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GEBIET
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Die vorliegende Offenlegung bezieht sich auf Verfahren zum Aufbringen von nicht leitfähigen Oxid-Keramik-Beschichtungen auf Lithium-Ionen-Batterie-Separatoren.
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HINTERGRUND
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Die hierin bereitgestellte Hintergrundbeschreibung dient dazu, den Kontext der Offenlegung allgemein darzustellen. Die Arbeit der gegenständlich genannten Erfinder, soweit sie in diesem Hintergrundabschnitt beschrieben ist, wie auch Aspekte der Beschreibung, die zum Zeitpunkt der Einreichung sonst möglicherweise nicht als Stand der Technik bezeichnet werden können, sind weder ausdrücklich noch stillschweigend als Stand der Technik gegen die vorliegende Offenlegung zugelassen.
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Die Wahl von Batteriematerialien umfasst Überlegungen wie den gewünschten Leistungsausgang für die und die Größenbeschränkungen der die Batterie enthaltenden speziellen Vorrichtung. Bei wiederaufladbaren Batterien werden auch die Kapazität und die Entladungsrate oder die Rate, mit der die Batterie eine elektrische Ladung empfängt und liefert, berücksichtigt. In Elektrofahrzeugen oder anderen Hochleistungsanwendungen sind sowohl die Kapazität als auch die Entladungsleistung die Hauptprioritäten wegen des erweiterten Bereiches und der hohen Lade- als auch Entladeraten, welche diese Anwendungen erfordern.
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In Lithium-Ionen-Batterien wird Energie durch eine Diffusion von Lithium-Ionen in die Batterie-Komponenten, wie durch den Separator innerhalb der Batterie moduliert, zugeführt. Da Automobilanwendungen unterschiedliche Energiespeicher- und Energieleistungsanforderungen aufweisen, die von der Art des Fahrzeugs, der Beschleunigung und/oder den Leistungsanforderungen abhängig sind, variiert die Rate der Diffusion oder des Entziehens von Lithium-Ionen während des Betriebs des Fahrzeuges. Dies verändert die Lastanforderung und -beanspruchung auf dem Separator.
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Es können z. B. Partikel, die von den Elektroden während des Auflade- und Entladevorganges entfernt werden, Verschleiß und schließlich ein Durchstoßen des Separators verursachen. Ferner können während eines Hochtemperatur-Betriebes der Batterie bestimmte polymere Separatoren durch Schmelzschrumpfung beeinträchtigt werden, was Kurzschlüsse zwischen der Anode und der Kathode zur Folge haben kann. Es wurden verschiedene Ausgleichsmaßnahmen gesetzt, um diese Probleme zu verhindern, wie z. B. des Modifizieren des Separators, das Erhöhen der Dicke des Separators, das aufwendige und kostspielige Beschichten des Separators oder die Vergrößerung der Größe der Komponenten der Batterien. Allerdings weisen alle diese Ausgleichsmaßnahmen Schwächen auf.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Dieser Abschnitt stellt eine allgemeine Zusammenfassung der Offenlegung bereit und ist keine umfassende Offenlegung ihres vollen Schutzumfanges oder aller ihrer Merkmale.
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In verschiedenen Ausführungsformen sind Verfahren zur Herstellung eines Separators für eine Lithium-Ionen-Batterie vorgesehen. Ein polymeres Substrat für den Separator wird in einem flüchtigen Lösungsmittel angeordnet. Es wird eine metallorganische Verbindung mit dem flüchtigen Lösungsmittel gemischt. Das polymere Substrat wird mit einer Metalloxidkomponente der metallorganischen Verbindung beschichtet.
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In weiteren Ausführungsformen sind einstufige Beschichtungsprozesse zum Aufbringen einer keramischen Beschichtung auf einem polymeren Separator für eine Lithium-Ionen-Batterie vorgesehen. Der polymere Separator wird in einer Lösung aus einem flüchtigen organischen Lösungsmittel und einer metallorganischen Verbindung angeordnet. Wenn das flüchtige organische Lösungsmittel von dem polymeren Separator bei Raumtemperatur und in weniger als 1 Minute verdampft, haftet eine reaktive Metalloxidkomponente der metallorganischen Verbindung an dem Separator.
