DE102018132553A1

DE102018132553A1 - Verfahren zur herstellung von thermisch stabilen verbundseparatoren für lithium-batterien

Info

Publication number: DE102018132553A1
Application number: DE102018132553.3A
Authority: DE
Inventors: Xiaosong Huang; Hamid G. Kia
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-12-19
Filing date: 2018-12-17
Publication date: 2019-06-19
Also published as: CN109935758A; US10680222B2; CN109935758B; US20190189985A1

Abstract

Es ist ein thermisch stabiler Verbundseparator für eine elektrochemische Zelle vorgesehen, die Lithium-Ionen zyklisiert, zusammen mit Verfahren zur Herstellung des Verbundseparators. Das Verfahren beinhaltet das Kontaktieren eines oder mehrerer Oberflächenbereiche eines beschichteten Substrats mit einem Koagulationsmittel. Das beschichtete Substrat beinhaltet ein isolierendes poröses Substrat und mindestens eine nicht-poröse Polymerschicht, die ein Polymer, ein oder mehrere Nanopartikel, ein oder mehrere Submikronpartikel und ein Lösungsmittel beinhaltet. Durch das Kontaktieren des beschichteten Substrats mit dem Koagulationsmedium wird das Lösungsmittel entfernt, wodurch das Polymer ausgefällt und mindestens eine im Wesentlichen gleichmäßige poröse Polymerschicht anstelle der mindestens einen nicht-porösen Polymerschicht gebildet wird. Das Koagulationsmedium weist eine Viskosität auf, die höher ist als die des Lösungsmittels und ein Löslichkeitsparameterabstand zwischen dem Polymer und dem Koagulationsmedium ist kleiner als der zwischen dem Polymer und Wasser.

Description

EINLEITUNG
Dieser Abschnitt sieht Hintergrundinformationen in Bezug auf die vorliegende Offenbarung vor, bei denen es sich nicht notwendigerweise um den Stand der Technik handelt.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung von thermisch stabilen Verbundseparatoren für elektrochemische Zellen. Die Verfahren beinhalten das Kontaktieren eines oder mehrerer Oberflächenbereiche eines isolierenden porösen Substrats, das mindestens eine nicht-poröse Beschichtung aufweist, mit einem Koagulierungsmedium, um mindestens eine im Wesentlichen gleichmäßige poröse Polymerbeschichtung auf dem isolierenden porösen Substrat zu bilden. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auch auf thermisch stabile Verbundseparatoren, die auf der Grundlage dieser Prozesse hergestellt werden.
Vor diesem Hintergrund können elektrochemische Zellen mit hoher Energiedichte, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien und Lithium-Schwefel-Batterien, in einer Vielzahl von Verbraucherprodukten und Fahrzeugen, wie beispielsweise Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEV) und Elektrofahrzeugen (EV), verwendet werden. Typische Lithium-Ionen-, und Lithium-Schwefel-Batterien umfassen eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, ein Elektrolytmaterial und einen Separator. Eine Elektrode dient als positive Elektrode oder Kathode und die andere dient als negative Elektrode oder Anode. Oft ist ein Stapel von Lithium-Ionen-Batteriezellen elektrisch miteinander verbunden, um die Gesamtleistung zu erhöhen. Herkömmliche wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien und Lithium-Schwefel-Batterien arbeiten durch umkehrbares Hin- und Herleiten von Lithium-Ionen zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode und wieder zurück. Ein elektrisch isolierender Separator und ein Elektrolyt sind zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode angeordnet. Der Elektrolyt ist für die Leitung von Lithium-Ionen geeignet und kann in fester (z. B. Festkörperdiffusion) oder flüssiger Form vorliegen. Beim Laden der Batterie bewegen sich Lithium-Ionen aus einer Kathode (positive Elektrode) zu einer Anode (negative Elektrode) und beim Entladen der Batterie in der entgegengesetzten Richtung.
