具有增加的热导率的纳米多孔复合分隔物制造技术

公开了用于电池和电容器的纳米多孔复合分隔物，所述纳米多孔复合分隔物包括纳米多孔无机材料和有机聚合物材料。无机材料可以包括Al

Nano porous composite separator with increased thermal conductivity

【技术实现步骤摘要】
具有增加的热导率的纳米多孔复合分隔物本申请是申请日为2014年4月29日、申请号为201480026808.5、专利技术名称为“具有增加的热导率的纳米多孔复合分隔物”的中国专利技术专利申请的分案申请。
本公开一般涉及多孔膜的领域并涉及产生电流的电池以及用于在产生电流的电池中使用的分隔物。更具体地，本公开涉及包含无机氧化物或其他无机材料的多孔分隔物膜，其中所述膜与由聚烯烃材料构成的多孔分隔物膜相比具有增加的热导率。另外，本公开涉及产生电流的电池如锂离子电池以及电容器，其包括这种具有增加的热导率的多孔分隔物。
技术介绍
锂电池，包括可再充电锂离子电池或二次锂离子电池、非可再充电锂电池或一次锂电池、以及其他类型例如锂-硫电池，通常通过交错设置塑料分隔物、两侧均涂覆有阴极层的金属基材、另一塑料分隔物以及两侧均涂覆有阳极层的另一金属基材制成。为了保持这些材料的条带的对齐和为了其他质量原因，此交错设置通常在复杂且昂贵的自动装置上进行。另外，为了得到足够的机械强度和完整性，分隔物和金属基材是较厚的，例如厚度为10μm或更大。例如，用于阳极涂层的铜金属基材的典型厚度为10μm，用于阴极涂层的铝金属基材的典型厚度为12μm，塑料分隔物一般具有12μm至20μm的厚度。这些厚的分隔物和金属基材不具有电化学活性，并因此降低锂电池电极中电活性材料的体积。这限制了锂电池的能量密度和功率密度。
技术实现思路
本公开的一个方面涉及包含陶瓷颗粒和聚合物黏合剂的电池组用多孔分隔物，其中，所述多孔分隔物具有35％至50％的孔隙率和10nm至50nm的平均孔隙尺寸。在一些情况下，陶瓷颗粒选自无机氧化物颗粒和无机氮化物颗粒。在一些情况下，多孔分隔物在暴露于200℃的温度至少一小时的情况下表现出小于1％的收缩率。在一些情况下，陶瓷颗粒包括Al2O2、AlO(OH)或勃姆石、AlN、BN、SiN、ZnO、ZrO2、SiO2及其组合中的至少一种。在一些情况下，陶瓷颗粒包含65％至95％的勃姆石和余量的BN。在一些情况下，陶瓷颗粒包含65％至95％的勃姆石和余量的AlN。在一些情况下，平均孔隙尺寸是10nm至90nm。在一些情况下，少于1％的孔具有在10nm至90nm之外的尺寸。在一些情况下，孔隙率是35％至50％。在一些情况下，聚合物黏合剂包括选自以下的聚合物：聚偏二氟乙烯(PVdF)及其共聚物、聚乙烯醚、聚氨酯、丙烯酸树脂、纤维素材料、苯乙烯-丁二烯共聚物、天然橡胶、壳聚糖、丁腈橡胶、硅弹性体、PEO或PEO共聚物、聚磷腈及其组合。在一些情况下，多孔分隔物具有当温度从25℃升高到50℃时增加的热导率，所述热导率用ASTME1461和ASTM1530之一测量。在一些情况下，分隔物具有孔体积，并且超过90％的孔体积包括孔径小于100nm的孔。本公开的另一方面涉及电化学电池，其包括阳极、阴极、包括锂盐的无机电解质、和包括有机聚合物和陶瓷材料的多孔分隔物层，其中，所述多孔分隔物层具有35％至50％的孔隙率和10nm至90nm的平均孔隙尺寸，并且在暴露于200℃的温度至少一小时的情况下表现出小于1％的收缩率。在一些情况下，无机陶瓷颗粒选自无机氧化物颗粒和无机氮化物颗粒。在一些情况下，无机陶瓷颗粒包括Al2O3、AlO(OH)或勃姆石、AlN、BN、SiN、ZnO、ZrO2、SiO2及其组合；有机聚合物包括PVdF及其共聚物、聚乙烯醚、聚氨酯、丙烯酸树脂、纤维素材料、苯乙烯-丁二烯共聚物、天然橡胶、壳聚糖、丁腈橡胶、硅弹性体、PEO或PEO共聚物、聚磷腈及其组合。在一些情况下，平均孔隙尺寸是25nm至35nm。在一些情况下，孔隙率是40％至45％。本公开的另一方面涉及制造柔性多孔复合分隔物的方法。所述方法包括：配制分散体，其中分散体包含有机聚合物材料、无机陶瓷材料和溶剂；将所述分散体施用至基材以形成涂层；干燥并固化涂层；和从基材移出涂层以形成柔性多孔复合分隔物，其中，多孔分隔物具有35％至50％的孔隙率和10nm至50nm的平均孔隙尺寸，并且在暴露于200℃的温度至少一小时的情况下表现出小于1％的收缩率。在一些情况下，平均孔隙尺寸是20nm至40nm，所述多孔复合分隔物的孔隙率是40％至45％。在一些情况下，无机陶瓷材料包括勃姆石、BN和AlN中的至少一种。本公开的另一方面涉及使热量穿过电池传递的方法，其包括升高锂离子电池中电极的温度，使热量从所述电极穿过分隔物传递至第二电极，分隔物包括多孔陶瓷颗粒和聚合物，其中，所述分隔物具有35％至50％的孔隙率和10nm至50nm的平均孔隙尺寸。在一些情况下，平均孔隙尺寸是20nm至40nm。在一些情况下，分隔物具有多个孔，并且所述孔中的每一个都具有10nm至50nm的直径。在一些情况下，分隔物具有多个孔，并且所述孔均不具有大于100nm的直径。在一些情况下，分隔物具有40％至45％的孔隙率。在一些情况下，分隔物在暴露于200℃的温度至少一小时的情况下表现出小于1％的收缩率。本公开的另一方面涉及柔性复合陶瓷分隔物，其包括聚合物；均匀地分散在所述聚合物中的第一无机颗粒材料；均匀地分散在所述聚合物中的第二无机颗粒材料，第二无机颗粒材料在粒度或者组成上与第一无机颗粒材料不同；并且其中，所述柔性复合陶瓷分隔物表现出比相同组成的对比复合陶瓷分隔物的热导率大的热导率，对比复合陶瓷分隔物与所述柔性复合陶瓷分隔物的区别仅在于对比复合陶瓷分隔物以与第一无机颗粒材料和第二无机颗粒材料的装载量的总和相同的重量仅包含单一无机颗粒材料。在一些情况下，对比复合陶瓷分隔物中的单一无机颗粒材料与柔性复合陶瓷分隔物中的无机颗粒材料之一相同。附图说明为了举例说明本公开，在附图中示出了具体的实验数据。然而应理解，本公开不限于所示出的确切数据。图1至2示出聚合物分隔物和根据本公开一个实施方案制备的基于勃姆石的分隔物的热谱图。图3示出聚合物分隔物的热导率(以W/(m·K)测量)与根据本公开一个实施方案制备的纳米多孔复合分隔物的热导率相比较的图。图4示出聚合物分隔物材料、陶瓷涂覆的聚合物分隔物材料以及根据本公开一个实施方案制备的纳米多孔复合分隔物材料的热导率(以W/(m·K)测量)的图。图5至6是各种分隔物材料的尺寸稳定性的曲线图，包括根据本公开一个实施方案制备的纳米多孔复合分隔物。图7至8是各种分隔物材料的尺寸稳定性的曲线图，包括根据本公开一个实施方案制备的纳米多孔复合分隔物。图9是相对于聚合物分隔物材料和根据本公开一个实施方案制备的纳米多孔复合分隔物材料的孔隙尺寸直径的微分侵入(differentialintrusion)的曲线图。图10是相对于两种分隔物材料的伸展百分比的拉伸应力的曲线图，包括根据本公开一个实施方案制备的纳米多孔复合分隔物材料。图11是根据本公开的各个实施方案的各种勃姆石和氮化硼(BN)混合物的粒度分布的曲线图。图12是根据本公开的各个实施方案的各种勃姆石和氮化铝(AlN)混合物的粒度分布的曲线图。图13是根据本公开的各个实施方案的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性多孔复合物电池分隔物，其包含：/n聚合物；/n第一无机颗粒材料，其包含分散在所述聚合物中的第一类型勃姆石；和/n分散在所述聚合物中的第二无机颗粒材料，所述第二无机颗粒材料选自二氧化硅、氧化锆和不同于所述第一类型勃姆石的第二类型勃姆石，/n其中，当通过ASTM E1461方法测量时，所述柔性多孔复合物电池分隔物表现出比包含聚合分隔物层的对比分隔物的热导率大的热导率。/n