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In noch weiteren Ausführungsformen sind Verfahren zur Herstellung eines polymeren Separators für eine Lithium-Ionen-Batterie vorgesehen. Ein polymeres Substrat für den Separator wird in einem flüchtigen Lösungsmittel angeordnet. Ein Metallalkoholat wird mit dem flüchtigen Lösungsmittel gemischt. Das flüchtige Lösungsmittel wird durch schlagartiges Verdampfen unter Umgebungsbedingungen entfernt. Das polymere Substrat wird in weniger als etwa 10 Sekunden mit einer Metalloxidkomponente des Metallalkoholats beschichtet, um eine Beschichtung mit einer Dicke von etwa 1 bis etwa 3 Mikrometer vorzusehen.
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Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hierin bereitgestellten Beschreibung offensichtlich. Die Beschreibung und spezifische Beispiele in dieser Zusammenfassung sind nur für Illustrationszwecke vorgesehen und sollen den Schutzumfang der vorliegenden Offenlegung nicht einschränken.
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ZEICHNUNGEN
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Die hierin beschriebenen Zeichnungen sind nur für ausgewählte Ausführungsformen und nicht für alle möglichen Implementierungen illustrativ und sollen den Schutzumfang der vorliegenden Offenlegung nicht einschränken.
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1 zeigt eine gewöhnliche Batterie in Übereinstimmung mit verschiedenen Aspekten der vorliegenden Lehre;
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2 zeigt eine Rasterelektronenmikroskop(REM)-Aufnahme eines polymeren Separators mit keramischen Materialien in den Poren in Übereinstimmung mit verschiedenen Aspekten der vorliegenden Lehre;
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3 zeigt einen zerbrochenen polymeren Separator mit einer keramischen Beschichtung in Übereinstimmung mit verschiedenen Aspekten der vorliegenden Lehre; und
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4 zeigt eine Vielzahl von keramischen Anhäufungen auf einem polymeren Separator in Übereinstimmung mit verschiedenen Aspekten der vorliegenden Lehre.
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Entsprechende Bezugsziffern bezeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die nachfolgende Beschreibung ist rein beispielhaft und soll die Offenlegung, ihre Anwendung oder Verwendungen keinesfalls einschränken. Zum besseren Verständnis werden in den Zeichnungen dieselben Bezugsziffern verwendet, um ähnliche Elemente zu bezeichnen. Wie hierin verwendet, ist die Phrase zumindest eines von A, B und C so auszulegen, dass damit eine Logik (A oder B oder C) gemeint ist, die ein nicht ausschließendes logisches „oder” verwendet. Es sollte einzusehen sein, dass Schritte innerhalb eines Verfahrens in verschiedener Reihenfolge ausgeführt werden können, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenlegung zu verändern.
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Räumlich bezogene Ausdrücke wie „innere/r/s”, „äußere/r/s”, „unterhalb”, „unter”, „untere/r/s”, „über”, „obere/r/s” und dergleichen, können hierin zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder eines Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen, wie in den Fig. veranschaulicht, zu beschreiben. Räumlich bezogene Ausdrücke können verschiedene Orientierungen der Vorrichtung im Gebrauch oder Betrieb zusätzlich zu der in den Fig. dargestellten Orientierung umfassen. Wenn die Vorrichtung in den Fig. z. B. umgedreht wird, würden Elemente, die als „unter” oder „unterhalb” von anderen Elementen oder Merkmalen beschrieben wurden, dann „über” den anderen Elementen oder Merkmalen orientiert sein. Somit kann der Beispielausdruck „unter” sowohl eine Orientierung von über als auch von unter umfassen. Die Vorrichtung kann auch anders (um 90 Grad gedreht oder in anderen Orientierungen) orientiert sein und die hierin verwendeten räumlich bezogenen beschreibenden Ausdrücke werden entsprechend interpretiert.
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Auch bezeichnen die Ausdrücke „erste/r/s”, „zweite/r/s” und dergleichen, wie hierin verwendet, keinerlei Reihenfolge oder Bedeutung, sondern werden vielmehr dazu verwendet, ein Element von einem anderen zu unterscheiden, und die Ausdrücke „der”, „die”, „das”, „ein”, „eine”, „einer”, „eines” und „einen” bedeuten keine Einschränkung der Menge, sondern bezeichnen vielmehr das Vorhandensein zumindest eines der genannten Elemente. Des Weiteren verstehen sich alle hierin offenbarten Bereiche einschließlich der Endpunkte und sind einzeln kombinierbar.
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Die umfassenden Lehren der Offenlegung kann in einer Vielfalt von Formen ausgeführt werden. Daher soll, während diese Offenlegung spezielle Beispiele umfasst, der wahre Schutzumfang der Offenlegung nicht in dieser Weise begrenzt sein, da für den geübten Fachmann nach einem Studium der Zeichnungen, der Patentbeschreibung und der nachfolgenden Ansprüche weitere Abwandlungen offensichtlich werden.