Viele verschiedene Materialien können zur Herstellung von Komponenten für eine Lithium-Ionen-Batterie verwendet werden. Als nicht einschränkendes Beispiel umfassen Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien typischerweise ein elektroaktives Material, das mit Lithium-Ionen interkaliert oder legiert werden kann, wie beispielsweise LithiumÜbergangsmetalloxide oder Mischoxide vom Spinell-Typ, zum Beispiel mit Spinell LiMn₂O₄, LiCoO₂, LiNiO₂, LiMn_1,5Ni_0,5O₄, LiNi_(1-x-y)Co_xM_yO₂ (wobei 0<x<1, y<1 und M Al, Mn oder dergleichen sein können), oder Lithiumeisenphosphate. Der Elektrolyt enthält typischerweise ein oder mehrere Lithiumsalze, die in einem nichtwässrigen Lösungsmittel gelöst und ionisiert sein können. Gebräuchliche negative Elektrodenmaterialien beinhalten Lithium-Insertionsmaterialien oder Legierungswirtsmaterialien, wie Lithium-Graphit-Interkalationsverbindungen oder Lithium-Silizium-Verbindungen, Lithium-Zinn-Legierungen und Lithium-Titanat Li_4+xTi₅O₁₂, wobei 0 ≤ x ≤ 3, wie beispielsweise Li₄Ti₅O₁₂ (LTO). Die negative Elektrode kann auch einem lithiumhaltigen Material, wie beispielsweise metallischem Lithium bestehen, wodurch die elektrochemische Zelle als Lithium-Metall-Batterie oder -Zelle betrachtet wird.
Separatoren können im Nass- oder Trockenverfahren hergestellt werden, um isolierende Barrieren mit ausreichender Porosität zu bilden, sodass sich Ionen zwischen der ersten und zweiten Elektrode bewegen können. Der Prozess zum Herstellen von Poren in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterieseparatoren erfordert im Allgemeinen eine präzise Dehnung einer extrudierten Dünnschicht. Ein derartiger Prozess kann jedoch zeit- und kostenaufwendig sein, und die gebildeten Separatoren können anfällig für Wärmeschrumpfung sein, was das potenzielle Risiko eines Batteriekurzschlusses erhöht. Dementsprechend wäre es wünschenswert, einen Separator zu entwickeln, der mit einer erhöhten Produktionsrate aus Materialien mit einer verbesserten Porengleichmäßigkeit und guter thermischen Stabilität gebildet werden kann.
KURZDARSTELLUNG
Dieser Abschnitt sieht eine allgemeine Kurzdarstellung der Offenbarung vor und ist keine umfassende Offenbarung des vollständigen Schutzumfangs oder aller Merkmale.
In verschiedenen Aspekten bietet die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Bilden eines thermisch stabilen Verbundseparators für eine elektrochemische Zelle, die Lithium-Ionen zyklisiert. Das Verfahren kann das Kontaktieren eines oder mehrerer beschichteter Oberflächenbereiche eines porösen isolierenden Substrats mit einem Koagulationsmedium beinhalten. Die einen oder mehreren beschichteten Oberflächenbereiche können mindestens eine nicht-poröse Polymerschicht aufweisen. Die mindestens eine nicht-poröse Polymerschicht kann ein Polymer, ein oder mehrere teilchenförmige Additive und ein Lösungsmittel beinhalten. Das Kontaktieren der einen oder mehreren beschichteten Oberflächenbereiche des isolierenden Substrats mit dem Koagulationsmedium kann das Lösungsmittel der mindestens einen nicht-porösen Polymerschicht entfernen, um eine Ausfällung des Polymers und das Bilden von mindestens einer im Wesentlichen gleichmäßigen porösen Polymerschicht auf den einen oder mehreren beschichteten Oberflächenbereichen des porösen isolierenden Substrats zu bewirken, was zu einem thermisch stabilen Verbundseparator führt. Das Koagulationsmedium kann eine erste Viskosität (Pa-s) aufweisen, die größer ist als eine zweite Viskosität (Pa-s) des Lösungsmittels. Ferner kann ein Löslichkeitsparameterabstand zwischen dem Polymer und dem Koagulierungsmedium kleiner sein als ein Löslichkeitsparameterabstand zwischen dem Polymer und Wasser. Der gebildete, thermisch stabile Verbundseparator kann zum Entfernen von verbleibenden primären Lösungsmitteln und Koagulationsmedien gewaschen und anschließend getrocknet werden.
In einem Aspekt können das eine oder die mehreren teilchenförmigen Additive ausgewählt werden aus einem oder mehreren Nanopartikeln mit einem durchschnittlichen Durchmesser von weniger als 100 nm; einem oder mehreren Submikronpartikeln mit einem durchschnittlichen Durchmesser von mehr als oder gleich etwa 100 nm und weniger als oder gleich etwa 2 µm; sowie Kombinationen derselben.
