CN110783511B - 形成锂离子电池隔膜的方法 - Google Patents

Abstract

一种形成锂离子电池隔膜的方法包括布置聚合物膜与牺牲层接触，以形成切割叠层。该方法包括在第一透明基材与第二透明基材之间设置所述切割叠层。该方法包括透过第一透明基材对切割叠层施用红外激光以在牺牲层产生热量。该方法还包括进行从牺牲层到聚合物膜的热量传递，从而切掉聚合物膜的一部分并形成隔膜。还阐释了切割聚合物膜的方法和切割系统。

Description

形成锂离子电池隔膜的方法

技术领域

本公开涉及形成锂离子电池隔膜的方法，切割聚合物膜的方法，以及用于形成隔膜的切割系统。

背景技术

电池用于将化学能转换为电能，并可被描述为原电池和二次电池。原电池通常时不可充电的，而二次电池容易充电且使用后可以恢复到满充电状态。因此，二次电池可以用于诸如对电子设备、器具、机械以及交通工具供电等应用。例如，用于交通工具应用的二次电池可以通过插入式电源插座在车辆外部充电，也可以通过再生事件在车辆上充电。

二次电池的一种类型，锂离子电池，可以包括：负极或阳极，正极或阴极，以及位于正极与负极之间的隔膜。负极可以是由能够在锂离子电池充电和放电期间结合和释放锂离子的材料形成的。更具体地，在电池充电期间，锂离子可以从正极向负极移动并嵌入该材料中。相反，在电池放电期间，锂离子可以从材料中释放出来并从负极向正极移动。隔膜可以是由聚合物形成的，且可以用电解质浸润，以促进锂离子在正极与负极之间的移动。

发明内容

形成锂离子电池隔膜的方法包括布置聚合物膜与牺牲层接触，以形成切割叠层。该方法包括将切割叠层设置在第一透明基材与第二透明基材之间。该方法还包括透过第一透明基材对切割叠层施用红外激光以在牺牲层产生热量。进一步地，该方法包括进行从牺牲层到聚合物膜的热量传递，从而切掉聚合物膜的一部分并形成隔膜。

施用可以包括在牺牲层而非聚合物膜处积聚热量。

传递可以包括烧蚀聚合物膜。传递可以在不对聚合物膜进行化学降解的情况下将热量输送至聚合物膜，使得隔膜不含碳质残留物。

在一方面，聚合物膜可以包括设置在多孔聚烯烃片材上的陶瓷材料。传递可以包括在不污染多孔聚烯烃片材的情况下去除陶瓷材料。传递可以不包括熔融聚合物膜。进一步地，传递可以包括将聚合物膜的温度保持小于1,000℃，从而避免聚合物膜的化学降解。

在另一方面，传递可以包括最小化隔膜的热影响区。最小化可以包括形成宽度小于或等于50 µm的热影响区。

布置可以包括将牺牲层油墨印刷到聚合物膜上。油墨印刷可以包括将牺牲层以重复形状沉积到聚合物膜上。

在又一方面，布置可以包括将聚合物膜夹持在两个牺牲层之间。在另外一方面，该方法可以包括在第一透明基材与第二透明基材之间堆叠多个切割叠层。

进一步地，施用可以包括以0.1 m/s~5 m/s的速度在50 W~500 W的功率下将红外激光与牺牲层接触。在另一方面，施用可以包括将切割叠层与具有150 nm~20 µm波长的电磁辐射接触。

切割聚合物膜的方法包括将由红外电磁辐射吸收材料形成的牺牲层以图案印刷到聚合物膜上以形成坯料。该方法包括将坯料设置在第一透明基材与第二透明基材之间。此外，该方法包括沿着图案透过第一透明基材施用红外激光以在牺牲层产生热量。该方法进一步包括将热量沿着图案从牺牲层传递到聚合物膜，从而切掉聚合物膜的一部分。