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Die vorliegenden Lehren bezieht sich auf Verfahren zum Aufbringen nicht leitfähiger Oxid-Keramik-Beschichtungen auf Komponenten von Lithium-Ionen-Batterien. Wie hierin später im Detail ausgeführt, sorgt die nicht leitende Keramik für Durchstoßfestigkeit, eine entsprechende Zugfestigkeit, Formbeständigkeit, Ritz- und Verschleißbeständigkeit, Beständigkeit gegen thermische Schrumpfung während des Betriebs der Batterie und eine verbesserte Elektrolytbenetzung und Porenfüllung für einen verbesserten Batterie-Zyklusbetrieb. Der Klarheit halber wird eine allgemeine Beschreibung einer gewöhnlichen Batterie 100 bereitgestellt, gefolgt von spezifischen Informationen über die in der vorliegenden Lehre verwendeten Verfahren.
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Eine Batterie 100 ist allgemein in 1 dargestellt. Die Batterie 100 umfasst die Anode 102, eine Kathode 104, einen Separator 106 und einen Elektrolyt. Während die Batterie 100 in 1 eine vereinfachte Veranschaulichung ist, umfassen exemplarische Batteriesysteme, die zur Verwendung in der vorliegenden Lehre geeignet sind, Batterien auf Lithiumbasis, Batterien auf Siliziumbasis, Batterien auf Magnesiumbasis, Batterien auf Calciumbasis, Lithium-Schwefel-Systeme und Lithium-Luft-Systeme.
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Die vorliegenden Lehren bezieht sich insbesondere auf den Separator 106 und Verfahren zur Herstellung. Im Allgemeinen hält der Separator 106 die Anode 102 und die Kathode 104 elektrisch voneinander isoliert, während er die Ionenleitfähigkeit in der Batterie 100 aufrechterhält. Deshalb ist der Separator 106 auch als ein „Isolator” bekannt. Der Separator 106 ist ein dünnes, poröses, isolierendes Material, das durchlässig für Ionen ist, gute mechanische Festigkeit zeigt und Langzeitstabilität in der Extremtemperatur- und chemischen Umgebung der Batterie 100 aufweist. Der Separator 106 ist in verschiedenen Aspekten insofern dynamisch, als er der Bewegung der ganzen Batterie 100 oder benachbarter Komponenten innerhalb der Batterie 100, z. B. jeglichen Änderungen in den Auflade- und Entladezyklen, folgt.
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Die Separatoren 106 der vorliegenden Lehre umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Vliesmaterialien oder poröse polymere Filme. Wenn der Separator 106 ein Vliesmaterial ist, ist der Separator 106 aus einem Blatt, einem Gewebe oder einer Matte oder zufällig ausgerichteten Fasern, die mit einem geeigneten Mittel aneinander fixiert sind, hergestellt. Die Materialien umfassen ein einziges Polyolefin oder eine Kombination von Polyolefinen wie z. B. Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidenfluorid (PVdF) und Polyvinylchlorid (PVC). Mit Bezug auf Separatoren 106, die aus porösen polymeren Folien hergestellt sind, werden Polyolefine als Substrat verwendet.
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Exemplarische Polymere umfassen Polyethylen, Polypropylen, Polymethylpenten und Verbundstoffe oder Schichtstoffsysteme aus denselben.
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Es liegen noch weitere Separatoren 106 innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Lehren. Es sind beispielsweise Ionenaustauschmembranen für den Einsatz in der vorliegenden Lehre geeignet. Diese sind aus Materialien auf Polyethylen-, Polypropylen- oder Polytetrafluorethylen(PTFE)-Basis hergestellt. Auch getragene Flüssigmembranen sind als Separator 106 geeignet, die als nicht einschränkende Beispiele aus Polymeren wie z. B. Polypropylen, Polysulfon, Polytetrafluorethylen und Celluloseacetat und Kombinationen davon gebildet sind. Ferner sind Polymerelektrolytmembranen (PEM) einschließlich Polyethylenoxid oder Polypropylenoxid auch als Separator 106 brauchbar. Es werden auch Festkörper-Ionenleiter verwendet, die aus anorganischen Materialien hergestellt sind und die undurchlässige Sperren für Gase und Flüssigkeiten darstellen. Eine vollständige Abhandlung über Separatoren findet sich in „Battery Separators" von Pankaj Arora und Zhengming Zhang, wie in Chem. Rev. 2004, 104, 4419–4462 veröffentlicht, die hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
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Die Anforderungen der jeweiligen Batterie 100 können es erforderlich machen, dass der Separator 106 in dem dynamischen System reagiert und dass er den Stromkreis in der Batterie 100 im Falle eines Unfalls oder übermäßiger Wärme unterbricht. Wenn die Temperatur innerhalb der Batterie 100 zu stark ansteigt, kann/können der ganze Separator 106 oder Teile desselben schmelzen und die einwandfreie Wanderung von Ionen durch den Separator 106 hindurch blockieren. Falls die Temperatur die Schmelztemperatur der Separator 106-Materialien erreicht oder überschreitet, kann daher der ganze Separator 106 schmelzen und einen inneren Kurzschluss über einen großen Bereich zulassen. Dies kann zu einer Zerstörung der Batterie 100 führen. Die Verfahren der vorliegenden Offenlegung beseitigen diese und andere Probleme in Verbindung mit schützenden Separatoren 106.
