BR102021006326A2

BR102021006326A2 - Composite separation layer

Info

Publication number: BR102021006326A2
Application number: BR102021006326-2A
Authority: BR
Inventors: Szu-Nan Yang
Original assignee: Prologium Technology Co., Ltd.; Prologium Holding Inc.
Priority date: 2020-04-13
Filing date: 2021-03-31
Publication date: 2022-03-03

Abstract

A invenção fornece uma camada de separação compósita, que é composta por um corpo de separação e uma camada de reforço estrutural disposta em um lado do corpo de separação. O corpo de separação é condutor de íons e sem orifícios, portanto, nenhum curto-circuito suave seria ocorrido. Além disso, pela camada de reforço estrutural, a resistência mecânica de toda a camada de separação é aumentada. Portanto, quando o corpo de separação é sujeito a impacto ou compressão para deformar, o contato entre as camadas de eletrodo positivo e negativo é evitado na presença da camada de reforço estrutural. A espessura da camada de separação total pode ser significativamente reduzida a partir desta disposição do corpo de separação e da camada de reforço estrutural.

The invention provides a composite separating layer, which is composed of a separating body and a structural reinforcement layer disposed on one side of the separating body. The separation body is ion-conducting and without holes, so no smooth short circuit would occur. Furthermore, by the structural reinforcement layer, the mechanical strength of the entire separating layer is increased. Therefore, when the separation body is subjected to impact or compression to deform, contact between the positive and negative electrode layers is avoided in the presence of the structural reinforcement layer. The thickness of the total separating layer can be significantly reduced from this arrangement of the separating body and structural reinforcement layer.

Description

COMPOSITE SEPARATION LAYER

BACKGROUND OF THE INVENTION CROSS REFERENCES TO RELATED ORDERS

[0001] O presente pedido reivindica prioridade ao Pedido de Patente de Taiwan 109112320 depositado no Escritório de Patentes de Taiwan em 13 de abril de 2020, cujo conteúdo inteiro está sendo incorporado neste documento por referência.[0001] The present application claims priority to Taiwan Patent Application 109112320 filed with the Taiwan Patent Office on April 13, 2020, the entire contents of which are being incorporated herein by reference.

FIELD OF THE INVENTION

[0002] A presente invenção se refere a uma camada de separação de um sistema eletroquímico, em particular a uma camada de separação compósita, cuja espessura da camada de separação total pode ser significativamente reduzida.[0002] The present invention relates to a separating layer of an electrochemical system, in particular to a composite separating layer, whose total separation layer thickness can be significantly reduced.

RELATED TECHNIQUE

[0003] Na era da crise energética e da revolução energética, a energia química secundária desempenha um papel muito importante, especialmente as baterias de íons metálicos com energia específica e potência específica altas, tais como baterias de íon de sódio, baterias de íon de alumínio, baterias de íon de magnésio ou baterias de íons de lítio. Essas baterias são aplicadas em produtos eletrônicos de informação e de consumo, e recentemente se expandiram para o campo de energia para transporte.[0003] In the era of energy crisis and energy revolution, secondary chemical energy plays a very important role, especially metal ion batteries with high specific energy and specific power, such as sodium ion batteries, aluminum ion batteries , magnesium ion batteries or lithium ion batteries. These batteries are applied in consumer and information electronics products, and have recently expanded into the field of energy for transportation.

[0004] Para as baterias de íons metálicos, o filme de separação convencional formado pelos polímeros é facilmente enrolado sob alta temperatura. Portanto, vários tipos de uso de materiais resistentes ao calor como reforço do filme de separação ou que servem diretamente como corpo principal do filme de separação são desenvolvidos em conformidade.[0004] For metal ion batteries, the conventional separation film formed by the polymers is easily rolled up under high temperature. Therefore, various types of using heat-resistant materials as reinforcement of the separating film or directly serving as the main body of the separating film are developed accordingly.

[0005] Por exemplo, no caso do filme de separação com uso de um material polimérico como substrato de material de base e revestimento com um material de reforço de cerâmica, o que pode melhorar ligeiramente a estabilidade térmica do filme de separação, no entanto, o encolhimento ou ondulação do filme de separação ainda não pode ser evitado. Alternativamente, os materiais cerâmicos são usados como o material principal do filme de separação, e o adesivo também é usado para ligar os materiais cerâmicos. Essa estrutura pode melhorar significativamente a estabilidade térmica do filme de separação. No entanto, o filme de separação deve ter espessura suficiente (cerca de 90 mícrons a 300 mícrons) para fazer com que os pós cerâmicos sejam empilhados em várias camadas para evitar a formação de orifícios retos. A espessura relativamente alta é o gargalo para o filme de separação com estrutura quando aplicado em baterias.[0005] For example, in the case of the separating film using a polymeric material as the base material substrate and coating with a ceramic reinforcement material, which may slightly improve the thermal stability of the separating film, however, shrinkage or curling of the separation film still cannot be avoided. Alternatively, ceramic materials are used as the main material of the separating film, and the adhesive is also used to bond the ceramic materials. This structure can significantly improve the thermal stability of the separation film. However, the separation film must be thick enough (about 90 microns to 300 microns) to cause the ceramic powders to be stacked in several layers to prevent straight holes from forming. The relatively high thickness is the bottleneck for structured separation film when applied to batteries.

