CN102388484B - 不对称的隔板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种置于电池中的隔板，包括一个基体(1)，其中所述基体(1)具有用于接触电池阳极的阳极侧(2)和用于接触电池阴极的阴极侧(3)，鉴于其目的为提供一种可无问题使用于锂离子电池中的隔板并且提高锂离子电池的工作安全性，其特征在于，所述的阳极侧(2)具有与阴极侧(3)不同的材料相容性。

Description

不对称的隔板
技术领域
本发明涉及一种置于电池中的隔板，包括一个基体，其中所述基体具有用于接触电池阳极的阳极侧和用于接触电池阴极的阴极侧。
背景技术
在文端所提及的隔板种类早已由WO2009/033514A1和WO2009/033627A1熟知。其中描述了具有颗粒填充物的非织造物，其作为电池和蓄能器中的隔板使用。
鉴于自然资源的缺乏和由此伴随的能源成本增加，使得蓄能器—特别是电能蓄能器—在现代工业社会中日益重要。
作为蓄能器主要使用电容器和电池。目前认为特别大有希望的是锂离子电池。这些电池如今已经用于移动应用中，例如在移动电话、摄像机等中使用。
可是在将这项技术转化至为了储存更大量电能所需要的大容量电池时，出现工艺过程放大问题。在此一个主要问题是电池的变热或过热。在大的电池中，其在充电或放电的过程中产生的热量释放相对较差，使得单个的电池元件暴露于高热负荷中，这造成电池寿命缩短。因此，对单个的电池元件的安全性、稳定性和使用寿命提出了更高的要求，以避免内部的短路及防止电池的爆炸。
为了确保锂离子电池的经济利用，除了增大电池还必须进一步提高其能量密度或功率密度。为了满足这些要求，将研制新的电极材料，不仅用于阳极也用于阴极。
在阴极使用高压阴极材料，其使得电池中更高的电池电压及由此还有更高的容量成为可能。所述的高压阴极材料，特别在电池充电的状态下，为强氧化性的材料，其对电池中所使用的元件提出了全新的要求。在阳极侧，隔板与强还原性的电极材料直接接触。
由此产生对于电解液以及与电极存在直接物理接触的隔板的新的要求。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种隔板，其可无问题地使用于锂离子电池中并且提高锂离子电池的工作安全性。
根据本发明，上述目的通过具有如下的特征的隔板实现：置于电池中的隔板，包括基体(1)，其中所述基体(1)具有用于接触电池阳极的阳极侧(2)和用于接触电池阴极的阴极侧(3)，所述的阳极侧(2)具有与阴极侧(3)不同的材料相容性。由此文端所提及的隔板的特征在于，阳极侧具有与阴极侧不同的材料相容性。
根据本发明首先认识到，需要一种隔板，其可以无问题地与各种电极材料接触。此外进一步认识到，隔板在阳极侧和阴极侧不同的材料相容性使得隔板能够与电极材料相适应。同时不仅可以设想，在阳极侧形成与阴极侧不同的孔隙率，而且甚至设置完全不同的材料或材料混合物。根据本发明，这种隔板允许，符合对于大的高能量或高功率的电池的新要求。与早已熟知的聚烯烃隔板（其由具有相对截面各向同性的孔隙结构的单一材料（聚乙烯或聚丙烯）构成）形成鲜明对比的是，根据本发明的隔板是不对称构建的。因此其可以分别适应于在相应电极侧对化学的或电化学的稳定性的相应不同要求。由此确保了电池更加安全的运行。
因此，开篇提及的目的得以实现。
隔板在阳极侧和阴极侧的各种材料性能还可以通过表面处理，例如反应性或激活性等离子体，电晕处理或氟化产生。由此特别是可以改善在电极上的附着，形成对抗电化学腐蚀的保护层或者通过电解液改善湿润性能。
在此背景下，阳极侧可以由第一材料或第一材料混合物构成及阴极侧由第二材料和第二材料混合物构成。相应的材料或材料混合物可以适应于在相应的电极侧的所述的化学或物理条件。
在阳极侧和/或阴极侧可能形成多细孔的阻隔层。由此可以阻止枝状晶体的生长。所述的枝状晶体的生长通常在阳极开始并从这里延续至阴极。其可以通过极细的孔的阻隔层而有效地减少。同时还可以设想，阳极侧极细的孔随阴极侧不断增长的孔径而行成。
所述的多细孔阻隔层可以层压在基体上。由此与基体建立稳固的且相对不易脱落的连接。所述的层压工艺允许基体和阻隔层独立的制造，其可以由一种材料或材料混合物构成。
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。所述填料允许多细孔阻隔层孔隙率的调整。此处可以设想，应用浆材料、纤维或颗粒作为填料。这些填料甚至可以是为了改变基体的孔隙率而引入基体中的。
