本發(fā)明涉及充電電池領(lǐng)域，特別涉及但不限于一種用于充電電池如鋰離子電池的隔離膜。

背景技術(shù)：

目前已經(jīng)開發(fā)出并廣泛使用各種不同種類的充電電池，如鉛酸電池、鎳鎘(NiCd)電池、鎳氫(NiMH)電池、和鋰離子(Li-ion)電池。在這些不同種類的充電電池里，鋰離子電池常用于消費電子產(chǎn)品如便攜式電子設(shè)備中，因其尺寸小、輕便且高能量密度。但是，鋰離子電池也有安全性隱患，在諸如熱失控事件期間甚至還很危險，會導(dǎo)致電池燃燒或爆炸。例如，由于外部沖擊或碰撞，造成電池的內(nèi)部短路，從而導(dǎo)致充電電池故障直至熱失控。內(nèi)部短路會導(dǎo)致發(fā)熱，收縮電池隔離膜，這可能產(chǎn)生更為嚴(yán)重的短路。對充電電池過度充電，也會產(chǎn)生多余的熱量，也會導(dǎo)致熱失控。通常，通過避免因短路引起的發(fā)熱，和/或在充電電池隔膜上提供耐熱層，可以避免、最小化或減小充電電池的熱失控。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個目的是提供一種用于充電電池的隔離膜的涂層或隔膜。

本發(fā)明的另一個目的是提供一種用于充電電池的隔離膜。

本發(fā)明的另一個目的是在一定程度上減輕或消除一個或多個與充電電池已知隔離膜的涂層或膜和隔離膜有關(guān)的問題。

本發(fā)明的另一個目的是提供一種具有新式隔離膜的充電電池，其能夠降低電池過熱。

通過本發(fā)明獨立權(quán)利要求的特征組合，能夠滿足本發(fā)明的上述目的；從屬權(quán)利要求則進(jìn)一步披露本發(fā)明的優(yōu)選實施例。

本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠從以下的描述，導(dǎo)出本發(fā)明的其它目的。因此，上述目的聲明并不是窮盡性的，僅僅是用來敘述本發(fā)明的一些目的。

總的來說，本發(fā)明提供一種隔離膜涂層或膜、和/或一種具有這種涂層或膜的隔離膜，用于充電電池，諸如但不限于鋰離子充電電池。本發(fā)明可以按照以下方式提供：一種置于或涂敷在電池隔離膜一個或多個表面上的涂層，和/或一種置于或安排在隔離膜一個或多個表面和一個或多個電池電極即陽極或陰極之間的制備薄膜層。隔離膜是一種離子可滲透部件，如置于電池陽極和陰極之間的一層膜。特別地，隔離膜涂層或膜提供一種“自關(guān)閉”機(jī)制，對應(yīng)溫度變化以停止電池內(nèi)的反應(yīng)。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，涂層或膜包含第一材料多孔層，其上的細(xì)孔可以根據(jù)因過熱導(dǎo)致的溫度升高而熔化。具體地，細(xì)孔在正常運行溫度下是打開的，允許離子電荷載體(如陽極和陰極之間的鋰離子)穿過，例如在充電電池放電和充電期間。在非正常運行的條件下，例如在充電電池短路期間，會產(chǎn)生過熱和/或過多熱量累積，當(dāng)溫度達(dá)到或超過某個預(yù)設(shè)閾值溫度，第一材料多孔層的細(xì)孔就會自動閉合。結(jié)果，降低最少化、或甚至阻止離子通過，從而停止化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到降低、最少化或阻止進(jìn)一步產(chǎn)生熱量。涂層或膜還可以包括第二材料，用于將第一材料多孔層粘到隔離膜和/或電極上，從而降低、最少化或預(yù)防隔離膜的熱收縮。本發(fā)明提供一種自動的、根據(jù)溫度反應(yīng)的關(guān)閉機(jī)制，其能夠有效地降低、預(yù)防或最小化因充電電池短路或過度充電所引起的過熱，從而降低有關(guān)充電電池運行時的潛在安全隱患(如熱失控)的發(fā)生機(jī)會。