[0006] Portanto, esta invenção fornece uma camada de separação resistente ao impacto com espessura reduzida para mitigar ou evitar os problemas acima mencionados.[0006] Therefore, this invention provides an impact resistant separation layer with reduced thickness to mitigate or avoid the above mentioned problems.

SUMMARY OF THE INVENTION

[0007] É um objetivo desta invenção fornecer uma camada de separação compósita para reduzir significativamente a espessura total. Além disso, a camada de separação compósita é capaz de resistir ao impacto para evitar curto-circuito causado pelo contato do eletrodo positivo e do eletrodo negativo devido a deformações.[0007] It is an object of this invention to provide a composite separation layer to significantly reduce the overall thickness. In addition, the composite separating layer is able to withstand impact to prevent short circuit caused by the contact of positive electrode and negative electrode due to deformation.

[0008] A fim de implementar o acima mencionado, esta invenção divulga uma camada de separação compósita, que inclui um corpo de separação e uma camada de reforço estrutural disposta em um lado do corpo de separação. O corpo de separação é caracterizado por: 1) com condutividade iônica; 2) sem furos (não ocorreria curto-circuito suave); e 3) com adesivo. Portanto, o corpo de separação é composto principalmente de um material condutor de íons.[0008] In order to implement the above, this invention discloses a composite separation layer, which includes a separation body and a structural reinforcement layer disposed on one side of the separation body. The separation body is characterized by: 1) having ionic conductivity; 2) no holes (smooth short circuit would not occur); and 3) with adhesive. Therefore, the separation body is mainly composed of an ion-conducting material.

[0009] A camada de reforço estrutural está disposta em um lado do corpo de separação e é caracterizada por: 1) com condutividade iônica; 2) tem uma resistência mecânica superior à resistência mecânica do corpo de separação e não é fácil de deformar à força; 3) tem maior estabilidade térmica em comparação com o corpo de separação; e 4) tem orifícios em comparação com o corpo de separação. Portanto, a camada de reforço estrutural é composta por um material de suporte estrutural indeformável e um ligante.[0009] The structural reinforcement layer is arranged on one side of the separation body and is characterized by: 1) with ionic conductivity; 2) it has a mechanical strength superior to the mechanical strength of the separating body and is not easy to deform by force; 3) it has higher thermal stability compared to the separation body; and 4) has holes compared to the separation body. Therefore, the structural reinforcement layer is composed of an undeformable structural support material and a binder.

[0010] O escopo adicional de aplicabilidade da presente invenção se tornará evidente a partir da descrição detalhada dada a seguir. No entanto, deve ser entendido que a descrição detalhada e exemplos específicos, embora indiquem modalidades preferenciais da invenção, são dados a título de ilustração apenas, uma vez que várias mudanças e modificações dentro do espírito e escopo da invenção se tornarão aparentes para aqueles versados na técnica desta descrição detalhada.[0010] The further scope of applicability of the present invention will become evident from the detailed description given below. However, it is to be understood that the detailed description and specific examples, while indicating preferred embodiments of the invention, are given by way of illustration only, as various changes and modifications within the spirit and scope of the invention will become apparent to those skilled in the art. technique of this detailed description.

BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0011] A presente invenção se tornará mais completamente entendida a partir da descrição detalhada dada a seguir apenas como ilustração e, portanto, não são limitativas da presente invenção, e em que:[0011] The present invention will become more fully understood from the detailed description given below by way of illustration only and therefore are not limiting of the present invention, and wherein:

[0012] A Figura 1 é um diagrama esquemático de uma modalidade da camada de separação compósita desta invenção.[0012] Figure 1 is a schematic diagram of an embodiment of the composite separation layer of this invention.

[0013] As Figuras 2A e 2B são diagramas esquemáticos de outras modalidades da camada de separação compósita desta invenção.[0013] Figures 2A and 2B are schematic diagrams of other embodiments of the composite separation layer of this invention.

[0014] A Figura 3 é um diagrama esquemático da camada de separação compósita desta invenção aplicada a um sistema eletroquímico.[0014] Figure 3 is a schematic diagram of the composite separation layer of this invention applied to an electrochemical system.

DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

[0015] A presente invenção será descrita em relação a modalidades particulares e com referência a certos desenhos, mas a invenção não está limitada a eles, mas apenas pelas reivindicações. Quaisquer sinais de referência nas reivindicações não devem ser interpretados como limitando o escopo. Os desenhos descritos são apenas esquemáticos e não limitantes. Nos desenhos, o tamanho de alguns dos elementos pode ser exagerado e não estarem desenhados proporcionais às dimensões reais para fins ilustrativos.[0015] The present invention will be described with respect to particular embodiments and with reference to certain drawings, but the invention is not limited thereto, but only by the claims. Any reference marks in the claims should not be interpreted as limiting the scope. The drawings described are schematic only and not limiting. In the drawings, the size of some of the elements may be exaggerated and not drawn in proportion to the actual dimensions for illustrative purposes.

