具有Z方向穩(wěn)定性的電池隔板制造技術(shù)

公開一種用于電池中防止或減少突然熱失控的方法。在該方法中，其中分散有惰性的不熱變形微粒的熱塑性微孔膜放置在電池的電極之間。因此，例如，當(dāng)對電池施加外力時，通過填充微粒的隔板防止電極直接接觸。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】?具有Z方向穩(wěn)定性的電池隔板????????????????????相關(guān)申請該申請是2004年10月22日提交的待批美國專利申請No.10/971,310的接續(xù)申請。????????????????????專利
本專利技術(shù)涉及防止在電池例如鋰電池中的“突然”熱失控。????????????????????專利技術(shù)背景在電池例如鋰離子電池中，熱失控(thermal?runaway)是潛在的問題。熱失控可由電池的陽極和陰極之間的直接接觸引起，其中在正常循環(huán)中由于陽極和陰極的體積變化形成的內(nèi)力導(dǎo)致陽極和陰極直接接觸，這又導(dǎo)致快速放熱。快速放熱可導(dǎo)致點(diǎn)燃陽極/電解液、陰極/電解液、陽極/陰極或電解液/電解液的熱化學(xué)反應(yīng)。點(diǎn)燃方案對電池導(dǎo)致危險的情況。熱失控可以分為：‘突然的′熱失控或‘延遲的′熱失控。突然的熱失控是指極快的放熱，即，在開始之后小于1秒之內(nèi)出現(xiàn)。延遲的熱失控是指在開始之后3秒以上出現(xiàn)的放熱。在鋰離子電池中，大于99％的故障是由熱失控導(dǎo)致的。可以通過利用‘關(guān)閉′隔板(例如，通過孔隙閉合響應(yīng)增熱的隔板，孔隙閉合使陽極和陰極之間的離子流停止)，或通過從電池中的快速散熱，預(yù)防延遲的熱失控。然而，突然的熱失控還沒有得到成功地處理。Li離子電池的突然熱失控可以在如下的電池安全試驗(yàn)中模擬：‘釘穿透′試驗(yàn)或‘壓裂′試驗(yàn)(‘壓裂′試驗(yàn)包括：球壓裂、棒壓裂和板壓裂)。在每一個這些試驗(yàn)中，通過釘、球、棒或板施加的外力可以施加于電池的外殼(或‘罐’)，這又可以使陽極和陰極直接接觸。-->上述安全試驗(yàn)加劇了已經(jīng)存在于電池外殼內(nèi)的緊密安裝的狀態(tài)。例如，鋰離子電池最常見地是制成圓柱形和棱柱形。在無電解液的情況下，將陽極/隔板/陰極纏繞或折疊成形，然后將其安裝到它們的外殼(罐)中并且封閉(capped?shut)。當(dāng)添加電解液時，陽極/隔板/陰極膨脹。這導(dǎo)致罐內(nèi)的內(nèi)力增加。隨后，在‘形成’的過程中(也就是當(dāng)對電池起始充電時)，陽極和陰極再次膨脹(例如，陽極可膨脹約10％，并且陰極可膨脹約3％)。在形成過程的膨脹又導(dǎo)致罐內(nèi)的內(nèi)力增加。這些內(nèi)力，如從上述的釘穿透和壓裂試驗(yàn)的那些，指向電池的中心。當(dāng)對罐施加外力時，那些力也指向電池的中心。結(jié)果是在電池內(nèi)部形成異常的壓力，并且這些壓力通過壓縮放置于其中的微孔膜隔板使陽極和陰極直接接觸。使用微孔膜作為電池隔板是熟知的。例如，將微孔膜用作鋰離子電池中的電池隔板。這種隔板可以是由聚烯烴制造的單層或多層薄膜。這些隔板通常具有‘關(guān)閉′性能，以致于當(dāng)電池的溫度達(dá)到預(yù)定溫度時，膜的孔隙關(guān)閉，并且由此防止電池的電極之間的離子流動。電池中增加的溫度是由內(nèi)部短路即陽極和陰極的直接接觸引起的。