DE102011121246A1

DE102011121246A1 - Batterieseparatoren mit variabler Porosität

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Publication number: DE102011121246A1
Application number: DE102011121246A
Authority: DE
Inventors: Hamid G. Kia; Xiaosong Huang; Mark W. Verbrugge
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2013-02-14
Anticipated expiration: 2031-12-15
Also published as: DE102011121246B4; US9564622B2; US20120156568A1; CN102544417B; US8835058B2; US20140374937A1; CN102544417A

Abstract

Es ist ein Batterieseparator aus porösem Polymer vorgesehen, der eine variable Porosität entlang seiner Länge aufweist. Derartige Batterieseparatoren können die Gleichförmigkeit der Stromdichte innerhalb elektrochemischer Batteriezellen steigern, die normalerweise einer höheren Stromdichte und höheren Temperaturen nahe ihren Anschlussenden ausgesetzt sind, als nahe ihren gegenüberliegenden Enden. Durch Anordnung eines Separators mit variabler Porosität zwischen den Elektroden einer elektrochemischen Zelle so, dass sein Anschlussende eine geringere Porosität besitzt, als das gegenüberliegende Ende, kann der Transport von Ionen, wie Lithiumionen, durch den Separator in Gebieten mit normalerweise hohem Strom beschränkter sein und in Gebieten mit normalerweise geringer Strom weniger beschränkt sein, wodurch die Gesamt-Gleichförmigkeit der Stromdichte in der Batteriezelle gesteigert wird. Batterieseparatoren mit variabler Porosität können durch einen Trockendehnungsprozess oder durch einen Nassprozess erzeugt werden. Diese Prozesse können das Formen eines polymerhaltigen Filmes, das Erzeugen einer gleichförmigen Verteilung von Porenorten in dem Film und das Umformen des polymerhaltigen Filmes in eine gleichförmige Dicke umfassen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft Separatoren zur Verwendung zwischen Elektroden in elektrochemischen Batterieanordnungen und insbesondere poröse polymere Separatoren, die sowohl gegenüberliegende Elektroden voneinander physikalisch isolieren als auch Elektrolyt enthalten, um Ionen von einer Elektrode an die andere während der Batterielade- und/oder -entladezyklen zu transportieren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Batterieseparatoren werden breit in Flüssigelektrolytbatterien verwendet, um einen physikalischen Kontakt zwischen positiven Elektroden und negativen Elektroden innerhalb einer gegebenen Batteriezelle zu verhindern, während gleichzeitig ein Ionentransport zwischen Elektroden ermöglicht wird. Ein Typ von Batterieseparator ist ein poröser oder mikroporöser polymerer Separator. Dieser Typ von Separator wird typischerweise zwischen den positiven und negativen Elektroden in einer elektrochemischen Batteriezelle angeordnet, um die Elektroden voneinander physikalisch zu isolieren und flüssigen Elektrolyt in seine poröse Struktur zu absorbieren. Durch engen physikalischen Kontakt mit jeder Elektrode unterstützt der Separator, der den flüssigen Elektrolyt enthält, einen Ionentransport durch die Poren des Separators und zwischen Elektroden während des Betriebs der Batterie, entweder während des Entladens unter einer elektrischen Last oder während des Ladens unter einer angelegten Spannung von einer externen Quelle.
Abhängig von der jeweiligen Anwendung für eine Flüssigelektrolytbatterie kann eine beliebige Anzahl einzelner Batteriezellen in Reihe, parallel oder in verschiedenen Kombinationen davon angeordnet werden, um die Leistungsanforderungen für die Anwendung zu erfüllen. Beispielsweise ist eine gegebene Batteriezelle gewöhnlich zum Erzeugen einer bekannten Spannung größtenteils auf Grundlage der Typen von eingesetzten Materialien in der Lage und besitzt eine bestimmte Stromkapazität größtenteils auf Grundlage der eingesetzten Materialien und der Größe der Komponenten, wie der Elektroden und der Oberfläche der Elektroden in Kontakt mit dem Elektrolyt. Um die gewünschte Spannung von einer Batterie zu erhalten, wird eine ausreichende Anzahl einzelner Zellen in Reihe geschaltet; z. B. sechs Zwei-Volt-Zellen können in Reihe angeordnet werden, um eine Zwölf-Volt-Batterie zu erhalten. Um die gewünschte Stromkapazität von der Batterie zu erhalten, können mehrere derartige Sätze von Zellen parallel verschaltet werden oder können mehrere Sätze von Zellen, die parallel verschaltet sind, in Reihe verschaltet werden. Selbstverständlich sind andere Anordnungen möglich.
In Batterien, die mehrere Zellen nutzen, die elektrisch verschaltet sind, um verwendbare Energieniveaus zu erreichen, besteht ein Weg, dass mehrere Elektroden einer Polarität oder der anderen miteinander verschaltet werden können, über eine gemeinsame elektrisch leitende Verbindung, die entlang desselben Randes jeder Elektrode angeordnet ist. Beispielsweise weisen einzelne Elektroden manchmal jeweils eine Lasche auf, die sich von einem jeweiligen Rand erstreckt, so dass die mehreren Laschen jeder Polarität miteinander durch Verschweißen oder einen anderen geeigneten Prozess verbunden werden können, um eine elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Elektroden zu bilden. In einigen Batterieanordnungen erstrecken sich derartige Laschen von einem oberen Rand jeder Elektrode oder von einem damit in Verbindung stehenden Stromkollektor. Derartige interne Batterieverbindungen können auch als interne Anschlüsse bezeichnet werden.
Die Erfinder des hier offenbarten Gegenstandes haben gewisse potentielle Probleme entdeckt, die aus Batteriekonstruktionen resultieren können, die interne Anschlüsse aufweisen, wie die, die oben beschrieben sind, und haben Strukturen und Verfahren entdeckt, um zu helfen, die Probleme zu lindern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Nachfolgend sind Verfahren zum Herstellen von Separatoren zur Verwendung in elektrochemischen Batteriezellen, Wie Lithiumionenbatteriezellen, offenbart. Derartige Separatoren sind ziemlich dünn (z. B. bis zu etwa 50 μm dick) und werden zwischen positiven und negativen Elektroden in Batteriezellen in flächigem Kontakt mit jeder der Elektroden angeordnet. Sie können in der Form von Polymerlagen oder -filmen vorliegen, deren Form komplementär zu den Elektroden ist. Beispielsweise besitzen einige Batterieelektroden eine rechtwinklige Form, und in einer komplementären Weise besitzen die Separatorfilme ebenfalls eine rechtwinklige Form. Die Separatoren sind durch eine offene poröse Struktur in dem Separatormaterial oder den Separatormaterialien gekennzeichnet. Genauer weist der Separator eine Reihe von Poren auf, die über die Lage entlang ihrer Länge und Breite verteilt sind, wobei die Poren derart miteinander verbunden sind, dass sie gegenüberliegende Flächen des Filmes durch ihre Dicke verbinden. Die Poren erlauben einen Flüssigelektrolytfluss und eine Ionenleitung durch den Separator.
Die Erfinder hier haben erkannt, dass Separatoren mit einer Variation hinsichtlich der Porenmenge, -größe und/oder -anordnungen geformt werden können, um so einen gleichförmigeren Ionenstromfluss über die gesamte Fläche der Separatoren und zu diesen weisenden Elektroden bereitzustellen. Gemäß den Strukturen und Verfahren, wie nachfolgend dargestellt ist, weist diese Struktur mit miteinander verbundenen Poren Poren auf, die hinsichtlich Größe, Anzahl, Abstand und Verteilung entlang der Länge und/oder Breite des Separators auf eine gesteuerte Art und Weise variieren, wodurch breit eine variable Porosität definiert wird. Ein Ende jeder Elektrode und des komplementär geformten Separators in einer Batteriezelle liegt typischerweise in enger Nähe zu einem elektrischen Kontakt jeder Elektrode, gewöhnlich in der Form von Metalllaschen, die sich von jeder der Elektroden erstrecken. Derartige Laschen können mit Laschen von anderen Elektroden und/oder Batteriezellen zusammengefügt und elektrisch verbunden sind, um einen gemeinsamen Anschluss zu bilden. Die Separatoren mit variabler Porosität, wie nachfolgend beschrieben ist, können in der Zelle so orientiert sein, dass das Ende des Separators, das von den Laschen am weitesten entfernt ist, eine höhere Porosität und mehr Ionenleitung besitzt, als das Ende des Separators, das den Laschen am nächsten angeordnet ist. Dieser Typ von Konfiguration kann hergestellt werden, um mehr Gleichförmigkeit für eine ansonsten ungleichförmige Stromdichte entlang der Länge der Elektroden bereitzustellen, indem höhere Niveaus von Ionentransport durch den Separator in den Gebieten mit höherer Porosität, die von den Elektrodenlaschen am weitesten entfernt sind, zugelassen werden.
Durch den Vorteil der Tatsache, dass die Poren in einem typischen Separator enthalten sind, um einen flüssigen Elektrolyt zu halten und zusätzlich einen Ionenfluss durch die Poren über den flüssigen Elektrolyt zuzulassen, haben die vorliegenden Erfinder bisher nicht bekannte Verfahren zum Steuern des Ionenflusses durch die Poren über Steuerung der Größe und Verteilung der Poren zusammen mit Verfahren entdeckt, um die Größe und Verteilung der Poren zu steuern, so dass verschiedene Größen und Verteilungen von Poren in demselben Separator vorhanden sein können. Unter Verwendung der nachfolgend beschriebenen Verfahren können nicht nur die Größe und Verteilung von Poren innerhalb desselben Separators gesteuert und variiert werden, sondern die Anordnung der verschieden bemessenen Poren und entsprechenden Variationen hinsichtlich der Materialporosität können ebenfalls innerhalb eines individuellen Separators gesteuert werden.