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Die Separatoren 106 sind in verschiedenen Aspekten der vorliegenden Lehreflexibel oder starr. Die Dicke der Separatoren 106 variiert auf der Basis der Größe der Batterie 100 in die er eingebaut ist, und die spezielle Anwendung der Batterie 100. In ausgewählten Aspekten weist der Separator 106 eine Dicke von mehr als etwa 1 bis weniger als etwa 100 Mikrometer einschließlich aller Teilbereiche auf.
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Die Porosität des Separators 106 variiert in Übereinstimmung mit Aspekten der vorliegenden Lehre. In einigen Aspekten ist die Porosität größer als oder gleich 50%, beispielsweise etwa 50% bis 99%, einschließlich aller Teilbereiche. In noch weiteren Aspekten liegt die Porosität zwischen gleich etwa 10% bis weniger als oder gleich etwa 50% einschließlich aller Teilbereiche. Es ist einzusehen, dass sich die Porosität auf die Größe des Porenvolumens in Bezug auf das Volumen eines Substrats mit der gleichen Form und Größe, welches keine Hohlräume aufweist, bezieht. In ausgewählten Aspekten der vorliegenden Lehre ist die Porosität des Separators 106 einheitlich und in anderen Aspekten der vorliegenden Lehre zufällig oder uneinheitlich.
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In verschiedenen Aspekten sieht die vorliegende Lehre Verfahren für die Herstellung eines Separators 106 für eine Lithium-Ionen-Batterie vor. Zuerst ist eine allgemeine Beschreibung des Verfahrens vorgesehen, gefolgt von spezifischen Informationen über den Prozess. Ein polymeres Substrat für den Separator 106 wird, entweder durch vollständiges oder teilweises Eintauchen in einer Lösung aus einem flüchtigen Lösungsmittel und einer metallorganischen Verbindung angeordnet. Die metallorganische Verbindung wird in dem flüchtigen Lösungsmittel gemischt (vollständig oder teilweise suspendiert, gelöst, und/oder dispergiert). Das polymere Substrat wird in dem flüchtigen Lösungsmittel angeordnet. Wenn das Lösungsmittel schlagartig verdampft oder verdampft, wird eine Metalloxidkomponente der metallorganischen Verbindung auf das polymere Substrat des Separators 106 beschichtet.
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Geeignete flüchtige Lösungsmittel umfassen jene, die einen niedrigen Siedepunkt aufweisen. Wie hierin verwendet, bezieht sich ein niedriger Siedepunkt auf Lösungsmittel mit einem Siedepunkt von weniger als etwa 150 Grad C. Ein Lösungsmittel mit einem niedrigen Siedepunkt könnte z. B. einen Siedepunkt von etwa 150 Grad C, 130 Grad C, 80 Grad C, 60 Grad C, 50 Grad C, 35 Grad C, 25 Grad C und alle Teilbereiche aufweisen. In verschiedenen Aspekten der vorliegenden Lehre wird das flüchtige Lösungsmittel so gewählt, dass die hierin im Detail ausgeführten Verfahren bei Raumtemperatur oder etwas über oder unter Raumtemperatur, beispielsweise bei etwa 20 Grad C bis etwa 35 Grad C, durchgeführt werden können. Ferner sind diese flüchtigen Lösungsmittel in Übereinstimmung mit verschiedenen Aspekten der vorliegenden Lehre wasserfrei.