设置可以包括在第一透明基材与第二透明基材之间堆叠多个坯料。

在一方面，图案可以包括圆形部，该圆形部具有延伸自该圆形部的第一侧翼和延伸自该圆形部并与第一侧翼间隔开的第二侧翼。传递可以包括沿着第一侧翼、第二侧翼以及圆形部精确地输送热量，而不将热量输送至聚合物膜的其余部分。

用于形成锂离子电池隔膜的切割系统包括工件。该工件包括由玻璃形成的第一透明基材和由玻璃形成的第二透明基材。工件还包括设置在第一透明基材与第二透明基材之间并与第一透明基材和第二透明基材接触的切割叠层。切割叠层包括聚合物膜，聚合物膜包括设置在多孔聚烯烃片材上的陶瓷材料。聚合物膜厚度为20 µm~30 µm。切割叠层还包括设置在聚合物膜上并由红外电磁辐射吸收材料形成的至少一个牺牲层。进一步地，切割系统包括红外激光，红外激光配置用于发射波长为1,000 nm~1,200 nm的电磁辐射透过第一透明基材，从而在牺牲层产生热量。

在一方面，切割叠层可以进一步包括设置在两个牺牲层之间并与两个牺牲层接触的聚合物膜。

从以下结合附图对实施本发明的优选实施例和最佳模式的详细描述中，可以容易地了解本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点。

附图说明

图1是形成锂离子电池隔膜的方法的流程图。

图2是图1方法的一部分的剖面和局部分解图的示意图。

图3是图1方法的另一实施方式的一部分的剖面示意图。

图4是图1方法的又一实施方式的一部分的剖面示意图。

图5是切割聚合物膜的方法的流程图。

具体实施方式

参照附图，其中相同的附图标记表示相同的元件，形成锂离子电池14的隔膜12（图2）的方法10大体在图1示出。方法10可以用于需要精确尺寸的隔膜12的应用，该隔膜12没有残留物、污染物、过度的热影响区16（图2）、不精确或磨损边缘等。例如，方法10和隔膜12可以适用于需要优异的功率密度和充电/放电循环的电池应用。方法10在时间和成本上可以是经济的，可以扩展到大规模生产制造操作，可以淘汰手工切割电池隔膜12，并且可以高产量地提供精确或复杂切割的高质量隔膜12。

在锂离子电池14的运行过程中，隔膜12可以设置在锂离子电池14的阴极13（图2）与阳极15（图2）之间。隔膜12可以用电解液浸润，可以物理上隔开阴极13和阳极15，且可以促进锂离子在阴极13与阳极15之间的转移。进一步地，虽然本文示出和描述为具有大体圆形的形状，隔膜12可以具有任何几何形状。例如，隔膜12可以具有矩形的形状。

因此，方法10和隔膜12可以用于运输工具的应用，诸如但不限于汽车、公共汽车、叉车、摩托车、自行车、火车、电车、航天器、飞机、农业设备、船只和潜艇。可选地，方法10和隔膜12可以用于非运输工具的应用，诸如固定式功率生成、便携式功率生成、电子产品、远程气象站、通信中心、考察站等。更具体地，通过非限制性实例，方法10和隔膜12可以用于锂离子电池的应用，该锂离子电池用于非自主、自主的或半自主的交通工具应用。可选地，虽然未示出，除锂离子电池应用之外，方法10和隔膜12可以用于其他类型的电池、传感器、燃料电池单元等。

现在参照图1和图2，形成锂离子电池14的隔膜12的方法10包括进行将聚合物膜20与牺牲层22接触以形成切割叠层24的布置18。例如，方法10可以包括紧邻并接触聚合物膜20地放置牺牲层22，使得牺牲层22覆盖聚合物膜20的至少一部分。

如参照图2所描述的，聚合物膜20包括设置在多孔聚烯烃片材28上的陶瓷材料26，且厚度30为20 µm~30 µm，例如25 µm。通常，聚合物膜20可以是多孔的且机械和热稳定的。在其他实施方式中，聚合物膜20可以包括其他聚合物，诸如但不限于膨体聚四氟乙烯。

