用于金属电池的涂层材料的制作方法

本发明总体上涉及将化学能转化为电能的电化学电芯（electrochemical cell）以及包含两个或更多个这些电化学电芯的电池组或模块，其中每个电化学电芯形成为袋状电芯(pouch cell)、圆柱形电芯(cylindrical cell)或棱柱形电芯(prismatic cell)。所述电化学电芯和/或电池组或模块包括位于所述袋状电芯、圆柱形电芯或棱柱形电芯内与电解质接触的一个或多个表面上的涂层材料，使得所述涂层材料配置以减少所述电解质中的气体产生。

背景技术：

1、本节中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，可能不构成现有技术。

2、金属离子电池和金属电池包括使用可溶性金属离子作为电池中的传输离子，以便能够发生用于能量存储和能量释放的电化学反应。金属离子电池与金属电池之间的主要区别与阳极活性材料的选择有关。当阳极活性材料为石墨、碳、硅、锑或类似材料时（其与提供金属离子用于能量存储/释放的金属不同），该电池代表金属离子电池。金属离子电池的几个实例包括锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池、镁离子电池、钙离子电池和铝离子电池。相比之下，金属电池利用形成金属离子的相应金属作为活性阳极材料。金属电池的几个实例包括锂电池、钠电池、钾电池、镁电池、钙电池和铝金属电池。

3、在金属离子电池和金属电池中，金属离子通常在充电期间嵌入电池电芯（batterycell）的阳极侧并从阴极侧脱出。在放电期间，金属离子从电芯的阳极侧释放并迁移回阴极侧。由于有机溶剂的高电压稳定性，这些电池通常包含有机电解质以提高其能量密度。在这些电池中，锂离子电池已获得广泛的商业成功。

4、锂离子电池由于其长循环寿命和高能量或功率密度而广泛用于多种应用，例如便携式电子产品、电动车辆和电网存储。在电动车辆（ev）中使用锂离子电池提供了减少全球温室气体排放和空气污染的潜力。最先进的电池化学通常基于锂离子技术，例如，阴极包含linimncoo2（nmc）、linicoalo2（nca）、limn2o4（lmo）、lifepo4（lfp）或licoo2（lco）；阳极由石墨或碳质材料形成；电解质混合物包含碳酸亚乙酯（ec）、碳酸二乙酯（dec）、碳酸二甲酯（dmc）、碳酸甲乙酯（emc）与锂盐例如lipf6的组合；以及位于阴极和阳极之间的可渗透li+离子迁移的无机或聚合物隔件。电池电芯通常封装在密封的层压箔（即袋状电芯）内或封装在金属壳体（即圆柱形电芯、棱柱形电芯）中。

5、极性有机电解质的使用使得金属电池和金属离子电池的性能高度易受水分污染的影响。气态物质的存在可能源于电解质、阳极和阴极中存在的残留水分的分解以及碳酸酯电解质的电化学分解。对于锂离子电池，情况被认为更糟，因为lipf6盐与水高度反应。在电池制造过程中，少量水分或水可能残留在电池中，甚至在充分干燥后。当lipf6盐与水反应时，其生成hf和其他分解物质，并且有可能在电池内部释放气态物质。

6、当锂离子电池需要在高电压和/或高温下工作时，该电池内气体逸出的严重性迅速放大，因为导致气体和其他副产物产生的电化学反应加速了电芯的降解和老化。此外，当气态物质在电芯内形成和积累时，由于加压气态物质导致电芯膨胀和爆裂，会产生安全问题。

7、热失控是发生在电池电芯内部的自加速放热反应，其可能由电芯内部出现的热点（例如短路）或由电芯外部产生的热源（例如电气故障）引发。热失控的发生导致电芯内部的剧烈反应，该反应产生大量热的、有毒的和易燃的气体，这些气体可能从电芯中释放，并且还可能从电芯中喷射出热颗粒。释放的气体和颗粒可能导致严重的安全和健康风险，如火灾、爆炸和有毒气氛的形成。由热失控反应产生的主要气体化合物包括二氧化碳（co2）、一氧化碳（co）、氢气（h2）和多种烃类气体。除了co2和h2o之外，所有由热失控产生的气体本质上都是易燃和/或易爆的。对存在的惰性气体或蒸汽（如co2和水蒸气）的抑制效应不能防止热失控期间易燃气体混合物的点燃。

8、在锂离子电池中，多孔聚合物隔件可以涂覆有勃姆石（boehmite）或氧化铝，以在热失控事件发生期间增强安全性。与氧化铝（al2o3）相比，使用勃姆石（alooh）是优选的，因为它代表更软且更便宜的材料。然而，在电池中使用勃姆石可能比在电池中使用al2o3产生显著更大量的气态物质，这是由于与勃姆石相关的相对高的水分含量和/或-oh官能团的存在。