[0016] A terminologia usada neste documento tem a finalidade de descrever modalidades particulares apenas e não se destina a ser uma limitação do conceito inventivo geral. Conforme usado neste documento, as formas singulares "um", "uma", "o" e "a" pretendem incluir também as formas plurais, a menos que o contexto indique claramente o contrário. A menos que definido de outra forma, todos os termos (incluindo termos técnicos e científicos) usados neste documento têm o mesmo significado como comumente entendido por alguém versado na técnica ao qual as modalidades de exemplo pertencem. Será ainda entendido que termos, tais como aqueles definidos em dicionários comumente usados, devem ser interpretados como tendo um significado que seja consistente com seu significado no contexto da técnica relevante e não devem ser interpretados em um sentido idealizado ou excessivamente formal, a menos que expressamente definido desta forma neste documento.[0016] The terminology used in this document is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be a limitation of the general inventive concept. As used herein, the singular forms "a", "an", "the" and "a" are intended to include the plural forms as well, unless the context clearly indicates otherwise. Unless defined otherwise, all terms (including technical and scientific terms) used in this document have the same meaning as commonly understood by one skilled in the art to which the example modalities pertain. It will further be understood that terms, such as those defined in commonly used dictionaries, should be interpreted as having a meaning that is consistent with their meaning in the context of the relevant technique and should not be interpreted in an idealized or overly formal sense unless expressly stated. defined in this way in this document.

[0017] Qualquer referência ao longo deste relatório descritivo a "uma modalidade" ou "certa modalidade" significa que um traço, estrutura ou característica específicos descritos com referência à modalidade está incluído em ao menos uma modalidade da presente invenção. Assim, o aparecimento das frases "em uma modalidade" ou "em certa modalidade" em vários lugares ao longo deste relatório descritivo não se refere necessariamente à mesma modalidade, mas pode. Além disso, os recursos, estruturas ou características particulares podem ser combinados de qualquer maneira adequada, como seria evidente para um versado na técnica a partir desta divulgação, em uma ou mais modalidades.[0017] Any reference throughout this specification to "an embodiment" or "certain embodiment" means that a specific trait, structure or characteristic described with reference to the embodiment is included in at least one embodiment of the present invention. Thus, the appearance of the phrases "in a modality" or "in a certain modality" in several places throughout this descriptive report does not necessarily refer to the same modality, but it may. Furthermore, the particular features, structures or features may be combined in any suitable manner, as would be apparent to one skilled in the art from this disclosure, in one or more embodiments.

[0018] Na descrição da presente invenção, deve-se notar que os termos "instalação", "conectado" e "disposto" devem ser entendidos de forma ampla e podem ser fixos ou destacáveis, por exemplo, podem ser mecânicos ou elétricos, podem ser conectados direta ou indiretamente, por meio de um meio intermediário, que pode ser a conexão interna entre dois componentes. Os significados específicos dos termos acima na presente invenção podem ser entendidos nas circunstâncias específicas por aqueles versados na técnica.[0018] In the description of the present invention, it should be noted that the terms "installation", "connected" and "arranged" are to be understood broadly and can be fixed or detachable, for example, they can be mechanical or electrical, they can be be connected directly or indirectly, through an intermediary means, which can be the internal connection between two components. The specific meanings of the above terms in the present invention can be understood in the specific circumstances by those skilled in the art.

[0019] Em primeiro lugar, a camada de separação compósita desta invenção é adaptada para um sistema eletroquímico, tal como uma bateria de lítio, para separar um eletrodo positivo e um eletrodo negativo para evitar o contato físico entre eles. Consultar a Figura 1, a camada de separação compósita 50 desta invenção, que inclui um corpo de separação 10 e uma camada de reforço estrutural 20 disposta em um lado do corpo de separação 10. Conforme mostrado na Figura 1, é demonstrada uma vista lateral para o corpo de separação 10 da camada de separação compósita 50. O corpo de separação 10 é essencialmente em forma de placa ou em forma de folha na prática, tal como um paralelepípedo retangular (porém sem limitação). A forma do corpo de separação 10 pode ser modificada, a depender dos sistemas eletroquímicos aplicados. Portanto, o corpo de separação 10 tem uma superfície superior e uma superfície inferior oposta , conforme mostrado. A camada de reforço estrutural 20 está disposta em um lado (um da superfície) do corpo de separação 10. A relação posicional não se limita àquela mostrada nas figuras. A camada de separação compósita 50 pode ser adaptada para ser utilizada em qualquer orientação. Uma espessura do corpo de separação é de 5 a 45 mícrons, e uma espessura da camada de reforço estrutural é de 5 a 45 mícrons.[0019] First, the composite separation layer of this invention is adapted for an electrochemical system, such as a lithium battery, to separate a positive electrode and a negative electrode to avoid physical contact between them. See Figure 1, the composite separation layer 50 of this invention, which includes a separation body 10 and a structural reinforcement layer 20 disposed on one side of the separation body 10. As shown in Figure 1, a side view is shown for the separating body 10 of the composite separating layer 50. The separating body 10 is essentially plate-shaped or sheet-shaped in practice, like a rectangular parallelepiped (but not limited to). The shape of the separating body 10 can be modified, depending on the electrochemical systems applied. Therefore, the separating body 10 has a top surface and an opposing bottom surface, as shown. Structural reinforcement layer 20 is disposed on one side (a surface one) of separation body 10. The positional relationship is not limited to that shown in the figures. Composite separating layer 50 can be adapted for use in any orientation. A separation body thickness is 5 to 45 microns, and a structural reinforcement layer thickness is 5 to 45 microns.