聚合物膜20的陶瓷材料26可以包括例如一种或多种非金属无机材料、金属氧化物以及它们的组合。例如，陶瓷材料26可以是氧化铝、二氧化硅、氧化镁、钛酸镧锂、锂镧锆氧化物等。在一个实例中，陶瓷材料26可以是复合物。一般而言，陶瓷材料26可以包括基于100体积份数的陶瓷材料26而大于或等于30体积份数的晶化率。陶瓷材料26可以透射100 nm（例如，紫外光）~20 µm（例如，远红外光）的电磁波长。进一步地，多孔聚烯烃片材28可以是由聚乙烯、聚丙烯以及它们的组合形成的。

再次参照图2，牺牲层22可以布置在聚合物膜20旁边并与聚合物膜20接触，可以因此为聚合物膜20提供支撑和保护。特别地，牺牲层22是由红外电磁辐射吸收材料形成的。就是说，牺牲层22可以是由相对高吸收性的材料包括设置于片材材料之上或之中的颜料形成的。例如，颜料可以是但不限于炭黑、马尔斯黑、黑色素、4,4',4''-三(N,N-苯基-3-甲苯氨基)三苯基六氟锑酸铵等。一个合适的颜料实例是新泽西州纽瓦克市的Epolin市售的商品名为Epolight™3072的颜料。进一步地，片材材料可以是由限定孔的多孔物质形成的，诸如纸，颜料可以沉积并掺入到孔中。可选地，片材材料可以是热塑性物质诸如聚丙烯，颜料可以在形成片材材料之前与热塑性物质混合。

现在参照图3，切割叠层24包括设置在聚合物膜20上的至少一个牺牲层22。在一些实施方式中，切割叠层24可以包括不止一个牺牲层22和/或不止一个聚合物膜20。就是说，布置18（图1）可以包括将聚合物膜20夹持在两个牺牲层22之间。这种堆叠38（图1）或夹持可以用于需要切割叠层24暴露于相对高量的红外电磁辐射的应用。

再次参照图1和图2，方法10还包括进行将切割叠层24在第一透明基材34与第二透明基材36之间的设置32。第一透明基材34和第二透明基材36可以是由任何激光透射的刚性材料形成的，诸如玻璃和/或复合物。进一步地，第一透明基材34和第二透明基材36可以是由不同材料或相同材料形成的。因此，由于切割叠层24可以是薄的，进行将切割叠层在第一透明基材34与第二透明基材36之间的设置32可以使切割叠层24保持就位，以防止切割叠层24的滑动、变形和/或移动。对于包括不止一个切割叠层24的实施方式而言，方法10可以进一步包括进行将多个切割叠层24在第一透明基材34与第二透明基材36之间的堆叠38（图1）。

再次参照图1和图2，方法10还包括将红外激光42透过第一透明基材34到切割叠层24的施用40，以便在牺牲层22产生热量。就是说，施用40可以包括在牺牲层22而不是聚合物膜20处积聚热量，如下文将更详细阐述的。

通过非限制性实例，施用40可以包括使切割叠层24与波长为150 nm~20 µm（例如，400 nm~20 µm或者1,000 nm~1,200 nm或者1,064 nm）的电磁辐射接触。在此范围外的波长处，例如在紫外波长处，电磁辐射可以焦化和/或化学降解聚合物膜20，进而提供污染了的隔膜（未示出）。进一步地，施用40可以包括以0.1 m/s~5 m/s的速度（例如，0.5m/s）在50 W~500 W的功率（例如，150 W）下将红外激光42与牺牲层22接触。同样地，持续更长时间段的红外激光42和/或在上述范围之外的功率的施用40也可以焦化和/或损坏聚合物膜20，提供降解了的隔膜（未示出）。