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Das flüchtige Lösungsmittel wird so gewählt, dass die hierin im Detail ausgeführten Verfahren bei Umgebungsdruck durchgeführt werden. Durch Ausführen der hierin oben stehend im Detail ausgeführten Verfahren nahe Raumtemperatur und auch bei Umgebungsdruck, ist das Beschichten der Separatoren vereinfacht und die Notwendigkeit einer kostspieligen Ausrüstung zur Bereitstellung der/des entsprechenden Wärme und Drucks ist eliminiert. Dies spart Zeit und den Aufwand, während die Leistung der Batterie 100, in welcher der Separator 106 eingebaut ist, optimiert wird.
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Lösungsmittel mit einem niedrigen Siedepunkt umfassen beispielsweise solche, wie Alkylenhalogenide, Alkylketone, Alkohole, Ether, Ester und Mischungen daraus. Spezifische Beispiele für geeignete Lösungsmittel umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Hexan und Hexan-Isomere, Aceton, Benzol, Acetonitril, Tetrachlorkohlenstoff, Cyclohexan, Cyclopentan, Dichlormethan, Diethylether, Ethanol, Ethylacetat, Ethylether, Ethylendichlorid, Methanol, Methylenchlorid, Methyl-tert-butylether, Trichlorethan, Pentan, Petrolether, Propanol, Tetrahydrofuran und dergleichen. In verschiedenen Aspekten ist Hexan oder ein Hexan-Isomer für die Verfahren der vorliegenden Lehre geeignet.
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Geeignete metallorganische Verbindungen umfassen Metallalkoholate. Exemplarische Alkoholate umfassen Methylate, Ethylate, Propanolate, Butanolate, Pentanolate und Phenolate. In verschiedenen Aspekten wird die metallorganische Verbindung in einer beliebigen geeigneten Form, einschließlich eines Blocks, einer Flüssigkeit, von Spänen, eines Pulvers und Kombinationen aus diesen, jedoch nicht darauf beschränkt, vorgesehen. Späne oder Pulver sind brauchbar, da sie verglichen mit einem größeren Block eine größere Oberfläche für die Exposition gegenüber dem flüchtigen Lösungsmittel bereitstellen. Es sind jedoch alle Formen der metallorganischen Verbindung zur Verwendung in der vorliegenden Lehre geeignet. Ein Fachmann auf dem Gebiet wird einsehen, dass die Kombination aus dem Lösungsmittel und der jeweiligen metallorganischen Verbindung zu dem Umfang des Lösens oder Suspendierens der metallorganischen Verbindung beiträgt.
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Die metallorganischen Verbindungen sind die Vorläufer für die Metalloxidkomponente, die auf den Separator 106 beschichtet wird. In Bezug auf Metallalkoholate umfassen die Metallalkoholate eine Alkylgruppe, die an der Metalloxidkomponente angebracht ist. Beispielhafte Metalloxide umfassen Aluminiumoxid, Zirconiumoxid, Siliziumoxid, Calciumoxid, Magnesiumoxid, Titanoxid, Tantaloxid und Kombinationen daraus. Auch andere Metalloxide sind innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Lehre eingeschlossen. Als ein Beispiel und unter Bezugnahme auf die 2–4 ist Titanisopropanolat in verschiedenen Aspekten als der Vorläufer verwendet, um eine aus Titanoxid bestehende keramische 150 Beschichtung auf dem Separator 106 bereitzustellen.
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In verschiedenen Aspekten bedeckt die nicht leitende keramische Beschichtung den gesamten Separator 106. Mit Bezugnahme auf 2 werden in ausgewählten Funktionen die nicht leitenden Keramik 150-Partikel auf einem Abschnitt des Inneren der Poren 152 des Separators 106 aufgebracht, wo der Separator 106 porös oder teilweise porös ist. In noch anderen Funktionen ist die nicht leitende Keramik 150 als eine Schicht über dem Separator 106 aufgebracht, wie in 3 gezeigt. Eine Kombination aus Keramik 150 in Teilchenform innerhalb der Poren 152, die das Separator 106-Substrat in Schichtform überlagert, liegt innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Lehre.
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Die resultierende Keramik 150, ob in Teilchen- oder Schichtform, weist eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 0,001 Mikrometer bis weniger als oder gleich etwa 5 Mikrometer einschließlich aller Teilbereiche auf. In verschiedenen Aspekten beträgt die Dicke der Keramik 150 oder weniger als 3 Mikrometer einschließlich aller Teilbereiche. Die Dicke sollte so gewählt sein, dass sie den Betrieb des Separators 106 nicht negativ beeinflusst oder eine unerwünschte Sprödigkeit des Separators 106 verursacht. Die Dicke der Keramik 150 wird wie unten im Detail angeführt verändert.