In einem Aspekt kann das Polymer mindestens 200 wiederkehrende Einheiten beinhalten und ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: Aramidfasern, Polyamid, Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polysulfid, Polyimid (PI), Polyacryl, Polycarbonat und Kombinationen derselben; das eine oder die mehreren Nanopartikel und das eine oder die mehreren Submikronpartikel können Materialien beinhalten, die unabhängig ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumdioxid (SiO₂), Titandioxid (TiO₂), Calciumchlorid (CaCl₂), Metalloxide, Carboxide, Nitride, Titanate, Tone, Phosphate und Kombinationen derselben; und das Lösungsmittel kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), Dimethylformamid (DMF), Dimethylsulfoxid (DMSO), Dimethylacetamid (DMAc) und Kombinationen derselben.
In einem Aspekt kann das Lösungsmittel mehr als oder gleich etwa 2 Gew.- % bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.- % eines oder mehrerer Calciumchloride (CaCl₂) und Lithiumchloride (LiCl), gelöst in N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), beinhaltet.
In einem Aspekt kann die mindestens eine nicht-poröse Polymerschicht unter Verwendung einer Polymerbeschichtungslösung mit einer dritten Viskosität von mehr als oder gleich etwa 1 Pa-s und weniger als oder gleich etwa 80 Pa-s gebildet werden; und die mindestens eine nicht-poröse Polymerschicht kann durch Aufbringen der Polymerbeschichtungslösung über einen Abscheidungsprozess auf die einen oder mehreren Oberflächenbereiche des porösen isolierenden Substrats gebildet werden.
In einem Aspekt kann die mindestens eine nicht-poröse Polymerschicht eine vierte Viskosität größer als oder gleich etwa 0,1 Pa-s und weniger als oder gleich etwa 20 Pa-s aufweisen; und das beschichtete poröse isolierte Substrat kann gebildet werden, indem zuerst die mindestens eine nicht-poröse Polymerschicht auf ein Fördersystem aufgebracht und anschließend das isolierende poröse Substrat mit der mindestens einen festen Polymerschicht in Kontakt gebracht wird.
In einem Aspekt kann das Lösungsmittel ein primäres Lösungsmittel sein, und die Viskosität einer Polymerbeschichtungslösung, die zum Bilden der mindestens einen nicht-porösen Polymerschicht verwendet wird, kann durch Hinzufügen eines sekundären flüchtigen Lösungsmittels variiert werden; und das sekundäre flüchtige Lösungsmittel kann ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: Tetrahydrofuran (THF), Aceton, Acetonitril und Kombinationen derselben.
In einem Aspekt kann die mindestens eine nicht-poröse Polymerschicht mit einer Polymerbeschichtungslösung aufgebracht werden, die mehr als oder gleich etwa 3 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.-% des Polymers umfasst.
In einem Aspekt kann das isolierende poröse Substrat ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: Polyethylen (PET)-Fasern, Cellulosefasern, Glasfasern, Polyolefinfasern, Polyamidfasern und Kombinationen derselben.
In einem Aspekt kann das isolierende poröse Substrat ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: porösen Polyethylenmembranen, porösen Polypropylenmembranen und Kombinationen derselben.
In einem Aspekt kann das Koagulationsmedium Materialien umfassen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus: Ethylenglykol, Glycerin, Diethylenglykol und Kombinationen derselben.
In einem Aspekt kann das Koagulationsmedium eine Viskosität aufweisen, die größer als oder gleich etwa 200 % des primären Lösungsmittels ist, und der Löslichkeitsparameterabstand zwischen dem Polymer und dem Koagulationsmittel kann kleiner als oder gleich der Hälfte des Löslichkeitsparameterabstandes zwischen dem Polymer und Wasser sein.