Die erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen von Separatoren mit variabler Porosität können allgemein das Erzeugen eines polymerbasierten Filmes und ein Dehnen desselben umfassen, um entweder Poren in dem Film zu bilden oder die Porengröße und/oder Porosität in dem Film zu erhöhen. Die Konfiguration des Filmes und die Konditionierung des Filmes vor dem Dehnen, wie in den Verfahren unten beschrieben ist, stellen bisher nicht bekannte Techniken dar. Die Verfahren können zunächst ein unkonventionelles Erzeugen eines Filmes mit einer ungleichförmigen Dicke über die Breite des Filmes typischerweise dadurch aufweisen, dass der Film beispielsweise aus einem langen oder kontinuierlichen Film durch Extrusion erhalten wird. Eine gleichförmige Porenstruktur kann dann in den Film über seine Breite mit zunehmender Dicke eingeführt werden. Anschließend wird der Film konditioniert und auf eine gleichförmige Dicke zur Verwendung in Separatoranwendungen gedehnt. Durch Ändern der Form des Filmes von einer mit einer ungleichförmigen Dicke zu einer mit einer gleichförmigen Dicke wird die Ungleichförmigkeit von der Dicke des Filmes auf die Größe der Poren in dem Film und die Porosität des Filmes übertragen. Die ausgedünnten Bereiche des Filmes besitzen größere und/oder mehr Poren für eine erhöhte Ionenleitung durch den Film in diesen Bereichen in der Anwesenheit eines elektrolytischen Fluides.
Um den Film ungleichförmiger Dicke in einen Film mit einer gleichförmigen Dicke zu dehnen, müssen verschiedene Gebiete des Filmes in verschiedenen Größen gedehnt werden. Genauer erfordern dickere Bereiche des Filmes eine stärkere Dehnung oder Elongation, als dünnere Bereiche, um alle Bereiche auf eine gemeinsame Dicke zu bringen. Um dies zu erreichen, wird der Film vor dem Dehnen konditioniert. Eine derartige Konditionierungstechnik besteht darin, den Film selektiv so zu erwärmen, dass sich beim Dehnen die Bereiche mit größerer Dicke bei einer höheren Temperatur befinden, als die Bereiche mit geringerer Dicke. Dies hat den Effekt, dass die Steifigkeit oder der Elastizitätsmodul lokal in den dickeren Bereichen des Filmes mit höherer Temperatur gesenkt wird. Bei einem Dehnen nach einer derartigen Konditionierung sind die dickeren Bereiche aufgrund ihrer höheren Temperatur und ihres resultierenden geringeren Moduls einer höheren Elongation ausgesetzt, als die dünneren Bereiche. Die höhere Elongation bringt eine größere Reduzierung der Dicke in den entsprechenden Bereichen mit sich. Und die höhere Elongation führt zu einer höheren Porosität und/oder größeren Porengröße in den entsprechenden Bereichen.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen können die Verfahren die Extrusion eines Filmes mit einem gleichförmigen Querschnitt in der Extrusionsrichtung und einer nicht gleichförmigen Dicke über seine Breite aufweisen, wobei die Breite in einer Richtung quer zu der Extrusionsrichtung vorliegt. Der Film enthält eine oder mehrere Polymerkomponenten, die bevorzugt aus der Polyolefin-Familie von Polymeren gewählt sind; z. B. Polyethylen, Polypropylen, etc. Der Film kann ein trockener Film sein, wie mit einem herkömmlichen Polymerschmelzextrusionsprozess, oder er kann ein Nassfilm sein, der eine gelartige Lösung des Polymers und ein Lösemittel, wie Paraffinöl, ist. Extrudierte trockene Filme können einem Temperprozess ausgesetzt werden, um das Niveau an Kristallinität und das Niveau an Gleichförmigkeit der Kristallinität des Polymers zu erhöhen. Grenzen und/oder eine amorphe Phase zwischen einzelnen kristallinen Gebieten in dem Film sind die Porenorte, an denen Poren schließlich gebildet werden. Extrudierte Nassfilme können einem Lösemittelextraktionsprozess unterzogen werden, bei dem der Film einem flüchtigen Lösemittel ausgesetzt wird, um die Nicht-Polymer-Komponenten des gelartigen Filmes zu extrahieren, wodurch Poren in der verbleibenden Polymerkomponente oder den verbleibenden Polymerkomponenten verbleiben, wo sich vorher die Nicht-Polymer-Komponenten befunden haben. An diesem Punkt jedes Prozesses besitzt der Film eine nicht gleichförmige Dicke, bevorzugt an einer Seite dicker als an der anderen mit einem konstanten Dickegradienten zwischen den beiden Seiten, und eine gleichförmige Verteilung von Poren oder Porenorten. Diese Filme können dann erhitzt und gedehnt werden, wie vorher zusammenfassend beschrieben wurde und wie nachfolgend detaillierter beschrieben wird, um einen Film zu erzeugen, der eine variable Porosität entlang seiner Länge aufweist und der als ein Batterieseparator verwendet werden kann, um einen Ionenfluss zwischen Elektroden zu steuern.
Unter Verwendung dieser oder anderer Verfahren kann eine elektrochemische Batteriezelle gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erzeugt werden. Die elektrochemische Zelle ist bevorzugt eine Lithiumionenzelle und weist eine positive Elektrode und eine negative Elektrode mit einem porösen Separator auf, der zwischen den Elektroden und in Flächenkontakt mit jeder Elektrode eingebaut ist. Der Separator kann eine komplementäre Form mit den Elektroden besitzen und enthält eine Elektrolytlösung in seiner porösen Struktur, die in der Lage ist, Ionen von einer Elektrode zu der anderen zu transportieren. Der Separator ist bevorzugt unter Verwendung eines oder mehrerer polyolefinbasierten Materialien hergestellt und besitzt eine variable Porosität. Die Porosität kann derart variieren, dass die Porosität und/oder Porengröße nahe den Abschnitten des Separators, die neben einem Elektrodenanschluss liegen, kleiner sind, und in Separatorgebieten, die von dem Anschluss beabstandet oder weiter entfernt sind, größer sind, so dass der Ionenfluss durch den Separator während des Betriebs der elektrochemischen Zelle nahe dem Anschlussende starker beschränkt ist, als nahe dem entfernten Ende. Das Anschlussende eines typischen rechtwinkligen Separators und seiner entsprechenden rechtwinkligen Elektroden innerhalb einer Zelle ist typischerweise das obere Ende, wo die Stromdichte und Temperatur in einer Zelle am höchsten sind. Eine relative Beschränkung des Ionenflusses in diesem Gebiet im Vergleich zu dem entgegengesetzten oder unteren Ende der Zelle bewirkt einen Betrieb der Zelle mit einer gleichförmiger verteilten Stromdichte und einem gleichförmiger verteilten Temperaturprofil, wodurch viele der Probleme, die mit der ungleichförmigen Stromdichte in Verbindung stehen, beseitigt werden.
Andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus einer Beschreibung veranschaulichender Ausführungsformen der Erfindung, die in dieser Beschreibung folgen, offensichtlich. Es wird Bezug auf Figuren genommen, die in dem folgenden Abschnitt dieser Beschreibung beschrieben sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer Reihe von elektrochemischen Zellen, die in Parallelkonfiguration miteinander verschaltet sind, wobei ein positiver Anschluss und ein negativer Anschluss an entgegengesetzten Seiten einer elektrischen Last L verbunden sind.
2 ist eine Darstellung auf Grundlage eines Mikrobildes eines Abschnitts eines porösen Separators zur Verwendung zwischen positiven und negativen Elektroden elektrochemischer Zellen, wie denen in 1, die eine poröse Struktur zeigt, die durch einen Trockendehnprozess hergestellt werden kann.
3 ist eine Darstellung auf Grundlage eines Mikrobildes eines Abschnitts eines anderen porösen Separators zur Verwendung zwischen positiven und negativen Elektroden elektrochemischer Zellen, wie denen von 1, die eine poröse Struktur zeigt, die durch einen Nassprozess erzeugt werden kann.
4 ist ein Flussdiagramm, das einige Prozessschritte darstellt, die in einem Prozess zur Erzeugung poröser Separatoren, die eine variable Porosität besitzen, enthalten sein können.
5 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels des Umformschritts (46) des Prozesses von 4, der ein selektives Erhitzen eines Filmes mit einer ungleichförmigen Dicke und dann Dehnen desselben in einer Querrichtung umfasst.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung oder Gebräuche zu beschränken.
Ausführungsformen dieser Erfindung umfassen Praktiken, um poröse Separatoren zur Verwendung zwischen gegenüberliegenden Elektroden in elektrochemischen Batteriezellen zu bilden. Vor einer weiteren Darstellung poröser Separatoren und der Prozesse, die dazu verwendet werden können, diese auszubilden, kann es hilfreich sein, eine typische Flüssigelektrolytbatterie-Umgebung darzustellen, in der der Separator funktioniert.
Eine beispielhafte und schematische Darstellung einer typischen Flüssigelektrolytbatterie 10 ist in 1 gezeigt. Die Batterie 10 weist eine Mehrzahl benachbarter elektrochemischer Zellen 12 auf. Jede Zelle 12 weist eine positive Elektrode 14, eine negative Elektrode 16 und einen Separator 18 auf, der zwischen den Elektroden angeordnet ist. Wie gezeigt ist, teilen sich aufeinander folgende Zellen eine positive oder eine negative Elektrode 14 oder 16 miteinander. Bei diesem bestimmten Beispiel sind die positiven Elektroden 14 jeder Zelle elektrisch miteinander über Laschen 20 verbunden, die sich von jeder Elektrode oder von einem Stromkollektor, der jeder Elektrode zugeordnet ist, erstrecken. Die Laschen 20 treffen zusammen, um einen gemeinsamen positiven Anschluss 22 zu bilden. Gleichermaßen sind die negativen Elektroden jeder Zelle elektrisch über sich erstreckende Laschen 24 verbunden, die zusammentreffen, um einen negativen Anschluss 26 zu bilden. Bei dieser Ausführungsform ist jede Elektrode 14, 16 allgemein flach und besitzt eine rechtwinklige Form, und die Laschen 20, 24 erstrecken sich von dem oberen Rand jeder der Elektroden. Ähnlicherweise kann der Separator 18 flach sein und eine rechtwinklige Form besitzen, die der Form der Elektroden 14, 16 komplementär ist, wobei gemeinsam eine insgesamt rechtwinklige Form für die Batterie 10 gebildet wird.