在第一主要方面，本發(fā)明提供一種涂層或膜，其置于充電電池的隔離膜和至少一個電極之間。優(yōu)選地，該涂層或膜包括第一材料，其能夠形成一個多孔層，允許離子穿過，其中，根據(jù)溫度的變化，第一材料被配置以關(guān)閉所述第一材料多孔層上的細(xì)孔，從而降低、最少化或阻止離子穿過該層。

在第二主要方面，本發(fā)明提供一種具有新式隔離膜的充電電池，所述新式隔離膜包括根據(jù)所述第一方面的涂層或膜。

在第三主要方面，本發(fā)明提供一種制作充電電池的方法。本方法包括步驟：在充電電池的隔離膜和至少一個電極之間提供一層根據(jù)所述第一方面的涂層或膜。

發(fā)明概述未必披露全部的特征來定義本發(fā)明。本發(fā)明可以存在于所披露特征的子組合上。

【附圖說明】

以下結(jié)合附圖以及示例性優(yōu)選實施例，來描述本發(fā)明的上述以及其它特征。

圖1顯示本發(fā)明第一實施例的一個包括隔離膜涂層或膜的充電電池一部分的側(cè)面剖視圖；

圖2是本發(fā)明第二實施例的一個隔離膜涂層或膜的俯視圖；

圖3是圖1所示隔離膜涂層或膜的俯視圖；

圖4是圖3所示涂層或膜的一個顆粒的放大視圖；

圖5是圖3所示涂層或膜在隔離膜上的配置和安排的側(cè)面剖視圖；

圖6是本發(fā)明第三實施例的涂層或膜的配置和安排的側(cè)面剖視圖；

圖7是本發(fā)明第四實施例的涂層或膜配置和安排的側(cè)面剖視圖；

圖8是本發(fā)明第五實施例的涂層或膜配置和安排的側(cè)面剖視圖；

圖9是本發(fā)明第六實施例的涂層或膜配置和安排的側(cè)面剖視圖；

圖10是本發(fā)明的隔離膜及其涂層或膜的合成和制備過程流程圖；

圖11顯示各個電極和本發(fā)明隔離膜之間的粘合強(qiáng)度；

圖12顯示本發(fā)明一個實施例的一個涂層或膜材料的特定熱容量和溫度之間的關(guān)系。

【具體實施方式】

以下通過示例來描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但并不限制組合必要特征來實現(xiàn)本發(fā)明。

在說明書里，“一實施例”或“一個實施例”是指該實施例所描述的某個特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包含在本發(fā)明至少一個實施例里。在說明書里各個地方出現(xiàn)的詞語“在一實施例里”不一定是指相同的實施例，也不是指單獨的或另一個和其它實施例相排斥的實施例。而且，描述的各種特征可能會在一些實施例展示，而未在其它實施例展示。類似地，描述的各種要求可能適用于一些實施例，而未必適用于其它實施例。

參照圖1，顯示一個充電電池10的局部視圖，充電電池10例如是但不限于是一種鋰離子充電電池10，其陽極12和陰極14被隔離膜或隔膜20間隔開，從而允許離子電荷載體或液體電解質(zhì)離子穿過并在所述兩個電極之間傳輸，以在電化學(xué)電池里形成一個閉合電路。隔離膜20關(guān)于電解質(zhì)和電極的化學(xué)性或電化學(xué)穩(wěn)定性是很重要的，而且要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度以承受一些機(jī)械損害。隔離膜20的合適材料可以是但不限于尼龍、聚酯、玻璃纖維、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚四氟乙烯(PTFE)和/或聚氯乙烯(PVC)。

