具有Z方向稳定性的电池隔板制造技术

公开一种用于电池中防止或减少突然热失控的方法。在该方法中，其中分散有惰性的不热变形微粒的热塑性微孔膜放置在电池的电极之间。因此，例如，当对电池施加外力时，通过填充微粒的隔板防止电极直接接触。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有Z方向稳定性的电池隔板                    相关申请该申请是2004年10月22日提交的待批美国专利申请No.10/971,310的接续申请。                    专利
本专利技术涉及防止在电池例如锂电池中的“突然”热失控。                    专利技术背景在电池例如锂离子电池中，热失控(thermal runaway)是潜在的问题。热失控可由电池的阳极和阴极之间的直接接触引起，其中在正常循环中由于阳极和阴极的体积变化形成的内力导致阳极和阴极直接接触，这又导致快速放热。快速放热可导致点燃阳极/电解液、阴极/电解液、阳极/阴极或电解液/电解液的热化学反应。点燃方案对电池导致危险的情况。热失控可以分为：‘突然的′热失控或‘延迟的′热失控。突然的热失控是指极快的放热，即，在开始之后小于1秒之内出现。延迟的热失控是指在开始之后3秒以上出现的放热。在锂离子电池中，大于99％的故障是由热失控导致的。可以通过利用‘关闭′隔板(例如，通过孔隙闭合响应增热的隔板，孔隙闭合使阳极和阴极之间的离子流停止)，或通过从电池中的快速散热，预防延迟的热失控。然而，突然的热失控还没有得到成功地处理。Li离子电池的突然热失控可以在如下的电池安全试验中模拟：‘钉穿透′试验或‘压裂′试验(‘压裂′试验包括：球压裂、棒压裂和板压裂)。在每一个这些试验中，通过钉、球、棒或板施加的外力可以施加于电池的外壳(或‘罐’)，这又可以使阳极和阴极直接接触。-->上述安全试验加剧了已经存在于电池外壳内的紧密安装的状态。例如，锂离子电池最常见地是制成圆柱形和棱柱形。在无电解液的情况下，将阳极/隔板/阴极缠绕或折叠成形，然后将其安装到它们的外壳(罐)中并且封闭(capped shut)。当添加电解液时，阳极/隔板/阴极膨胀。这导致罐内的内力增加。随后，在‘形成’的过程中(也就是当对电池起始充电时)，阳极和阴极再次膨胀(例如，阳极可膨胀约10％，并且阴极可膨胀约3％)。在形成过程的膨胀又导致罐内的内力增加。这些内力，如从上述的钉穿透和压裂试验的那些，指向电池的中心。当对罐施加外力时，那些力也指向电池的中心。结果是在电池内部形成异常的压力，并且这些压力通过压缩放置于其中的微孔膜隔板使阳极和阴极直接接触。使用微孔膜作为电池隔板是熟知的。例如，将微孔膜用作锂离子电池中的电池隔板。这种隔板可以是由聚烯烃制造的单层或多层薄膜。这些隔板通常具有‘关闭′性能，以致于当电池的温度达到预定温度时，膜的孔隙关闭，并且由此防止电池的电极之间的离子流动。电池中增加的温度是由内部短路即阳极和阴极的直接接触引起的。直接接触可以由例如在电池制造过程中电池的物理损坏、隔板的损坏、枝状结晶的生长、过充等引起。同样地，隔板、薄(例如一般约8-25微米的厚度)的微孔膜必须具有良好的尺寸稳定性。当用于电池隔板时，尺寸稳定性是指当暴露在高温时隔板不收缩或不过度收缩的性能。在平面膜的X和Y轴中观察这种收缩。这个术语到目前为止还没有指Z方向的尺寸稳定性。当用于电池隔板时，击穿强度是膜抵抗Z方向击穿的性能。击穿强度通过观察用已知几何尺寸的可移动的针刺穿膜所需的作用力来测量。到现在，对于提高这些电池隔板的Z方向的尺寸稳定性，还没有做任何工作。Z方向是指隔板的厚度方向。电池紧密缠绕以便使其能-->量密度最大化。对于圆柱形缠绕的电池，紧密缠绕是指：作用力放射状向内，使隔板上的压缩力横穿其厚度方向。在增加温度的情况中，由于隔板的材料开始流动并且蒙蔽孔隙，电池的电极可以向彼此移动。随着它们彼此移近时，直接接触的风险增加。必须避免电极的接触。相应地，需要电池隔板，尤其需要具有提高Z方向稳定性的锂离子电池的电池隔板，并且需要能防止或减少突然热失控故障的电池隔板。在现有技术中，已知将填料混入锂电池的隔板中。在美国专利US4,650,730中，公开一种多层电池隔板。第一层，‘关闭′层，是未填充的微孔膜。第二层，尺寸稳定层，是填充微粒的微孔层。最终形式(即在析出增塑剂之后)的第二层，具有组成重量比：聚合物/填料/增塑剂为：7-35/50-93/0-15。没有提到Z方向尺寸稳定性，相反，尺寸稳定性是指隔板的长度和宽度的尺寸。用填料作为加工助剂，使高分子聚合物能被有效地压入膜中。在美国专利US6,432,586公开一种高能锂电池的多层电池隔板。隔板具有第一微孔膜和第二无孔陶瓷组合层。陶瓷组合层由基质材料和无机颗粒组成。基质材料可选自聚环氧乙烷(PEO)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氨酯、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二丙烯酸四乙二醇酯、其共聚物和其混合物。无机颗粒可选自二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、碳酸钙(CaCO3)、二氧化钛(TiO2)、SiS2、SiPO4等。微粒构成约5-80重量％的陶瓷组合层，但是最优选40-60％。没有提到Z方向的稳定性，并且选择微粒用于其导电性能。                     