[0020] Além disso, consultar as Figuras 2A e 2B, em que outra camada de reforço estrutural 21 pode ser disposta no lado oposto do corpo de separação 10, ou outro corpo de separação 11 pode ser disposto no lado oposto da camada de reforço estrutural 20.[0020] Also, refer to Figures 2A and 2B, where another layer of structural reinforcement 21 can be arranged on the opposite side of the separation body 10, or another separation body 11 can be arranged on the opposite side of the layer of structural reinforcement 20.

[0021] O corpo de separação 10 desta invenção é caracterizado por: 1) com condutividade iônica; 2) sem furos; e 3) com adesivo. Portanto, o corpo de separação 10 é principalmente composto de um material condutor de íons. Devido ao corpo de separação 10 ser sem orifícios, não ocorreria curto-circuito suave. O termo “sem orifícios” significa que o corpo de separação 10 não tem quaisquer orifícios cegos ou orifícios passantes. Além disso, o corpo de separação 10 é composto principalmente de um material condutor de íons. Portanto, o corpo de separação 10 pode ser formado por material 100% condutor de íons ou adicionado com um certo material cerâmico.
O conteúdo em volume do material condutor de íons tem que ser muito maior do que o conteúdo em volume do material cerâmico. O material cerâmico é selecionado a partir de um eletrólito sólido à base de óxido ou um material cerâmico passivo.[0021] The separation body 10 of this invention is characterized by: 1) having ionic conductivity; 2) without holes; and 3) with adhesive. Therefore, the separating body 10 is primarily composed of an ion-conducting material. Due to the separation body 10 being without holes, there would be no smooth short circuit. The term "without holes" means that the separating body 10 does not have any blind holes or through holes. Furthermore, the separating body 10 is mainly composed of an ion-conducting material. Therefore, the separating body 10 can be formed of 100% ion-conducting material or added with a certain ceramic material.
The volume content of the ion-conducting material has to be much greater than the volume content of the ceramic material. The ceramic material is selected from a solid oxide-based electrolyte or a passive ceramic material.

[0022] A adesão do corpo de separação 10 pode ser alcançada através da seleção dos materiais condutores de íons. Portanto, a adesão é melhorada entre o corpo de separação 10 e a camada de reforço estrutural 20, ou os eletrodos do sistema eletroquímico aplicado. Se forem selecionados materiais condutores de íons não adesivos, o ligante adicional pode ser adicionado ao corpo de separação 10 para fazer com que o corpo de separação 10 seja adesivo.[0022] The adhesion of the separation body 10 can be achieved through the selection of ion-conducting materials. Therefore, adhesion is improved between the separation body 10 and the structural reinforcement layer 20, or the electrodes of the applied electrochemical system. If non-adhesive ion-conducting materials are selected, the additional binder can be added to the separating body 10 to make the separating body 10 adhesive.

[0023] A camada de reforço estrutural 20 é caracterizada por: 1) com condutividade iônica; 2) tem maior resistência mecânica e não é fácil de se deformar à força; 3) tem maior estabilidade térmica em comparação com o corpo de separação 10; e 4) tem orifícios em comparação com o corpo de separação 10.[0023] The structural reinforcement layer 20 is characterized by: 1) with ionic conductivity; 2) it has higher mechanical strength and is not easy to deform by force; 3) it has greater thermal stability compared to the separation body 10; and 4) has holes compared to the separating body 10.

[0024] A camada de reforço estrutural 20 tem a resistência mecânica superior à resistência mecânica do corpo de separação 10 e não se deforma à força. Portanto, a resistência mecânica do corpo de separação 10 é melhorada. Quando o corpo de separação 10 sofre impacto, o contato do eletrodo positivo e do eletrodo negativo pode ser evitado devido à presença da camada de reforço estrutural 20. A camada de reforço estrutural 20 é composta por um material de suporte estrutural indeformável e um ligante.[0024] The structural reinforcement layer 20 has the mechanical strength superior to the mechanical strength of the separating body 10 and does not deform by force. Therefore, the mechanical strength of the separating body 10 is improved. When the separation body 10 is impacted, the contact of the positive electrode and the negative electrode can be avoided due to the presence of the structural reinforcement layer 20. The structural reinforcement layer 20 is composed of an undeformable structural support material and a binder.

[0025] O material de suporte estrutural indeformável é um material cerâmico que é selecionado a partir de um material cerâmico passivo ou um eletrólito sólido à base de óxido. O material cerâmico passivo, tal como TiO2, Al2O3, SiO2, melhoraria a resistência mecânica sem condutividade iônica. O eletrólito sólido à base de óxido é um eletrólito de óxido de lítio e lantânio zircônio (LLZO) ou um eletrólito de fosfato de alumínio e titânio de lítio (LATP) e seus derivados. O material cerâmico adicionado com o corpo de separação 10 pode ser do mesmo material.[0025] The non-deformable structural support material is a ceramic material that is selected from a passive ceramic material or an oxide-based solid electrolyte. Passive ceramic material such as TiO2, Al2O3, SiO2 would improve mechanical strength without ionic conductivity. The oxide-based solid electrolyte is a lithium lanthanum zirconium oxide (LLZO) electrolyte or a lithium aluminum titanium phosphate (LATP) electrolyte and its derivatives. The ceramic material added with the separating body 10 may be of the same material.