直接接觸可以由例如在電池制造過程中電池的物理損壞、隔板的損壞、枝狀結(jié)晶的生長、過充等引起。同樣地，隔板、薄(例如一般約8-25微米的厚度)的微孔膜必須具有良好的尺寸穩(wěn)定性。當(dāng)用于電池隔板時，尺寸穩(wěn)定性是指當(dāng)暴露在高溫時隔板不收縮或不過度收縮的性能。在平面膜的X和Y軸中觀察這種收縮。這個術(shù)語到目前為止還沒有指Z方向的尺寸穩(wěn)定性。當(dāng)用于電池隔板時，擊穿強(qiáng)度是膜抵抗Z方向擊穿的性能。擊穿強(qiáng)度通過觀察用已知幾何尺寸的可移動的針刺穿膜所需的作用力來測量。到現(xiàn)在，對于提高這些電池隔板的Z方向的尺寸穩(wěn)定性，還沒有做任何工作。Z方向是指隔板的厚度方向。電池緊密纏繞以便使其能-->量密度最大化。對于圓柱形纏繞的電池，緊密纏繞是指：作用力放射狀向內(nèi)，使隔板上的壓縮力橫穿其厚度方向。在增加溫度的情況中，由于隔板的材料開始流動并且蒙蔽孔隙，電池的電極可以向彼此移動。隨著它們彼此移近時，直接接觸的風(fēng)險增加。必須避免電極的接觸。相應(yīng)地，需要電池隔板，尤其需要具有提高Z方向穩(wěn)定性的鋰離子電池的電池隔板，并且需要能防止或減少突然熱失控故障的電池隔板。在現(xiàn)有技術(shù)中，已知將填料混入鋰電池的隔板中。在美國專利US4,650,730中，公開一種多層電池隔板。第一層，‘關(guān)閉′層，是未填充的微孔膜。第二層，尺寸穩(wěn)定層，是填充微粒的微孔層。最終形式(即在析出增塑劑之后)的第二層，具有組成重量比：聚合物/填料/增塑劑為：7-35/50-93/0-15。沒有提到Z方向尺寸穩(wěn)定性，相反，尺寸穩(wěn)定性是指隔板的長度和寬度的尺寸。用填料作為加工助劑，使高分子聚合物能被有效地壓入膜中。在美國專利US6,432,586公開一種高能鋰電池的多層電池隔板。隔板具有第一微孔膜和第二無孔陶瓷組合層。陶瓷組合層由基質(zhì)材料和無機(jī)顆粒組成。基質(zhì)材料可選自聚環(huán)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。無機(jī)顆粒可選自二氧化硅(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)、碳酸鈣(CaCO3)、二氧化鈦(TiO2)、SiS2、SiPO4等。微粒構(gòu)成約5-80重量％的陶瓷組合層，但是最優(yōu)選40-60％。沒有提到Z方向的穩(wěn)定性，并且選擇微粒用于其導(dǎo)電性能。?????????????????????專利技術(shù)概述公開一種用于電池中防止或者減少突然熱失控的方法。在該方法中，其中分散有惰性的不熱變形(thermally?non-deforming)微粒的熱塑性微孔膜放置在電池的電極之間。因此，例如，當(dāng)對電池施加外力時，通過填充微粒的隔板防止電極直接接觸。-->???????????????????附圖簡述為了解釋本專利技術(shù)，顯示了關(guān)于本專利技術(shù)的優(yōu)選實(shí)施方式的附圖信息，然而應(yīng)該理解為：該專利技術(shù)不局限于所示的確切信息。圖1是幾個不同膜的TMA壓縮曲線的圖解。圖2是幾個不同膜的TMA壓縮曲線的圖解。圖3是進(jìn)行釘穿透試驗(yàn)的18650電池的外部(或外殼)溫度(℃)以時間(秒)為函數(shù)的圖解說明。圖4是進(jìn)行球壓裂試驗(yàn)的棱柱電池的電池電壓(V)以時間(秒)為函數(shù)的圖解。圖5是棱柱電池的循環(huán)性能的圖解。?????????????????????
