、二氧化硅、氧化铝、磷酸铝、分子筛（例如介孔分子筛）、MCM型材料、金属有机骨架及其组合。
沸石是包含AlO2与SiO2四面体单元的三维骨架和骨架外阳离子的多孔结晶硅铝酸盐材料。四面体单元通过共享氧原子来交联。每个AlO2单元向骨架引入一个负电荷，其被骨架外阳离子抵消。骨架外阳离子的性质可为有机或无机的。在颗粒状基质材料由沸石制成的实施方案中，沸石可包含锂离子交换的沸石材料，其包含AlO2与SiO2四面体单元的三维骨架和骨架外锂阳离子（Li+）。锂离子交换的沸石材料中存在的骨架外锂阳离子的量将至少部分取决于具体沸石材料的Si:Al比和沸石材料的阳离子交换容量（CEC）。在颗粒状基质材料由锂离子交换的沸石制成的实施方案中，锂阳离子（Li+）可构成沸石中骨架外阳离子的大于90%、骨架外阳离子的大于95%、或骨架外阳离子的大于99%。锂离子交换的沸石可基本不含任一和/或所有以下骨架外阳离子：Na+和H+。
沸石（和其它分子筛）的晶体结构包括分子尺寸的间隙空间（或笼）。因此，当脱水时，沸石可用作吸附剂以便通过将分子保留在其间隙空间内来选择性吸附分子。由沸石晶格中的孔隙开口（或通道）提供进入沸石中的间隙空间的通道，所述开口由互连的氧（O）、硅（Si）和/或铝（Al）原子的环限定。这些孔隙开口的尺寸和形状限制了可以被沸石吸收的分子的尺寸和形状，并至少部分由构成环的四面体单元（或替代性的氧原子）的数量和存在于沸石中的骨架外阳离子类型来决定。孔隙开口由8元环限定的沸石通常具有相对较小的孔隙开口，其中直径或宽度为3埃至4.5埃。孔隙开口由10元环限定的沸石通常具有中等孔隙开口，其中直径或宽度为4.5埃至6埃。孔隙开口由12元环限定的沸石通常具有相对较大的孔隙开口，其中直径或宽度为6埃至8埃。如本领域已知的那样，可有意形成具有表现出不同几何形状和/或不同尺寸（例如更大直径）的孔隙开口的沸石和其它分子筛，例如使用各种模板技术。
锂离子交换的沸石材料可具有配置为吸附一种或多种上述阻燃剂材料化合物的孔隙开口。例如，锂离子交换的沸石材料可具有大于阻燃剂材料化合物的离子半径的孔隙开口。在实施方案中，锂离子交换的沸石材料可具有宽度或直径为3埃至7埃的孔隙开口。具有宽度或直径为3埃至7埃的孔隙开口的沸石材料可包括具有由8元环、9元环、10元环和/或12元环限定的孔隙开口的沸石材料。
复合阻燃剂粒子38的每个粒子可封装在壳中。壳可配置为将阻燃剂材料固定在颗粒状基质材料的开放孔隙中，并将阻燃剂材料保持在钝化状态，直到电池组100中的环境条件足以将复合阻燃剂粒子38由钝化状态转化为活性状态。复合阻燃剂粒子38可配置为转化成活性状态，例如当电池组100加热至高于阈值温度。例如，当电池组100加热至处于或高于阈值温度的温度时，围绕复合阻燃剂粒子38的壳可分解，由此从颗粒状基质材料的开放孔隙中释放阻燃剂材料和/或允许阻燃剂材料化合物与电池组100中的其它材料反应。
在复合阻燃剂粒子38的粒子封装在壳中的实施方案中，壳可包含在处于或高于阈值温度下加热时分解或熔融的聚合物材料。壳的聚合物材料可包含聚烯烃或聚烯烃的组合，例如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚酰胺（PA）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏二氟乙烯（PVdF）和/或聚氯乙烯（PVC）。
复合阻燃剂粒子38可安置在锂离子传输路径和/或穿过电化学电池10的第一或第二电子传输路径中或沿其安置。例如，如图1中所示，复合阻燃剂粒子38可遍布聚合物隔离件16分散。此外或替代性地，复合阻燃剂粒子38可通过以离散层形式沉积在电化学电池10的一个或多个组件上来并入电化学电池10。例如，复合阻燃剂粒子38可以以离散层40的形式沉积在负电极集流体22的主要表面24上，以离散层42的形式沉积在正电极集流体28的主要表面30上，以离散层44的形式沉积在聚合物隔离件16的第一主要表面18上，和/或以离散层46的形式沉积在聚合物隔离件16的第二主要表面20上。