In einer weiteren Variation bietet die vorliegende Offenbarung ein weiteres Verfahren zum Bilden eines thermisch stabilen Verbundseparators für eine elektrochemische Zelle, die Lithium-Ionen zyklisiert. Das Verfahren kann das Aufbringen mindestens einer nicht-porösen Polymerschicht über einen Abscheidungsprozess auf einen oder mehrere Oberflächenbereiche eines isolierenden porösen Substrats und das Kontaktieren der mindestens einen nicht-porösen Polymerschicht mit einem Koagulationsmedium beinhalten. Die mindestens eine nicht-poröse Polymerschicht kann ein Polymer, ein oder mehrere Nanopartikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von weniger als 100 nm, ein oder mehrere Submikronpartikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von mehr als oder gleich etwa 100 nm und weniger als oder gleich etwa 2 µm und ein Lösungsmittel mit einer Viskosität von mehr als oder gleich etwa 1 Pa-s und weniger als oder gleich etwa 80 Pa-s beinhalten. Durch das Kontaktieren mit dem Koagulationsmedium kann das primäre Lösungsmittel entfernt werden, sodass das Polymer ausgefällt wird, um mindestens eine im Wesentlichen gleichmäßige poröse Polymerschicht auf dem porösen Substrat anstelle der mindestens einen nicht-porösen Polymerschicht zu bilden. Das Koagulationsmedium kann eine Viskosität aufweisen, die größer als oder gleich etwa 200 % des primären Lösungsmittels ist, und ein Löslichkeitsparameterabstand zwischen dem Polymer und dem Koagulationsmittel kann kleiner als oder gleich der Hälfte des Löslichkeitsparameterabstandes zwischen dem Polymer und Wasser sein.
In einem Aspekt kann das Polymer ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: Aramidfasern, Polyamid, Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polysulfid, Polyimid (PI), Polyacryl, Polycarbonat und Kombinationen derselben; das eine oder die mehreren Nanopartikel und das eine oder die mehreren Submikronpartikel können Materialien beinhalten, die unabhängig ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumdioxid (SiO₂), Titandioxid (TiO₂), Calciumchlorid (CaCl₂), Metalloxide, Carboxide, Nitride, Titanate, Tone, Phosphate und Kombinationen derselben; und das Lösungsmittel kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), Dimethylformamid (DMF), Dimethylsulfoxid (DMSO), Dimethylacetamid (DMAc) und Kombinationen derselben.
In einem Aspekt kann das Koagulationsmittel ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: Ethylenglykol, Glycerin, Diethylenglykol und Kombinationen derselben.
In noch einer weiteren Variation bietet die vorliegende Offenbarung einen thermisch stabilen Separator für eine elektrochemische Zelle, die Lithium-Ionen zyklisiert. Der Separator kann in Blattform vorliegen und eine im Wesentlichen gleichmäßige poröse Polymerschicht mit einer Porosität von mehr als oder gleich etwa 20 % bis weniger als oder gleich etwa 90 % beinhalten. Die im Wesentlichen einheitlichen Poren der im Wesentlichen einheitlichen porösen Polymerschicht können einen durchschnittlichen Durchmesser von weniger als oder gleich etwa 2 µm aufweisen und können ein Polymer, ein oder mehrere Nanopartikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von weniger als 100 nm und ein oder mehrere Submikronpartikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von mehr als oder gleich etwa 100 nm und weniger als oder gleich etwa 2 µm beinhalten.
In einem Aspekt kann die Polymerbeschichtungslösung mehr als oder gleich etwa 3 Gew.- % bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.- % des Polymers beinhalten, und das Polymer kann ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: Aramidfasern, Polyamid, Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polysulfid, Polyimid (PI), Polyacryl, Polycarbonat und Kombinationen derselben.
In einem Aspekt können das eine oder die mehreren Nanopartikel und das eine oder die mehreren Submikronpartikel der Polymerbeschichtungslösung Materialien beinhalten, die unabhängig ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumdioxid (SiO₂), Titandioxid (TiO₂), Calciumchlorid (CaCl₂), Metalloxide, Carboxide, Nitride, Titanate, Tone, Phosphate und Kombinationen derselben.
In einem Aspekt kann die im Wesentlichen gleichmäßige poröse Polymerschicht aus einer Polymerbeschichtungslösung gebildet werden, umfassend das Polymer, die einen oder mehreren Nanopartikel, die einen oder mehreren Submikronpartikel, ein Lösungsmittel und ein Koagulationsmedium mit einer Viskosität, die größer oder gleich etwa 200 % der des primären Lösungsmittels ist. Das Lösungsmittel kann ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), Dimethylformamid (DMF), Dimethylsulfoxid (DMSO), Dimethylacetamid (DMAc) und Kombinationen derselben; und das Koagulationsmittel kann ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: Ethylenglykol, Glycerin, Diethylenglykol und Kombinationen derselben.