在此背景下，至少一部分填料可能以平均粒径为0.2至10μm，优选0.5至4μm的颗粒构成。所述0.2至10μm的粒径允许构建足够细孔的层。0.5至4μm的粒径允许在锂离子电池中有效阻止枝状晶体生长的多细孔的层的构建。由此，将避免短路或者甚至是电池的爆炸。所述颗粒可能以圆形或长形（gestreckt）构成。
阳极侧的至少一部分填料可以含有Al2O3，以及阴极侧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的颗粒耐受还原的阳极材料而得自聚偏氟乙烯的颗粒耐受氧化的阴极材料。Al2O3（氧化铝）是还原稳定的，而聚偏氟乙烯是氧化稳定的。
可以设想的是，在WO2009/033514A1、WO2009/033627A1和PCT/EP2009/001197中使用其他提及的颗粒用于不对称构建的隔板的装配，只要其是还原稳定的或氧化稳定的。
至少一部分填料可能以可溶胀的且在电解液中形成凝胶的物质构成。通过溶胀或形成凝胶可以封闭隔板中不希望的孔洞，并且其孔隙率可以在与电解液接触时更强烈地细微化。
此处提及的填料，特别是颗粒可能通过粘结剂连接，如在WO2009/033514A1、WO2009/033627A1和PCT/EP2009/001197中所描述的。
所述的基体可能由非织造物构成。非织造物的层可以无问题地配置于用不同材料的阳极侧和阴极侧。由现有技术已知的聚烯烃隔板在热稳定性方面显示显著的缺点。在这种情况下，值得一提的是在升高的温度和压力时的潮解以及高收缩率和熔融。这里，非织造物令人吃惊地显示出更好的性能，尽管非织造物也可以包括聚烯烃纤维。
特别优选非织造物可以设计为湿的非织造物，其为热凝固和/或通过粘结剂固定的。这些非织造物可以特别良好地形成有多细孔的阻隔层。
所述的非织造物可由纤维制成，所述纤维平均直径最大为5μm。因此获得非常细的孔结构。
非织造物的熔点可能高于100℃。优选非织造物的熔点可能高于140℃。特别优选在电解液中的熔融温度可能高于200℃。这类非织造物特别适合在锂离子电池中使用。
所述的隔板在150℃的温度下可能具有最高5%的收缩率。具有这种收缩特性的隔板也可以用于电池中，其表现出较高的工作温度。
所述的隔板可能具有0.1至4μm，优选0.1至1μm的平均孔径（平均孔直径）。在孔径为0.1至4μm时，其特别是存在于阳极侧，使得高锂离子浓度和由此的电池快速充电是可能的。在阳极侧的孔径为0.1至1μm时，特别快速的电池充电在少得惊人的枝状晶体生长的情况下是可能的。
所述的隔板可能具有最多40μm，优选最多30μm的厚度。电极或隔板的涂层尽管提高了电池的安全性，但是也造成了不利，其将增加整个隔板的厚度。这与电池更高的能量密度和功率密度相冲突。意外地显示了，最多40μm的隔板导致了锂离子电池一方面足够的安全性，及另一方面较高的能量密度和功率密度。
现有各种不同的可能性，使本发明的教导以有利的方式体现并发展。为此，一方面在下述的权利要求，另一方面在随后的阐释中借助附图来说明优选的本发明的实施例。
与优选的本发明的实施例的阐释相结合，借助附图还将一般性地阐述优选的本教导的实施方式以及进一步发展。
附图说明
图中显示：
图1：具有由一侧表面涂层的非织造物构成的基体的隔板的示意视图，
图2：具有由双侧涂层的非织造物构成的基体的隔板的示意视图，和
图3：具有由双侧涂层的非织造物构成的基体的隔板的示意视图，其中所述材料混合物至少部分地渗入基体的内部。
具体实施方式
图1显示了置于电池中的隔板，其包括一个基体1，其中基体1具有直接与电池阳极接触的阳极侧2和直接与电池阴极接触的阴极侧3。所述的阳极侧2具有与阴极侧3不同的材料相容性。所述的基体1以非织造物的形式构成，且阳极侧用由惰性的、热稳定的颗粒4和粘结剂颗粒5构成的材料混合物涂覆。所述的阳极侧2因此由第一材料混合物构成和阴极侧3由第二材料或第二材料混合物构成（此处其以非织造物构成）。在阳极侧2形成多细孔的阻隔层6。
图2显示了置于电池中的隔板，包括一个基体1，其中基体1具有直接与电池阳极接触的阳极侧2和直接与电池阴极接触的阴极侧3。所述的阳极侧2具有与阴极侧3不同的材料相容性。所述的基体1以非织造物的形式构成，且阳极侧用由惰性的、热稳定的颗粒4和粘结剂颗粒5构成的第一材料混合物涂覆。所述的基体1在阴极侧用由惰性的、热稳定的颗粒4a和粘结剂颗粒5构成的第二材料混合物涂覆。因此，所述的阳极侧2由第一材料混合物以及阴极侧3由第二材料混合物构成。在阳极侧2形成多细孔的阻隔层6。所述的第一种和第二材料的混合物渗入基体1的内部。