Alternativ dazu kann eine beliebige Anzahl von Separatoren 18 innerhalb einer Zelle als Abschnitte einer kontinuierlichen Lage oder eines kontinuierlichen Filmes von Separatormaterial enthalten sein, der um abwechselnde vertikale Ränder jeder Elektrode geschlungen ist, um seine funktionale Position zwischen jedem Paar von Elektroden anzunehmen. Beispielsweise kann in einer Batterie, wie der, die in 1 gezeigt ist, ein Abschnitt einer kontinuierlichen Lage von Separatormaterial zwischen einer ersten positiven und einer ersten negativen Elektrode angeordnet sein; die kontinuierliche Lage kann um den vorderen vertikalen Rand der ersten positiven Elektrode geschlungen sein, wobei sie sich zu der gegenüberliegenden Seite der ersten positiven Elektrode zwischen der ersten positiven Elektrode und der zweiten negativen Elektrode in der Zelle fortsetzt; die Lage kann dann um den rückwärtigen vertikalen Rand der zweiten negativen Elektrode geschlungen sein, sich dann zu der gegenüberliegenden Seite der zweiten negativen Elektrode fortsetzen, etc., bis jedes Paar von Elektroden ein Separatormaterial dazwischen aufweist. Wie hier verwendet ist, ist dies ein weiteres Beispiel eines Separators 18, dessen Form komplementär zu der Form von Elektroden 14, 16 ist, da die vertikale Höhe des Separatormaterials der vertikalen Höhe der Elektroden entspricht und die Länge der kontinuierlichen Lage des Separatormaterials der Summe mehrerer Elektrodenbreiten entspricht. Bei einigen Ausführungsformen können sowohl rechtwinklige Separatoren, die Höhen und Breiten besitzen, die den Höhen und Breiten ihrer benachbarten Elektroden entsprechen, als auch kontinuierliches Separatormaterial, das eine Höhe, die der Höhe der Elektroden einer gegebenen Zelle entspricht, als auch eine Länge besitzt, das den mehreren Breiten der Elektroden, die dieses umschlingt, gemeinsam verwendet werden, um einen Separator zwischen jedem Paar von Elektroden bereitzustellen.
Die positiven und negativen Anschlüsse 22 und 26 können mit einer elektrischen Vorrichtung 28 verbunden sein, wie gezeigt ist. Bei diesem Beispiel sind die Anschlüsse 22, 26 mit einer elektrischen Last L verbunden, die die Batterie 10 in einen Entladezustand bringt. Alternativ dazu kann die elektrische Vorrichtung 28 eine externe Energiequelle sein, die die Batterie 10 in einen Ladezustand bringt. Die elektrische Vorrichtung 28 kann eine beliebige Anzahl bekannter elektrisch angetriebener Vorrichtungen sein, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, einen Elektromotor für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, einen Laptopcomputer, ein Mobiltelefon oder ein kabelloses Elektrowerkzeug, um nur einige zu nennen. Die elektrische Vorrichtung 28 kann alternativ eine Leistung erzeugende Vorrichtung sein, die die Batterie 10 zu Zwecken der Speicherung von Energie lädt. Beispielsweise resultiert die Tendenz Leistung erzeugender Vorrichtungen, wie windgetriebener Turbinen und Solarzellenanlagen, variabel und/oder intermittierend Elektrizität zu erzeugen, oftmals in einem Bedarf, überschüssige Energie zum späteren Gebrauch zu speichern. In einigen Fällen kann die elektrische Vorrichtung 28 selbst als eine elektrische Last und eine Energie erzeugende Vorrichtung wirken, wie es der Fall bei Elektromotoren von Hybrid- oder Elektrofahrzeugen sein kann, wo die Elektromotoren beispielsweise als Batterieladegeneratoren während der Fahrzeugverlangsamung verwendet werden. Selbstverständlich ist 1 nur eine schematische Darstellung und nicht unbedingt maßstabsgetreu, noch ist sie dazu gemeint, die physikalischen Formen der Elektroden 14 und 16, der Separatoren 18, der Laschen 20 und 24 oder der Anschlüsse 22 und 26 zu repräsentieren. Die Elektroden und der Separator können andere komplementäre Formen annehmen, wie gerundete Formen, und die Laschen können sich von jedem Elektrodenrand erstrecken. Bei einer Ausführungsform kann die Batterie 10 beispielsweise eine zylindrische Form besitzen, wobei kontinuierliche Schichten von Elektroden und Separatoren in einer wicklungsartigen Konfiguration gewickelt sind, wobei eine Batteriezelle gebildet wird, die kontinuierlich um sich selbst gewickelt ist, so dass die Elektroden und Separatoren im abgewickelten Zustand eine projizierte rechtwinklige Fläche besitzen, jedoch, wenn sie in die Batterie zusammengebaut sind, vielmehr gekrümmt anstatt flach sind.
Die Erfinder des hier offenbarten Gegenstandes haben erkannt, dass durch Anordnung der elektrischen Verbindung für die mehreren Elektroden entlang desselben Randes jeder Elektrode, wie beispielsweise in der Batterie 10 von 1 gezeigt und beschrieben ist, eine variable Stromdichte entlang der Oberfläche jeder Elektrode während des Betriebs der Batterie resultieren kann. Dies ist sogar der Fall, wenn mehrere Zellen nicht verwendet werden. Beispielsweise kann bei einer einzelnen elektrochemischen Batteriezelle, die eine positive und negative Elektrode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyt aufweist, eine ideale Anordnung zur elektrischen Verbindung der Zelle mit einer elektrischen Last theoretisch im Zentrum jeder Elektrode liegen, da die Last Strom gleichermaßen in alle Richtungen von der Oberfläche der Elektroden ziehen kann. Durch Verbinden von Elektroden miteinander, mit elektrischen Lasten oder mit externen Energiequellen entlang eines Randes der Elektroden kann Strom zu oder von jeder Zelle ungleichmäßig entlang der Elektroden verteilt werden. Beispielsweise ist, wenn Elektroden miteinander entlang ihrer oberen Ränder in einer Batteriebaugruppe verbunden sind, wie es bei einigen Typen von Batterien herkömmlich ist, ein kürzerer elektrischer Pfad nahe dem oberen Bereich der Elektroden durch den Elektrolyt vorhanden, als an dem unteren Bereich, was zu einer erhöhten Stromdichte nahe dem oberen Ende der Elektroden und einer geringeren Stromdichte nahe dem unteren Bereich führt.
Eine ungleichmäßige Verteilung der Stromdichte in den Batteriezellen kann einige potentiell unerwünschte Wirkungen besitzen, wie einen schlechten Gebrauch der Elektrodenmaterialien; d. h. Abschnitte der Elektroden näher zu den Laschen oder Innenanschlüssen weisen eine stärkere elektrochemische Aktivität über die Lebensdauer der Batterie auf, als Abschnitte, die sich von den Laschen oder Innenanschlüssen weiter beabstandet befinden. Bei einigen Typen von Batteriekonstruktionen kann dies bewirken, dass die Elektroden ungleichmäßig zerfallen, was zur Folge hat, dass Abschnitte, die der höheren Stromdichte ausgesetzt sind, mit einer beschleunigten Rate zerfallen, während Abschnitte, die einer geringeren Stromdichte ausgesetzt sind, zu wenig genutzt verbleiben, wobei zusätzliche Lebensdauer in diesen Abschnitten verbleibt, nachdem die Abschnitte mit hoher Stromdichte über ihre Nutzbarkeit zerfallen sind. Ein weiterer unerwünschter Effekt einer ungleichmäßigen Stromverteilung in Batterieelektroden ist eine entsprechend ungleichmäßige Temperaturverteilung in der elektrochemischen Zelle, wobei Gebiete mit höherer Stromdichte eine erhöhte Temperatur im Vergleich zu Gebieten mit geringerer Stromdichte besitzen. Erhöhte Temperaturen in einer Batteriezelle können den Effekt der Verschlechterung des Polymermaterials des Separators unter anderen nachteiligen Wirkungen besitzen. Eine ungleichmäßige Stromverteilung kann auch in einer ungleichförmigen Expansion und Kontraktion der festen Elektrodenmaterialien resultieren. Beispielsweise können herkömmliche Lithiumionenzellen sich bei Laden ausdehnen und bei Entladen zusammenziehen. Daher kann eine ungleichförmige Stromverteilung zu mechanischen Dehnungen und zugeordneten Spannungen in den Zellenmaterialien führen, was zu einem Verlust von Kontakt zwischen Zellenkomponenten führen und einen Zellenausfall beschleunigen kann.
Es existieren nur einige Beispiele potentiell unerwünschter Effekte auf eine ungleichmäßige Stromdichteverteilung innerhalb einer Batteriezelle. Die Effekte können mit größeren Batterien verstärkt werden, die für eine größere Kapazität für elektrischen Strom ausgelegt sind, beispielsweise mit größeren Kraftfahrzeugbatterien (im Vergleich zu kleineren Batterien, wie denen, die in tragbaren Elektronikgeräten oder dergleichen verwendet sind). Größere Batterien können allgemein größere und/oder längere Elektroden besitzen, wobei das resultierende Ungleichgewicht der Stromdichte von einem Ende der Elektrodenplatte zu dem anderen mit zunehmender Elektrodenlänge oder -distanz von den inneren Anschlüssen zunimmt. Temperatureffekte werden in größeren Batterien sogar weiter verstärkt, da das Verhältnis der Masse der Batterie zu der Oberfläche der Batterie allgemein zunimmt, was die Kühlung des bereits thermisch isolierten Systems insgesamt schwieriger macht.
Bei einer typischen Ausführungsform weisen die Separatoren 18 einen oder mehrere poröse, mikroporöse oder fasrige Polymerfilme auf, die einen Flüssigelektrolyt besitzen, der in ihre Struktur absorbiert ist. Spezifische Ausführungsformen gemäß der hier dargestellten Lehren sind nachfolgend detaillierter beschrieben. Jedoch ist der Separator 18 allgemein so ausgelegt, dass die positiven und negativen Elektroden 14, 16 jeder Zelle 12 voneinander physikalisch getrennt sind, während gleichzeitig eine Ionenübertragung von einer Elektrode auf die andere durch die Poren des Separators zugelassen wird. Der Separator 18 unterstützt eine derartige Ionenübertragung dadurch, dass seine offene Struktur mit Flüssigelektrolyt gefüllt ist und in engem Kontakt mit den Oberflächen jeder der gegenüberliegenden positiven und negativen Elektroden 14, 16 steht.
