固化的、适型的多孔复合材料及相关的装置、方法和用途制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种固化的、适型的多孔复合材料，其具有互连的孔并含有热膨胀的聚合物微球和颗粒填充材料。本发明专利技术公开了一种能量存储装置，其包含具有互连的孔并且包含热膨胀的聚合物微球和颗粒填充材料的固化的、适型的多孔复合材料。本发明专利技术公开了一种制备固化的、适型的多孔复合材料的方法，其中在孔的形成中没有溶剂被引入复合材料或从复合材料中被提出。

Solidified and suitable porous composites and related devices, methods and Applications

The invention discloses a solidified and suitable porous composite material, which has interconnected holes and contains thermal expansion polymer microspheres and particle filling materials. The invention discloses an energy storage device comprising a solidified and suitable porous composite material with interconnected holes and thermal expansion polymer microspheres and particle filling materials. The invention discloses a method for preparing cured and suitable porous composite materials, in which no solvent is introduced into or proposed from the composite materials in the formation of the pores.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】固化的、适型的多孔复合材料及相关的装置、方法和用途版权声明2017AmtekResearchInternationalLLC。本专利文件的公开内容的一部分包含受版权保护的材料。由于其出现在美国专利和商标局的专利文件或记录中，版权所有者不反对任何人对专利文件或专利公开内容进行摹真复制，但在其他方面保留所有版权。37CFR§1.71(d)。
本专利技术涉及具有互连孔的固化的、适型的多孔复合材料，并且其包括热膨胀的聚合物微球和颗粒填充材料。该固化的、适型的多孔复合材料(1)在不使用加工油和伴随的萃取溶剂的情况下表现出良好的孔隙率，并且(2)表现出足够的电解液润湿性。这种固化的、适型的多孔复合材料可用作隔膜，以改善诸如铅酸电池组的储能装置的可制造性和性能。
技术介绍
随着技术的发展，用于铅酸蓄电池组的隔膜已由不同的材料形成。随着时间的推移，木材、纸张、橡胶、PVC、玻璃纤维和二氧化硅填充的聚乙烯都可使用。目前，发现铅酸蓄电池组通常有两种设计模式，即阀控式重组(阀控铅酸(VRLA))电池和富液式电池。两种模式都包括通过多孔电池组隔膜彼此分开的正电极和负电极。多孔隔膜防止电极物理接触并为电解液提供停留空间。这种隔膜由耐硫酸电解液的材料形成，易于在硫酸中润湿，并且具有足够的多孔性以允许电解液存在于隔膜材料的孔中，从而允许离子电流在相邻的正极板和负极板之间以低电阻流动。最近，已经开发出增强型富液式电池组(EFB)以满足“启停”或“微混合动力”车辆应用中的高循环要求。在这种应用中，在车辆停止时(例如，在交通灯处)关闭发动机，之后重新起动发动机。“启停”车辆设计的优势在于它可以减少二氧化碳排放并提高整体燃油效率。“启停”车辆的主要挑战是电池组必须在停止阶段期间继续提供所有电气功能，同时能够提供足够的电流以在所需时刻重新起动发动机。在这种情况下，与传统的富液式铅酸蓄电池组设计相比，电池组必须在循环和再充电能力方面表现出更高的性能。在“启停”应用的情况下，阀控铅酸(VRLA)电池组已经在该领域显示了良好的可循环性，但是它们具有相对高的成本和其他问题。因此，仍然需要机械上坚固、耐酸、高孔隙率的隔膜，其可以在“启停”应用中使用的铅酸蓄电池组的整个寿命周期中使用。对于二氧化硅填充的聚乙烯隔膜，传统的制造方法包括挤出、提取，然后干燥、切割和卷绕步骤。沉淀二氧化硅通常与聚烯烃、加工油和各种次要成分组合以形成隔膜混合物，其在升高的温度下通过片材机头挤出以形成充油片材。将充油片材压延至其所需的厚度和轮廓，并提取大部分工艺油。将片材干燥以形成微孔聚烯烃隔膜，并切成适当宽度以用于特定的电池组设计。在该制造过程中，加工油的提取和提取溶剂的干燥是限制步骤。生产线的产量取决于可以移除加工油的速度以及溶剂干燥的速度，这两者都取决于隔膜产品的厚度。三氯乙烯(TCE)和己烷通常用作加工油的提取溶剂，它们在健康、安全和有效回收方面存在挑战。因此，还需要一种不使用危险和/或易燃溶剂制造的电池组隔膜。隔膜应具有所需的性能，例如良好的润湿性、良好的孔隙率，并且允许电池组具有高循环性和再充电能力。
技术实现思路