In einem Aspekt beinhaltet der Separator ferner eine isolierende poröse Substratschicht, die im Wesentlichen parallel zu der im Wesentlichen einheitlichen porösen Polymerschicht ist.
In einer Variation kann die im Wesentlichen gleichmäßige poröse Polymerschicht eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 40 µm aufweisen und die isolierende poröse Substratschicht kann eine Dicke von weniger als oder gleich etwa 25 nm aufweisen.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier dargebotenen Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen ausschließlich zur Veranschaulichung und sollen keinesfalls den Umfang der vorliegenden Offenbarung beschränken.
Figurenliste
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen ausschließlich der Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und stellen nicht die Gesamtheit der möglichen Realisierungen dar und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht beschränken.

1 ist eine schematische Darstellung einer exemplarischen elektrochemischen Batteriezelle mit einem Verbundseparator;
2 ist eine Mikroaufnahme, der einen Querschnitt eines Verbundseparators darstellt, der gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde;
3 ist eine Mikroaufnahme, die einen Querschnitt eines Verbundseparators gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellt; und
4 ist ein Flussdiagramm, das ein exemplarisches Verfahren zur Herstellung eines thermisch stabilen Verbundseparators für eine elektrochemische Zelle veranschaulicht, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung Lithium-Ionen zyklisiert.

Ähnliche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen bezeichnen ähnliche Teile.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es werden exemplarische Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenbarung gründlich ist und den Fachleuten deren Umfang vollständig vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, wie beispielsweise Beispiele für spezifische Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, beschrieben, um ein gründliches Verständnis von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu ermöglichen. Fachleute werden erkennen, dass spezifische Details möglicherweise nicht erforderlich sind, dass exemplarische Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden können und dass keine der Ausführungsformen dahingehend ausgelegt werden soll, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. In einigen exemplarischen Ausführungsformen sind wohlbekannte Verfahren, wohlbekannte Vorrichtungsstrukturen und wohlbekannte Techniken nicht ausführlich beschrieben.
Die hier verwendete Terminologie dient ausschließlich der Beschreibung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen und soll in keiner Weise einschränkend sein. Wie hierin verwendet, schließen die Singularformen „ein/eine“ und „der/die/das“ gegebenenfalls auch die Pluralformen ein, sofern der Kontext dies nicht klar ausschließt. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „beinhalteten“ und „aufweisen“ sind einschließend und geben daher das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Elemente, Zusammensetzungen, Schritte, ganzen Zahlen, Vorgänge, und/oder Komponenten an, schließen aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen von einer oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen hiervon aus. Obwohl der offen ausgelegte Begriff „umfasst“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der zum Beschreiben und Beanspruchen verschiedener, hierin dargelegter Ausführungsformen verwendet wird, kann der Begriff unter bestimmten Gesichtspunkten alternativ verstanden werden, etwa stattdessen ein mehr begrenzender und einschränkender Begriff zu sein, wie „bestehend aus“ oder „bestehend im Wesentlichen aus“. Somit beinhaltet jegliche Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganze Zahlen, Operationen, und/oder Verfahrensschritte aufführt, der vorliegenden Offenbarung ausdrücklich auch Ausführungsformen bestehend aus, oder bestehend im Wesentlichen aus, so aufgeführte Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Funktionen, Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte. Bei „bestehend aus“ schließt die alternative Ausführungsform jegliche zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, Zahlen, Operationen, und/oder Verfahrensschritte aus, während bei „bestehend im Wesentlichen aus“ jegliche zusätzliche Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die stoffschlüssig die grundlegenden und neuen Eigenschaften beeinträchtigen, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, jedoch jegliche Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganze Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die materialmäßig nicht die grundlegenden und neuen Eigenschaften beeinträchtigen, können in der Ausführungsform beinhaltet sein.
Alle hierin beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht dahingehend auszulegen, dass die beschriebene oder dargestellte Reihenfolge unbedingt erforderlich ist, sofern dies nicht spezifisch als Reihenfolge der Ausführung angegeben ist. Es sei außerdem darauf hingewiesen, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können, sofern nicht anders angegeben.
