包括改进的细纤维隔板的电池制造技术

本发明专利技术公开了有利地包括含至少一个多孔细纤维层的隔板的碱性电池和锂电池，该细纤维具有约５０纳米至约３０００纳米的直径，与已知的电池隔板相比较，该隔板提供减少的厚度、防短路的树枝状晶体阻隔性和低离子电阻的改进的组合。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包括改进的细纤维隔板的电池专利
本专利技术涉及包括锂电池和碱性电池的电池领域，这些电池包括含 多孔聚合物细纤维层的隔板。专利技术背景电池包括置于阳极和阴极之间以防止阴阳极之间发生电连接或 短路的隔板。当导电粒子桥接隔板或隔板损坏到允许电极间接触的程 度时，产生短路。电池短路极少突然发生，而是经过一段时间通过称 为"软短路"的很小的导电通路的累积才发生。"枝晶短路，，指的是树枝状晶体(包括沉淀物，例如i成性电池的锌酸盐，或4S电池的锂金属)在电池的一个电极上形成，并穿过隔板生长至另一个电极，导致阴阳极 之间发生电连接。一次碱性电池通常具有阴极、阳极、置于阴阳极之间的隔板和碱性电解质溶液。阴极通常由Mn02、碳粒子和粘合剂(binder)形成。阳 极可由包括锌粒子的凝胶形成。分散于整个电池的电解质溶液最通常 为含有30-40%氢氧化钾的水溶液。用于碱性电池的电池隔板具有某 些性能要求。例如，这样的隔板需要强碱性电解液(例如30-40%的 KOH)存在下的稳定性。缺乏耐碱性可导致因机械完整性丧失造成的 电极之间的内部短路。还需要良好的电解质吸收性，指隔板应充分地 充满电池进行电化学反应所需的电解质溶液。对隔板的另 一个要求 是，成为由电池的电化学反应形成的导电氧化锌的生长的树枝状晶体 (该树枝状晶体可穿透隔板引起短路)的阻隔物。隔板还必须允许电极 之间的离子运动，换言之，隔板应对离子流表现出低电阻。二次碱性锌-Mn02电池具有与 一次碱性电池类似的阳极、阴极和 电解液。通常向阳极和阴极加入某些添加剂(例如Bi2Q3, BaS04和有 机抑制剂等)以改进可逆性，以便电池》文电后可再充电和减少锌腐蚀。在充放电期间， 一些添加剂可溶解于电解液中，迁移至另一个电极。使用具有良好的树枝状晶体阻隔性能的隔板将有助于延长锌-Mn02 二次电池的循环寿命。碱性电池用电池隔板常规上或是厚的具有大孔的多层非织造织 物，具有良好的(低)离子电阻，但对生长的树枝状晶体具有相对差的 阻隔性(也称"树枝状晶体阻隔性")，或是其上具有多微孔性薄膜(具 有很小的孔)的多层非织造织物，具有良好的树枝状晶体阻隔性，但 具有很高的离子电阻。现需要具有树枝状晶体阻隔性和离子电阻的平 衡得到改进的隔板的碱性电池。国际/>布第W09953555号公开了包括至少一个非织造层和减少 枝晶短路的层的复合电池隔板，减少枝晶短路的层可为玻璃纸、聚乙 烯醇、聚砜、接枝聚丙烯或聚酰胺的多微孔性层。该复合隔板的厚度 约为8.3密耳。当在40。/。的氢氧化钾(KOH)电解质溶液中，以1 KHz 测定时，该电池隔板具有小于约90 mohms-cn^的离子电阻。该多微 孔性层理想的是对空气具有很高级别的阻隔性，但同时不理想的是具 有高的离子电阻、差的电解质润湿性和差的电解质吸收性能。美国专利第4,746,586号公开了与不小于1.0丹尼尔的纤维素纤 维组合，使用具有0.8或小于0.8丹尼尔的PVA纤维，减少用于碱性 电池的电池隔板的厚度和改进其阻隔性。如果将该纤维素纤维的丹尼 尔数减少至该数以下，更高的表面积的纤维将导致更高的降解速度。锂电池分为三个总类锂一次电池、锂离子二次电池和锂离子凝 胶聚合物电池。锂一次电池利用许多不同类型的电池化学(battery chemistries),每一种都将锂作为阳极，但在阴极材料和电解质上不同。 在锂-氧化锰或Li-Mn02电池中，锂用作阳极，Mn02用作阴极材料； 电解质包含存在于例如碳酸丙烯酯和1, 2-二甲氧基乙烷的混合有机 溶剂中的锂盐。锂-硫化铁或Li/FeS2电池将锂用作阳极，硫化铁用作 阴极，有机溶剂共混物中的碘化锂用作电解质。锂离子二次电池将锂 化碳用作阳极、锂金属氧化物(例如LiCo02)用作阴极，具有1M六氟 磷酸锂(LiPF6)的有机溶剂共混物用作电解质。锂离子凝胶聚合物电池使用与锂离子二次电池类似的阳极和阴极材料。