图3显示了置于电池中的隔板，包括一个基体1，其中基体1具有直接与电池阳极接触的阳极侧2和直接与电池阴极接触的阴极侧3。所述的阳极侧2具有与阴极侧3不同的材料相容性。所述的基体1以非织造物的形式构成，且阳极侧用由惰性的、热稳定的颗粒4和粘结剂颗粒5构成的第一材料混合物涂覆。所述的基体1在阴极侧用由惰性的、热稳定的颗粒4a和粘结剂颗粒5构成的第二材料混合物涂覆。所述的阳极侧2因此由第一材料混合物构成和阴极侧3由第二材料混合物构成。在阳极侧2形成多细孔的阻隔层6。第一种和第二材料的混合物几乎不渗入基体1的内部。
实施例：
制备糊状物A作为第一种、阳极侧的材料混合物：
向180份1%的CMC（羧甲基纤维素）溶液中加入120份60%的氧化铝分散体（Al2O3）并搅拌30分钟。然后在搅拌下添加8份SBR（苯乙烯丁二烯橡胶）的水分散体（65%的固含量）。所述溶液搅拌1小时并测试至少24小时的稳定性。所获溶液的粘度为120cP且pH值为9.9。
制备糊状物B作为第二种、阴极侧的材料混合物：
向170份57%的PVDF（聚偏氟乙烯）分散体中在用叶轮搅拌器不断搅拌下加入200份2%的PVP（聚乙烯吡咯烷酮）溶液。搅拌该溶液2小时，脱气并测试至少24小时的稳定性。所获溶液的粘度为140cP且pH值为7.1。
用糊状物A涂覆：
将15cm宽的PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）非织造物（厚度：20μm，面积重量：11.3g/m2）借助于辊涂法用上述的溶液连续涂覆并在120℃干燥。
获得面积重量为23.6g/m2且厚度为29μm的经涂覆的非织造物（C）。所述平均孔径为0.22μm。
用糊状物B涂覆（C）：
将经浸渍的非织造物（C）借助于辊涂法以糊状物B连续涂覆并在120℃干燥。
获得面积重量为32g/m2和厚度为38μm的各向异性构造的隔板（D）。平均孔径为0.19μm。两侧经涂覆的隔板（D）的收缩率（150℃，10min）为0.5%。
测量方法：
所述平均孔径依据ASTME E1294（在使用自动液体孔隙率测量仪下用于膜过滤器的孔径特征的测试方法）测定。对于面积重量的测定将分别冲制3个100x100mm大小的样本，称重样本并且将测量值乘以100。厚度用精密测厚仪型号2000U/电气设备测量。测量面积为2cm2，测量压力为1000cN/cm2。对于收缩率的测定则冲制100x100mm大小的样品并在Fa.Mathis的实验室干燥器中150℃下放置10分钟。随后测定样品的收缩率。
关于根据本发明教导的其他有利的实施方式和改进方式，将一方面参考说明书的一般性描述部分和另一方面参考专利权利要求。

Claims (15)

1.置于电池中的隔板，包括基体(1)，其中所述基体(1)具有用于接触电池阳极的阳极侧(2)和用于接触电池阴极的阴极侧(3)，其特征在于，所述的阳极侧(2)具有与阴极侧(3)不同的材料相容性，所述的阳极侧(2)由第一材料或者第一材料混合物构成且阴极侧(3)由第二材料或者第二材料混合物构成，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，在阳极侧的至少一部分填料含有Al2O3和在阴极侧的至少一部分填料含有聚偏氟乙烯。
2.根据权利要求1的隔板，其特征在于，在阳极侧(2)和/或阴极侧(3)形成多细孔的阻隔层(6)。
3.根据权利要求2的隔板，其特征在于，多细孔的阻隔层(6)层压在基体上。
4.根据权利要求1的隔板，其特征在于，至少一部分填料以平均粒径0.2至10μm的颗粒(4，4a)构成。
5.根据权利要求1的隔板，其特征在于，至少一部分填料以平均粒径0.5至4μm的颗粒(4，4a)构成。
6.根据权利要求1至5之一的隔板，其特征在于，至少一部分填料以可溶胀的并在电解液中形成凝胶的物质构成。
7.根据权利要求1至5之一的隔板，其特征在于，所述的基体(1)由非织造物构成。
8.根据权利要求7的隔板，其特征在于，所述非织造物被设计为湿的非织造物，其进行热凝固和/或通过粘合剂固定。
9.根据权利要求7的隔板，其特征在于，所述非织造物由纤维制成，所述纤维平均直径最大为5μm。
10.根据权利要求7的隔板，其特征在于，所述非织造物的熔点高于100℃。
11.根据权利要求1至5之一的隔板，其特征在于，在150℃的温度时收缩率最高为5%。
12.根据权利要求2至5之一的隔板，其特征在于，平均孔径为0.1至4μm。
13.根据权利要求2至5之一的隔板，其特征在于，平均孔径为0.1至1μm。
14.根据权利要求1至5之一的隔板，其特征在于，厚度最多为40μm。
15.根据权利要求1至5之一的隔板，其特征在于，厚度最多为30μm。
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