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Die Abscheidung der metallorganischen Verbindung wird mithilfe eines vereinfachten Prozesses erreicht. In verschiedenen Aspekten ist die Abscheidung ein einstufiger Prozess. Einstufig bezieht sich auf das Beschichten und die Entfernung des Lösungsmittels, was innerhalb eines Zeitraums von weniger als fünf Minuten ausgeführt wird, und wobei keine zusätzlichen Schritte notwendig sind, um die Keramik an dem Substrat zu fixieren. In solchen Prozessen wird eine reaktive metallorganische Verbindung in einem Lösungsmittel mit einem niedrigem Siedepunkt gelöst, um eine Lösung herzustellen, die 0,01 bis 2 Gewichtsprozent des Vorläufers einschließlich aller Teilbereiche enthält. In verschiedenen Aspekten enthält die Lösung von etwa 0,001 bis 5 Gewichtsprozent des Vorläufers einschließlich aller Teilbereiche. Die Dicke der Keramik 150 wird durch Variieren der Konzentration der metallorganischen Verbindung erhöht. Ferner wird die Dicke der Keramik 150 erhöht, indem der Separator 106 wiederholt aufeinanderfolgenden Behandlungen mit der Lösung aus dem flüchtigen Lösungsmittel und der metallorganischen Verbindung ausgesetzt wird. Es sollte einzusehen sein, dass aufeinanderfolgende Behandlungen mithilfe des einstufigen Prozesses noch immer insofern als einstufig innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Lehre betrachtet werden, als keine anschließende Nachbearbeitung erforderlich ist, um die Keramik an dem Substrat zu fixieren.
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Der Separator 106 wird in die den Vorläufer enthaltende Lösung oder Suspension eingetaucht, um den Separator 106 oder einen Bereich des Separators 106 zu beschichten. Eine dünne Schicht der reaktiven metallorganischen Verbindung, die in dem nicht-polaren Lösungsmittel gelöst oder suspendiert ist, wird in der Form eines Metalloxids auf das Substrat des Separators 106 beschichtet. Da die metallorganische Verbindung in dem Lösungsmittel mit einem niedrigen Siedepunkt gelöst oder suspendiert ist, verdampft das Lösungsmittel mit einem niedrigen Siedepunkt schnell, um die dünne, reaktive metallorganische Verbindung zurückzulassen, die mit Luft reagiert und einen geordneten Metalloxidfilm bereitstellt, der an dem Separator 106 haftet. Um z. B. ein Aluminiumoxid auf dem Separator 106 aufzubringen, wird ein Aluminiumalkoholat-Vorläufer in dem Lösungsmittel mit einem niedrigen Siedepunkt gelöst oder suspendiert. Nach dem Verdampfen des Lösungsmittels wird der Vorläufer Luft ausgesetzt und wird mit Feuchtigkeit in der Luft reagieren, um einen Aluminiumoxidfilm zu ergeben, der an dem Separator 106 haftet. Dies hat die Bildung der Keramik 150-Beschichtung auf dem Separator 106 zur Folge. Die Keramik 150-Beschichtung kann kontinuierlich über den gesamten Separator 106 hinweg sein oder sie kann diskontinuierlich sein. Exemplarische diskontinuierliche Beschichtungen umfassen gleichmäßig, ungleichmäßig oder zufällig verteilte Punkte, Linien, dicke Streifen oder Bänder oder eine beliebige andere regelmäßige geometrische Form oder freie Form, die von zumindest einer anderen Form auf dem Separator 106 beabstandet ist.
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Das flüchtige Lösungsmittel verdampft schlagartig oder verdampft schnell, sodass die Metalloxidverbindung auf das Substrat beschichtet wird. In verschiedenen Aspekten der vorliegenden Lehre findet das schlagartige Verdampfen in weniger als 5 Minuten, 2 Minuten, weniger als 1 Minute, weniger als 30 Sekunden oder weniger als 10 Sekunden einschließlich aller Teilbereiche statt. In noch anderen Aspekten der vorliegenden Lehre, findet das schlagartige Verdampfen in weniger als 1 Minute statt. Die kurzen Zeiten des schlagartigen Verdampfens gestatten es, die metallorganische Verbindung auf das Substrat zu beschichten. Die resultierende Keramik 150 weist eine Dicke von etwa 0,001 Mikrometer bis weniger als etwa 5 Mikrometer einschließlich aller Teilbereiche auf.
