制造具有纳米纤维和微米纤维成分的单层锂离子电池隔膜的方法技术

本发明专利技术提供一种绝缘(非导电性)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。这样的隔膜可以通过使用单一非织造布而能够将孔隙率和孔径调节为任何期望的水平。通过适当选择材料和制造工艺，所得电池隔膜展现出各向同性强度、低收缩率、高润湿性水平，以及与层厚直接相关的孔径。整体制造方法效率高，并且通过成本效率高的高剪切加工可以将聚合物纳米纤维组合到聚合物微米纤维基体中和/或这样的基底上。隔膜、含有该隔膜的电池、制造该隔膜的方法和在电池装置中利用该隔膜的方法，均包含在本发明专利技术中。

【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)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。这样的隔膜可以通过使用单一非织造布而能够将孔隙率和孔径调节为任何期望的水平。通过适当选择材料和制造工艺，所得电池隔膜展现出各向同性强度、低收缩率、高润湿性水平，以及与层厚直接相关的孔径。整体制造方法效率高，并且通过成本效率高的高剪切加工可以将聚合物纳米纤维组合到聚合物微米纤维基体中和/或这样的基底上。隔膜、含有该隔膜的电池、制造该隔膜的方法和在电池装置中利用该隔膜的方法，均包含在本专利技术中。
技术介绍
电池作为在远距离地点的电能发生器已使用了许多年。其通过控制离子在电极(阳极和阴极)之间的移动产生电力电路，从而提供电源，可用至一个电极中过量的离子耗尽而不可能再产生电。近年来，已创造出充电电池来使这样的远距离能源具备更长的寿命，尽管需要将这种电池与其他电源连接一段时间。总之，这种电池的再使用能力已发展出更大的应用潜力，尤其是用于手机和笔记本电脑，甚至能够用于仅靠电运行的汽车。这种电池典型地包括至少5种不同组件。外壳(或容器)以安全与可靠的方式包覆各组件以防止泄露至外部以及防止内部暴露于环境。在该外壳的内部是阳极和阴极，其有效地被隔膜隔离；以及电解质溶液(低粘度液体)，其通过隔膜在阳极和阴极之间传输离子。在如今以及可预见的将来，充电电池将全方位用于非常小而便携的设备，具有强大的产电能力从而在充电间隔的长时间里保持有效，还用于汽车中存在的非常大的类型的电池，这样的电池例如包括彼此不可接触的大型电极(至少在表面区域)，以及必须持续且恒定地穿过膜来完成必要电路的大量离子，所有这些的产能水平有助于提供用于运转汽车发动机的足够电力。正因如此，未来电池隔膜的能力和通用性必须达到一定要求，这在当今行业还未能够实现。一般而言，从封闭电池的出现以来，使用电池隔膜从而在不期望接触的电极之间提供必要的保护以及允许电解质在产电电池单元内的有效传输。典型地，这种材料具有膜结构，该膜结构足够薄以减少电池装置的重量和体积，同时给予上述提到的必要性能。这种隔膜还必须具备其他特性以发挥合适的电池功能。这些功能包括化学稳定性、离子种类的合适的孔隙率、电解质传输的有效孔径、合适的透过性、有效的机械强度、以及当暴露于保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切断的能力)。更详细而言，隔膜材料必须具备足够的强度和结构以应对多种不同的情况。首先，在电池组装的受力期间，隔膜不能被撕破或戳破。这样，隔膜的总体机械强度极其重要，尤其作为在加工和截面(即，横断)方向均具有高拉伸强度的材料，允许制造者更容易操作这种隔膜且无需严格的指导，以免在关键的步骤中使隔膜受到结构破坏或损失。此外，从化学观点来看，隔膜必须耐受电池自身内部的氧化和还原环境，尤其是在充满电时。使用过程中的任何失效，特别是结构完整性方面的失效，即允许异常的大量电流通过或使电极可触碰，将会毁坏产电能力而使得电池完全失效。因此，为了上述相同的理由，即使具有高于耐气候化学暴露的能力，这种隔膜还必须在存储、制造和使用过程中，不丧失尺寸稳定性(即，翘曲或熔化)或机械强度。同时，隔膜必须具备基本上合适的厚度以利于电池本身的高能量和功率密度。为了允许长期循环，均匀地厚度也十分重要，这是因为任何对隔膜不均匀的磨损将会成为电解质通路以及电极接触保护的薄弱环节。此外，这种隔膜必须展现出合适的孔隙率和孔径以适应离子通过该膜进行合适的传输(以及合适的容量以在使用过程中保持一定量的液体电解质来利于该离子转移)。孔本身应当足够小以防止电极成分进入和/或穿过膜，但如上所述还应当允许电解质离子的合适的转移率。还有，孔径的均匀性以及孔径分布提供更加均匀的经时产电结果，以及如上所述对于整个电池而言更加可靠的长期稳定性，在这样的系统中至少尽可能最佳控制电池隔膜的均匀磨损，以允许更长的寿命周期。此外，确保一旦暴露于异常高温时其中的孔适当关闭，这利于防止电池失效后过量和非期望的离子转移(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，从而允许简单测量隔膜来指示电池具有允许存在于电池本身内部的电解质充分通过的能力。例如，平均流量孔径(mean flow pore size)可根据ASTM E-1294测量，并且可使用该测量值来帮助确定隔膜的阻隔性能。因此，具有较低孔径时，孔本身的刚度(即，在使用过程中孔随时间且暴露于设定压力下保持某一大小的能力)也允许电极隔离的有效控制。更重要的是或许这样的孔径水平能够限制枝状晶形成，从而减少在阳极上形成晶体(比如在石墨阳极上的锂结晶)的几率，在阳极上形成晶体会有害地影响电池随时间的产电能力。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事实上可合适地使离子转移通过膜；如果隔膜不能有助于这样的情况，则电解质将不能合适地留在隔膜孔上和内部，并且不易发生必要的离子传输。此外，应当理解通常要求隔膜具有该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的分散。电解质分散体的非均匀性可导致在电池内部和隔膜表面形成枝状晶，从而产生提高的电势而使电池失效且在其中发生短路。如上所述，当将该隔膜应用在典型的锂离子电池中时还十分关注尺寸稳定性。无疑隔膜在整个电池寿命期间必定提供用作离子扩散的多孔隔板。然而，在某些情况下，来自外源或电池自身内部的温度提升可使敏感的隔膜材料发生非期望的收缩、翘曲或熔化，其中任意一种均可随时间有害影响电池的性能。正因如此，在实际使用期间由于降低温度水平和/或使该类型电池从提升的温度中脱离非常难以实现，因此隔膜本身应当包含能够耐受该高温且暴露后不受明显影响的材料。可选地，使用其中一种为纤维的材料的组合将会极具吸引力，例如，可在提供这样的有益结果的同时仍使隔膜在其最适水平上发挥作用。然而，如上所述，现如今适合的标准不符合这种关键的考虑因素。有效电池隔膜的一般性目的在于，在单一薄片材料中提供全部的有益特性。低空气阻力、非常小的孔径和合适的孔径分布、在化学和提升的温度环境下的尺寸稳定性、合适的润湿性、用于允许最多的电池成分存在于尽可能小的封闭空间的最佳厚度以及有效的总体拉伸强度(本质上优选各向同性)，提供上述这些特性的能力均是必要的，以便使材料符合如下条件：显著降低电极接触的任何可能性，...