方法10还包括进行从牺牲层22到聚合物膜20的热量传递44，由此切掉聚合物膜20的一部分112（图4）并形成隔膜12。就是说，如参照图2所描述的，从牺牲层22传递到聚合物膜20的热量可以对设置在多孔聚烯烃片材28上的陶瓷材料26进行切割，并因此从聚合物膜20的其余部分120（图4）切掉部分112（图4）。

更具体地，由于红外激光42的短脉冲，热量传递44可以不包括熔融和/或化学降解聚合物膜20。相反，热量传递44可以包括烧蚀或热蒸发聚合物膜20。特别地，传递44可以在不对聚合物膜20进行化学降解的情况下将热量输送至聚合物膜20，使得隔膜不含碳质残留物。换言之，传递44可以包括在不污染多孔聚烯烃片材28的情况下去除例如热蒸发陶瓷材料26。

就是说，由于陶瓷材料26可以透射红外激光42，可能需要相对高的激光功率例如50 W~500 W来去除或破坏设置在多孔聚烯烃片材28上的陶瓷材料26，多孔聚烯烃片材28吸收部分激光能量以对膜20进行切割并形成隔膜12。在不存在牺牲层22的情况下，这种相对高的激光功率可能会导致多孔聚烯烃片材28的化学降解，并造成碳质残留物沿着隔膜12的切割边缘而存在。然而，牺牲层22可以吸收和积聚红外激光42所产生的热量并在不化学降解或熔融多孔聚烯烃片材28的情况下将热量传递到多孔聚烯烃片材28。因此，由于红外激光42的短脉冲，例如9ns，热量传递44可以去除陶瓷材料26。同时，热量传递44可以包括将聚合物膜20的温度保持小于1,000℃，例如，小于或等于200℃，或者小于或等于300℃，或者小于或等于500℃，或者小于或等于700℃，或者小于或等于900℃，由此避免聚合物膜20的化学降解，即，使得聚合物膜20可以不熔融和/或化学降解，但相反可以烧蚀或热蒸发形成隔膜12。

因此，如参照图2所描述的，热量传递44还可以包括最小化隔膜12的热影响区16。就是说，最小化可以包括产生宽度46小于或等于50 µm（例如，小于或等于40 µm，或者小于或等于30 µm，或者小于或等于20 µm）的热影响区16。

在参照图4和图5所描述的另一实施方式中，切割聚合物膜20的方法110包括进行以图案50将由红外电磁辐射吸收材料形成的牺牲层22在聚合物膜20上的印刷48，以形成坯料52。就是说，布置18可以包括将牺牲层22油墨印刷到聚合物膜20上。例如，牺牲层22可以通过喷嘴53沉积到聚合物膜20上，然后干燥或固化到聚合物膜20上。更具体地，油墨印刷可以包括以重复形状150或图案50将牺牲层22沉积到聚合物膜20上，以用作红外辐射的导引，具体如下所述。就是说，油墨印刷可以包括将牺牲层22以所需的重复形状150沉积到聚合物膜20上，例如，基准电极。例如，图案50可以包括圆形部54，该圆形部54具有延伸自圆形部54的第一侧翼56或极耳和延伸自圆形部54并与第一侧翼56间隔开的第二侧翼58或极耳。可选地，图案50可以包括矩形或其他形状。进一步地，图案50可以沿着聚合物膜20而重复。

方法110还包括进行坯料52在第一透明基材34与第二透明基材36之间的设置32。对于一些实施方式而言，设置32可以包括进行将多个坯料52在第一透明基材34与第二透明基材36之间的堆叠38。

进一步地，方法110还包括进行将红外激光42沿着图案50透过第一透明基材34的施用40，以便在牺牲层22产生热量。就是说，施用40可以包括在牺牲层22处吸收热量，即，沿着图案50，而不是在多孔聚烯烃片材28处。

对于此实施方式而言，方法10还可以包括进行将多个切割叠层24在第一透明基材34与第二透明基材36之间的堆叠38。就是说，方法10可以包括在第一透明基材34与第二透明基材36之间将多个切割叠层24紧邻并相互接触地放置。