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In ausgewählten Aspekten ist die Keramikschicht eine Monoschicht. In anderen Aspekten wird eine Reihe von Schichten aus den gleichen oder unterschiedlichen keramischen Materialien in Übereinstimmung mit der vorliegenden Lehre aufgebracht, um eine Ansammlung von Keramik 150 zu bilden. Um die Ansammlung der Keramikschicht oder Keramikmaterialien zu erreichen, wird der Separator 106 wiederholt und nacheinander mit dem/den ausgewählten Metalloxid oder Metalloxiden beschichtet. Nach dem Aufbringen des ersten Metalloxids wird der Prozess mit einem nachfolgenden Metalloxid wiederholt, um die Nukleation der Keramik zu erhöhen. Dies führt schließlich zur Ausbildung von Anhäufungen 154, wie in 4 gezeigt.
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Bemerkenswerterweise sind, nachdem der Separator 106 mit der Keramik 150 beschichtet ist, keine zusätzlichen Herstellungsschritte erforderlich, bevor der polymere Separator 106 als ein nicht einschränkendes Beispiel in die Lithium-Ionen-Batterie eingebaut wird. In anderen Systemen gibt es zusätzliche Herstellungsschritte. Diese zusätzlichen Schritte sind aufwendig, kostspielig und sorgen für einen ineffizienten Prozess.
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Die vorliegende Lehre sieht effiziente und schnelle Verfahren vor, um den Separator 106 zu schützen und die Verhinderung eines physischen Kontakts zwischen den Elektroden zu erleichtern, während der Lithium-Ionen-Transport ermöglicht und eine Elektronenleitung verhindert wird. Durch das Beschichten der Separatoren 106 mit dem nicht leitenden Keramikoxid in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenlegung stellen die Separatoren 106 eine entsprechende mechanische Festigkeit (hohe Durchstoßfestigkeit durch die Ebene und Zugfestigkeit in der Ebene), Formbeständigkeit und Beständigkeit gegen thermische Schrumpfung während des Betriebs bereit. Die Keramikschicht ist nicht leitend und bietet die Vorteile verbesserter mechanischer Eigenschaften (Durchschlagfestigkeit sowie Ritz- und Verschleißfestigkeit), eines verbesserten Schrumpfwiderstandes infolge eines robusten Keramikrahmens und eine verbesserte Elektrolytbenetzung und Porenfüllung für einen verbesserten Batterie-Zyklusbetrieb.
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Das Vermögen, den Separator 106 sofort in die Batterie 100 einzubauen, wenn er mithilfe der hierin im Detail ausgeführten Verfahren hergestellt wird, steht mit anderen bekannten Anwendungstechniken, wie Abscheidetechniken aus der Gasphase oder Bedampfungstechniken unter Verwendung von Polymeren mit einem hohen Schmelzpunkt, um den Separator zu bilden, und/oder Beschichten der Oberfläche des Separators mit einem Keramikpulver wie auch organisch-anorganischen Verbundwerkstoffen, nicht zur Verfügung. Durch Verändern der Aufbringung der Keramikmaterialien mithilfe der vorliegenden einstufigen Technik werden die Nachteile des Anhaftens eines keramischen Pulvers an den Außenflächen eines Separators, die in anderen Anwendungsverfahren zu beobachtet sind, gemildert.
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Die vorhergende Beschreibung der Ausführungsformen wurde zum Zweck der Illustration und der Beschreibung bereitgestellt. Sie soll nicht erschöpfend sein oder den Offenlegungsgehalt einschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer speziellen Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese spezielle Ausführungsform beschränkt, sondern sind gegebenenfalls untereinander austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, selbst wenn dies nicht speziell gezeigt oder beschrieben ist. Diese können auch in vielfältiger Weise verändert werden. Solche Varianten sind nicht als Abweichung von der Offenlegung zu betrachten und alle derartigen Abwandlungen sollen innerhalb des Schutzumfanges der Offenlegung eingeschlossen sein.
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BEISPIELE
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Beispiel 1
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Titanisopropanolat wird in Hexan bei Raumtemperatur (25 Grad Celsius) gelöst. Das Titanisopropanolat ist in dem Hexan in einer Konzentration von 0,05 Gewichtsprozent (bezogen auf das Gesamtgewicht der Lösung) vorhanden. Ein Separator 106 wird in dem Titanisopropanolat und Hexan angeordnet. Der niedrige Siedepunkt des Hexans (ca. 36 Grad Celsius) bewirkt, dass es verdampft und eine dünne reaktive Verbindung des Titanisopropanolats zurücklässt, die mit feuchter Luft reagiert, um einen anhaftenden geordneten Titanoxidfilm auf dem Separator 106 herzustellen, wenn das Hexan nach einer Zeitspanne von weniger als zehn Sekunden unter Umgebungstemperatur- und Druckbedingungen verdampft.
