展现低收缩率的单层锂离子电池隔膜制造技术

本发明专利技术提供一种绝缘(非导电性)多微孔聚合物电池隔膜，其包含微米纤维和纳米纤维交缠而成的单层。该隔膜给予通过一张非织造布将孔隙率和孔径调节至任何所期望水平的能力。通过合适地选择材料和生产工艺，所得电池隔膜展现出各向同性的强度、低收缩率、高润湿性水平以及与层厚度直接相关的孔径。整体生产方法高效且成本效率也高，其通过高剪切加工将聚合物纳米纤维组合到聚合物微米纤维基体内和/或衬底上衬底。本发明专利技术中包含下述全部内容：该隔膜、包含该隔膜的电池、制造该隔膜的方法以及在电池装置中的该隔膜的应用方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及绝缘（非导电性）多微孔聚合物电池隔膜，其包含微米纤维和纳米纤 维交缠而成的单层。这样的隔膜能够通过一张非织造布而将孔隙率和孔径调节至任何所期 望水平。通过适当地选择材料和生产工艺，所得电池隔膜展现出各向同性的强度、低收缩 率、高润湿性以及与层厚度直接相关的孔径。整体生产方法高效且成本效率也高，其通过高 剪切加工将聚合物纳米纤维组合到聚合物微米纤维基体内和/或这样的衬底上。本专利技术中 包含下述全部内容：隔膜、包含该隔膜的电池隔膜、制造该隔膜的方法以及在电池装置中的 该隔膜的应用方法。
技术介绍
电池作为远程发电器已使用了许多年。通过控制电极（阳极和阴极）之间的离子 移动产生电力电路，从而提供电源，可以将该电源使用至一个电极的剩余离子耗尽而不再 可能产生电。 近年来，已创造出可充电电池，虽然需要将这种电池与其他电源连接一段时间，但 可以使这样的远程能源具备更长的寿命。总之，这种电池的再使用能力已产生更多的应用 可能性，尤其在移动电话和笔记本电脑用途方面，甚至能够使汽车仅靠电运行。 这种电池典型地包含至少5种不同组件。外壳（或容器）通过以安全且可靠的方 式容纳各组件以防止泄露至外部以及内部暴露于环境。该外壳的内部是有效地被隔膜隔 离的阳极和阴极，以及电解质溶液（低粘性液体），其在阳极和阴极之间穿过隔膜而传输离 子。目前的以及今后的可充电电池将出现在从较小且可携带的装置至存在于汽车中的非常 大型的电池的全部领域中，所述较小且可携带的装置具有大量的发电潜力以便在较长的充 电间隔中保持有效，大型的电池例如含有大电极（至少在表面区域），所述大电极不可相互 接触，并且大量的离子为了完成所需要的电路而需要持续不断地穿过膜，直至有助于提供 足够的电力来运行汽车马达的发电水平。由此，未来的电池隔膜的能力和多功能性必须达 到当今行业未曾实现的特定需求。 -般而言，自封闭电池的出现以来，一直利用电池隔膜来提供必要的保护抵御不 希望的电极之间的接触，并允许在发电池内有效地传输电解质。典型地，这种材料被形成为 膜的结构，足够薄至减少电池装置的重量和体积，同时也表现出上述的必要性质。这样的 隔膜在发挥适宜的电池功能外还需要展现其他特性。这些特性包括化学稳定性、对于离子 种类的合适的孔隙率、电解质传输的有效孔径、适宜的渗透性、有效的机械强度以及暴露于 高温时保持尺寸和功能稳定性的能力（以及当温度升高至异常高的水平时能够关闭的潜 力）。 更详细地说，因此，隔膜材料必须具有足够的强度和结构以应对许多不同情况。首 先，在将电池组装而受力时隔膜不能被撕破或戳破。在这种方式下，隔膜的整体机械强度极 其重要，尤其作为高拉伸强度材料，在加工和截面（即，横断）的方向均允许制造商更容易 地且无需严格的指导来操作这种隔膜，以免在关键步骤中使隔膜受到结构破坏或损失。此 外，从化学的观点看来，尤其是在充满电时，隔膜必须耐受电池自身内部的氧化还原环境。 使用过程中的任何失误，特别是允许异常的大量电流通过或使电极接触的结构完整性方面 的失误，将会毁坏发电能力，导致电池完全失效。因此，即使在高于其耐化学暴露的能力的 情况下，出于与上述相同的理由，这种隔膜在储存、制造还有使用过程中也不能失去尺寸稳 定性（即，翘曲或熔化）或机械强度。 然而同时，隔膜必须本质上具备合适的厚度以利于电池自身的高能量和功率密 度。为了实现长期循环寿命，均匀的厚度也十分重要，这是因为对隔膜的任何不均匀的磨损 将会成为合适的电解质通道以及电极接触保护的弱点。 