[发明专利]有机锂电池

说明书

本发明涉及有机锂电池技术领域，该有机锂电池具有高的能量密度和功率密度。特别地，本发明涉及有机锂电池及其制造方法，所述有机锂电池包括基于氧化还原有机化合物的正极和由双向拉伸聚丙烯制成的多孔隔离物。

锂电池已经成为包括便携应用的很多设备中必不可少的部件，这些便携应用特别例如为移动电话、电脑和轻量级设备；或者略重的应用，例如两轮交通工具(自行车、轻型摩托车)或四轮交通工具(电动或混合动力汽车)。人们还对锂电池进行了广泛的研究以用于固定能量存储的领域。

锂金属电池包括至少一个负极和至少一个正极，在二者之间放置有浸渍了液体电解质或者固体聚合物电解质的隔离物，该电解质本身既提供电极的物理隔离作用又提供锂离子传输作用。负极由锂金属片或锂合金片(任选地通过集电体负载)构成；正极由负载有电极材料的集电体构成，所述电极材料包含至少一种能够可逆地嵌入锂离子的正极活性材料、任选的作为粘合剂的聚合物(例如聚(偏二氟乙烯)或PVDF)和/或任选的产生电子传导性的试剂(例如炭黑)。液体电解质例如由在选择的溶剂的溶液中的锂盐(例如LiBF₄、LiClO₄，LiPF₆等)构成，以优化离子的传输和解离。常规电解质溶剂(例如碳酸丙烯酯、γ-丁内酯、环丁烷、二甲氧基乙烷、四氢呋喃、1,3-二氧戊环等)在标准条件下，在约1-1.5mol/l的锂盐下饱和。就其本身而言，隔离物必须提供两个电极之间的完全隔离，以防止任何短路的风险，其必须具有：

·适当的机械强度，以便耐受由于活性材料在充电和放电循环期间的体积变化而产生的应力，

·足够的耐化学性，因其浸没在高腐蚀性溶液(即电解质)中，由此以确保其能长时间保持；以及

·适当的多孔结构，以便能够实现电解质阴离子和阳离子的扩散，并且防止活性材料从一个电极到另一个的任何传输。

隔离物通常由不传导电子的多孔材料构成，例如基于聚烯烃(例如聚乙烯)的聚合物材料或纤维(例如玻璃纤维或木纤维)制成的聚合物材料。

在电池的运行期间，锂离子通过电解质从一个电极传递到另一个电极。在电池放电期间，一定量的锂与来自电解质的正极活性材料反应，并且等量的锂从负极的活性材料引入电解质中，因此锂的浓度在电解质中保持恒定。通过外部电路由负极提供电子以补偿锂向正极中的嵌入。充电期间，发生相反的现象。

选择锂电池的各种成分以便以尽可能低的成本生产具有高能量密度、具有良好循环稳定性并且能够安全运行的电池。

由于历史原因，也是由于电化学性能水平的原因，目前商业化的技术基于实际上仅仅只使用了无机电极材料，它们主要基于过渡金属，例如Co、Mn、Ni或Fe。然而，这些无机电极材料(例如LiCo O₂、LiMnO₄、LiFePO₄、LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂、LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂、L iNi_0.5Mn_1.5O₄等)显示出许多缺点，例如电池爆炸的风险、毒性高、回收困难、成本高和/或比容量低。此外，这些无机材料通常由地质(即不可再生)来源的资源制备，并且在其工艺中是耗能的。鉴于对电池的生产量预测(锂离子电池每年数十亿台)，从长远来看，没有这些无机电极材料的风险很大。此外，没有任何现有技术符合要求，而且欧洲级的新环境标准也在不断出现(参见http://ec.europa.eu/env ironment/waste/batteries/，官方指示2006/66/EC)。

在这种情况下，可以预期有机锂电池的开发是具有某些潜力的，该有机锂电池包括作为正极活性材料的氧化还原有机结构(例如，氮氧化物衍生物、多芳族化合物)，也就是说，能够进行一个或多个可逆的氧化/还原反应(特别是与电极交换电子，同时与锂离子结合)的有机结构。首先，这些氧化还原有机结构展示的优点包括可能从可再生资源中获得的化学元素(特别是C、H、N、O、S)，从而使该结构更加丰富。其次，在较温和的温度下，通过简单燃烧就可以很容易地销毁它们。此外，可以通过适当的官能化来调节(例如掺入靠近氧化还原中心的吸附基团)它们的电化学性质(离子和电子传导性质、氧化电势的值、比容量)。最后，氧化还原有机结构的相对密度通常约为1g/cm³；它们比无机电极材料轻，因此可以获得轻量锂电池。