【技术保护点】
一种形成电池隔膜的方法，其中，所述电池隔膜的最大厚度为250微米，并且其中，所述电池隔膜包含微米纤维组分和纳米纤维组分的组合，所述方法包括如下步骤：a)提供水溶剂；b)向其中导入多个纳米纤维以在水溶剂中形成纳米纤维分散体；c)在高剪切条件下混合所述纳米纤维分散体；d)导入多个微米纤维以在水溶剂中形成微米纤维/纳米纤维分散体；e)向造纸机中导入高剪切分散体；f)生产微米纤维/纳米纤维材料的织物；和g)干燥所述织物。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.11.20 US 13/682,6301.一种形成电池隔膜的方法，其中，所述电池隔膜的最大厚度为250微
米，并且其中，所述电池隔膜包含微米纤维组分和纳米纤维组分的组合，所述
方法包括如下步骤：
a)提供水溶剂；
b)向其中导入多个纳米纤维以在水溶剂中形成纳米纤维分散体；
c)在高剪切条件下混合所述纳米纤维分散体；
d)导入多个微米纤维以在水溶剂中形成微米纤维/纳米纤维分散体；
e)向造纸机中导入高剪切分散体；
f)生产微米纤维/纳米纤维材料的织物；和
g)干燥所述织物。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，对步骤“f”所得的所述织物进一
步在压延工艺中进行处理以生产隔膜材料，所述隔膜材料的厚度最大为100
微米且孔径最大为2000nm。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述微米纤维被原纤化。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述微米纤维是海岛纳米纤维。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述纳米纤维被原纤化。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述纳米纤维是海岛纳米纤维。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述微米纤维的长度为至少1mm。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述微米纤维/纳米纤维分散体的
纤维固体物的浓度为小于水的0.5重量％。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述造纸机选自...

【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