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Die 2–4 zeigen einen in Übereinstimmung mit dem oben offenbarten Verfahren hergestellten Separator 106. Die Titanoxidpartikel 150 sind in den Poren 152 des Separators 106 (wie am besten in 2 gezeigt) und auch über die Oberfläche des Separators 106 hinweg (wie am besten in 3 gezeigt) angeordnet. Wendet man sich 3 zu, scheint die Separator 106-Oberfläche mit einer quasi-kontinuierlichen Schicht beschichtet zu sein. Die Titanoxid-Keramik 150 bildet die nicht leitende und schützende Keramikschicht auf dem Separator.
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4 zeigt eine Rasterelektronenmikroskop-Nahaufnahme eines in Übereinstimmung mit den oben offenbarten Verfahren hergestellten Separators 106. Der Prozess zum Beschichten des Separators 106 mit dem Titanisopropanolat wird wiederholt, bis die Keramik 150 in Teilchenform infolge von Nukleation Anhäufungen 154 unterschiedlicher Größe erzeugt. Die Anhäufungen 154 stellen einen verschlungenen Weg bereit, über den das Lithium wandert, während ein Durchstoßen des Separators 106 verhindert wird.
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Beispiel 2
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Es wird eine Suspension aus dem Titanisopropanolat und Hexan hergestellt, sodass das Titanisopropanolat zu 0,1 Gewichtsprozent (bezogen auf das Gesamtgewicht der Lösung) vorhanden ist. Ein Separator 106 wird der Lösung ausgesetzt und das Hexan verdampft wie oben stehend im Detail ausgeführt. Die resultierende Keramik 150 auf dem Separator 106 weist eine Dicke auf, die infolge der erhöhten Konzentration des Vorläufers das Doppelte des in Beispiel 1 hergestellten Separators 106 ausmacht.
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Beispiel 3
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Aluminiummethylat wird in Hexan bei Raumtemperatur (25 Grad Celsius) gelöst. Das Aluminiummethylat ist in dem Hexan in einer Konzentration von 1,5 Gewichtsprozent (bezogen auf das Gesamtgewicht der Lösung) vorhanden. Ein Separator 106 wird in dem Aluminiummethylat und Hexan angeordnet. Der niedrige Siedepunkt des Hexans (ca. 36 Grad Celsius) bewirkt, dass es verdampft und eine dünne reaktive Verbindung des Aluminiummethylats zurücklässt, die mit feuchter Luft reagiert, um einen anhaftenden geordneten Aluminiumoxidfilm auf dem Separator 106 herzustellen, wenn das Hexan nach einer Zeitspanne von weniger als zehn Sekunden unter Umgebungstemperatur- und Druckbedingungen verdampft.
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Der Prozess wird viermal hintereinander wiederholt. Der beschichtete Separator 106 weist eine Ansammlung von Anhäufungen 154 innerhalb der Poren 152 des Separators 106 auf und eine kontinuierliche Schicht aus der Keramik 150 bedeckt den Separator 106 infolge des Aufbaus aufeinanderfolgender Schichten.
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Die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Lehre und den Beispielen 1–3 hergestellten Separatoren 106 weisen eine verbesserte Haltbarkeit auf. Die Separatoren 106 verhindern ein Durchstoßen des Separators 106 durch Partikel, die während des Auflade- und Entladevorganges wie auch während der Batterieherstellung in den Raum zwischen den Elektroden eindringen. Mit den in Übereinstimmung mit den Beispielen hergestellten Separatoren 106 wird auch den Folgen einer Schmelzschrumpfung des polymeren Materials in dem Separator bei hohen Temperaturen wie auch harter Kurzschlüsse zwischen der positiven und der negativen Elektrode entgegengewirkt. Die Keramikmaterialien sorgen für eine verbesserte Benetzung durch Aufsaugen des Elektrolyten aus der Keramik 150 über den Separator 106 hinweg und erhöhen somit den Durchsatz während der Batterieherstellung infolge der verkürzten Zeit zum Füllen mit der Elektrode. Ferner ermöglicht die verbesserte Benetzung ein/e verbesserte/s Entladungsleistung oder schnelleres Aufladen und Entladen für die Batterie.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Battery Separators” von Pankaj Arora und Zhengming Zhang, wie in Chem. Rev. 2004, 104, 4419–4462 [0026]