9、电池电芯内气态物质的存在可以通过气态物质在袋状电芯中形成后立即释放来减轻。然而，气态物质在袋状电芯中形成后的释放对于此类电池的大规模生产可能不是一种选择，因为它会减缓生产速度并增加生产成本。对于圆柱形电芯和棱柱形电芯，在气体形成后将其从电池释放将是困难的。避免在电池电芯生产期间实施气体释放步骤的需要将是优选的。因此，需要减少由在电池电芯中使用勃姆石和其他金属氧化物和/或金属氢氧化物引起的气体产生量。

技术实现思路

1、本公开总体上涉及用于将化学能转化为电能的电化学电芯以及掺入两个或更多个这些电化学电芯的电池组。所述电化学电芯可以形成为袋状电芯、圆柱形电芯或棱柱形电芯。所述电化学电芯包括位于所述袋状电芯、圆柱形电芯或棱柱形电芯内与电解质接触的一个或多个表面上的涂层材料。该涂层材料包含金属氧化物和/或金属氢氧化物与金属磷酸盐，使得所述涂层材料配置以减少所述电化学电芯内部存在的气体量。在需要时，所述金属氧化物或金属氢氧化物可以是勃姆石，并且所述金属磷酸盐可以是磷酸铝。

2、根据本公开的一个方面，所述涂层材料可以位于隔件或集流体的表面上。所述涂层材料包括所述金属氧化物和/或金属氢氧化物与所述金属磷酸盐的均匀混合物，或者作为在第一层中包含所述金属氧化物和/或金属氢氧化物以及在第二层中包含所述金属磷酸盐的复合结构存在。所述第一层通常包含第一侧和第二侧，其中所述第一侧与所述袋状电芯、圆柱形电芯或棱柱形电芯内的一个或多个表面直接接触，而所述第二层与所述第一层的所述第二侧直接接触。在需要时，所述均匀混合物可以位于单个涂层内或位于多个涂层内。

3、根据本公开的另一个方面，所述电化学电芯可以是金属电池或金属离子电池。该金属电池或金属离子电池通常掺入有包含锂、钠、钾、镁、钙或铝中的一种或多种的金属。在需要时，所述电化学电芯可以是锂电池或锂离子电池。

4、在所述涂层材料中，所述金属氧化物或金属氢氧化物可以包括氧化铝、化学式为alooh的羟基氧化铝、沸石、钛酸盐、锆酸盐、铝酸盐、或其混合物或衍生物。所述沸石可以包括描述为fau、lta、cha、bea或zsm-5的结构。所述金属磷酸盐可以包括无定形磷酸铝、结晶磷酸铝、磷酸铝分子筛、或其混合物。该金属磷酸盐通常包括选自由li、mg、ca、sr、ba、ti、zr及其混合物组成的组的金属。

5、所述金属氧化物或金属氢氧化物与所述金属磷酸盐可以以99:1至1:99的质量比包含在所述涂层材料中。替代性地，所述金属氧化物或金属氢氧化物与所述金属磷酸盐可以以90:10至10:90的质量比包含在所述涂层材料中。替代性地，所述涂层材料包含质量比为75:25至25:75的所述金属氧化物或金属氢氧化物与所述金属磷酸盐。

6、相对于所述涂层材料的总质量，所述金属氧化物或金属氢氧化物可以以99%至25%的质量百分比包含在所述涂层材料中，并且所述金属磷酸盐可以以1%至75%的质量百分比包含在所述涂层材料中。替代性地，相对于所述涂层材料的总质量，所述金属氧化物或金属氢氧化物以98%至50%的质量百分比存在，并且所述金属磷酸盐以2%至50%的质量百分比存在。替代性地，相对于所述涂层材料的总质量，所述涂层材料包含质量百分比为95%至75%的所述金属氧化物或金属氢氧化物和质量百分比为5%至25%的所述金属磷酸盐。

7、根据本公开的另一个方面，相对于所述涂层材料的总质量，所述涂层材料还包含质量百分比为1%至20%的聚合物粘合剂。

8、根据本公开的又一个方面，提供了一种电池组或模块，其包含彼此串联连接或并联连接的两个或更多个如上所述并进一步在本文中定义的电化学电芯。

9、根据本公开的另一个方面，提供了一种制备如上所述并进一步在本文中定义的形成为袋状电芯、圆柱形电芯或棱柱形电芯的电化学电芯的方法。该方法通常包括以下步骤：1）提供用于所述电化学电芯的组件，包括阳极、阴极、隔件、电解质以及呈袋状、圆柱形或棱柱形包装形式的壳体；2）提供包含金属氧化物和/或金属氢氧化物与金属磷酸盐的涂层材料，使得所述涂层材料配置以减少所述电池内部的气体量；3）将所述涂层材料施加至位于所述电化学电芯内与所述电解质接触的一个或多个表面；以及4）组装所述电化学电芯的所述组件以形成袋状电芯、圆柱形电芯或棱柱形电芯。

10、其他适用范围将从本文提供的描述中变得显而易见。应当理解，所述描述和具体实例仅用于说明目的，并不旨在限制本公开的范围。