专利技术概述公开一种用于电池中防止或者减少突然热失控的方法。在该方法中，其中分散有惰性的不热变形(thermally non-deforming)微粒的热塑性微孔膜放置在电池的电极之间。因此，例如，当对电池施加外力时，通过填充微粒的隔板防止电极直接接触。-->                   附图简述为了解释本专利技术，显示了关于本专利技术的优选实施方式的附图信息，然而应该理解为：该专利技术不局限于所示的确切信息。图1是几个不同膜的TMA压缩曲线的图解。图2是几个不同膜的TMA压缩曲线的图解。图3是进行钉穿透试验的18650电池的外部(或外壳)温度(℃)以时间(秒)为函数的图解说明。图4是进行球压裂试验的棱柱电池的电池电压(V)以时间(秒)为函数的图解。图5是棱柱电池的循环性能的图解。                     
技术实现思路
在本文中使用的电池是指电荷储存装置，例如，emf(电动势)的化学发生器或电容器。一般地，电池是一种通常包括阳极、阴极、隔板、电解液和外壳(或罐)的装置。被认为具有最有潜力受益于本专利技术的电池是可再充电的锂电池，例如具有锂金属的(Li)、锂合金(LiSiX、LiSnX、LiAlX等)或锂化(lithiated)碳材料(LiXC6，其中X≤1)或嵌入化合物(或过渡金属化合物)作为阴极(阳极)。这种嵌入化合物可包括但不局限于LiXWO2、LiXMoO2、LiXTiS2和LiXTiYOZ。这些可再充电的锂电池也称为锂离子电池或锂聚合物电池。这种电池的阴极、电解液和外壳是众所周知的，并且是常规的。在下文中更详细地讨论获得本文中所述改进的隔板。本文中使用的电池隔板是指放置在电池的电极之间的薄微孔膜。一般地，它在物理上分离电极以便防止它们接触，允许离子在放电和充电过程中通过电极之间的孔隙，用作电解液的容器，并且也具有‘关闭′功能。微孔膜一般具有20-80％或28-60％的孔隙率。平均孔径一般为0.02到2.0微米，或0.04到0.25微米。该膜一般地具有5到150秒或-->20到80秒的Gurley值(Gurley值是指10cc空气在12.2英寸的水柱下通过1平本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在在具有电极的电池中防止或减少突然热失控的方法，包括步骤：　　　　将具有完全分散的惰性的不热变形的微粒的热塑性微孔膜放置在电池的电极之间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-10-22 10/971,3101.一种在在具有电极的电池中防止或减少突然热失控的方法，包括步骤：将具有完全分散的惰性的不热变形的微粒的热塑性微孔膜放置在电池的电极之间。2.根据权利要求1的方法，其中突然的热失控是在开始之后1秒内出现的内部电路短路。3.根据权利要求2的方法，其中内部短路定义为在开始3秒内内部电池温度从25℃增加到至少100℃。4.根据权利要求2的方法，其中内部短路定义为在开始的5秒内的80％电压降。5.根据权利要求1的方法，其中电池是锂离子电池。6.根据权利要求5的方法，其中锂离子电池具有包括含有锂的嵌入化合物的电极。7.根据权利要求5的方法，其中锂离子电池具有包括锂金属的电极。8.根据权利要求1的方法，其中所述热塑性塑料选自：聚烯烃、聚卤代乙烯、尼龙、氟烃和聚苯乙烯。9.根据权利要求1的方法，其中所述热塑性塑料选自：聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚甲基戊烯、超高分子量聚乙烯、其共聚物和上述混合物。-->10.根据权利要求1的方法，其中所述惰性的不热变形的微粒具有小于1微米的平均粒径。11.根据权利要求1的方法，其中所述惰性的不热变形的微粒选自：碳基材料、金属氧化物和氢氧化物、金属碳酸盐、矿物质、合成和天然沸石、水泥、硅酸盐、玻璃颗粒、含硫盐、合成聚合物和其混合物。12.根据权利要求1的方法，其中微粒构成1到99重量％所述膜。13.在具有阳极、阴极、隔板、电解液和外壳的锂离子电池中，其中改进包括电池外部温度在被钉穿透之后至少25秒内从25℃的起始温度维持在小于100℃。14.根据权利要求13的电池，其中所述隔板包括在电池的电极之间具有完全分散有惰性的不热变形的微粒的热塑性微孔膜。15.根据权利要求13的电池，其中锂离子电池具有包括含有锂的嵌入化合物的电极。16.根据权利要求13的电池，其中锂离子电池具有包括锂金属的电极。17.根据权利要求14的电池，其中所述热塑性塑料选自：聚烯烃、聚卤代乙烯、尼龙、氟烃和聚苯乙烯。18.根据权利要求14的电池，其中所述热塑性塑料选自聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚甲基戊烯、超高分子量聚乙烯、其共聚物、和上述的混合物。19.根据权利要求14的电池，其中所述惰性的不热变形的微粒具有小于1微米的平均粒径。-->20.根据权利要求14的电池，其中所述的惰性的不热变形的微粒填料选自以下材料：碳基材料、金属氧化物和氢氧化物、金属碳酸盐、矿物质、合成和天然沸...

【专利技术属性】
技术研发人员：张正铭，科虎V恩谷晏，潘卡基阿劳拉，罗纳德W考尔，唐纳德K司蒙斯，稻田，
申请(专利权)人：赛尔格有限责任公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]