现在参照图3和4，在复合阻燃剂粒子38遍布聚合物隔离件16分散的实施方案中，复合阻燃剂粒子38可包含膨胀阻燃剂材料。在此类情况下，当电池组100加热到处于或高于阈值温度的温度时，复合阻燃剂粒子38可例如在箭头48的方向上膨胀并有效破坏穿过隔离件16的锂离子传输路径。在于负电极活性材料层26与正电极活性材料层32之间形成锂枝晶50并可在电化学电池10中产生内部短路的实施方案中，复合阻燃剂粒子38可在箭头48的方向上膨胀并有效破坏锂枝晶50。破坏锂枝晶50可有效地破坏电化学电池10中的内部短路，并停止内部短路所导致的对电化学电池10的进一步加热。
现在参照图5和6，在复合阻燃剂粒子38已经以离散层40的形式沉积在负电极集流体22的主要表面24上（或以离散层42的形式沉积在正电极集流体28的主要表面30上）的实施方案中，复合阻燃剂粒子38可包含膨胀阻燃剂材料。在此类情况下，当电池组100加热到处于或高于阈值温度的温度时，复合阻燃剂粒子38可例如在箭头52的方向上膨胀并将至少一部分负电极活性材料层26抬起离开负电极集流体22的主要表面24，有效破坏电化学电池10中在负电极集流体22与负电极活性材料层26之间的第一电子传输路径。同样，当复合阻燃剂粒子38以离散层42的形式沉积在正电极集流体28的主要表面30上时，当电池组100加热到处于或高于阈值温度的温度时，复合阻燃剂粒子38可膨胀并将至少一部分正电极活性材料层32抬起离开正电极集流体28的主要表面30，有效破坏电化学电池10中在正电极集流体28与正电极活性材料层32之间的第二电子传输路径。
现在参照图7，在一些实施方案中，复合阻燃剂粒子38可并入柔性袋102（图2），电化学电池10气密地密封在其中。例如，柔性袋102可为层合结构54的形式，所述层合结构包括层合在第一聚合物片材58和第二聚合物片材60之间的金属箔56（例如铝箔）。第一和第二聚合物片材58、60可分别通过第一粘合剂层62和第二粘合剂层64结合到金属箔56的第一和第二侧上。在此类情况下，复合阻燃剂粒子38可通过遍布第一聚合物片材58和/或第二聚合物片材60分布来并入电池组100的柔性袋102。在此类情况下，当电池组100加热到处于或高于阈值温度的温度时，复合阻燃剂粒子38可帮助防止或抑制热量从电池组100传递至周围环境，例如传递至相邻电池组（未显示），并还可帮助防止或抑制燃烧反应从电池组100向周围环境传播。
聚合物隔离件16可包含非织造材料，例如定向或随机取向的纤维的制成片材、网状物或毡。聚合物隔离件16可包含微孔聚合物材料，例如基于微孔聚烯烃的膜或薄膜。例如，聚合物隔离件16可包含单一聚烯烃或聚烯烃的组合，如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚酰胺（PA）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏二氟乙烯（PVdF）和/或聚氯乙烯（PVC）。在一种形式中，聚合物隔离件16可包含一种或多种聚合物材料的层合材料，如PE和PP的层合材料。
负和正电极集流体22、28可包含能够收集自由电子并将自由电子可逆地传送至其各自电极活性材料层26、32和从其各自电极活性材料层26、32收集自由电子并将自由电子可逆地传送走的材料。例如，负和/或正电极集流体22、28可包含导电金属，例如过渡金属或其合金。在实施方案中，负电极集流体22可包含铜、镍、铁合金（例如不锈钢）或钛，并且正电极集流体28可包含铝、镍或铁合金（例如不锈钢）。如果需要的话，其它导电金属当然也可使用。