[0026] O ligante pode ser selecionado a partir dos materiais que não podem transferir íons metálicos, tais como fluoreto de polivinilideno (PVDF), poli-imida (PI) ou ácido poliacrílico (PAA). Além disso, o ligante pode ser selecionado a partir de materiais condutores de íons que podem transferir íons metálicos.[0026] The binder can be selected from materials that cannot transfer metal ions, such as polyvinylidene fluoride (PVDF), polyimide (PI) or polyacrylic acid (PAA). In addition, the ligand can be selected from ion-conducting materials that can transfer metal ions.

[0027] Por outro lado, a camada de reforço estrutural 20 pode incluir ainda um material de eletrólito deformável, que é determinado a depender do material de suporte estrutural indeformável. A camada de reforço estrutural 20 é essencialmente formada por empilhamento do material de suporte estrutural indeformável que se mistura com o ligante. Os orifícios formados do mesmo são preenchidos com o material eletrólito deformável. Quando o material de suporte estrutural indeformável é selecionado a partir do material de cerâmica passivo, o material de eletrólito deformável é selecionado a partir de um eletrólito sólido macio, um líquido iônico, um eletrólito líquido iônico, um eletrólito em gel, um eletrólito líquido ou uma combinação dos mesmos para preencher o orifícios. Assim, o condutivamente iônico aumentaria. Quando o material de suporte estrutural indeformável é selecionado a partir do eletrólito sólido à base de óxido, o material de eletrólito deformável pode ser adicionado ou não.[0027] On the other hand, the structural reinforcement layer 20 may further include a deformable electrolyte material, which is determined depending on the undeformable structural support material. The structural reinforcement layer 20 is essentially formed by stacking the undeformable structural support material that blends with the binder. The holes formed therefrom are filled with the deformable electrolyte material. When the undeformable structural support material is selected from the passive ceramic material, the deformable electrolyte material is selected from a soft solid electrolyte, an ionic liquid, an ionic liquid electrolyte, a gel electrolyte, a liquid electrolyte or a combination of them to fill the holes. Thus, the conductively ionic would increase. When the non-deformable structural support material is selected from the oxide-based solid electrolyte, the deformable electrolyte material may or may not be added.

[0028] O material condutor de íons é composto principalmente de um material de base de polímero, um aditivo e um material de fornecimento de íons. O material de base de polímero é capaz de permitir que íons metálicos, tais como íons de lítio, se movam dentro do material. O aditivo é capaz de dissociar sais metálicos, tais como sais de lítio, e é servido como um plastificante. Além disso, o material condutor de íons inclui ainda um material de inibição de crescimento de cristal para fazer com que o estado de rede primária do material condutor de íons seja um estado amorfo para facilitar a transferência de íons.[0028] The ion conducting material is mainly composed of a polymer base material, an additive and an ion delivery material. The polymer base material is capable of allowing metal ions such as lithium ions to move within the material. The additive is capable of dissociating metal salts, such as lithium salts, and serves as a plasticizer. In addition, the ion-conducting material further includes a crystal growth inhibiting material to make the primary lattice state of the ion-conducting material an amorphous state to facilitate ion transfer.

[0029] O referido material de base de polímero que permite que íons metálicos, tais como íons de lítio, se movam dentro do material, refere-se a um material que não possui íons metálicos, tais como íons de lítio, por si só (no estado de matéria-prima ou no início da reação eletroquímica), mas pode transferir íons metálicos, tais como íons de lítio. Por exemplo, o material de base do polímero pode ser um material estrutural linear sem conter sais, tal como um óxido de polietileno (PEO), ou o PEO que já contém sais, o material de fornecimento de íons, tal como polímero sólido compósito PEO–LiCF3SO3, PEO– LiTFSI–Al2O3, polímero sólido compósito PEO–LiTFSI–10% de TiO2, polímero sólido compósito PEO–LiTFSI–10% de HNT, polímero sólido compósito PEO– LiTFSI–10% de MMT, polímero sólido compósito PEO–LiTFSI–1% de LGPS ou PEO–LiClO4–LAGP. Ou, além de ser capaz de transferir íons metálicos, tais como íons de lítio, também é um material que pode aumentar a resistência mecânica da formação do filme devido à sua estrutura reticulada, tal como um poli(etilenoglicol)diacrilato (PEGDA), um poli(etilenoglicol)dimetacrilato (PEGDMA), um poli (etilenoglicol) monometiléter (PEGME), um dimetiléter de poli(etilenoglicol) (PEGDME), um poli[óxido de etileno-co-2-(2-metoxietoxi))etil glicidil éter] (PEO/MEEGE), um polímero hiperramificado, tal como um poli[bis(trietilenoglicol)benzoato] , ou uma polinitrila, tal como um poliacrilonitrila (PAN), uma poli(metacrilonitrila) (PMAN) ou uma poli(N-2-cianoetil)etilenamina) (PCEEI).[0029] Said polymer base material that allows metal ions, such as lithium ions, to move within the material, refers to a material that does not have metal ions, such as lithium ions, by itself ( in the raw material state or at the start of the electrochemical reaction), but can transfer metal ions such as lithium ions. For example, the polymer base material may be a linear structural material without salts, such as a polyethylene oxide (PEO), or PEO that already contains salts, the ion-supplying material, such as a solid polymer composite PEO. –LiCF3SO3, PEO– LiTFSI–Al2O3, solid polymer composite PEO–LiTFSI–10% TiO2, solid polymer composite PEO–LiTFSI–10% HNT, solid polymer composite PEO– LiTFSI–10% MMT, solid polymer composite PEO– LiTFSI–1% of LGPS or PEO–LiClO4–LAGP. Or, in addition to being able to transfer metal ions, such as lithium ions, it is also a material that can increase the mechanical strength of film formation due to its cross-linked structure, such as a poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA), a poly(ethylene glycol)dimethacrylate (PEGDMA), a poly(ethylene glycol) monomethylether (PEGME), a poly(ethylene glycol) dimethylether (PEGDME), a poly[ethylene oxide-co-2-(2-methoxyethoxy))ethyl glycidyl ether ] (PEO/MEEGE), a hyperbranched polymer, such as a poly[bis(triethylene glycol)benzoate], or a polynitrile, such as a polyacrylonitrile (PAN), a poly(methacrylonitrile) (PMAN) or a poly(N-2) -cyanoethyl)ethylenamine) (PCEEI).

