專利名稱：不對稱的隔板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種置于電池中的隔板，包括一個基體，其中所述基體具有用于接觸電池陽極的陽極側(cè)和用于接觸電池陰極的陰極側(cè)。
背景技術(shù)：
在文端所提及的隔板種類早已由WO 2009/033514A1和W02009/033627A1熟知。其中描述了具有顆粒填充物的非織造物，其作為電池和蓄能器中的隔板使用。鑒于自然資源的缺乏和由此伴隨的能源成本增加，使得蓄能器-特別是電能蓄能器-在現(xiàn)代工業(yè)社會中日益重要。作為蓄能器主要使用電容器和電池。目前認(rèn)為特別大有希望的是鋰離子電池。這些電池如今已經(jīng)用于移動應(yīng)用中，例如在移動電話、攝像機(jī)等中使用?？墒窃趯⑦@項技術(shù)轉(zhuǎn)化至為了儲存更大量電能所需要的大容量電池時，出現(xiàn)工藝過程放大問題。在此一個主要問題是電池的變熱或過熱。在大的電池中，其在充電或放電的過程中產(chǎn)生的熱量釋放相對較差，使得單個的電池元件暴露于高熱負(fù)荷中，這造成電池壽命縮短。因此，對單個的電池元件的安全性、穩(wěn)定性和使用壽命提出了更高的要求，以避免內(nèi)部的短路及防止電池的爆炸。為了確保鋰離子電池的經(jīng)濟(jì)利用，除了增大電池還必須進(jìn)一步提高其能量密度或功率密度。為了滿足這些要求，將研制新的電極材料，不僅用于陽極也用于陰極。在陰極使用高壓陰極材料，其使得電池中更高的電池電壓及由此還有更高的容量成為可能。所述的高壓陰極材料，特別在電池充電的狀態(tài)下，為強(qiáng)氧化性的材料，其對電池中所使用的元件提出了全新的要求。在陽極側(cè)，隔板與強(qiáng)還原性的電極材料直接接觸。由此產(chǎn)生對于電解液以及與電極存在直接物理接觸的隔板的新的要求。發(fā)明描述因此，本發(fā)明的目的在于提供一種隔板，其可無問題地使用于鋰離子電池中并且提高鋰離子電池的工作安全性。根據(jù)本發(fā)明，上述目的通過具有權(quán)利要求1的特征的隔板實現(xiàn)。由此文端所提及的隔板的特征在于，陽極側(cè)具有與陰極側(cè)不同的材料相容性。根據(jù)本發(fā)明首先認(rèn)識到，需要一種隔板，其可以無問題地與各種電極材料接觸。此外進(jìn)一步認(rèn)識到，隔板在陽極側(cè)和陰極側(cè)不同的材料相容性使得隔板能夠與電極材料相適應(yīng)。同時不僅可以設(shè)想，在陽極側(cè)形成與陰極側(cè)不同的孔隙率，而且甚至設(shè)置完全不同的材料或材料混合物。根據(jù)本發(fā)明，這種隔板允許，符合對于大的高能量或高功率的電池的新要求。與早已熟知的聚烯烴隔板(其由具有相對截面各向同性的孔隙結(jié)構(gòu)的單一材料(聚乙烯或聚丙烯)構(gòu)成)形成鮮明對比的是，根據(jù)本發(fā)明的隔板是不對稱構(gòu)建的。因此其可以分別適應(yīng)于在相應(yīng)電極側(cè)對化學(xué)的或電化學(xué)的穩(wěn)定性的相應(yīng)不同要求。由此確保了電池更加安全的運行。因此，開篇提及的目的得以實現(xiàn)。隔板在陽極側(cè)和陰極側(cè)的各種材料性能還可以通過表面處理，例如反應(yīng)性或激活性等離子體，電暈處理或氟化產(chǎn)生。由此特別是可以改善在電極上的附著，形成對抗電化學(xué)腐蝕的保護(hù)層或者通過電解液改善濕潤性能。在此背景下，陽極側(cè)可以由第一材料或第一材料混合物構(gòu)成及陰極側(cè)由第二材料和第二材料混合物構(gòu)成。相應(yīng)的材料或材料混合物可以適應(yīng)于在相應(yīng)的電極側(cè)的所述的化學(xué)或物理條件。在陽極側(cè)和/或陰極側(cè)可能形成多細(xì)孔的阻隔層。由此可以阻止枝狀晶體的生長。所述的枝狀晶體的生長通常在陽極開始并從這里延續(xù)至陰極。其可以通過極細(xì)的孔的阻隔層而有效地減少。同時還可以設(shè)想，陽極側(cè)極細(xì)的孔隨陰極側(cè)不斷增長的孔徑而行成。所述的多細(xì)孔阻隔層可以層壓在基體上。由此與基體建立穩(wěn)固的且相對不易脫落的連接。所述的層壓工藝允許基體和阻隔層獨立的制造，其可以由一種材料或材料混合物構(gòu)成。