[发明专利]用于高压锂离子电池单元的聚砜涂层

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求享有2012年3月27日提交的标题为“POLYSULFONE COATING FOR HIGH VOLTAGE LITHIUM-ION CELLS”的临时专利申请号61/616,339的35 U.S.C.119(e)的权益，在此以参考方式引入以用于所有法律允许的目的。

背景技术

除非这里另有说明，在这部分中所描述的材料并不是本申请权利要求书的现有技术，并且并不承认包括在这部分中的内容为现有技术。这部分中描述的概念对于发明者来讲是已知的，但是对于他人不一定是已知的或先前已被他人想到或寻求到的。

锂离子电池的三个主要功能组件是负极、正极和电解质。传统的锂离子电池单元的负极或阳极包括能够吸收或释放锂离子的物质，且通常由碳(例如石墨)制成。正极或阴极包括含锂物质且通常由含锂物质中的下列类型之一制成：层状氧化物(例如钴酸锂)、聚阴离子(例如锂钴磷酸盐)或尖晶石(例如锂锰氧化物)。与电极连接的电解质是在有机溶剂中的锂盐。根据流经电池单元的电流方向，电极的电化学作用在阳极和阴极之间变化。通常，电池还包括隔膜，用于防止阳极和阴极之间接触，该隔膜是微孔膜。

由于阴极活性物质的选取对于锂离子电池的电压、容量、寿命以及安全性具有重要的影响，所以阴极活性物质的化学性一直备受关注。目前，层-层富锂阴极材料xLiMO₂·(1-x)Li₂MNO₃(其中M是过渡金属，例如Ni、Mn、Co)已示出非常希望用于电动车辆的锂离子电池中。实际上，层-层富锂阴极材料具有高的比容量(250mAh/g)，其比市场上使用的锂镍锰钴氧化物LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂高70％。然而，由于在形成时释放的内在的氧以及与电解质溶剂的反应，层-层富锂阴极材料的循环性能和倍率性能受到影响。因此，表面和散装材料都具有高的阻抗。

因此，需要一种装置来提高锂离子阴极材料的性能，且尤其是层-层富锂阴极材料。

由于在电解质中的主要溶剂是循环和线性碳酸盐，它们与阴极表面的氧化反应导致不可逆的损失和严重的容量衰减。在现有技术中已尝试控制电极/电解质反应。如J.Electrochem.Soc.第156卷第A483-A488页(2009)Achiha等描述的一个方法已用能够氟化的更加稳定的溶剂取代高反应性的含碳酸盐的溶剂。如J.Power Sources第187卷第581-585页(2009)Han等描述的第二方法已在电解质中使用能够在氧化电极表面上形成保护层的添加剂。然而另一方法已通过将阻止氧化的电解质与电极表面的反应同时允许锂离子传导的材料涂覆阴极表面。

发明内容

在本发明的一个实施例中，用于锂离子电池的电化学电池单元具有通常为石墨的负极(阳极)、具有含锂离子的活性物质的正极(阴极)，以及与电极连接的电解质。阴极设置有含砜化合物的保护涂层，以阻止氧化的电解质在阴极表面处的反应。保护涂层不会干扰锂离子传导。

在本发明的应用中，阴极的活性物质可以是在大于4.2V vs Li/Li⁺的电压下工作的任意含有锂离子的物质，例如层状金属氧化物和尖晶石氧化物。然而，在本发明的特别优选的实施例中，活性物质是层-层富锂阴极材料xLiMO₂(1-x)Li₂MNO₃，其中M是过渡金属，并优选从由Co，Ni和Mn组成的群组中选取。在这里描述的特定示例性实施例中，层-层富锂阴极材料是LiMO₂·Li₂MnO₃.

保护涂层是含砜化合物，例如形成粘附在阴极上的聚合涂层的聚砜，使得砜在任何情况下都不会与阳极反应。在特定实施例中，聚砜是从由聚苯砜和聚(1，4-亚苯基醚-醚-砜)组成的群组中选取的大分子。

本发明的锂离子电池实施例具有多个电化学电池单元，其中，在阴极上含有锂离子的活性物质具有在电解质接触表面上的含砜化合物的保护涂层。当然，电池可以是本领域已知的任意结构，例如硬币式或扣式、卷绕的或扁平的。