Wenn eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „an/auf“ „in Eingriff mit“, „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einer anderen Komponente bzw. einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, kann es/sie sich entweder direkt an/auf der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht befinden, damit in Eingriff stehen, damit verbunden oder damit gekoppelt sein oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn, im Gegensatz dazu, ein Element als „direkt an/auf“, „direkt im Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, können keine dazwischen liegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen verwendet werden, sind in gleicher Weise zu verstehen (z. B. „zwischen“ und „direkt zwischen“, „angrenzend“ und „direkt angrenzend“ etc.). Wie hier verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen aus einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hier verwendet werden können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollen diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Ausdrücke einschränkt werden. Diese Begriffe werden nur verwendet, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, einem anderen Element, einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erste“, „zweite“ und andere Zahlenbegriffe, wenn hierin verwendet, implizieren keine Sequenz oder Reihenfolge, es sei denn, durch den Kontext eindeutig angegeben. Somit könnte ein nachstehend erläuterter erster Schritt, diskutiertes erstes Element, diskutierte Komponente, diskutierter Bereich, diskutierte Schicht oder diskutierter Abschnitt als ein zweiter Schritt, ein zweites Element, eine zweite Komponente, ein zweiter Bereich, eine zweite Schicht oder ein zweiter Abschnitt bezeichnet werden, ohne von der Lehre der exemplarischen Ausführungsformen abzuweichen.
Raumbezogene oder zeitbezogene Begriffe, wie „davor“, „danach“, „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen, können hier zur besseren Beschreibung der Beziehung von einem Element oder einer Eigenschaft zu anderen Element(en) oder Eigenschaft(en), wie in den Figuren dargestellt, verwendet werden. Raumbezogene oder zeitbezogene Begriffe können dazu bestimmt sein, verschiedene in Anwendung oder Betrieb befindliche Anordnungen der Vorrichtung oder des Systems zu umschreiben, zusätzlich zu der auf den Figuren dargestellten Ausrichtung.
In dieser Offenbarung repräsentieren die numerischen Werte grundsätzlich ungefähre Messwerte oder Grenzen von Bereichen, etwa kleinere Abweichungen von den bestimmten Werten und Ausführungsformen, die ungefähr den genannten Wert aufweisen, sowie solche mit genau dem genannten Wert zu umfassen. Im Gegensatz zu den am Ende der ausführlichen Beschreibung bereitgestellten Anwendungsbeispielen sollen alle numerischen Werte der Parameter (z. B. Größen oder Bedingungen) in dieser Spezifikation einschließlich der beigefügten Ansprüche in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ verstanden werden, egal ob oder ob nicht „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint. „Ungefähr“ weist darauf hin, dass der offenbarte numerische Wert eine gewisse Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Exaktheit im Wert; ungefähr oder realistisch nahe am Wert; annähernd). Falls die Ungenauigkeit, die durch „ungefähr“ bereitgestellt ist, in Fachkreisen nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verständlich ist, dann gibt „ungefähr“, wie hierin verwendet, zumindest Variationen an, die sich aus gewöhnlichen Messverfahren und der Verwendung derartiger Parameter ergeben. So kann beispielsweise „etwa“ eine Variation von weniger als oder gleich 5 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 4 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 3 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 2 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 1 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 0,5 % und unter bestimmten Gesichtspunkten gegebenenfalls weniger als oder gleich 0,1 % umfassen.
Darüber hinaus beinhaltet die Angabe von Bereichen die Angabe aller Werte und weiter unterteilter Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich der für die Bereiche angegebenen Endpunkten und Unterbereiche.
Es werden nun exemplarische Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Die vorliegende Technologie betrifft verbesserte elektrochemische Zellen, insbesondere Lithium-Ionen- oder insbesondere Lithium-Metall-Batterie, die in Fahrzeuganwendungen verwendet werden können. Die gegenwärtige Technologie kann jedoch auch in anderen elektrochemischen Vorrichtungen verwendet werden; insbesondere in solchen, die Lithium umfassen, wie beispielsweise Lithium-Schwefel-Batterien. Daher ist die Behandlung einer Lithium-Ionen-Batterie hierin nicht einschränkend.