Die Batterie 10 kann zusätzlich einen breiten Bereich anderer Komponenten aufweisen, die, während sie hier nicht gezeigt sind, dennoch dem Fachmann bekannt sind. Beispielsweise kann die Batterie 10 ein Gehäuse, Dichtungselemente, Anschlusskappen, Entlüftungen, Fülldurchlässe oder beliebige andere gewünschte Komponenten oder Materialien besitzen, die zwischen oder um die positiven Elektroden 14, die negativen Elektroden 16 und/oder die Separatoren 18 zu leistungsbezogenen oder anderen praktischen Zwecken angeordnet sein können. Überdies können die Größe und Form der Batterie 10 abhängig von der jeweiligen Anwendung, für die sie ausgelegt ist, variieren. Batteriebetriebene Kraftfahrzeuge und tragbare Verbraucherelektronikvorrichtungen sind beispielsweise zwei Fälle, bei denen die Batterie 10 am wahrscheinlichsten auf verschiedene Größe, Kapazität und Leistungsausgabespezifikationen ausgelegt wird. Die Batterie 10 kann auch in Reihe oder parallel mit anderen ähnlichen Batterien verschaltet sein, um einen größeren Spannungsausgang und eine größere Leistungskapazität zu erzeugen, falls die elektrische Vorrichtung 28 dies erfordert.
Der beispielhafte Batterieaufbau, der in 1 gezeigt und oben beschrieben ist, ist zur Repräsentation jeglicher verschiedenen Typen verfügbarer Batterien gemeint, die poröse Separatoren zwischen gegenüberliegenden positiven und negativen Elektroden verwenden. Einige Beispiele derartiger Batterien umfassen Nickel-Cadmium-(NiCd), Nickel-Metallhydrid-(NiMH), Lithium-(Li), Lithiumionen-(Li-Ion), Zink-Kohlenstoff-, Alkali-Zink-Manganoxid (Zn-MnO₂) und Bleisäurebatterien, um einige zu nennen. Während jede von diesen oder anderen Typen von Batterien vorteilhafterweise die hier offenbarten porösen Separatoren verwenden können, ist ein bevorzugter Batterietyp eine Lithiumionenbatterie.
Lithiumionenbatterien sind bei vielen Anwendungen aufgrund ihrer relativ hohen Spannung oder ihres relativ hohen Potentials pro Zelle, der relativ hohen Energiedichte (verfügbare Leistung pro Masseneinheit), der Fähigkeit zur Beibehaltung einer Ladung während einer Ruhephase für längere Zeitdauern, als andere wiederaufladbare Batterien, und einer reduzierten Anwesenheit des ”Memory”-Phänomens, das andere Typen wiederaufladbarer Batterien aufweisen können, wenn sie mehreren flachen Entlade- und Ladezyklen ausgesetzt werden, favorisiert worden.
Der Betrieb einer Lithiumionenbatterie ist den Fachleuten gut bekannt. In einer Lithiumionenbatterie umfasst die negative Elektrode 16 typischerweise ein Lithiumeinsatzmaterial oder ein Legierungsausgangsmaterial, die positive Elektrode 14 umfasst typischerweise ein lithiumhaltiges aktives Material, das Lithium bei höherem Potential (relativ zu einer Lithiummetallreferenzelektrode) speichern kann, als das Ausgangsmaterial der negativen Elektrode 16, und der flüssige Elektrolyt, der in dem porösen Separator enthalten ist, ist typischerweise eine Elektrolytlösung, die ein oder mehrere Lithiumsalze umfasst, die in einem nicht wässrigen Lösemittel gelöst und ionisiert sind. Jede der positiven und negativen Elektroden 14, 16 kann auch an einem metallischen Stromkollektor getragen oder mit diesem verbunden sein – typischerweise Aluminium für die positiven Elektroden 14 und Kupfer für die negativen Elektroden 16. Beispielsweise kann eine typische positive 14 Elektrode eine Lage aus Aluminiummetallfolie als dem Stromkollektor umfassen und auf beiden Seiten mit einem Elektrodenmaterial beschichtet sein, das eine geschichtete Struktur von Metalloxid, wie Lithiumkobaltoxid (LiCoO₂) oder ein Material umfasst, das eine getunnelte Struktur umfasst, wie Lithiummanganoxid (LiMn₂O₄). Eine typische negative Elektrode kann aus einer Lage von Kupfermetallfolie als dem Stromkollektor umfassen und auf beiden Seiten mit einem Elektrodenmaterial beschichtet sein, das ein geschichtetes Material umfasst, wie graphitischen Kohlenstoff.
Eine Lithiumionenbatterie kann einen nützlichen elektrischen Strom während des Entladens der Batterie mittels reversibler elektrochemischer Reaktionen, die auftreten, wenn die elektrische Vorrichtung 28 eine elektrische Last L ist, die zwischen dem positiven Anschluss 22 und dem negativen Anschluss 26 verbunden ist, zu einem Zeitpunkt, wenn die negative Elektrode 16 eine ausreichend höhere relative Menge an eingelagertem Lithium aufweist. Die chemische Potentialdifferenz zwischen sowohl der positiven als auch negativen Elektrode 14, 16 – etwa 3,7 bis 4,2 Volt in einer Lithiumionenzelle abhängig von der exakten chemischen Aufmachung der Elektroden 14, 16 – treibt Elektronen, die durch die Oxidation von eingelagertem Lithium an der negativen Elektrode 16 erzeugt werden, durch die elektrische Last L zu der positiven Elektrode 14. Lithiumionen, die ebenfalls an der negativen Elektrode erzeugt werden, werden gleichzeitig durch die Elektrolytlösung durch den porösen Separator 18 und zu der positiven Elektrode 14 geführt. Die durch die elektrische Last L fließenden Elektronen und die über den porösen Separator 18 in der Elektrolytlösung wandernden Lithiumionen vereinigen sich schließlich und bilden eingelagertes Lithium an der positiven Elektrode 14. Der elektrische Strom kann durch die elektrische Last L geführt werden, bis das eingelagerte Lithium in der negativen Elektrode 16 abgereichert ist und die Kapazität der Batterie 10 somit vermindert ist.
Einige Batterien, wie Lithiumionenbatterien, können zu einem beliebigen Zeitpunkt durch Verwendung einer externen Energiequelle als elektrische Vorrichtung 28 geladen oder wieder mit Leistung beaufschlagt werden, die über die Anschlüsse der Batterie 10 geschaltet ist, um die elektrochemischen Reaktionen umzukehren, wie sie während des Entladens der Batterie stattfinden. In einer Lithiumionenbatterie erzwingt die Verbindung einer externen Energiequelle mit der Batterie 10 die ansonsten nicht spontane Oxidation von eingelagertem Lithium an der positiven Elektrode 14, um Elektronen und Lithiumionen zu erzeugen. Die Elektronen, die zu der negativen Elektrode 16 von der externen Energiequelle zurückfließen, und die Lithiumionen, die von dem Elektrolyt über den porösen Separator 18 zurück zu der negativen Elektrode 16 geführt werden, wiedervereinigen sich an der negativen Elektrode 16 und füllen diese mit eingelagertem Lithium zum Verbrauch während des nächsten Batterieentladezyklus wieder auf. Die externe Energiequelle, die dazu verwendet werden kann, die Batterie 10 zu laden, kann abhängig von der Größe, Konstruktion und dem jeweiligen Endgebrauch der Batterie variieren. Einige beispielhafte externe Energiequellen umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, eine AC-Steckdose oder eine Kraftfahrzeuglichtmaschine. Ähnliche Lade- und Entladezyklen können für andere Typen von Batterien beschrieben werden, wobei andere Typen von Metallionen durch den porösen Separator 18 von einer Elektrode zu der anderen transportiert werden, da die Lithiumionenkonstruktion nur beispielhaft ist.
Wieder Bezug nehmend auf 1 können Separatoren 18 beliebige einer Mehrzahl elektrisch isolierender Materialien umfassen und umfassen typischerweise ein oder mehrere Polymermaterialien, von denen einige Beispiele nachfolgend in Verbindung mit den Verfahren beschrieben sind, die dazu verwendet werden können, diese zu verarbeiten. Der Separator 18 und seine verschiedenen Komponenten, wenn angewendet, können bei Orientierung in einer elektrochemischen Batteriezelle ein Anschlussende 30, das nahe dem oberen Ende der Batterie von 1 gezeigt ist, und ein gegenüberliegendes Ende 32 aufweisen, das nahe dem unteren Ende der Batterie von 1 gezeigt ist. Separatoren 18 können eine oder mehrere Schichten verschiedener Materialien oder Materialien mit verschiedenen Eigenschaften, Porositäten, Dicken, etc. aufweisen, um die gewünschten Gesamtleistungsfähigkeitseigenschaften zu erreichen. Bei einer Ausführungsform weist der Separator 18 eine einzelne poröse Separatorschicht 34 auf, jedoch können andere Ausführungsformen mehrere poröse Separatorschichten 34 oder eine oder mehrere poröse Separatorschichten 34 kombiniert mit anderen Typen von Separatorschichten, wie Faserschichten oder anderen Typen von Schichten, aufweisen. Jeder Separator 18 oder jede Separatorschicht 34 kann optional verschiedene Typen von leistungssteigernden Beschichtungen, wie Keramikbeschichtungen, aufweisen.