负电极活性材料层26可包含锂金属层或电化学活性嵌入基质材料。在负电极活性材料层26包括锂金属层的实施方案中，锂金属层可包含锂金属合金，或可基本上由锂（Li）金属组成。例如，锂金属层按重量计可包含大于97%的锂，或更优选大于99%的锂。用于负电极活性材料层26的电化学活性材料的嵌入基质材料的一些实例包括基于碳的材料（例如石墨、活性炭、炭黑和石墨烯）、锂、基于锂的材料、硅、基于硅的合金或复合材料、氧化锡、铝、铟、锌、锗、氧化硅、氧化钛、钛酸锂及其组合。在负电极活性材料层26包含电化学活性嵌入基质材料的实施方案中，嵌入基质材料可与聚合物粘合剂混杂以提供具有结构完整性的负电极活性材料层26。聚合物粘合剂的实例包括聚偏二氟乙烯（PVdF）、三元乙丙橡胶（EPDM）、苯乙烯-丁二烯橡胶（SBR）、羧甲基纤维素（CMC）、聚丙烯酸及其混合物。负电极活性材料层26任选可包括导电材料的粒子，其可包括（例如高表面积炭黑的）非常微细的粒子。
正电极活性材料层32可包含电化学活性材料，所述电化学活性材料在高于负电极活性材料层26的材料的电化学势下可以经受与锂的可逆氧化还原反应，使得在负和正电极活性材料层26、32之间存在电化学势差。例如，正电极活性材料层32可包含可以充分经受锂嵌入和脱嵌、合金化和脱合金化、或镀覆和剥离的材料。在一种形式中，正电极活性材料层32可包含嵌入基质材料，其可以经受锂离子的可逆的插入或嵌入。在此类情况下，正电极活性材料层32的嵌入基质材料可包含式LiMeO2所代表的层状氧化物、式LiMePO4所代表的橄榄石型氧化物、式LiMe2O4所代表的尖晶石型氧化物、由下式LiMeSO4F或LiMePO4F的一种或两种所代表的羟磷锂铁石或其组合，其中Me是过渡金属（例如Co、Ni、Mn、Fe、Al、V或其组合）。在另一种形式中，正电极活性材料层32 可包含转换材料，所述转换材料包括可以经受与锂的可逆电化学反应的组分，其中组分伴随氧化态的改变而经受相变或结晶结构的改变。在此类情况下，正电极活性材料层32的转换材料可包含硫、硒、碲、碘、卤化物（例如氟化物或氯化物）、硫化物、硒化物、碲化物、碘化物、磷化物、氮化物、氧化物、氧硫化物、氧氟化物、硫-氟化物、硫-氧氟化物或其锂和/或金属化合物。适于包含在正电极活性材料层32的转换材料中的金属的实例包括铁、锰、镍、铜和钴。在实施方案中，正电极活性材料层32的电化学活性材料可与聚合物粘合剂混杂以提供具有结构完整性的正电极活性材料层32。聚合物粘合剂的实例包括聚偏二氟乙烯（PVdF）、三元乙丙橡胶（EPDM）、苯乙烯-丁二烯橡胶（SBR）、羧甲基纤维素（CMC）、聚丙烯酸及其混合物。正电极活性材料层32任选可包括导电材料的粒子，其可包含（例如高表面积炭黑的）非常微细的粒子。
虽然已经详细描述了一些最佳模式和其它实施方案，但是存在用于实施所附权利要求中限定的本教导的各种替代设计和实施方案。本领域技术人员将认识到，可在不脱离本公开的范围的情况下对公开的实施方案进行修改。此外，本概念明确包括所述要素与特征的组合和子组合。详述和附图支持并描述本教导，其中本教导的范围仅由权利要求所限定。

Claims (10)

1.用于锂电池组的电化学电池，所述电化学电池包括：
负电极，所述负电极包括具有主要表面的负电极集流体和设置在所述负电极集流体的主要表面上的负电极活性材料层；
与所述负电极间隔开的正电极，所述正电极包括具有主要表面的正电极集流体和设置在所述正电极集流体的主要表面上的正电极活性材料层；
多孔聚合物隔离件，其设置在所述负电极与所述正电极之间并包括面向所述负电极的第一主要表面和相对的面向所述正电极的第二主要表面；
延伸穿过在所述负电极与所述正电极之间的所述多孔聚合物隔离件的锂离子传输路径；
在所述负电极集流体与所述负电极活性材料层之间延伸的第一电子传输路径；
在所述正电极集流体与所述正电极活性材料层之间延伸的第二电子传输路径；和