[0030] O aditivo, que é capaz de dissociar sais de metal, tais como sais de lítio, e é servido como um plastificante, pode ser selecionado a partir de um plastificante, eletrólitos de cristal plástico (PCEs) ou um líquido iônico, em que os eletrólitos de cristal plástico (PCEs) podem ser um Succinonitrila (SN) [ETPTA//SN; PEO/SN; PAN/PVA-CN/SN] , um N-etil-N metilpirrolidínio, [C2mpir] + Ânions N, N-dietil-pirrolidínio, [C2Epyr] , um alquilamônio quaternário, um n-alquiltrimetilfosfônio, [P1,1,1,n] , um decametilferro-cênio, [Fe(C5Me5)2] , um triflato de 1-(N,N-dimetilamônio)-2- (amônio)etano ([DMEDAH2] [Tf] 2), um ânion=[FSI] , [FSA] , [CFSA] , [BETA] , um LiSi(CH3)3(SO4) ou um trimetil(trimetilsilil sulfato de lítio). O líquido iônico pode selecionar a partir de um imidazólio, tal como um ânion/bis(trifluorometanossulfonil)imida, um ânion/bis(fluorossulfonil)imida, ou um ânion/trifluorometanossulfonato, ou um amônio, tal como um ânion/bis(trifluorometanossulfonil)imida, ou um pirrolidínio, tal como um ânion/Bis(trifluorometanossulfonil)imida, um ânion/bis(fluorossulfonil)imida ou um piperidínio, tal como um ânion/bis(trifluorometanossulfonil)imida, um ânion/bis(fluorossulfonil)imida.[0030] The additive, which is capable of dissociating metal salts, such as lithium salts, and is served as a plasticizer, can be selected from a plasticizer, plastic crystal electrolytes (PCEs) or an ionic liquid, in that plastic crystal electrolytes (PCEs) can be a Succinonitrile (SN) [ETPTA//SN; PEO/SN; PAN/PVA-CN/SN] , an N-ethyl-N methylpyrrolidinium, [C2mpyr] + N anions, N-diethyl-pyrrolidinium, [C2Epyr] , a quaternary alkylammonium, an n-alkyltrimethylphosphonium, [P1,1,1, n] , a decamethylferrocenium, [Fe(C5Me5)2] , a triflate of 1-(N,N-dimethylammonium)-2-(ammonium)ethane ([DMEDAH2] [Tf] 2), an anion=[FSI ], [FSA], [CFSA], [BETA], a LiSi(CH 3 ) 3 (SO 4 ) or a trimethyl(lithium trimethylsilyl sulfate). The ionic liquid may select from an imidazolium, such as an anion/bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, an anion/bis(fluorosulfonyl)imide, or an anion/trifluoromethanesulfonate, or an ammonium, such as an anion/bis(trifluoromethanesulfonyl) imide, or a pyrrolidinium, such as an anion/Bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, an anion/bis(fluorosulfonyl)imide or a piperidinium, such as an anion/bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, an anion/bis(fluorosulfonyl)imide.

[0031] O material de fornecimento de íons pode ser um sal de lítio, tal como LiTFSI, a LiFSI, a LiBF4 ou um LiPF6.[0031] The ion delivery material can be a lithium salt, such as LiTFSI, LiFSI, LiBF4 or a LiPF6.