Die Separatorschicht 34 kann in der Form eines Filmes oder einer Lage vorliegen und kann typischerweise eine offene poröse Struktur über das Material besitzen, einschließlich einer Reihe miteinander verbundener Poren, die gegenüberliegende Flächen der Separatorschicht miteinander durch die Dicke der Separatorschicht verbinden, um die Übertragung von Ionen hindurch, wenn sie in Gebrauch stehen und mit Elektrolyt gefüllt sind, zu unterstützen. Beispiele von zwei beispielhaften porösen Strukturen sind in den 2 und 3 gezeigt, die Darstellungen auf Grundlage von Mikrobildern von Oberflächen beispielhafter Separatorschichten 34 sind. Die 2 und 3 sind nur so vorgesehen, dass sie beispielhafte Typen von Porenstrukturen zeigen, die unter Verwendung von Trockendehnungs- oder Nassprozessen erzeugt werden können und nicht dazu bestimmt sind, Strukturen mit variabler Porosität zu veranschaulichen, wie später definiert wird. 2 zeigt ein Beispiel einer porösen Struktur, die in zumindest einem Abschnitt einer Separatorschicht 34 enthalten sein kann. Diese beispielhafte poröse Struktur kann durch einen Trockendehnungsprozess erzeugt werden, wobei Beispiele derselben nachfolgend detaillierter beschrieben sind. Allgemein umfasst die poröse Struktur eine Polymermatrix 36 (die hellen Bereiche der Figur) und Poren 38 (die dunklen Bereiche der Figur), die in der Matrix 36 geformt sind. Die jeweilige Separatorschicht, die in 2 gezeigt ist, ist in zumindest der Richtung, die durch die Pfeile angegeben ist, trocken gedehnt worden, kann jedoch zusätzlich in anderen Richtungen gedehnt worden sein. Wie in 2 orientiert ist, weist die Struktur relativ dicke und breit beabstandete Matrixabschnitte auf, die allgemein horizontal mit relativ dünnen und eng beabstandeten Matrixabschnitten angeordnet sind, die zwischen den horizontalen Abschnitten verteilt sind und diese verbinden. Somit können die Poren in diesem Typ von Struktur länglicher oder schlitzartiger Form sein. Die vertikale Trennung, die zwischen den dickeren horizontalen Abschnitten der Matrix gezeigt ist, kann Grenzen von Polymerkristallstrukturen darstellen, die durch Dehnen der Separatorschicht 34 in der angegebenen Richtung auseinander gezogen worden sind, während die dünneren vertikalen Abschnitte der Matrix amorphe Gebiete des Polymermatrixmaterials darstellen, die die lamellare Anordnung von Polymerkristalliten überbrücken. Daher wird dieser Typ von poröser Struktur typischerweise durch Trockendehnen eines halbkristallinen Polymermaterials erzeugt.
3 zeigt ein anderes Beispiel eines Typs von poröser Struktur, die in zumindest einem Abschnitt der Separatorschicht 34 enthalten sein kann. Diese beispielhafte poröse Struktur weist auch eine Polymermatrix 36 (die hellen Bereiche der Figur) und Poren 38 (die dunklen Bereiche der Figur) auf, die in der Matrix 36 geformt sind. Dieser Typ von poröser Struktur kann durch einen Nassprozess erzeugt werden, von dem Beispiele nachfolgend ebenfalls detaillierter beschrieben sind. Allgemein allerdings umfasst ein typischer Nassprozess jedoch ein Schmelzmischen des Polymers mit Paraffinöl und anderen gewählten Additiven zur Bildung eines homogenen Gemisches oder einer homogenen Lösung, die Ausbildung eines Nassfilmes aus dem Gemisch und dann die Extraktion des Paraffinöls und anderer Additive von dem Gemisch mit einem flüchtigen Lösemittel. Die Poren 38 werden in der Polymermatrix 36 durch Hohlräume gebildet, die durch das Paraffinöl zurückgelassen werden. Da die Hohlräume, die in einem typischen Lösemittelextraktionsprozess zurückbleiben, zu klein zum praktischen Gebrauch in einem Separator sein können, ist die jeweilige poröse Struktur, die in 3 gezeigt ist, ein Ergebnis eines bidirektionalen Dehnens des Films in Richtungen allgemein rechtwinklig zueinander, wie der Extrusionsrichtung oder einer Richtung quer zu der Extrusionsrichtung. Wie in 3 gesehen werden kann, enthält im Vergleich zu 2 dieser Typ von poröser Struktur allgemein keine gerichteten, ausgerichteten oder orientierten Merkmale in der Struktur ähnlich der Struktur von 2. Auch sind die Poren 38 in allgemein kugelförmigen und/oder ellipsenartigen Formen geformt, die miteinander verbunden sein können, um einen gewundeneren Pfad durch die Dicke der Separatorschicht 34 zu bilden, als es mit der Struktur von 2 typisch ist. Jedoch kann dem Nassprozess vor oder nach der Lösemittelextraktion ein Dehnungsschritt hinzugefügt werden, um die Poren 38 zu orientieren, die durchschnittliche Porengröße zu erhöhen und/oder die Gesamtporosität in dem Film zu erhöhen. Da sich die Bildung dieses Typs von Struktur nicht darauf verlässt, dass Polymerkristalle in einer lamellaren Struktur orientiert sind, um die Bildung der Poren 38 zu unterstützen, können entweder halbkristalline Polymere, amorphe Polymere oder Mischungen oder Copolymere daraus mit dem beispielhaften Nassprozess verwendet werden.
Die Trockendehnungs- und Nassprozesse, die oben zusammenfassend beschrieben wurden, können dazu verwendet werden, allgemein gleichförmige poröse Strukturen in einer Separatorschicht 34 zu bilden, wie denen, die in den 2 und 3 gezeigt sind. Eine bestimmte poröse Struktur kann durch verschiedene Variablen gekennzeichnet sein, einschließlich zumindest ihrer Porosität und ihrer durchschnittlichen Porengröße. Die Porosität kann als der Volumenprozentsatz des Materials definiert sein, der durch Hohlräume oder Poren besetzt ist. Beispielsweise können typische Porositäten für Separatorschichten 34 im Bereich von 20–90% liegen, was bedeutet, dass einige Separatorschichten 34 ein oder mehrere Gebiete aufweisen können, deren Gesamtvolumen irgendwo zwischen 10–80% aus Polymermatrix 36 zusammengesetzt ist und deren Gesamtvolumen zu 20–90% aus Poren 38 zusammengesetzt ist. Üblicherweise kann die Porosität einer typischen Separatorschicht 34, die unter Verwendung der obigen Prozesse erzeugt wird, im Bereich von 30–60% liegen und liegt am gängigsten zwischen 40–50%. Eine durchschnittliche Porengröße kann für einen Abschnitt einer Separatorschicht 34 als die durchschnittlichen Querschnittsabmessungen der Poren 38 in der Matrix 36 definiert sein. Bei den meisten Anwendungen kann eine durchschnittliche Porengröße von kleiner als 1 μm erwünscht sein, die beispielsweise im Bereich von 0,01 bis 1,0 μm liegt. Jedoch kann die durchschnittliche Porengröße im Bereich von bis zu 5 μm bei einigen Anwendungen liegen. Die Separatorschicht 34 kann auch durch eine Schichtdicke gekennzeichnet sein, die, wenn sie in ihren endgültigen Gebrauchszustand und ihre endgültigen Gebrauchsabmessungen geformt ist, allgemein gleichförmig ist. Die Dicke der Separatorschicht 34 liegt typischerweise im Bereich zwischen etwa 15 bis 30 μm, insbesondere, wenn der Separator 18 aus einer einzelnen Separatorschicht 34 zusammengesetzt ist. Die Gesamtdicke des Separators 18 kann im Bereich von etwa 50 μm liegen, die eine einzelne Separatorschicht 34 oder mehrere Separatorschichten 34 aufweisen kann, die die Gesamtdicke ausmachen. Die Separatorschichten 34 können Dicken von so niedrig wie etwa 10 μm bei einigen Hochenergiedichteanwendungen besitzen, jedoch kann es sein, dass ein gewisser Betrag an Festigkeit und Haltbarkeit der Schicht mit geringeren Dicken geopfert wird. Eine Ausführungsform eines Separators 18 umfasst eine einzelne Separatorschicht 34 mit einer Dicke im Bereich von etwa 20 bis 30 μm und bevorzugt etwa 25 μm.
Weiter mit 4 ist ein beispielhafter Prozess 40 zur Erzeugung von Separatorschichten ausführlich beschrieben. Insbesondere kann der beispielhafte Prozess 40 von 4 dazu verwendet werden, Separatorschichten mit einer variablen Porosität zu erzeugen. Der Begriff ”variable Porosität”, wie hier verwendet ist, gibt an, dass die Porosität und/oder die durchschnittliche Porengröße in der Separatorschicht von einem Gebiet zu einem anderen variieren kann. Ein beispielhafter Prozess 40 weist allgemein die Prozessschritte auf aus: Formen eines polymerhaltigen Filmes mit einer nicht gleichförmigen Dicke (Schritt 42); Erzeugen einer gleichförmigen Verteilung von Porenorten in dem Film (Schritt 44); und Umformen des Filmes in eine gleichförmige Dicke, um die variable Porosität zu erreichen (Schritt 46). Der Prozess 40 kann in Verbindung mit den vorher beschriebenen Trockendehnungs- oder Nassprozessen detaillierter beschrieben werden.
Bei einem beispielhaften Trocknungsprozess enthält Schritt 42 allgemein ein Formen eines polymerhaltigen Filmes mit einer ungleichförmigen Dicke. Dieser Schritt umfasst bevorzugt einen Extrusionsschritt, bei dem die gewünschte Separatorschichtpolymerzusammensetzung unter Verwendung eines herkömmlichen Filmextrusionsprozesses schmelzextrudiert wird. Bezug nehmend auf 5 kann ein Film, wie Film 34', über den Extrusionsprozess hergestellt werden und umfasst bevorzugt ein halbkristallines Polymer, wie ein auf Polyolefin basierendes Material. Das auf Polyolefin basierende Material kann ein beliebiges Olefinmaterial oder eine Kombination von Materialien umfassen, einschließlich Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) (und beliebige seiner Variationen, wie beispielsweise HDPE, LDPE, LLDPE oder UHMWPE), ungesättigte Polyolefine wie gewisse Olefinelastomere und/oder Mischungen und/oder Copolymere daraus. Andere halbkristalline Materialien können extrudiert werden, um den Film 34' zu bilden, wie Polyoxymethylen (POM), isotaktisches Poly(4-Methyl-1-penten) oder andere. In einigen Fällen können nicht mischbare Gemische von Polymeren verwendet werden, wenn zumindest ein Polymer in dem Gemisch kristalline Gebiete bilden kann, wie PE-PP-, Polystyrol-PP- und PET-PP- oder PBT-PP-Gemische. Bei einer Ausführungsform können optional keramische oder andere Typen von Partikelfüllstoffen, wie Siliziumdioxid, Aluminiumdioxid, Kalziumcarbonat und Titanoxid, die Partikelgrößen von weniger als 10 μm aufweisen, in dem Polymer enthalten sein, um eine Verbesserung der mechanischen und elektrochemischen Leistungsfähigkeit der resultierenden Separatorschichten zu unterstützen. Wenn enthalten, kann eine derartige Füllstoffbeladung irgendwo zwischen 1 Gewichts-% und 90 Gewichts-% liegen.