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
在本文中使用的電池是指電荷儲存裝置，例如，emf(電動勢)的化學(xué)發(fā)生器或電容器。一般地，電池是一種通常包括陽極、陰極、隔板、電解液和外殼(或罐)的裝置。被認(rèn)為具有最有潛力受益于本專利技術(shù)的電池是可再充電的鋰電池，例如具有鋰金屬的(Li)、鋰合金(LiSiX、LiSnX、LiAlX等)或鋰化(lithiated)碳材料(LiXC6，其中X≤1)或嵌入化合物(或過渡金屬化合物)作為陰極(陽極)。這種嵌入化合物可包括但不局限于LiXWO2、LiXMoO2、LiXTiS2和LiXTiYOZ。這些可再充電的鋰電池也稱為鋰離子電池或鋰聚合物電池。這種電池的陰極、電解液和外殼是眾所周知的，并且是常規(guī)的。在下文中更詳細(xì)地討論獲得本文中所述改進(jìn)的隔板。本文中使用的電池隔板是指放置在電池的電極之間的薄微孔膜。一般地，它在物理上分離電極以便防止它們接觸，允許離子在放電和充電過程中通過電極之間的孔隙，用作電解液的容器，并且也具有‘關(guān)閉′功能。微孔膜一般具有20-80％或28-60％的孔隙率。平均孔徑一般為0.02到2.0微米，或0.04到0.25微米。該膜一般地具有5到150秒或-->20到80秒的Gurley值(Gurley值是指10cc空氣在12.2英寸的水柱下通過1平本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種在在具有電極的電池中防止或減少突然熱失控的方法，包括步驟：　　　　將具有完全分散的惰性的不熱變形的微粒的熱塑性微孔膜放置在電池的電極之間。

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】US 2004-10-22 10/971,3101.一種在在具有電極的電池中防止或減少突然熱失控的方法，包括步驟：將具有完全分散的惰性的不熱變形的微粒的熱塑性微孔膜放置在電池的電極之間。2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中突然的熱失控是在開始之后1秒內(nèi)出現(xiàn)的內(nèi)部電路短路。3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中內(nèi)部短路定義為在開始3秒內(nèi)內(nèi)部電池溫度從25℃增加到至少100℃。4.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中內(nèi)部短路定義為在開始的5秒內(nèi)的80％電壓降。5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中電池是鋰離子電池。6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中鋰離子電池具有包括含有鋰的嵌入化合物的電極。7.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中鋰離子電池具有包括鋰金屬的電極。8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述熱塑性塑料選自：聚烯烴、聚鹵代乙烯、尼龍、氟烴和聚苯乙烯。9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述熱塑性塑料選自：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.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述惰性的不熱變形的微粒具有小于1微米的平均粒徑。11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述惰性的不熱變形的微粒選自：碳基材料、金屬氧化物和氫氧化物、金屬碳酸鹽、礦物質(zhì)、合成和天然沸石、水泥、硅酸鹽、玻璃顆粒、含硫鹽、合成聚合物和其混合物。12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中微粒構(gòu)成1到99重量％所述膜。13.在具有陽極、陰極、隔板、電解液和外殼的鋰離子電池中，其中改進(jìn)包括電池外部溫度在被釘穿透之后至少25秒內(nèi)從25℃的起始溫度維持在小于100℃。14.根據(jù)權(quán)利要求13的電池，其中所述隔板包括在電池的電極之間具有完全分散有惰性的不熱變形的微粒的熱塑性微孔膜。15.根據(jù)權(quán)利要求13的電池，其中鋰離子電池具有包括含有鋰的嵌入化合物的電極。16.根據(jù)權(quán)利要求13的電池，其中鋰離子電池具有包括鋰金屬的電極。17.根據(jù)權(quán)利要求14的電池，其中所述熱塑性塑料選自：聚烯烴、聚鹵代乙烯、尼龍、氟烴和聚苯乙烯。18.根據(jù)權(quán)利要求14的電池，其中所述熱塑性塑料選自聚乙烯、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.根據(jù)權(quán)利要求14的電池，其中所述惰性的不熱變形的微粒具有小于1微米的平均粒徑。-->20.根據(jù)權(quán)利要求14的電池，其中所述的惰性的不熱變形的微粒填料選自以下材料：碳基材料、金屬氧化物和氫氧化物、金屬碳酸鹽、礦物質(zhì)、合成和天然沸...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張正銘，科虎V恩谷晏，潘卡基阿勞拉，羅納德W考爾，唐納德K司蒙斯，稻田，
申請(專利權(quán))人：賽爾格有限責(zé)任公司，
類型：發(fā)明
國別省市：US[美國]