具體地，在隔離膜20和一個或多個電極12、14之間有至少一涂層或膜30。在一個實施例里，涂層或膜30可以是涂層的方式制備，被沉積或涂敷在隔離膜20的一個或多個表面上?；蛘?，涂層或膜30可以以一個單獨隔離膜層的方式制備，然后放置或安排在隔離膜20的一個或多個表面和一個或多個相應(yīng)電極12、14之間。

如圖2清晰顯示，涂層或膜30包含第一材料多孔層32，其上的孔或通道34允許離子穿過。根據(jù)溫度的變化，如由于過熱產(chǎn)生的溫度突然升高，第一材料32會適配以關(guān)閉第一材料多孔層32上的孔34，因此減低、最少化或阻止離子穿過第一材料多孔層32。結(jié)果，電路被中斷到某種程度，使得電化學(xué)池停工，從而阻止進(jìn)一步產(chǎn)生熱量。因此，安全隱患如熱失控得以避免，或降低類似事件的發(fā)生概率。在一個實施例里，關(guān)閉第一材料多孔層32的孔，可以通過安排第一材料32在溫度變化時經(jīng)歷至少一次相變來實現(xiàn)，在溫度變化期間，第一材料多孔層32的孔34被適配以關(guān)閉，從而減低、最少化或阻止離子穿過第一材料多孔層32。

在一個實施例里，第一材料多孔層32可以包括多個顆粒36，其被互連以形成一個多孔網(wǎng)絡(luò)，該多孔網(wǎng)絡(luò)就包含所述第一材料32的孔34。這多個顆粒36被配置以根據(jù)溫度變化而融合在一起，從而減小孔34尺寸、關(guān)閉或阻塞多孔網(wǎng)絡(luò)的孔34。

例如，第一材料32被配置以在第一溫度時經(jīng)歷第一相變。第一溫度可以是第一材料32的玻璃轉(zhuǎn)化溫度(T_g)，在第一溫度時，第一材料32開始軟化或變形以關(guān)閉孔34。第一材料32還可以被配置以在第二溫度時經(jīng)歷第二相變，第二溫度高于第一溫度，如熔化溫度(T_m)，在第二溫度時，第一材料多孔層32開始熔化并分崩瓦解。這適用于包含諸如一種或多種無定形和半結(jié)晶聚合物的第一材料32。

在一個實施例里，第一溫度和第二溫度可以被第一材料32的熔化溫度(T_m)的范圍所覆蓋。例如，熔化溫度(T_m)的范圍可以包括一個初始熔化溫度(T_m1)作為第一溫度，在初始熔化溫度時，第一材料多孔層32開始熔化。當(dāng)溫度持續(xù)上升，熔化持續(xù)進(jìn)行，直到孔32關(guān)閉。最終，第一材料32會到達(dá)一個熔毀溫度(T_m2)作為第二溫度，在熔毀溫度時，第一材料多孔層32熔毀且分崩瓦解。這適用于包含諸如一種或多種半結(jié)晶聚合物的第一材料32。

優(yōu)選地，第二溫度和第一溫度相差至少20℃。在一個特別實施例里，玻璃轉(zhuǎn)化溫度(T_g)是在大約80℃到大約150℃的范圍，而熔化溫度(T_m)是在大約100℃到大約250℃的范圍。