5 zeigt einen vergrößerten Querschnitt (nicht maßstabsgetreu) über die Breite eines beispielhaften Films, der eine ungleichförmige Dicke aufweist, gemäß einer Ausführungsform. Der Film 34' kann durch Schneiden oder ein anderes geeignetes Mittel aus einem langen oder kontinuierlichen Film erhalten werden, der durch einen Extrusionsprozess erzeugt wird, wobei die Breite des Filmes in einer Richtung quer zu der Extrusionsrichtung liegt. Alternativ dazu kann der lange oder kontinuierliche Film den anschließenden Prozessen ausgesetzt werden, um eine variable Porosität über seine Breite einzuführen, und kann anschließend in einer elektrochemischen Zelle verwendet werden, wie um aufeinander folgende Elektroden in der Zelle gewunden ist, wie vorher beschrieben wurde. Der Querschnitt des Filmes 34' umfasst ein erstes und zweites Ende 30' und 32' entlang seiner Breite, die den gegenüberliegenden breitenartigen Rändern der Extrusion entsprechen. Wie gezeigt ist, kann das zweite Ende 32' eine Dicke besitzen, die größer als die des ersten Endes 30' ist, wobei der Abschnitt zwischen dem ersten und zweiten Ende eine kontinuierlich variierende Dicke besitzt. Bei dieser Ausführungsform ist der Dickengradient zwischen dem ersten und zweiten Ende 30' und 32' konstant oder linear, jedoch sind andere Dickengradienten möglich. Die Dicke des Filmes 34' kann im Bereich zwischen etwa 40 bis 100 μm an sowohl dem ersten als auch zweiten Ende 30' und 32' liegen. Beispielsweise kann das erste Ende 30' etwa 50 μm dick sein, während das zweite Ende 32' etwa 55 μm dick sein kann. Anders gesagt kann das zweite Ende 32' eine Dicke von etwa 10% größer als der Dicke des ersten Endes 30' besitzen. Noch anders gesagt kann die Differenz der Dicke von dem ersten Ende 30' zu dem zweiten Ende 32' im Bereich von etwa 4 bis 60 μm liegen. Selbstverständlich können abhängig von den gewünschten Abmessungen der endgültigen Separatorschicht 34 andere ungleichförmige Filmdicken erzeugt werden. Eine derartige ungleichförmige Dicke kann durch Extrudieren des Filmes durch eine Extrusionsmatrize erzeugt werden, die eine ungleichförmige Öffnung besitzt. Der Fachmann erkennt selbstverständlich, dass andere Techniken verwendet werden können, um einen polymerhaltigen Film zu erzeugen, und einige dieser Techniken können modifiziert werden, um einen Film mit einer ungleichförmigen Dicke zu erzeugen, und dass dieser Prozess nicht auf Extrusion begrenzt ist. Beispielsweise kann eine Polymerlösung auf ein Substrat unter Verwendung eines Streichprozesses aufgetragen werden, und das Lösemittel kann anschließend verdampft werden, um einen Polymerfilm zurückzulassen. Wenn die Lösung in einigen Abschnitten des Substrats dicker als in anderen aufgetragen wird, kann der resultierende Film eine ungleichförmige Dicke besitzen.
Weiter einen beispielhaften Trocknungsprozess als ein Beispiel des Prozesses 40 beschreibend enthält der Schritt 44 allgemein das Erzeugen einer gleichförmigen Verteilung von Porenorten in dem Film. Dieser Schritt umfasst bevorzugt einen Glüh- bzw. Temperschritt, wodurch der Film 34', der bevorzugt Polymermaterialien enthält, die kristalline Gebiete in dem Film bilden können, erhitzt wird, um die Gesamtkristallinität in dem Film zu erhöhen, wobei bevorzugt eine kristalline lamellaren Struktur in dem Film gebildet wird, wie vorher beschrieben wurde. Ein typischer Temperschritt für auf Polyolefin basierende Materialien kann im Bereich von 120–140°C abhängig von der Zusammensetzung liegen (beispielsweise geringere Temperaturen für PE-Materialien und höhere Temperaturen für PP-Materialien). Die Grenzen zwischen den einzelnen kristallinen lamellaren Gebieten in dem Film 34' werden somit die Porenorte in dem Film, wo eine oder mehrere Poren in nachfolgenden Schritten des Prozesses geformt werden können. Der Temperschritt bewirkt neben einer Erhöhung des Niveaus an Kristallinität in dem Film 34' auch, dass die kristallinen Gebiete und daher die Porenorte gleichförmiger in dem Film verteilt sind. Der Temperschritt kann stattfinden, während der Film sich immer noch in der kontinuierlichen Form als eine Extrusion befindet, oder er kann ausgeführt werden, nachdem der Film 34' von dem extrudierten Film erhalten ist.
Schritt 46 eines beispielhaften Trockenprozesses gemäß dem Prozess 40 umfasst allgemein das Umformen des Filmes in eine gleichförmige Dicke, wodurch eine variable Porosität in der fertig gestellten Separatorschicht 34 erreicht wird, wie in 5 gezeigt ist. Dieser Schritt umfasst zumindest zwei separate Schritte bei dieser Ausführungsform: 1) variables Erhitzen des Filmes 34'; und 2) Dehnen des Filmes 34' in der Querrichtung. Der variable Erhitzungsschritt ist schematisch in 5 gezeigt. Eine Wärmequelle 50 kann derart angeordnet werden, dass verschiedene Abschnitte des Films 34' auf verschiedene Temperaturen erhitzt werden. Beispielsweise kann, wie gezeigt ist, die Wärmequelle 30 näher an dem zweiten Ende 32' als an dem ersten Ende 30' angeordnet werden. Mit einer derartigen Anordnung wird ermöglicht, dass die Temperatur des zweiten Endes 32' schneller als in dem ersten Ende 30' steigt, so dass eine Temperaturverteilung über die Breite des Filmes 34' vorliegt, die entlang der Breite des Filmes 34' von dem ersten Ende 30' zu dem zweiten Ende 32' im Bereich von niedrig nach hoch liegt. Mit anderen Worten variiert die Temperatur des Filmes über seine Breite mit seiner Dicke, wobei Gebiete mit höherer Dicke auf höhere Temperaturen erhitzt werden, als Gebiete mit geringerer Dicke. Selbstverständlich sind andere Heizanordnungen möglich, wie einzelne Heizquellen, die entlang der Breite des Filmes 34' an verschiedenen Distanzen von dem Film 34' angeordnet sind, oder einzelne Heizgebiete, die unter gleichem Abstand von dem Film 34' beabstandet sind, wobei jedes Heizgebiet ein anderes Niveau an Heizung bereitstellt. Bei einer anderen Ausführungsform können Heizquellen enthalten sein, die den Film 34' von oben, wie gezeigt ist, und von unten erhitzen.
Die Aufgabe der variablen Heizung besteht darin, zu ermöglichen, dass der Film ein Temperaturprofil entlang seiner Breite erreicht, so dass in dem nachfolgenden Dehnungsschritt die endgültige Dicke der Separatorschicht 34 gleichförmig ist. Die geeignete Temperaturverteilung variiert abhängig von verschiedenen Faktoren, wie dem Typ von Materialien in dem Film 34' und den verschiedenen Dicken des Filmes. Die Temperaturen von dem ersten Ende 30' zu dem zweiten Ende 32' können beispielsweise zwischen etwa 70–140°C mit olefinbasierten Materialien liegen. Wiederum unter Verwendung polyolefinbasierter Materialien als ein Beispiel können Temperaturen im Bereich von etwa 70–100°C ausreichend sein, um Poren an den Porenorten während des nachfolgenden Dehnungsschritts zu erzeugen, während Temperaturen im Bereich von 110–140°C größere Poren während des nachfolgenden Dehnungsschritts und zusammen mit den größeren Poren eine höhere Gesamtporosität erzeugen können. Somit kann ein beispielhaftes Temperaturprofil über die Breite des Filmes 34' eine Temperatur zwischen etwa 70–100°C nahe dem ersten Ende 30' und eine Temperatur von etwa 100–140°C nahe dem zweiten Ende 32' mit einem graduellen Gradienten zwischen den beiden Enden aufweisen.