此外，方法110包括进行沿着图案50从牺牲层22到聚合物膜20的热量传递44，由此切掉聚合物膜20的部分112。例如，取决于图案50的形状，传递44可以包括沿着第一侧翼56、第二侧翼58以及圆形部54精确地输送热量，而不将热量输送到聚合物膜20的其余部分120。因此，由于热量仅仅沿着图案50输送，而不输送到其余部分120，方法110可以用于需要复杂形状的隔膜12的应用，且可以产生最小的废品率，不需要在批次之间更换工具。

再次参照图2，用于形成锂离子电池14的隔膜12的切割系统60包括工件62。工件62包括：由玻璃形成的第一透明基材34，由玻璃形成的第二透明基材36，以及设置在第一透明基材34与第二透明基材36之间并与第一透明基材34和第二透明基材36接触的切割叠层24。切割叠层24包括聚合物膜20和设置在聚合物膜20上的至少一个牺牲层22。例如，切割叠层24可以进一步包括设置在两个牺牲层22之间并与两个牺牲层22接触的聚合物膜20。进一步地，切割系统60包括红外激光42，红外激光42配置用于发射波长为1,000 nm~1,200 nm（例如，1,064 nm）的电磁辐射透过第一透明基材34，从而在牺牲层22产生热量。

因此，方法10、110是经济的、可重复的且节省成本，可以合并或消除额外的制造工艺来形成隔膜12。因此，方法10、110可以用于需要精确尺寸的隔膜12的应用，该隔膜12没有残留物、污染物、过度的热影响区16等。例如，方法10、110、切割系统60以及隔膜12可以适用于需要优异的功率密度和充电/放电循环的电池应用。更具体地，方法10在时间和成本上可以是经济的，可以扩展到大规模制造操作，且可以为电池应用提供精确切割和高质量的隔膜12。

虽然已经详细描述用于实施本公开的最佳模式，本发明所属领域技术人员将认识到在所附权利要求书范围内用于实施本发明的各种可替换设计和实施方式。

Claims (10)

1.一种形成锂离子电池隔膜的方法，所述方法包括：

布置聚合物膜与牺牲层接触，以形成切割叠层，其中所述聚合物膜包括设置在多孔聚烯烃片材上的陶瓷材料，并且陶瓷材料透射红外激光；

将所述切割叠层设置在第一透明基材与第二透明基材之间；

透过所述第一透明基材对所述切割叠层施用红外激光以在所述牺牲层产生热量，其中热量在所述牺牲层而不是所述聚合物膜处积聚；以及

进行从牺牲层到聚合物膜的热量传递，从而切掉聚合物膜的一部分并形成所述隔膜，其中所述传递包括：

在不污染所述多孔聚烯烃片材的情况下去除所述陶瓷材料，并且

在不对所述聚合物膜进行化学降解或熔融所述聚合物膜的情况下将热量输送至所述聚合物膜，以烧蚀或热蒸发所述聚合物膜，

其中所述隔膜不含碳质残留物。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述传递包括将聚合物膜的温度保持小于1,000℃，从而避免聚合物膜的化学降解。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述传递包括最小化隔膜的热影响区。

4.根据权利要求3所述的方法，其中最小化包括形成宽度小于或等于50 µm的热影响区。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述布置包括将牺牲层油墨印刷到所述聚合物膜。

6.根据权利要求5所述的方法，其中油墨印刷包括将牺牲层以重复形状沉积到聚合物膜上。

7.根据权利要求1所述的方法，其中布置包括将聚合物膜夹持在两个牺牲层之间。

8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述第一透明基材与所述第二透明基材之间堆叠多个切割叠层。

9.根据权利要求1所述的方法，其中施用包括将切割叠层与具有150 nm~20 µm波长的电磁辐射接触。

10.根据权利要求1所述的方法，其中施用包括以0.1 m/s~5 m/s的速度在50 W~500 W的功率下将红外激光与牺牲层接触。

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