所述的第一材料或第一材料混合物和/或第二材料或第二材料混合物可能具有填料。所述填料允許多細(xì)孔阻隔層孔隙率的調(diào)整。此處可以設(shè)想，應(yīng)用漿材料、纖維或顆粒作為填料。這些填料甚至可以是為了改變基體的孔隙率而引入基體中的。在此背景下，至少一部分填料可能以平均粒徑為0. 2至10 μ m，優(yōu)選0. 5至4 μ m的顆粒構(gòu)成。所述0.2至10 μ m的粒徑允許構(gòu)建足夠細(xì)孔的層。0.5至4μπι的粒徑允許在鋰離子電池中有效阻止枝狀晶體生長的多細(xì)孔的層的構(gòu)建。由此，將避免短路或者甚至是電池的爆炸。所述顆?？赡芤詧A形或長形(gestreckt)構(gòu)成。陽極側(cè)的至少一部分填料可以含有Al2O3，以及陰極側(cè)的至少一部分填料可以含有聚偏氟乙烯。出人意料的是，得自Al2O3的顆粒耐受還原的陽極材料而得自聚偏氟乙烯的顆粒耐受氧化的陰極材料。Al2O3(氧化鋁)是還原穩(wěn)定的，而聚偏氟乙烯是氧化穩(wěn)定的。可以設(shè)想的是，在WO 2009/033514A1、WO 2009/033627A1 和 PCT/EP2009/001197 中使用其他提及的顆粒用于不對稱構(gòu)建的隔板的裝配，只要其是還原穩(wěn)定的或氧化穩(wěn)定的。至少一部分填料可能以可溶脹的且在電解液中形成凝膠的物質(zhì)構(gòu)成。通過溶脹或形成凝膠可以封閉隔板中不希望的孔洞，并且其孔隙率可以在與電解液接觸時更強(qiáng)烈地細(xì)微化。此處提及的填料，特別是顆?？赡芡ㄟ^粘結(jié)劑連接，如在W02009/033514A1、WO 2009/033627A1 和 PCT/EP2009/001197 中所描述的。所述的基體可能由非織造物構(gòu)成。非織造物的層可以無問題地配置于用不同材料的陽極側(cè)和陰極側(cè)。由現(xiàn)有技術(shù)已知的聚烯烴隔板在熱穩(wěn)定性方面顯示顯著的缺點。在這種情況下，值得一提的是在升高的溫度和壓力時的潮解以及高收縮率和熔融。這里，非織造物令人吃驚地顯示出更好的性能，盡管非織造物也可以包括聚烯烴纖維。特別優(yōu)選非織造物可以設(shè)計為濕的非織造物，其為熱凝固和/或通過粘結(jié)劑固定的。這些非織造物可以特別良好地形成有多細(xì)孔的阻隔層。所述的非織造物可由纖維制成，所述纖維平均直徑最大為5μπι。因此獲得非常細(xì)的孔結(jié)構(gòu)。非織造物的熔點可能高于100°C。優(yōu)選非織造物的熔點可能高于140°C。特別優(yōu)選在電解液中的熔融溫度可能高于200°C。這類非織造物特別適合在鋰離子電池中使用。所述的隔板在150°C的溫度下可能具有最高5%的收縮率。具有這種收縮特性的隔板也可以用于電池中，其表現(xiàn)出較高的工作溫度。所述的隔板可能具有0. 1至4 μ m，優(yōu)選0. 1至1 μ m的平均孔徑(平均孔直徑)。 在孔徑為0. 1至4μ m時，其特別是存在于陽極側(cè)，使得高鋰離子濃度和由此的電池快速充電是可能的。在陽極側(cè)的孔徑為0. 1至1 μ m時，特別快速的電池充電在少得驚人的枝狀晶體生長的情況下是可能的。所述的隔板可能具有最多40 μ m,優(yōu)選最多30 μ m的厚度。電極或隔板的涂層盡管提高了電池的安全性，但是也造成了不利，其將增加整個隔板的厚度。這與電池更高的能量密度和功率密度相沖突。意外地顯示了，最多40 μ m的隔板導(dǎo)致了鋰離子電池一方面足夠的安全性，及另一方面較高的能量密度和功率密度?，F(xiàn)有各種不同的可能性，使本發(fā)明的教導(dǎo)以有利的方式體現(xiàn)并發(fā)展。為此，一方面在下述的權(quán)利要求，另一方面在隨后的闡釋中借助附圖來說明優(yōu)選的本發(fā)明的實施例。與優(yōu)選的本發(fā)明的實施例的闡釋相結(jié)合，借助附圖還將一般性地闡述優(yōu)選的本教導(dǎo)的實施方式以及進(jìn)一步發(fā)展。附圖簡述圖中顯示

