[发明专利]具有低反离子渗透率层的电池

说明书

用于电池单元的电极配置包括：正极、负极、介于正极和负极之间的隔离物、以及介于隔离物和正极之间的低反离子渗透率层。隔离物具有针对不参与电池电极反应的反离子的第一渗透率，并且低反离子渗透率层具有小于第一渗透率的针对反离子的第二渗透率。隔离物包括邻近低反离子渗透率层的第一盐浓度和邻近负极的第二盐浓度，并且第二盐浓度大于第一盐浓度。

优先权要求

本申请要求2017年6月7日提交的题为“Battery Having a Lower Counter-IonPermeability Layer”的美国临时申请序列号62/516,259的优先权，其公开内容通过引用以其整体并入本文。

技术领域

本公开大体上涉及电池，并且更特别地涉及用于电池的电极配置。

背景技术

在电池中，离子在充电和放电循环期间在负极和正极之间转移。例如，在放电时，电子从负极通过外部电路流向正极，以在外部电路中生成电流。在此过程中，正离子（例如锂离子电池中的锂离子）在电池内从负极通过电解质行进到正极。相反，在充电时，外部电路供应电流，其使电子流反向从正极通过外部充电电路而回到负极，而正离子在电池内从正极通过电解质移动到负极。

确定电池性能的两个重要度量是电池的能量密度或所存储的能量与电池的体积或大小之比、以及电池可以充电或放电的速率。在常规电池中，在电池的能量密度和电池可以充电或放电的速率之间存在权衡。对于给定的一组电池材料，可以通过例如改变电极中的活性材料的量来修改能量和充电/放电速率。电极中的活性材料的量可以通过减少电解质所占据的孔隙空间或增加电极的厚度来增加。然而，这些修改中的任一者都会导致单元（cell）可以充电或放电的速率的降低。

针对电池的充电和放电速度的一个特定限制因素被称为浓度极化。如上所述，在充电和放电期间，分别邻近正极和负极的电解质中的离子分别从电极通过电解质行进而到达负极和正极中的另一者。反离子（counter-ion）或不参与负极和正极处的反应的离子倾向于在与活性离子移动方向相反的方向上迁移。在充电期间，离子行进会导致正极处的离子积累和负极处的离子耗竭。相反，在放电期间，离子行进会导致负极处的离子积累和正极处的离子耗竭。该离子积累和耗竭称为浓度极化。

紧邻近正极或负极的电解质中的浓度极化降低了电池可以充电和放电的速度，这是因为邻近相应电极存在可以参与电化学反应的减少数量的活性离子。此外，在一些情况下，邻近正极和/或负极的活性离子可能被耗竭到在电池中发生不合期望的反应的程度，从而造成对电池的损坏。

一些常规电池尝试通过增加电池中的反应离子的迁移率来减少浓度极化。然而，增加反应离子的迁移率需要重新设计电池中的电解质，这可能涉及许多其他考虑因素，可能会增加电池的成本，并可能以其他方式降低电池的效率。

因此，需要的是减少电池的浓度极化以改进电池的效率和性能的替代方式。

发明内容

在一个实施例中，一种用于电池单元的电极配置包括：正极、负极、置于正极和负极之间的隔离物、以及介于隔离物与正极之间的低反离子渗透率层。隔离物具有针对不参与电池电极反应的反离子的第一渗透率，并且低反离子渗透率层具有小于第一渗透率的针对反离子的第二渗透率。隔离物包括邻近低反离子渗透率层的第一盐浓度和邻近负极的第二盐浓度，并且第二盐浓度大于第一盐浓度。

在一些实施例中，低反离子渗透率层包括施加到正极的膜。在另外的实施例中，膜包括以下中的一种或多种：LATP；LLZO；LLTO；离子交换聚合物；磺化四氟乙烯；混合导体；和TiS₂。

在电极配置的另一实施例中，低反离子渗透率层包括以使得所述低反离子渗透率层形成所述隔离物和所述正极之间的锂传导材料的渗透网络的方式嵌入在惰性非传导聚合物中的LATP。

在电极配置的一些实施例中，低反离子渗透率层由沉积在所述正极上的LiPON形成。