在一個實施例里，第一材料多孔層32的多個顆粒36可以包含一種或多種聚合物材料，其由以下至少一種單體材料組成：甲基丙烯酸甲酯(methyl methacrylate)、丙烯酸甲酯(methyl acrylate)、甲基丙烯酸乙酯(ethyl methacrylate)、丙烯酸乙酯(ethyl acrylate)、甲基丙烯酸丁酯(butyl methacrylate)、丙烯酸丁酯(butyl acrylate)、丙烯酸異丁酯(isobutyl acrylate)、甲基丙烯酸異丁酯(isobutyl methacrylate)、甲基丙烯酸乙基己酯(ethylhexyl methacrylate)、丙烯酸乙基己酯(ethylhexyl acrylate)、2-羥基乙基丙烯酸酯(2-hydroxyethyl acrylate)、2-甲基丙烯酸羥乙酯(2-hydroxyethyl methacrylate)、丙烯酸異辛酯(isooctyl acrylate)、甲基丙烯酸異辛酯(isooctyl methacrylate)、丙烯酸月桂酯(lauryl acrylate)、甲基丙烯酸月桂酯(lauryl methacrylate)、丙烯酸異癸酯(isodecyl acrylate)、甲基丙烯酸異癸酯(isodecyl methacrylate)、丙烯酸(acrylic acid)、甲基丙烯酸(methacrylic acid)、丙烯酸鹽(acrylic salt)、甲基丙烯酸鹽(methacrylic salt)、丙烯腈(acrylonitrile)、甲基丙烯腈(methacrylonitrile)、丙烯酰胺(acrylamide)、甲基丙烯酰胺(methacrylamide)、苯乙烯(styrene)、二乙烯基苯(divinyl benzene)、環(huán)氧樹脂(epoxy resin)、雙酚A(bisphenol A)、環(huán)氧乙烷(ethylene oxide)、含氟單體(fluorine-containing monomer)等。本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下能夠選擇并應(yīng)用任何其它材料以達(dá)到所述目的。根據(jù)合成和制備過程，多個顆粒36可以被配置成一種或多種形狀，其包括但不限于球形、棒狀、長方體、針狀、立方體、橢圓體、棱柱、圓錐、四面體、不規(guī)則體及其組合。

參照圖3，顯示本發(fā)明的另一個實施例，其中涂層或膜30包括第二材料38，其被沉積在第一材料多孔層32的一個或多個表面上，用于將第一材料32粘到隔離膜20和各個電極12、14的一個或多個相應(yīng)表面上，同時將第一材料32的顆粒粘合以形成一個互連的多孔網(wǎng)絡(luò)。第二材料38可以包含一種或多種聚合物材料，其由至少以下一種單體材料組成：甲基丙烯酸甲酯(methyl methacrylate)、丙烯酸甲酯(methyl acrylate)、甲基丙烯酸乙酯(ethyl methacrylate)、丙烯酸乙酯(ethyl acrylate)、甲基丙烯酸丁酯(butyl methacrylate)、丙烯酸丁酯(butyl acrylate)、丙烯酸異丁酯(isobutyl acrylate)、甲基丙烯酸異丁酯(isobutyl methacrylate)、甲基丙烯酸乙基己酯(ethylhexyl methacrylate)、丙烯酸乙基己酯(ethylhexyl acrylate)、2-羥基乙基丙烯酸酯(2-hydroxyethyl acrylate)、2-甲基丙烯酸羥乙酯(2-hydroxyethyl methacrylate)、丙烯酸異辛酯(isooctyl acrylate)、甲基丙烯酸異辛酯(isooctyl methacrylate)、丙烯酸月桂酯(lauryl acrylate)、甲基丙烯酸月桂酯(lauryl methacrylate)、丙烯酸異癸酯(isodecyl acrylate)、甲基丙烯酸異癸酯(isodecyl methacrylate)、丙烯酸(acrylic acid)、甲基丙烯酸(methacrylic acid)、丙烯酸鹽(acrylic salt)、甲基丙烯酸鹽(methacrylic salt)、丙烯腈(acrylonitrile)、甲基丙烯腈(methacrylonitrile)、丙烯酰胺(acrylamide)、甲基丙烯酰胺(methacrylamide)、苯乙烯(styrene)、二乙烯基苯(divinyl benzene)、環(huán)氧樹脂(epoxy resin)、雙酚A(bisphenol A)、環(huán)氧乙烷(ethylene oxide)、含氟單體等(fluorine-containing monomer)。本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下能夠選擇并應(yīng)用任何其它材料以達(dá)到所述目的。