[0032] O material de inibição de crescimento de cristal é selecionado a partir do material para diminuir ainda mais a cristalinidade, tal como um poli(metacrilato de etila) (PEMA), um poli(metacrilato de metila) (PMMA), um poli(oxietileno), um poli (cianoacrilato) (PCA), um polietilenoglicol (PEG), um poli(álcool vinílico) (PVA), um butiral de polivinila (PVB), um poli(cloreto de vinila) (PVC), um PVC-PEMA, um PEO-PMMA, um poli(metacrilato de acrilonitrila-co-metila) P(AN-co-MMA), um PVA-PVdF, um PAN-PVA, um PVC-PEMA, um policarbonato, tal como um poli(carbonato de óxido-co-etileno de etileno) (PEOEC), um silsesquioxano oligomérico poliédrico (POSS), um carbonato de polietileno (PEC), um poli(carbonato de propileno) (PPC), um poli(carbonato de etil glicidil éter) (P(Et-GEC) ou um poli(carbonato de t-butil glicidil éter) P (tBu-GEC), um carbonato cíclico, tal como um poli(carbonato de trimetileno) (PTMC), um à base de polissiloxano, tal como um polidimetilsiloxano (PDMS), um poli(óxido de siloxano-co-etileno de dimetila) P(DMS-co-EO), ou um poli(siloxano-g-óxido de etileno), um poliéster, tal como um adipato de etileno, um succinato de etileno ou um malonato de etileno. Além disso, o material de inibição de crescimento de cristal pode ser um poli(vinilidenodifluoreto-hexafluoropropileno) (PvdF-HFP), um poli(vinilidenodifluoreto) (PvdF) ou um poli(ε-caprolactona) (PCL).[0032] Crystal growth inhibiting material is selected from the material to further decrease crystallinity, such as a poly(ethyl methacrylate) (PEMA), a poly(methyl methacrylate) (PMMA), a poly (oxyethylene), a poly(cyanoacrylate) (PCA), a polyethylene glycol (PEG), a poly(vinyl alcohol) (PVA), a polyvinyl butyral (PVB), a poly(vinyl chloride) (PVC), a PVC -PEMA, a PEO-PMMA, a poly(acrylonitrile-co-methyl methacrylate) P(AN-co-MMA), a PVA-PVdF, a PAN-PVA, a PVC-PEMA, a polycarbonate, such as a poly (ethylene oxide-co-ethylene carbonate) (PEOEC), a polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS), a polyethylene carbonate (PEC), a poly(propylene carbonate) (PPC), a poly(ethyl glycidyl ether carbonate) ) (P(Et-GEC) or a poly(t-butyl glycidyl ether carbonate) P (tBu-GEC), a cyclic carbonate, such as a poly(trimethylene carbonate) (PTMC), one based on polysiloxane, such as a polydimethylsiloxane (PDMS), a poly(oxide (dimethyl siloxane-co-ethylene) P(DMS-co-EO), or a poly(siloxane-g-ethylene oxide), a polyester, such as an ethylene adipate, an ethylene succinate or an ethylene malonate . Furthermore, the crystal growth inhibiting material can be a poly(vinylidenedifluoride-hexafluoropropylene) (PvdF-HFP), a poly(vinylidenedifluoride) (PvdF) or a poly(ε-caprolactone) (PCL).

[0033] Quando aplicado ao sistema eletroquímico, consultar a Figura 3, que inclui um primeiro eletrodo 30, um segundo eletrodo 40 e uma camada de separação compósita 50 disposta entre o primeiro eletrodo 30 e o segundo eletrodo 40. Observar que são ilustrados apenas os locais relativos na figura, não se limitando à espessura relativa. A espessura da camada de separação total compósita 50 desta invenção é significativamente reduzida em comparação com a camada de separação convencional. Além disso, o primeiro eletrodo 30 pode ser o eletrodo positivo ou o eletrodo negativo e o segundo eletrodo 40 pode ser o eletrodo negativo ou o eletrodo positivo, em conformidade. Em outras palavras, o corpo de separação 10 da camada de separação compósita 50 pode entrar em contato com o eletrodo positivo ou o eletrodo negativo. Devido ao corpo de separação 10 ser adesivo, o corpo de separação 10 e o eletrodo estão muito bem unidos. Além disso, embora a camada de separação compósita 50 desta invenção contenha alguns materiais que podem fornecer íons metálicos (conforme descrito acima), não é o elemento que fornece principalmente íons metálicos no sistema eletroquímico. O primeiro eletrodo 30 e o segundo eletrodo 40 devem conter materiais ativos, tais como uma camada de metal de lítio, que fornece principalmente íons metálicos. A camada de separação compósita 50 desempenha um papel para isolar o primeiro eletrodo 30 e o segundo eletrodo 40 para evitar contato direto e curto-circuito.[0033] When applied to the electrochemical system, refer to Figure 3, which includes a first electrode 30, a second electrode 40 and a composite separation layer 50 disposed between the first electrode 30 and the second electrode 40. Note that only the relative locations in the figure, not limited to relative thickness. The thickness of the total composite separating layer 50 of this invention is significantly reduced compared to the conventional separating layer. Furthermore, the first electrode 30 may be the positive electrode or the negative electrode and the second electrode 40 may be the negative electrode or the positive electrode, accordingly. In other words, the separation body 10 of the composite separation layer 50 can contact the positive electrode or the negative electrode. Because the separation body 10 is adhesive, the separation body 10 and the electrode are very well joined. Furthermore, although the composite separation layer 50 of this invention contains some materials that can supply metal ions (as described above), it is not the element that primarily supplies metal ions in the electrochemical system. The first electrode 30 and the second electrode 40 must contain active materials, such as a lithium metal layer, which primarily supplies metal ions. The composite separating layer 50 plays a role in insulating the first electrode 30 and the second electrode 40 to avoid direct contact and short circuit.