已经发现，闭路电池可膨胀微球可与颗粒填充材料组合以形成固化的、适型的多孔复合材料，其具有互连的孔并含有热膨胀的聚合物微球和颗粒填充材料。该固化的、适型的多孔复合材料可以形成具有良好润湿性、良好孔隙率的电池组隔膜，并且允许电池组具有高循环性和再充电能力。可膨胀微球优选是可膨胀聚合物微球，例如(AkzoNobelN.V.)、AdvancellEM(SekisuiChemicalCo.,Ltd.)、KurehaMicrosphere(KurehaCorp.)、(ChaseCorp.)、(PolyChemAlloy)。Expancel微球为小的球形热塑性颗粒，其由包封气体的聚合物壳组成。加热时，来自气体的内部压力增加，同时热塑性外壳软化。因此，在气体被捕获于球体内部的情况下，微球体积增加。颗粒填充材料优选包括无机材料。无机材料优选包括无机氧化物、碳酸盐或氢氧化物，例如氧化铝、二氧化硅、氧化锆、二氧化钛、云母、勃姆石或其混合物。无机材料为固化的、适型的多孔复合材料提供电解液润湿性。无机材料可以是多孔的或无孔的。无机材料可以为各种形式，例如研磨或未研磨形式的颗粒、纤维(例如微玻璃纤维)、薄片或纳米管。无机材料优选不溶于铅酸电池组中常用的电解液硫酸。无机材料可以不溶于碱性电池组中常用的电解液氢氧化钾。无机材料优选为固化的、适型的多孔复合材料的约30wt％至约90wt％。优选使用压缩和加热来形成固化的、适型的多孔复合材料。颗粒填充材料优选与可膨胀微球混合，然后在限定的体积空间(例如模具)中加热。该过程可以分批或连续进行。同样，固化的、适型的多孔复合材料可以在电池组的电极之间原位形成。固化的、适型的多孔复合材料的通过水孔隙率测定的孔隙率优选为30％以上，例如约40％或更大、约50％或更大、约60％或更大、约70％或更大、或约80％或更大。例如，孔隙率可为约30％至约90％、约40％至约90％、约50％至约90％、约60％至约90％、约70％至约90％、约75％至约90％、约80％至约90％或约85％至约90％。可以添加机械增强材料以增加固化的、适型的多孔复合材料的结构强度。机械增强材料可以是主要形成在固化的、适型的多孔复合材料的一个或两个主表面上或者至少部分地嵌入固化的、适型的多孔复合材料的整体结构中的支撑体。支撑体的实例包括泡沫、片材、薄膜、网状物、膜、织造或非织造垫、丝网或它们的组合。固化的、适型的多孔复合材料优选为可电解质润湿的，并且具有通过水孔隙率测定(例如针对孔隙率(体积)和水分含量的BCIS-03-6测试方法)的约30-90％的孔隙率。如上所述的固化的、适型的多孔复合材料可用于分离能量存储装置(例如电池组、电化学双层电容器、超级电容器或燃料电池)中的电极，其中孔可以填充有电解液。这种隔膜有利于能量存储装置的制造。通过以下参考附图进行的优选实施方案的详细描述，其他方面和优点将变得很明显。附图说明图1描绘了显示来自实施例3的工艺步骤的图片。图2A描绘了从实施例9获得的样品的SEM断裂水平视图图像。图2B描绘了与图2A中相同的样品的SEM断裂垂直视图图像。图3描绘了显示来自实施例10的单电池的图片。图4描绘了由实施例11制备的样品。图5A描绘了从实施例12获得的样品的顶表面的SEM图像。图5B描绘了与图5A中相同的样品的横截面的SEM图像。具体实施方式通过将可膨胀微球与颗粒填充材料混合，可以制备具有互连的孔并含有热膨胀微球和颗粒填充材料的固化的、适型的多孔复合材料。微球可以为干粉或水分散体。同样，颗粒填充材料可以为干粉或水分散体。然后可将混合物置于模具(或其他容积限定的空间)中并加热足够的时间以将材料粘合在一起。微球的膨胀为粘合提供必要的压缩。模具的体积(其随着微球膨胀影响压力)和加热的温度及持续时间可用于使至少一部分热膨胀的聚合物微球由于微球中包封的气体的逸出而破裂。膨胀后，缓慢冷却模具。微球保持膨胀状态，粘合在一起。然后将固化的、适型的多孔复合材料从模具中取出。当存在水分散体时，作为形成过程的一部分，可以将水蒸发掉。在加热混合物之前，可以将机械增强材料放置在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固化的、适型的多孔复合材料，其具有互连的孔并包含热膨胀的聚合物微球和颗粒填充材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.08.05 US 62/371,4531.一种固化的、适型的多孔复合材料，其具有互连的孔并包含热膨胀的聚合物微球和颗粒填充材料。2.根据权利要求1所述的固化的、适型的多孔复合材料，其中所述固化的、适型的多孔复合材料具有约30％或更大的孔隙率。3.根据权利要求1所述的固化的、适型的多孔复合材料，其中所述固化的、适型的多孔复合材料为可电解液润湿的并且具有通过水孔隙率测定的约30-90％的孔隙率。4.根据权利要求1所述的固化的、适型的多孔复合材料，其中至少一部分所述热膨胀的聚合物微球在聚合物微球的热膨胀过程中由于被包封气体的逸出而破裂。5.根据权利要求1所述的固化的、适型的多孔复合材料，其中所述热膨胀的聚合物微球和所述颗粒填充材料包括粘合的干粉或粘合的水分散体。6.根据权利要求1所述的固化的、适型的多孔复合材料，其中所述颗粒填充材料包括无机材料。7.根据权利要求6所述的固化的、适型的多孔复合材料，其中所述无机材料包括无机氧化物、碳酸盐、氢氧化物、氧化铝、二氧化硅、氧化锆、二氧化钛、云母、勃姆石或任何前述物质的混合物。8.根据权利要求6所述的固化的、适型的多孔复合材料，其中所述无机材料占所述固化的、适型的多孔复合材料的约30重量％至约90重量％。9.根据权利要求6所述的固化的、适型的多孔复合材料，其中所述颗粒填充材料还包含添加剂。10.根据权利要求9所述的固化的、适型的多孔复合材料，其中所述添加剂包括析氢抑制剂、电解液可溶的造孔剂、结构增强剂、润湿性增强剂、香料或它们的组合。11.根据权利要求1所述的固化的、适型的多孔复合材料，其还包括机械增强材料。12.根据权利要求11所述的固化...

【专利技术属性】
技术研发人员：丹尼尔·万德阿，杰夫·M·法兰佐，R·W·佩卡拉，
申请(专利权)人：阿姆泰克研究国际公司，
类型：发明
国别省市：美国,US