Eine exemplarische und schematische Darstellung einer Batterie 20, die Lithium-Ionen-Zyklen durchführt, ist in 1 dargestellt. Die Batterie 20 beinhaltet eine negative Elektrode 22, eine positive Elektrode 24 und einen porösen Separator 26, der zwischen den beiden Elektroden 22, 24 angeordnet ist. Der Separator 26 beinhaltet einen Elektrolyt 30, der auch in der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 vorliegen kann. Ein negativer Elektroden-Stromabnehmer 32 kann an oder nahe der negativen Elektrode 22 angeordnet sein und ein positiver Elektroden-Stromabnehmer 34 kann an oder nahe der positiven Elektrode 24 positioniert sein. Der negative Elektroden-Stromabnehmer 32 und der positive Elektroden-Stromabnehmer 34 nehmen jeweils die Elektronen auf und transportieren die freien Elektronen zu einem und von einem externen Stromkreis 40 weg. Ein unterbrechbarer externer Stromkreis 40 und Verbraucher 42 verbindet die negative Elektrode 22 (über deren Stromabnehmer 32) und die positive Elektrode 24 (über deren Stromabnehmer 34).
Der poröse Separator 26, die sowohl als elektrischer Isolator als auch zur mechanischen Unterstützung dient, ist zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 eingeschoben, um den physischen Kontakt zu verhindern und dadurch das Auftreten eines Kurzschlusses zu vermeiden. Zusätzlich zum Bereitstellen einer physikalischen Barriere zwischen den beiden Elektroden 22, 24 kann der poröse Separator 26 einen minimalen Widerstandsweg für die interne Passage der Lithium-Ionen (und der zugehörigen Anionen) während des Zyklus der Lithium-Ionen, zur Erleichternden Funktion der Batterie 20 bereitstellen. Während in Lithium-Ionen-Batterien Lithium in die aktiven Materialien der Elektrode eingelagert wird, löst sich das Lithium in einer Lithium-Schwefel-Batterie von der negativen Elektrode und wandert zur positiven Elektrode, wobei es während der Entladung reagiert/plattiert, während es sich während der Ladung auf der negativen Elektrode befindet.
Die Batterie 20 kann durch Anschließen einer externen Stromquelle an die Batterie 20 zum Umkehren der elektroaktiven Reaktionen der Batterieentladung jederzeit wieder aufgeladen und nutzbar gemacht werden. Der Anschluss einer externen Stromquelle an die Batterie 20 erzwingt die Erzeugung von Elektronen und die Freisetzung von Lithium-Ionen aus der positiven Elektrode 25. Die Elektronen, die durch den externen Stromkreis 40 zurück zur negativen Elektrode 22 fließen und die Lithium-Ionen, die durch den Elektrolyt 30 durch den Separator 26 zurück zur negativen Elektrode 22 transportiert werden, verbinden sich wieder an der negativen Elektrode 22 und füllen diese wieder mit eingelagertem Lithium für den Verbrauch im nächsten Batterie-Entladezyklus auf. Somit wird jedes Entladungs- und Ladungsereignis als ein Zyklus betrachtet, bei dem Lithium-Ionen zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 geschaltet werden.
Die externe Stromquelle, die verwendet werden kann, um die Batterie 20 aufzuladen, kann in Größe, Konstruktion und spezieller Endanwendung der Batterie 20 variieren. Einige nennenswerte und exemplarische externe Quellen umfassen, sind jedoch nicht einschränkt auf eine Wechselstrom-Wandsteckdose und eine Lichtmaschine eines Kraftfahrzeugs. In vielen Lithium-Ionen-Batterie-Konfigurationen werden der negative Stromabnehmer 32, die negative Elektrode 22, der Separator 26, die positive Elektrode 24 und der positive Stromabnehmer 34 jeweils als relativ dünne Schichten hergestellt (beispielsweise aus einigen Mikrometern bis einem Millimeter oder weniger in der Dicke) und in Schichten zusammengebaut, die in elektrischer Parallelschaltung miteinander verbunden werden, um ein geeignetes Energiepaket bereitzustellen.