[0034] Da mesma forma, as modalidades desta invenção nas Figuras 2A a 2B também podem ser aplicadas a um sistema eletroquímico e a descrição repetida é omitida para maior clareza. Além disso, o primeiro eletrodo 30 e o segundo eletrodo 40 mostrados nas figuras anteriores são apenas para ilustração e não limita que eles sejam uma estrutura de camada única. Para sistemas eletroquímicos bem conhecidos, os eletrodos incluem pelo menos um coletor de corrente e uma camada de material ativo.[0034] Likewise, the embodiments of this invention in Figures 2A to 2B can also be applied to an electrochemical system and the repeated description is omitted for clarity. Furthermore, the first electrode 30 and the second electrode 40 shown in the preceding figures are for illustration only and do not limit that they are a single layer structure. For well-known electrochemical systems, the electrodes include at least a current collector and a layer of active material.

[0035] Consequentemente, a presente invenção fornece uma camada de separação compósita adaptada a um sistema eletroquímico, tal como uma bateria secundária de íon de lítio. O corpo de separação é condutor de íons e sem orifícios, e a resistência mecânica de toda a camada de separação é aprimorada pela camada de reforço estrutural. Nesta invenção, não é necessário formar os orifícios de formigas empilhando as partículas de cerâmica. Portanto, a espessura da camada de separação compósita desta invenção é significativamente reduzida em comparação com a espessura da camada de separação convencional.[0035] Accordingly, the present invention provides a composite separation layer adapted to an electrochemical system, such as a lithium-ion secondary battery. The separation body is ion-conducting and hole-free, and the mechanical strength of the entire separation layer is enhanced by the structural reinforcement layer. In this invention, it is not necessary to form the ant holes by stacking the ceramic particles. Therefore, the thickness of the composite separating layer of this invention is significantly reduced compared to the thickness of the conventional separating layer.

[0036] Sendo a invenção assim descrita, será evidente que a mesma pode ser variada de muitas maneiras. Tais variações não devem ser consideradas como um desvio do espírito e do escopo da invenção, e todas as modificações como seriam evidentes para um versado na técnica devem ser incluídas no escopo das seguintes reivindicações.[0036] The invention being thus described, it will be evident that it can be varied in many ways. Such variations should not be considered to deviate from the spirit and scope of the invention, and all modifications as would be apparent to one skilled in the art should be included within the scope of the following claims.

Claims

Composite separation layer, characterized by the fact that it comprises:
a separation body, being ion-conducting and without holes, and mainly composed of an ion-conducting material; and
a structural reinforcement layer disposed on one side of the separating body and having a mechanical strength greater than the mechanical strength of the separating body, wherein the structural reinforcement layer is composed of an undeformable structural support material and a binder.

Composite separating layer according to claim 1, characterized in that the thickness of the separating body is from 5 to 45 microns, and a thickness of the structural reinforcement layer is from 5 to 45 microns.

Composite separating layer according to claim 1, characterized in that the undeformable structural support material of the structural reinforcement layer is a ceramic material which is selected from a passive ceramic material or a solid oxide-based electrolyte .

Composite separating layer according to claim 3, characterized in that when the non-deformable structural support material is selected from the passive ceramic material, the structural reinforcement layer further includes a deformable electrolyte material that is selected from of a soft solid electrolyte, an ionic liquid, an ionic liquid electrolyte, a gel electrolyte, a liquid electrolyte, or a combination thereof.

Composite separation layer according to claim 1, characterized in that the binder is selected from a material that cannot transfer metal ions.

Composite separation layer according to claim 1, characterized in that the binder is selected from an ion-conducting material.

Composite separation layer according to claim 1 or 6, characterized in that the ion-conducting material includes:
a polymer base material, capable of allowing metal ions to move inward;
an additive, capable of dissociating metal salts and serving as a plasticizer; and
an ion-providing material.

Composite separation layer, according to claim 7, characterized in that the ion-conducting material further comprises a crystal growth inhibiting material to decrease crystallinity.

Composite separation layer according to claim 7, characterized in that the ion supply material is a lithium salt.

Composite separating layer according to claim 7, characterized in that the polymer base material is selected from a polyethylene oxide (PEO), a poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA), a poly(ethylene glycol) )dimethacrylate (PEGDMA), a poly(ethylene glycol) monomethyl ether (PEGME), a poly(ethylene glycol) dimethyl ether (PEGDME), a poly[ethylene oxide-co-2-(2-methoxyethoxy)ethyl glycidyl ether] (PEO/MEEGE ), a hyperbranched polymer or a polynitrile.

Composite separation layer according to claim 7, characterized in that the additive is a plasticizer, a plastic crystal electrolyte (PCEs) or an ionic liquid.

Composite separating layer according to claim 1, characterized in that the structural reinforcement layer further includes a deformable electrolyte material which is selected from a soft solid electrolyte, an ionic liquid, an ionic liquid electrolyte, a gel electrolyte, a liquid electrolyte or a combination thereof.

Composite separating layer according to claim 1, characterized in that the separating body is added with a ceramic material, wherein a volume content of the ion-conducting material is much greater than a volume content of the material of ceramics.

Composite separating layer according to claim 13, characterized in that the ceramic material is selected from a passive ceramic material or an oxide-based solid electrolyte.

Composite separating layer, according to claim 1, characterized in that it comprises yet another structural reinforcement layer arranged on the opposite side of the separating body.

Composite separating layer, according to claim 1, characterized in that it further comprises another separating body arranged on the opposite side of the structural reinforcement layer.