Nachdem das gewünschte Temperaturprofil erreicht ist, kann der Dehnungsschritt gemäß bekannten Techniken ausgeführt werden. Die Richtung des Dehnens umfasst zumindest eine Komponente in der Querrichtung oder über die Breite des Filmes 34', wie in 5 gezeigt ist. Das Dehnen kann in der Querrichtung unidirektional sein oder es kann eine zusätzliche Komponente oder Komponenten in der Extrusionsrichtung (in oder aus der Seite in 5) und/oder in anderen Richtungen aufweisen. Obwohl der Dehnungsschritt gemäß bekannten Techniken erreicht werden kann, ist die Ausführung dieses Schrittes, während der Film 34' auf ein variables Temperaturprofil über die Breite des Filmes 34' erhitzt wird, keine bisher bekannte Technik. Durch Dehnen des Filmes 34', der ein zweites Ende, das eine größere Dicke als das erste Ende besitzt, und ein Temperaturprofil aufweist, bei dem das zweite Ende sich bei einer höheren Temperatur als das erste Ende befindet, kann in derselben allgemeinen Richtung wie die Dicken- und Temperaturgradienten eine Separatorschicht 34 erzeugt werden, die eine gleichförmige Dicke aufweist. Die Separatorschicht 34 kann der gedehnte Film 34' sein oder sie kann aus dem gedehnten Film 34' erhalten werden; d. h. der Film 34' nach dem Dehnen kann geschnitten, zugeschnitten oder anderweitig modifiziert werden, um eine einzelne Separatorschicht 34 zu erhalten, deren Form komplementär zu der der Elektroden der elektrochemischen Zelle, in der sie verwendet wird, ist. Die resultierende Separatorschicht 34, die gemäß diesem beispielhaften Verfahren erzeugt wird, umfasst auch eine variable Porosität entlang ihrer Länge (der Breite des Filmes 34', aus dem sie hergestellt ist), von dem Anschlussende 30 zu dem gegenüberliegenden Ende 32. Genauer ist die resultierende Porosität und/oder Porengröße an dem gegenüberliegenden Ende 32 größer als an dem Anschlussende 30. Die variable Porosität resultiert sogar, wenn der Film 34' vor dem Dehnungsschritt eine gleichförmige Dicke besitzt, obwohl er dann in einer endgültigen Separatorschicht 34 mit ihrer gleichförmigen Dicke resultieren kann. Die ungleichförmige Dicke des Filmes 34' ist vorgesehen, um dem größeren Niveau einer Ausdünnung des Filmes entgegenzuwirken, die während des Dehnungsschritts nahe dem Ende des Filmes, der sich bei einer höheren Temperatur befindet, stattfindet.
Die resultierende variable Porosität ist zumindest teilweise auf die Dehnung des Filmes 34' zurückzuführen, während er auf das variable Temperaturprofil erhitzt wird, wie oben beschrieben ist. Aufgrund der höheren Temperatur an dem zweiten Ende 32' als an dem ersten Ende 30' und aufgrund der typischen Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls der polymerbasierten Materialien sind Abschnitte des Films 34', die sich näher an dem zweiten Ende 32' befinden, einem höheren Verformungsniveau ausgesetzt, als Abschnitte des Filmes 34', die sich näher an dem ersten Ende 30' befinden. Somit sind die Poren, die an den Porenorten erzeugt werden, nahe dem ersten Ende des Filmes (entsprechend dem Anschlussende der Separatorschicht) kleiner, als sie nahe dem zweiten Ende des Filmes (entsprechend dem gegenüberliegenden Ende der Separatorschicht) sind. Gleichermaßen ist die resultierende Porosität nahe dem zweiten (gegenüberliegenden) Ende geringer als nahe dem ersten (Anschluss-)Ende. Beispielsweise kann bei einer beispielhaften Ausführungsform die resultierende Porosität nahe dem Anschlussende 30 der Separatorschicht 34 im Bereich von 20–60% liegen, und die resultierende Porosität nahe dem gegenüberliegenden Ende 32 kann zwischen 40–90% liegen. Genauer liegt die Porosität nahe dem Anschlussende 30 im Bereich von 30–50%, und die Porosität nahe dem gegenüberliegenden Ende 32 liegt im Bereich von 40–60%. Bei einer Ausführungsform besitzt die Separatorschicht 34 eine allmählich zunehmende Porosität von dem Anschlussende 30 zu dem gegenüberliegenden Ende 32, wobei die Porosität nahe dem Anschlussende zumindest 20% beträgt und die Porosität nahe dem gegenüberliegenden Ende zumindest 30% beträgt. Bei einer noch weiteren Ausführungsform beträgt die Differenz zwischen der Porosität nahe dem Anschlussende und der Porosität nahe dem entgegengesetzten Ende zumindest 10% Porosität. Bevorzugte Porengrößen sind kleiner als 1 μm an beiden Enden der resultierenden Separatorschicht, sind jedoch nahe dem gegenüberliegenden Ende 32 größer, als sie an dem Anschlussende 30 sind, bei einer Ausführungsform zumindest 10% größer. Bei einer anderen Ausführungsform sind die durchschnittlichen Porengrößen nahe dem Anschlussende 30 kleiner als 1 μm, und die durchschnittlichen Porengrößen nahe dem gegenüberliegenden Ende 32 sind größer als 1 μm. Bei einer noch weiteren Ausführungsform besitzt die Separatorschicht 34 eine allmählich zunehmende Porengröße von dem Anschlussende 30 zu dem gegenüberliegenden Ende 32, wobei die durchschnittliche Porengröße nahe dem Anschlussende kleiner als 1 μm ist und die durchschnittliche Porengröße nahe dem gegenüberliegenden Ende zumindest 10% größer als die Porengröße an dem Anschlussende ist. Selbstverständlich können abhängig von der jeweiligen Anwendung Prozessvariablen eingestellt werden, um Porengrößen und Porositäten außerhalb dieser Bereiche zu erhalten.
Separatorschichten 34 mit variabler Porosität, wie sie durch diesen oder andere beispielhafte Prozesse erzeugt werden können, können helfen, die potentiell unerwünschten Wirkungen, die vorher beschrieben wurden, zu lindern, die durch ungleichförmige Stromdichten innerhalb elektrochemischer Batteriezellen bewirkt werden können. Derartige Separatorschichten mit variabler Porosität können helfen, diese potentiell unerwünschten Effekte dadurch zu lindern, dass die Beseitigung der tatsächlichen Ursache der Effekte unterstützt wird; nämlich die ungleichförmige Stromdichte entlang einer gegebenen Elektrode und innerhalb ihrer entsprechenden Batteriezelle oder -zellen. Beispielsweise können die Separatoren 18 in 1 so aufgebaut sein, dass sie Separatorschichten 34 umfassen, die gemäß dem oben beschriebenen Prozess hergestellt sind. Derartige Separatoren können zwischen den Elektroden 14, 16 der beispielhaften Batterie 10 angeordnet sein. Da das Anschlussende 30 jedes Separators eine geringere Porosität besitzt, als sein entsprechendes gegenüberliegendes Ende 32, ist die resultierende Stromverteilung in den Zellen, während sich die Batterie 10 in Betrieb befindet, gleichförmiger. Diese gleichförmigere Stromverteilung ist auf den Abschnitt mit höherer Porosität des Separators 18 nahe dem unteren Teil der Batterie 10 zurückzuführen, der ein höheres Niveau an Ionentransport zwischen Elektroden zulässt, während der Abschnitt mit geringerer Porosität des Separators 18 nahe dem Oberteil der Batterie 10 beschränkender für den Ionentransport zwischen Elektroden ist, wodurch die Tendenz ausgeglichen wird, dass die oberen Abschnitte der Elektroden aufgrund ihrer Nähe zu den gemeinsamen Anschlüssen 22, 26 einer höheren Stromdichte ausgesetzt sind. Eine gleichförmige Verteilung der Stromdichte innerhalb der Batteriezellen vermeidet somit die ungleichförmigen Temperaturverteilungen innerhalb der Batteriezellen und den ungleichmäßigen oder bevorzugten Gebrauch und Zyklusverlauf gewisser Abschnitte der Elektroden gegenüber anderen.
Zusätzlich zu dem beispielhaften Trockenprozess, der bereits zur Herstellung von Separatorschichten mit variabler Porosität beschrieben wurde, kann auch ein beispielhafter Nassprozess innerhalb des Rahmens des Prozesses 40 von 4 beschrieben werden. Bei Schritt 42 eines beispielhaften Nassprozesses ist ein bestimmter polymerhaltiger Film mit einer ungleichförmigen Dicke ein gelartiger Film, der auf eine ähnliche Weise wie der Film geformt werden kann, wie vorher mit dem beispielhaften Trockenprozess beschrieben ist, da er einen Extrusionsschritt umfasst. Jedoch umfasst anstatt einer herkömmlichen Schmelzextrusion dieser Extrusionsschritt bevorzugt die Extrusion einer gelartigen Polymerlösung, die das gewünschte Polymer oder Polymergemisch, ein Lösemittel und andere Additive enthält, die erhitzt und in ein homogenes Gemisch oder eine homogene Lösung gemischt worden sind. Ein typisches Lösemittel zum Gebrauch bei diesem Extrusionstyp kann Paraffinöl oder ein anderes geeignetes Öl aufweisen, das mit dem gewählten Polymer in einer Menge im Bereich von 5–80 Gewichts-% mischbar ist, wobei das Polymer in einer Menge von 20–95% vorhanden ist. Wie bei dem Trockenprozess kann ein bevorzugtes Polymer olefinbasierte Materialien umfassen, wobei jedoch andere halbkristalline und/oder amorphe Materialien mit diesem Prozess kompatibel sind, solange das Lösemittel so gewählt ist, dass es mit dem Polymer oder den Polymeren mischbar ist. Die ungleichförmige Dicke kann auf eine ähnliche Weise wie mit Schmelzextrusion hergestellt werden; d. h. durch Extrusionsmatrizenkonfiguration. Der resultierende Film kann auch dieselben Abmessungen besitzen, wie unter Bezugnahme auf den beispielhaften Trockenprozess beschrieben ist, obwohl in gelartigen Filmen mit sehr hohem Lösemittelgehalt größere Dicken erwünscht sein können, da ein Großteil der Masse des Films während der anschließenden Prozessschritte entfernt werden kann.
Bei einer weiteren Beschreibung eines beispielhaften Nassprozesses umfasst der Schritt 44 allgemein die Erzeugung einer gleichförmigen Verteilung von Porenorten in dem Film. Dieser Schritt des Nassprozesses umfasst bevorzugt einen Lösemittelextraktionsprozess, bei dem der gelartige Film 34' einem flüchtigen Lösemittel, wie Methylenchlorid, ausgesetzt wird, um das Paraffinöl und Additive von dem Film zu extrahieren, wobei ein poröses Polymer zurückbleibt. Dieser Lösemittelextraktionsschritt kann durch bekannte Techniken ausgeführt werden, und es können andere Lösemittel verwendet werden, solange das Paraffinöl (oder ein anderes gewähltes Polymergel bildendes Lösemittel) leicht in dem Lösemittel lösbar ist und das Polymer nicht. Die Porenorte und bei diesem beispielhaften Prozess die Poren werden dadurch in einer Polymermatrix durch die Hohlräume gebildet, die erzeugt werden, wenn das Paraffinöl extrahiert wird. Aufgrund der homogenen Beschaffenheit des gelartigen Filmes ist die Porenverteilung in der resultierenden Schicht aus porösem Film eine gleichförmige Verteilung.