第二粘合材料38被配置以抑制第一材料32的多孔網(wǎng)絡(luò)的熱收縮，所以也會抑制隔離膜20的熱收縮。如圖4清晰顯示，第一材料32和第二材料38被設(shè)置成一個核-殼結(jié)構(gòu)。在一個特定實施例里，第二材料38被設(shè)置以將第一材料32粘到隔離膜20和各個電極12、14的至少一個表面上，粘合強(qiáng)度的范圍是5N/m到50N/m。

在圖5-9描述了具有第一和第二材料32、38的涂層或膜30的不同排列和構(gòu)造。例如，具有核-殼結(jié)構(gòu)的球形顆粒40，即利用第一材料32形成核，第二材料38形成殼，如圖5所示。圖6的實施例顯示第一材料32的規(guī)則形狀顆粒36，而第二材料38則分散在第一材料32的顆粒36之間。圖7顯示另一個實施例，第一材料32的不規(guī)則形狀顆粒36的表面被第二材料38部分或全部覆蓋。圖8的另一個實施例顯示第一材料32的不規(guī)則形狀顆粒36，第二材料38隨機(jī)分散在第一材料32的顆粒36之間。圖9的另一個實施例顯示第一材料32的不規(guī)則形狀顆粒36，第二材料38不但隨機(jī)分散在顆粒36之間，還在第一材料32上方形成一個頂部多孔層并靠近各個電極12、14，第二材料38的頂部多孔層充當(dāng)?shù)谝徊牧?2多孔網(wǎng)絡(luò)和各個電極12、14之間的粘接層。

圖10顯示包含第一和第二材料32、38的涂層或膜30的合成和制備過程，及隨后涂敷在隔離膜20上的過程。首先，第一材料32的種子顆粒36可以通過已知聚合技術(shù)進(jìn)行合成，例如在一種或多種表面活性劑和單體面前進(jìn)行乳液聚合。表面活性劑的例子可以是但不限于：乙氧基化烷基硫酸銨(ammonium ethoxylated alkyl sulfate)和/或聚環(huán)氧乙烷(PEO)；單體的例子可以是但不限于：甲基丙烯酸甲酯(methyl methacrylate)、丙烯酸(acrylic acid)、甲基丙烯酸(methacrylic acid)、丙烯酰胺(acrylamide)、苯乙烯(styrene)和/或二乙烯基苯(divinyl benzene)。在合成種子顆粒36之后，再在一種或多種表面活性劑和單體面前，進(jìn)行進(jìn)一步聚合，如種子乳液聚合，以在第一材料32的種子顆粒上提供第二材料38的涂層，從而形成具有核-殼結(jié)構(gòu)的粘合顆粒40。表面活性劑的例子可以是但不限于：乙氧基化烷基硫酸銨(ammonium ethoxylated alkyl sulfate)和/或聚環(huán)氧乙烷(PEO)；單體的例子可以是但不限于：甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯(methyl methacrylate，butyl acrylate)、和/或丙烯酸月桂酯(lauryl acrylate)。

然后，粘合顆粒40可以被分散在一種或多種溶劑里，可選地，再和一種或多種添加劑如增粘劑形成一種漿液狀的涂敷材料。接著，該漿液可以通過一種或多種諸如凹版涂布(gravure)、含浸涂布(dipping)和/或狹縫涂布(slot-die)的過程被涂覆到隔離膜20上。

為了展示本發(fā)明的優(yōu)勢特性，還使用各種分析技術(shù)來顯示包含第一材料32和第二粘合材料38的涂層或膜30的特點。例如，圖11顯示包含核-殼結(jié)構(gòu)的粘合顆粒40的隔離膜涂層或膜30的粘合強(qiáng)度。在這個特定實施例里，隔離膜涂層或膜30和陽極12之間的粘合強(qiáng)度大約是24N/m，隔離膜涂層或膜30和陰極14之間的粘合強(qiáng)度大約是20N/m。圖12顯示一個隔離膜涂層或膜30的差分掃描量熱(DSC)分析，其顯示一個大約100℃的玻璃轉(zhuǎn)化溫度(T_g)。本發(fā)明還涉及一種充電電池如鋰離子電池的隔離膜，其包括以上所述的涂層或膜。本發(fā)明也涉及一種充電電池，如具有隔離膜的鋰離子電池，以及一種在充電電池隔離膜和至少一個電極之間提供所述涂層或膜來制作充電電池的方法。