圖1 具有由一側(cè)表面涂層的非織造物構(gòu)成的基體的隔板的示意視圖，圖2 具有由雙側(cè)涂層的非織造物構(gòu)成的基體的隔板的示意視圖，和圖3 具有由雙側(cè)涂層的非織造物構(gòu)成的基體的隔板的示意視圖，其中所述材料混合物至少部分地滲入基體的內(nèi)部。發(fā)明的實施方式圖1顯示了置于電池中的隔板，其包括一個基體1，其中基體1具有直接與電池陽極接觸的陽極側(cè)2和直接與電池陰極接觸的陰極側(cè)3。所述的陽極側(cè)2具有與陰極側(cè)3不同的材料相容性。所述的基體1以非織造物的形式構(gòu)成，且陽極側(cè)用由惰性的、熱穩(wěn)定的顆粒4和粘結(jié)劑顆粒5構(gòu)成的材料混合物涂覆。所述的陽極側(cè)2因此由第一材料混合物構(gòu)成和陰極側(cè)3由第二材料或第二材料混合物構(gòu)成(此處其以非織造物構(gòu)成)。在陽極側(cè)2形成多細(xì)孔的阻隔層6。圖2顯示了置于電池中的隔板，包括一個基體1，其中基體1具有直接與電池陽極接觸的陽極側(cè)2和直接與電池陰極接觸的陰極側(cè)3。所述的陽極側(cè)2具有與陰極側(cè)3不同的材料相容性。所述的基體1以非織造物的形式構(gòu)成，且陽極側(cè)用由惰性的、熱穩(wěn)定的顆粒 4和粘結(jié)劑顆粒5構(gòu)成的第一材料混合物涂覆。所述的基體1在陰極側(cè)用由惰性的、熱穩(wěn)定的顆粒如和粘結(jié)劑顆粒5構(gòu)成的第二材料混合物涂覆。因此，所述的陽極側(cè)2由第一材料混合物以及陰極側(cè)3由第二材料混合物構(gòu)成。在陽極側(cè)2形成多細(xì)孔的阻隔層6。所述的第一種和第二材料的混合物滲入基體1的內(nèi)部。圖3顯示了置于電池中的隔板，包括一個基體1，其中基體1具有直接與電池陽極接觸的陽極側(cè)2和直接與電池陰極接觸的陰極側(cè)3。所述的陽極側(cè)2具有與陰極側(cè)3不同的材料相容性。所述的基體1以非織造物的形式構(gòu)成，且陽極側(cè)用由惰性的、熱穩(wěn)定的顆粒 4和粘結(jié)劑顆粒5構(gòu)成的第一材料混合物涂覆。所述的基體1在陰極側(cè)用由惰性的、熱穩(wěn)定的顆粒如和粘結(jié)劑顆粒5構(gòu)成的第二材料混合物涂覆。所述的陽極側(cè)2因此由第一材料混合物構(gòu)成和陰極側(cè)3由第二材料混合物構(gòu)成。在陽極側(cè)2形成多細(xì)孔的阻隔層6。第一種和第二材料的混合物幾乎不滲入基體1的內(nèi)部。
具體實施例制備糊狀物A作為第一種、陽極側(cè)的材料混合物向180份的CMC (羧甲基纖維素)溶液中加入120份60 %的氧化鋁分散體 (Al2O3)并攪拌30分鐘。然后在攪拌下添加8份SBR (苯乙烯丁二烯橡膠)的水分散體(65% 的固含量)。所述溶液攪拌1小時并測試至少M小時的穩(wěn)定性。所獲溶液的粘度為120cP 且PH值為9.9。制備糊狀物B作為第二種、陰極側(cè)的材料混合物向170份57%的PVDF(聚偏氟乙烯)分散體中在用葉輪攪拌器不斷攪拌下加入 200份2%的PVP (聚乙烯吡咯烷酮)溶液。攪拌該溶液2小時，脫氣并測試至少M小時的穩(wěn)定性。所獲溶液的粘度為140cP且pH值為7. 1。用糊狀物A涂覆將15cm寬的PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)非織造物(厚度20μπι，面積重量 11. 3g/m2)借助于輥涂法用上述的溶液連續(xù)涂覆并在120°C干燥。獲得面積重量為23. 6g/m2且厚度為^ym的經(jīng)涂覆的非織造物(C)。所述平均孔徑為 0. 22 μ m。用糊狀物B涂覆(C)將經(jīng)浸漬的非織造物(C)借助于輥涂法以糊狀物B連續(xù)涂覆并在120°C干燥。獲得面積重量為32g/m2和厚度為38 μ m的各向異性構(gòu)造的隔板⑶。平均孔徑為 0. 19ym0兩側(cè)經(jīng)涂覆的隔板(D)的收縮率(150°C，10mi η)為0.5%。測量方法所述平均孔徑依據(jù)ASTME EU94(在使用自動液體孔隙率測量儀下用于膜過濾器的孔徑特征的測試方法)測定。對于面積重量的測定將分別沖制3個100x100mm大小的樣本，稱重樣本并且將測量值乘以100。厚度用精密測厚儀型號2000U/電氣設(shè)備測量。測量面積為2cm2，測量壓力為lOOOcN/cm2。對于收縮率的測定則沖制100x100mm大小的樣品并在Fa. Mathis的實驗室干燥器中150°C下放置10分鐘。隨后測定樣品的收縮率。