Schritt 46 eines beispielhaften Nassprozesses gemäß dem Prozess 40 um fasst allgemein das Umformen des Filmes auf eine gleichförmige Dicke auf eine Weise, die im Wesentlichen ähnlich dem Umformschritt ist, der bereits in Bezug auf den beispielhaften Trockenprozess beschrieben ist; d. h. er umfasst bevorzugt das Erhitzen des Filmes 34' auf ein bestimmtes Temperaturprofil über seine Breite und Dehnen des Filmes 34', um eine gleichförmige Dicke und eine variable Porosität zu erhalten. Bei einer anderen Ausführungsform des Nassprozesses können die Schritte 44 und 46 umgekehrt werden. Beispielsweise kann der gelartige Film, der eine ungleichförmige Dicke besitzt, auf ein bestimmtes Temperaturprofil über seine Breite erhitzt und gedehnt werden, um eine gleichförmige Dicke vor dem Lösemittelextraktionsschritt zu erhalten, um eine variable Porosität in dem Film zu erhalten.
Selbstverständlich sind die oben beschriebenen Nass- und Trockenprozesse nur beispielhaft und können abhängig von der gewünschten endgültigen Separatorschichtkonfiguration und -struktur zusätzliche Prozessschritte aufweisen, gewisse Schritte weglassen und/oder modifizierte Schritte aufweisen. Beispielsweise kann unter Bezugnahme auf den Trockendehnungsprozess bevorzugt ein zusätzlicher Dehnungsschritt vor dem Schritt zum Umformen des Films in eine gleichförmige Dicke eingeschlossen werden. Eine derartige zusätzliche Dehnung kann in der Extrusionsrichtung des Films 34' vorgesehen werden, um die Poren an den Porenorten vor Erhitzen des Filmes auf das gewünschte Temperaturprofil und Dehnen in der Querrichtung anfänglich zu öffnen. Gleichermaßen kann ein zusätzlicher Dehnungsschritt entweder vor oder nach dem Schritt der Lösemittelextraktion in dem Nassprozess eingeschlossen werden, insbesondere wenn halbkristalline Polymere verwendet werden, um die Gesamtporosität und/oder Porengröße des Filmes 34' zu erhöhen, bevor dieser in eine gleichförmige Dicke umgeformt wird. Beispielsweise kann es bevorzugt sein, zusätzliche Dehnungsschritte in sowohl der Extrusionsrichtung als auch der Querrichtung nach dem Lösemittelextraktionsschritt aufzunehmen, um die Gesamtporengröße in dem Film auf eine anwendbarere Größe vor der Umformung des Filmes in eine gleichförmige Dicke und einem Bewirken der variablen Porosität zu erhöhen. Bei einer anderen Variation der oben dargestellten Prozesse kann ein Entspannungsschritt nach den Erhitzungs- und Dehnungsschritten eingeschlossen werden. Der Entspannungsschritt kann ähnlich dem Temperschritt sein, der vorher zur Verwendung bei dem Trockenprozess beschrieben ist, da er ein Erhitzen der resultierenden Separatorschicht auf eine Temperatur aufweisen kann, die ausreichend ist, um Spannungen in dem Film zu entlasten, die durch den vorhergehenden Dehnungsschritt oder die vorhergehenden Dehnungsschritte bewirkt worden sein können.
Bei zusätzlichen Variationen kann der Polymerfilm 34', der durch beide der beschriebenen Extrusionsprozesse erzeugt ist, eine ungleichförmige Dicke besitzen, die anders als die ist, die in 5 gezeigt ist. Beispielsweise können beide Enden des Filmes 34' dickere oder dünnere Abschnitte als einen Mittelabschnitt des Filmes aufweisen. Entsprechende mehrere dickere Abschnitte können beispielsweise selektiv auf höhere Temperaturen vor einem Dehnen erhitzt werden, um mehrere Gebiete mit höherer Porosität zu bilden, als in dem Rest der resultierenden Separatorschicht.
Somit kann die Porosität in einer Separatorschicht, insbesondere entlang ihrer Länge von ihrem Anschlussende zu ihrem gegenüberliegenden Ende, selektiv gesteuert werden.
Derartige polymerbasierte Filme mit einer steuerbaren variablen Porosität können zusätzlich andere Anwendungen in der Batterietechnik finden und sind sicherlich nicht zur Verwendung als Batterieseparatorschichten beschränkt, da eine gesteuerte Porosität für andere Batterieanwendungen neben einer Steuerung des Ionentransports zwischen Elektroden nützlich sein kann. Filme mit steuerbarer variabler Porosität können sogar nützliche Anwendungen außerhalb der Batterietechnik finden, wie beispielsweise in Brennstoffzellen oder in Fluidfiltrationsanwendungen.
Während bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung als Erläuterungen beschrieben worden sind, sind diese Erläuterungen nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.

Claims

Elektrochemische Zelle, umfassend: eine positive Elektrode mit einer Form in der Draufsicht; eine negative Elektrode mit einer Form, die komplementär zu der Form der positiven Elektrode ist, wobei sowohl die positive als auch negative Elektrode einen elektrischen Kontakt besitzen; und einen dünnen Polymerseparator mit einer Form, die komplementär zu den Formen der positiven und negativen Elektrode ist und der zwischen diesen angeordnet ist, wobei der Separator in Flächenkontakt mit jeder der Elektroden steht und eine offene poröse Struktur besitzt, die mit einer Elektrolytlösung gefüllt ist, um den Fluss von Ionen in der Zelle von einer Elektrode durch den Separator zu der anderen Elektrode zuzulassen, wobei die poröse Struktur Poren aufweist, die so bemessen und angeordnet sind, dass ein höherer Ionenstromfluss durch den Separator an Stellen zugelassen wird, die von den elektrischen Kontakten an den Elektroden entfernt sind, um so den Ionenstromfluss durch den Separator über den gesamten Flächenbereich des Separators gleichförmiger zu verteilen.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei der Separator ein Anschlussende, das nahe dem elektrischen Kontakt jeder Elektrode angeordnet ist, und ein gegenüberliegendes Ende aufweist, das von dem elektrischen Kontakt jeder Elektrode beabstandet ist, und die poröse Struktur eine Porosität und/oder eine durchschnittliche Porengröße an dem Anschlussende des Separators aufweist, die kleiner als eine jeweilige Porosität und/oder durchschnittliche Porengröße an dem gegenüberliegenden Ende des Separators ist.
Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei zumindest einige der Poren eine schlitzförmige Form besitzen.
Verfahren zur Herstellung eines dünnen Polymerseparators mit einer offenen porösen Struktur, der, wenn er zwischen und in Flächenkontakt mit einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode in einer elektrochemischen Zelle angeordnet und mit einer Elektrolytlösung gefüllt ist, den Fluss von Ionen in der Zelle von einer Elektrode durch den Separator zu der anderen Elektrode zulässt, wobei jede Elektrode eine Form in der Draufsicht und einen elektrischen Kontakt besitzt, wobei das Verfahren umfasst: a) Extrudieren eines kontinuierlichen polymerhaltigen Filmes in einer Extrusionsrichtung, wobei die Breite des kontinuierlichen Filmes quer zu der Extrusionsrichtung orientiert ist, wobei ein Querschnitt über die Breite des kontinuierlichen Filmes ein erstes Ende, das einem Rand des kontinuierlichen Filmes entspricht, und ein zweites Ende aufweist, das einem gegenüberliegenden Rand des kontinuierlichen Filmes entspricht, wobei der kontinuierliche Film eine Dicke besitzt, die von dem ersten Ende allmählich zu dem zweiten Ende zunimmt; b) Erzeugen einer gleichförmigen Verteilung von Porenorten über den polymerhaltigen Film; c) Umformen des polymerhaltigen Filmes in eine gleichförmige Dicke, wodurch die offene poröse Struktur in den Film eingeführt wird, wobei die poröse Struktur eine variable Porosität besitzt; und d) Erhalten des dünnen Polymerseparators aus dem Film in einer Form, die zu den Formen der positiven und negativen Elektroden komplementär ist, so dass die poröse Struktur Poren aufweist, die bemessen sind und in der Zelle angeordnet werden können, um einen höheren Ionenstromfluss durch den Separator an Stellen zuzulassen, die von den elektrischen Kontakten an den Elektroden entfernt sind, um so einen Ionenstromfluss durch den Separator über den gesamten Flächenbereich des Separators gleichförmiger zu verteilen.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei Schritt c) den Schritt zum dehnen des polymerhaltigen Filmes in einer Richtung, die eine Komponente in der Richtung der Breite des Filmes aufweist, und ein Erhitzen des polymerhaltigen Filmes auf ein ungleichförmiges Temperaturprofil umfasst, so dass die Temperatur des Filmes über seine Breite mit seiner Dicke variiert, so dass Gebiete mit höherer Dicke auf höhere Temperaturen erhitzt werden, als Gebiete mit geringerer Dicke, und der Schritt zum Erhitzen vor dem Schritt zum Dehnen ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, ferner mit einem zusätzlichen Dehnungsschritt vor dem Schritt zum Erhitzen und nach Schritt b), wodurch die Porosität durch den Film erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, wobei der polymerhaltige Film von Schritt a) ein Polymer umfasst, das in der Lage ist, kristalline Gebiete in dem Film zu bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4–7, wobei Schritt b) ein Tempern des polymerhaltigen Filmes umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4–8, wobei der polymerhaltige Film von Schritt a) ein gelartiger Film ist, der ein Polymer und ein Lösemittel umfasst, das mit dem Polymer mischbar ist, und wobei Schritt b) das Extrahieren des Lösemittels von dem gelartigen Film unter Verwendung eines flüchtigen Lösemittels umfasst, wobei das flüchtige Lösemittel mit dem Lösemittel mischbar ist und das Polymer nicht mit dem flüchtigen Lösemittel löslich ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4–9, wobei das Polymer ein Polymer auf Olefinbasis ist und das Lösemittel Paraffinöl ist.