沿以下中的至少一种的至少一部分安置的复合阻燃剂粒子：（i）锂离子传输路径，（ii）第一电子传输路径，或（iii）第二电子传输路径，
其中所述复合阻燃剂粒子包括颗粒状基质材料和由所述颗粒状基质材料携带的阻燃剂材料。
2.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述颗粒状基质材料包括包含多个开放孔隙的无机介孔材料的粒子，并且其中所述阻燃剂材料设置在所述无机介孔材料的开放孔隙中。
3.根据权利要求2所述的电化学电池，其中每个复合阻燃剂粒子封装在壳中，并且其中所述阻燃剂材料由所述壳固定在所述无机介孔材料的开放孔隙中，并且其中所述壳包含有机聚合物材料。
4.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述颗粒状基质材料包含脱水沸石、锂化沸石、活性炭、二氧化硅、氧化铝、磷酸铝、分子筛或金属有机骨架中的至少一种的粒子。
5.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述阻燃剂材料包含有机磷化合物、无机磷化合物、有机卤素化合物、含硼化合物、含铝化合物或含镁化合物中的至少一种，并且其中所述阻燃剂材料是膨胀材料。
6.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述复合阻燃剂粒子安置在锂离子传输路径的至少一部分中或沿锂离子传输路径的至少一部分安置，并且其中所述复合阻燃剂粒子：
嵌在所述多孔聚合物隔离件中并遍布所述多孔聚合物隔离件分布，在其第一主要表面与第二主要表面之间，和/或
设置在所述多孔聚合物隔离件的第一主要表面或第二主要表面上。
7.根据权利要求1所述的电化学电池，其中所述复合阻燃剂粒子安置在第一电子传输路径或第二电子传输路径的至少一部分中或沿第一电子传输路径或第二电子传输路径的至少一部分安置，并且其中所述复合阻燃剂粒子：
在所述负电极集流体的主要表面上，并且其中所述负电极活性材料层设置在所述负电极集流体的主要表面上在所述复合阻燃剂粒子之上，和/或
设置在所述正电极集流体的主要表面上，并且其中所述正电极活性材料层设置在所述正电极集流体的主要表面上在所述复合阻燃剂粒子之上。
8.用于锂电池组的电化学电池，所述电化学电池包括：
负电极，所述负电极包括具有主要表面的负电极集流体和设置在所述负电极集流体的主要表面上的负电极活性材料层；
与所述负电极间隔开的正电极，所述正电极包括具有主要表面的正电极集流体和设置在所述正电极集流体的主要表面上的正电极活性材料层；
多孔聚合物隔离件，其设置在所述负电极与所述正电极之间并包括面向所述负电极的第一主要表面和相对的面向所述正电极的第二主要表面；和
包括颗粒状基质材料和由所述颗粒状基质材料携带的阻燃剂材料的复合阻燃剂粒子，
其中所述复合阻燃剂粒子：
（i）嵌在所述多孔聚合物隔离件中并遍布所述多孔聚合物隔离件分布，在其第一主要表面与第二主要表面之间，
（ii）设置在所述多孔聚合物隔离件的第一主要表面或第二主要表面上，
（iii）设置在所述负电极集流体的主要表面上，并且其中所述负电极活性材料层设置在所述负电极集流体的主要表面上在所述复合阻燃剂粒子之上，或
（iv）设置在所述正电极集流体的主要表面上，并且其中所述正电极活性材料层设置在所述正电极集流体的主要表面上在所述复合阻燃剂粒子之上。
9.根据权利要求8所述的电化学电池，其中所述颗粒状基质材料包括包含多个开放孔隙的无机介孔材料的粒子，并且其中所述阻燃剂材料设置在所述无机介孔材料的开放孔隙中。
10.根据权利要求9所述的电化学电池，其中每个复合阻燃剂粒子封装在聚合物壳内，并且其中所述阻燃剂材料由所述聚合物壳固定在所述无机介孔材料的开放孔隙中。
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