本發(fā)明的優(yōu)點，在于提供一種充電電池隔離膜，其有一種自動的、根據(jù)溫度響應(yīng)的、自動關(guān)閉的機(jī)制，從而有效地避免、最小化或降低因充電電池短路所引起的過熱，進(jìn)而降低、最小化或避免有關(guān)充電電池運行時潛在隱患如熱失控發(fā)生的機(jī)會。特別地，涂層或膜被配置以允許離子在溫度低于80℃時轉(zhuǎn)移，但在溫度處于80℃和150℃之間時通過熔化顆粒開始閉合細(xì)孔，從而停止電化學(xué)電池的反應(yīng)。優(yōu)選地。顆粒熔化在第一溫度時或高于第一溫度時發(fā)生，第一溫度通常是第一材料的玻璃轉(zhuǎn)化溫度(T_g)或初始熔化溫度(T_m1)，在第一溫度時第一材料開始熔化。優(yōu)選地，第一溫度和第二溫度之間相差至少20℃，第二溫度通常是第一材料層的分崩瓦解溫度，這個溫度差使得涂層或膜熔毀和分崩瓦解之前有足夠時間關(guān)閉細(xì)孔。

本說明書描述了本發(fā)明的基本原理。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會明白，可以推導(dǎo)出許多能夠體現(xiàn)本發(fā)明原理的不同安排，盡管未在此詳細(xì)描述或展示，但仍然屬于本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。

而且，在此描述的本發(fā)明原理、方面和實施例，及其具體示例的所有陳述，都意在涵蓋其結(jié)構(gòu)和功能等同物。另外，這種等同物包括當(dāng)前已知的等同物以及將來開發(fā)的等同物，即能夠執(zhí)行相同功能但結(jié)構(gòu)異同而開發(fā)的任何要素。

雖然在附圖和前述里已經(jīng)詳細(xì)敘述了本發(fā)明，可以被看做是敘述性的而非限制性的，但應(yīng)該能夠理解，只顯示并描述了示例性實施例，但沒有限制本發(fā)明的范圍。應(yīng)該能夠明白，在此描述的任何特征可以用于任何實施例。所述實施例相互之間或與未在此描述的任何其它實施例并不是排他性的。所以，本發(fā)明也提供包含一個或多個以上所述實施例的組合的實施例?？梢栽诓幻撾x本發(fā)明的精神和范圍的情況下，對在此闡述的本發(fā)明作出修改和改變，因此，只有這些限制才可以解釋為所附權(quán)利要求書表示的。

在本發(fā)明的權(quán)利要求里，任何表示為一種用作執(zhí)行指定功能的裝置的元素，都意在涵蓋執(zhí)行該功能的任何方式，包括諸如：a)執(zhí)行該功能的電路元件的組合，或b)任何格式的軟件，包括固件、微代碼等，與合適電路組合在一起以運行該軟件以實現(xiàn)相同功能。由所附權(quán)利要求所定義的本發(fā)明存在于這樣的事實，即不同所述裝置所提供的功能被組合，以權(quán)利要求方式放置在一起。因此，任何能夠提供相同功能的裝置被認(rèn)為等同于在此所示的裝置。

在所附權(quán)利要求以及本發(fā)明的以上描述里，除非上下文特別要求或必要說明，詞語“包含”或“包括”是開放式含義，即指出有所述特征，但不排除或增加本發(fā)明不同實施例里的其它特征。