【技术特征摘要】
20130429 US 61/817,1191.一种柔性多孔复合物电池分隔物，其包含：
聚合物；
第一无机颗粒材料，其包含分散在所述聚合物中的第一类型勃姆石；和
分散在所述聚合物中的第二无机颗粒材料，所述第二无机颗粒材料选自二氧化硅、氧化锆和不同于所述第一类型勃姆石的第二类型勃姆石，
其中，当通过ASTME1461方法测量时，所述柔性多孔复合物电池分隔物表现出比包含聚合分隔物层的对比分隔物的热导率大的热导率。


2.根据权利要求1所述的柔性多孔复合物电池分隔物，其中所述柔性多孔复合物电池分隔物不包含其他聚合分隔物层。


3.根据权利要求1所述的柔性多孔复合物电池分隔物，其中所述第一类型勃姆石在通过表面处理的组成上或粒度上与所述第二类型勃姆石不同。


4.根据权利要求1所述的柔性多孔复合物电池分隔物，其中所述聚合物选自：聚偏二氟乙烯(PVdF)及其共聚物、聚乙烯醚、聚氨酯、丙烯酸树脂、纤维素材料、苯乙烯-丁二烯共聚物、天然橡胶、壳聚糖、丁腈橡胶、硅弹性体、PEO、PEO共聚物、聚磷腈、及其组合。


5.根据权利要求1所述的柔性多孔复合物电池分隔物，其中所述柔性多孔复合物电池分隔物具有35％至50％的孔隙率和10nm至90nm的平均孔隙尺寸。


6.根据权利要求1所述的柔性多孔复合物电池分隔物，其中所述柔性多孔复合物电池分隔物在暴露于200℃的温度至少一小时的情况下表现出小于1％的收缩率。


7.根据权利要求6所述的柔性多孔复合物电池分隔物，其中所述柔性多孔复合物电池分隔物在暴露于220℃的温度至少一小时的情况下表现出小于1％的收缩率。


8.根据权利要求1所述的柔性多孔复合物电池分隔物，其中当通过ASTME1461方法测量时，所述柔性多孔复合物电池分隔物在50℃下的热导率...

【专利技术属性】
技术研发人员：大卫·W·阿维森，莎瑞安斯·金裕，钱德拉坎特·C·帕特尔，小查尔斯·R·科莫，塞缪尔·利姆，
申请(专利权)人：奥普图多特公司，
类型：发明
国别省市：美国;US