液体有机电解质与聚 合物隔板形成凝胶，这有助于在隔板和电极之间提供良好的粘合。凝 胶电解质的离子电阻比液体电解质高，但在安全性和形态因素方面 (即，使电池具有不同的形状和尺寸的能力)，凝胶电解质提供一些优 点。国际公布笫WO0189022号公开了在锂二次电池中用作电池隔板 的超细纤维状多孔聚合物隔板薄膜，该隔板薄膜具有lpm至100|Lim纳米至3000纳米直径的细纤维形成。最近几年中，因为电子设备的小型化，电池必须制作得更小，但 不牺牲常规电池的性能。在碱性电池中常规用作隔板的非织造材料具 有大直径纤维，这样难以获得薄隔板。这样的非织造材料还具有例如 约15夂im至约35pm的大孔。阳极和阴极的粒子可通过这些大孔互向 迁移，引起内部短路。为了弥补大孔尺寸和改进隔板的树枝状晶体阻 隔性，即防止短路，通过使用多个层制得较厚的隔板。该较厚的隔板 导致更高的离子电阻，从电池性能方面来看，这是不理想的。另外， 这些类型的较厚隔板不能用于某些设计中，特别是用于电子设备的纽 扣电池和其它小型电池设计中。需要具有更高能量密度的电池；因此， 需要有更薄的隔板。然而，如果简单地变薄常规的隔板，则不能提供 足够的枝状晶体阻隔性。需要可薄制，且具有更低离子电阻而不牺牲 阻隔性能的隔板。专利技术概述根据本专利技术的一个实施方案，本专利技术涉及具有包括聚合物纤维的 多孔细纤维层的隔板的电池，该聚合物纤维平均直径约为50纳米至 约3000纳米，其中该多孔细纤维层具有约O.Ol)nm至约15pm的平均 流孔(flowpore)尺寸，约O.l密耳(0.0025毫米)至约12密耳(0.3毫米) 的厚度、约20%至约90%的孔隙度、约l克/平方米至约90克/平方 米的基重、小于约150 cfm/ft2 (46 m3/min/m2)的Frazier透空气度和约2至约15的MacMullin数。根据本专利技术的另 一个实施方案，本专利技术涉及具有包括聚合物纤维 的多孔细纤维层的隔板的碱性电池，该聚合物纤维平均直径约为50 纳米至约3000纳米，其中该细纤维层具有约0.01pm至约15pm的平 均流孔尺寸，约0.1密耳(0.0025毫米)至约12密耳(0.3毫米)的厚度、 约1克/平方米至约90克/平方米的基重、约20%至约90%的孔隙度、 小于约150 cfm/ft2 (46m3/min/m2)的Frazier透空气度和约2至约15的 MacMullin数。根据本专利技术的另 一个实施方案，本专利技术涉及具有包括聚合物纤维 的多孔纳米纤维层的隔板的锂电池，该聚合物纤维平均直径约为50 纳米至约1000纳米，其中该纳米纤维层具有约0.01pm至约10|Lim的 平均流孔尺寸，约0.1密耳(0.0025毫米)至约5密耳(0.127毫米)的厚 度、约l克/平方米至约30克/平方米的基重、约20%至约90%的孔 隙度、小于约50 cfm/ft2 (15mS/min/m"的Frazier透空气度和约2至约 15的MacMullin数。专利技术详述本专利技术的电池包括具有减少的厚度、减少的离子电阻与良好的树 枝状晶体阻隔性能的改进组合，提供高抗短路性的电池隔板。本专利技术 的电池中所用隔板具有高吸收电解质的能力，同时维持使用中优良的 结构完整性，和化学与尺寸的稳定性，以致本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有包括聚合物纤维的多孔细纤维层的隔板的电池，该聚合物纤维具有约５０纳米至约３０００纳米的平均直径，其中该多孔细纤维层具有约０．０１μｍ至约１５μｍ的平均流孔尺寸、约０．１密耳（０．００２５毫米）至约１２密耳（０．３毫米）的厚度、约２０％至约９０％的孔隙度、约１克／平方米至约９０克／平方米的基重，小于约１５０ｃｆｍ／ｆｔ↑［２］（４６ｍ↑［３］／ｍｉｎ／ｍ↑［２］）的Ｆｒａｚｉｅｒ透空气度和约２至约１５的ＭａｃＭｕｌｌｉｎ数。

【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：P阿罗拉，S弗里斯克，张璐，
申请(专利权)人：纳幕尔杜邦公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]