此外，这种隔膜必须展现出合适的孔隙率和孔径，以使离子通过该膜适宜地传输 (以及使其具有合适的容量保持一定量的液体电解质，以便在使用过程中利于输送该离 子）。孔自身应当足够小以防止电极成分进入和/或穿过膜，但如上所述还应当考虑电解质 离子的合适的输送速率。还有，均匀的孔径以及孔径分布提供始终更加均匀的发电结果，以 及对于整个电池而言更加可靠的长期稳定性，如上所述，在这样的系统中至少最佳控制的 电池隔膜的均匀磨损，导致更长时间的循环寿命。此外，这利于确保其中的孔一旦暴露于异 常高温时将会适当地关闭，以防止电池失效后过量和非期望的离子输送（即，防止火灾和 其他灾害）。 并且，孔径和分布可以提高或降低隔膜的空气阻力，从而可以通过对隔膜的简单 测量来表示存在于电池自身内部的电解质充分通过隔膜的能力。例如，平均流量孔径可根 据ASTM E-1294进行测量，并且可使用该测量来确定隔膜的阻隔性质。因此，具有较低孔径 的孔自身的刚度（即，孔在使用过程中且暴露于规定压力下始终保持某一大小的能力）可 有效地控制电极隔离。或许更重要的是，能够以这样的孔径水平限制枝状晶形成，从而减少 在阳极上形成晶体的几率（就像锂在石墨阳极上的结晶），这可以随着时间有害地影响电 池的发电能力。 进一步，在制造、存储和使用期间，隔膜一定不能削弱电解质完全填充整个电池的 能力。因此，在这些阶段，隔膜必须展现出合适的毛细作用和/或润湿性以确保电解质确实 可以适宜地使离子输送通过膜；如果隔膜不能有助于这样的情况，则电解质将不会适宜地 留在隔膜孔上和内部，并且不易发生即刻的离子传输。此外，已知隔膜的这种合适的润湿性 是为了确保液态电解质在隔膜表面和电池内部分散而通常所要求的。电解质分散的非均匀 性可导致在电池内部和隔膜表面形成枝状晶，从而提高电池失效以及在其中发生短路的可 能性。 如上所述，非常关注在典型的锂离子电池中使用时的这种隔膜的尺寸稳定性。无 疑隔膜必然在整个电池寿命期间提供用于离子扩散的多孔阻隔物。然而，在某些情况下，来 自外源或电池自身内部的温度升高均可以使敏感的隔膜材料产生非期望的收缩、翘曲或熔 化，而其中任一种随着时间均可有害地影响电池的能力。由此，由于在实际使用中非常难以 实现降低温度水平和/或从升高的温度中移出该电池类型，因此隔膜自身应当包含能够耐 受这样的高温且暴露时不展现出任何可见的影响的材料。或者，极具吸引力的是使用材料 的组合，例如，其中一种纤维可以提供这样的有益结果并仍使隔膜能够发挥至其最佳水平。 然而，如上所述，现如今的标准不符合这种关键的考虑因素。有效的电池隔膜的 一般的目的在于，在材料的一张薄片中提供全部的有益特性。提供低空气阻力、非常低的 孔径和合适的孔径分布、在化学环境和升高的温度的环境下的尺寸稳定性、合适的润湿性、 能够将最多的电池成分封闭于尽可能最小的封闭空间的最佳厚度和有效的总体拉伸强度 (最好是本质上具有各向同性）的能力，汇集到一种材料（彻底减少任何电极接触的可能 性）上是必要的，而且该材料还具有使受控的电解质从电池池体的一部分传输至另一部分 (即，闭合电路以产生所需电力）的能力，换言之，以最小的电池体积得到最长时间的最大 电池输出。目前，未曾同时将这些性质有效地提供至这样的程度。例如，Celgard公开且销 售了一种具有非常低孔径的多孔薄膜电池隔膜，其在如上所述的这方面非常良好；然而，该 材料的相应的空气阻力非常高，因此限制了该隔膜的总体有效性。相反，duPont将纳米纤 维非织造膜隔膜商业化，所述隔膜提供非常低的空气阻力，但在其中具有过大的孔径。此 外，这两种材料所展现出的总体机械强度非常有限；C本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种绝缘、非导电性多微孔聚合物电池隔膜，其包含微米纤维与纳米纤维交缠而成的单层，其中，所述电池隔膜在200℃暴露1小时时进而具有小于5％的收缩率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：布莱恩·G·莫兰，
申请(专利权)人：布莱恩·G·莫兰，
类型：发明
国别省市：美国;US