關(guān)于根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的其他有利的實施方式和改進(jìn)方式，將一方面參考說明書的一般性描述部分和另一方面參考專利權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.置于電池中的隔板，包括基體(1)，其中所述基體(1)具有用于接觸電池陽極的陽極側(cè)( 和用于接觸電池陰極的陰極側(cè)(3)，其特征在于，所述的陽極側(cè)( 具有與陰極側(cè) (3)不同的材料相容性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的隔板，其特征在于，所述的陽極側(cè)( 由第一材料或者第一材料混合物構(gòu)成且陰極側(cè)(3)由第二材料或者第二材料混合物構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的隔板，其特征在于，在陽極側(cè)⑵和/或陰極側(cè)(3)形成多細(xì)孔的阻隔層(6)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的隔板，其特征在于，多細(xì)孔的阻隔層(6)層壓在基體上。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4之一的隔板，其特征在于，所述第一材料或所述第一材料混合物和/或所述第二材料或所述第二材料混合物具有填料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的隔板，其特征在于，至少一部分填料以平均粒徑0.2至10 μ m，優(yōu)選0. 5至4 μ m的顆粒(4，4a)構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6的隔板，其特征在于，在陽極側(cè)的至少一部分填料含有Al2O3和在陰極側(cè)的至少一部分填料含有聚偏氟乙烯。
8.根據(jù)權(quán)利要求5至7之一的隔板，其特征在于，至少一部分填料以可溶脹的并在電解液中形成凝膠的物質(zhì)構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8之一的隔板，其特征在于，所述的基體(1)由非織造物構(gòu)成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的隔板，其特征在于，所述非織造物被設(shè)計為濕的非織造物，其進(jìn)行熱凝固和/或通過粘合劑固定。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10的隔板，其特征在于，所述非織造物由纖維制成，所述纖維平均直徑最大為5 μ m。
12.根據(jù)權(quán)利要求9至11之一的隔板，其特征在于，所述非織造物的熔點高于100°C。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12之一的隔板，其特征在于，在150°C的溫度時收縮率最高為5%。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13之一的隔板，其特征在于，平均孔徑為0.1至4μπι，優(yōu)選0. 1 至 1 μ m。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14之一的隔板，其特征在于，厚度最多為40μ m，優(yōu)選最多 30 μ m0
全文摘要
本發(fā)明涉及一種置于電池中的隔板，包括一個基體(1)，其中所述基體(1)具有用于接觸電池陽極的陽極側(cè)(2)和用于接觸電池陰極的陰極側(cè)(3)，鑒于其目的為提供一種可無問題使用于鋰離子電池中的隔板并且提高鋰離子電池的工作安全性，其特征在于，所述的陽極側(cè)(2)具有與陰極側(cè)(3)不同的材料相容性。
文檔編號H01M2/16GK102388484SQ201080016129
公開日2012年3月21日 申請日期2010年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月17日
發(fā)明者C·韋伯, M·羅特 申請人:卡爾·弗羅伊登伯格公司