Des Weiteren kann die Batterie 20 eine Vielzahl anderer Komponenten beinhalten, die, obwohl sie hier nicht dargestellt sind, Experten wohl bekannt sind. So kann beispielsweise die Batterie 20 ein Gehäuse, Dichtungen, Klemmenkappen, Laschen, Batterieklemmen und beliebige andere herkömmliche Komponenten oder Materialien beinhalten, die sich innerhalb der Batterie 20 einschließlich zwischen der oder um die negative Elektrode 22, die positive Elektrode 24 und/oder den Separator 26 als nicht einschränkendes Beispiel befinden können. Wie oben erwähnt, kann die Größe und Form der Batterie 20 variieren, je nach der besonderen Anwendung, für die sie ausgelegt ist. Batteriebetriebene Fahrzeuge und tragbare Unterhaltungselektronikgeräte sind beispielsweise zwei Beispiele, bei denen die Batterie 20 wahrscheinlich eine andere Größe, Kapazität und Leistungsabgabe hätte. Die Batterie 20 kann auch mit anderen, ähnlichen Lithium-Ionen-Zellen oder -Batterien in Serie oder parallel geschaltet sein, um eine größere Spannungsabgabe, Energie und Leistung zu erzeugen, wenn dies für den Verbraucher 42 erforderlich ist.
Dementsprechend kann die Batterie 20 elektrischen Strom an einem Verbraucher 42 erzeugen, der operativ mit dem externen Stromkreis 40 verbunden sein kann. Während der Verbraucher 42 eine beliebige Anzahl elektrisch angetriebener Vorrichtungen sein kann, beinhalten einige spezifische Beispiele stromverbrauchender Verbrauchervorrichtungen einen Elektromotor für ein Hybridfahrzeug oder für ein vollelektrisches Fahrzeug, einen Laptop-Computer, einen Tablet-Computer, ein Mobiltelefon und ein schnurloses Elektrowerkzeug oder Haushaltsgeräte als nicht einschränkende Beispiele. Die Verbrauchervorrichtung 42 kann jedoch auch eine Energieerzeugungsvorrichtung sein, welche die Batterie 20 lädt, um Energie zu speichern. In einigen anderen Variationen kann die elektrochemische Zelle ein Superkondensator sein, wie beispielsweise ein Superkondensator auf Lithium-Ionen-Basis.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 kann die positive Elektrode 24 aus einem aktiven Material auf Lithiumbasis gebildet werden, bei dem eine Interkalation und Desinterkalation, Legierung und Delegierung oder Beschichtung und Abisolierung von Lithium in ausreichendem Maße möglich ist, wenn sie als Pluspol der Batterie 20 dient. Die elektroaktiven Materialien der positiven Elektrode 24 können ein oder mehrere Übergangsmetalle, wie beispielsweise Mangan (Mn), Nickel (Ni), Kobalt (Co), Chrom (Cr), Eisen (Fe), Vanadium (V) und Kombinationen derselben beinhalten. Zwei exemplarisch gängige Klassen bekannter elektroaktiver Materialien, die zum Bilden der positiven Elektrode 24 verwendet werden können, sind Lithiumübergangsmetalloxide mit Schichtaufbau und Lithiumübergangsmetalloxide mit Spinellphase.
So kann beispielsweise die positive Elektrode 24 in bestimmten Fällen ein Übergangsmetalloxid vom Spinelltyp beinhalten, wie beispielsweise Lithiummanganoxid (Li_(1+x)Mn_(2-x)O₄), wobei x typischerweise kleiner als 0,15 ist, einschließlich LiMn₂O₄ (LMO) und Lithiummangan-Nickeloxid LiMn_1,5Ni_0,5O₄(LMNO). In bestimmten Fällen kann die positive Elektrode 24 Schichtmaterialien wie Lithium-Kobaltoxid (LiCoO₂), Lithium-Nickel-Oxid (LiNiO₂), ein Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (Li(Ni_xMn_yCo_z)O₂) beinhalten, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1, and x + y + z = 1, einschließlich LiMn_0,33Ni_0,33Co_0,33O₂, ein Lithium-Nickel-Kobalt-Metalloxid (_(1-x- _y)Co_xM_yO₂), wobei 0<x<1, 0<y<1 und M Al, Mn oder dergleichen sein können. Andere bekannte Lithium-Übergangsmetallverbindungen wie Lithiumeisenphosphat (LiFePO₄) oder Lithiumeisenfluorphosphat (Li₂FePO₄F) können ebenfalls verwendet werden. In bestimmten Aspekten kann die positive Elektrode 24 ein elektroaktives Material beinhalten, das Mangan, wie beispielsweise Lithiummanganoxid (Li_(1+x)Mn_(2-x)O₄), ein gemischtes Lithiummangan-Nickeloxid (LiMn_(2-x)Ni_xO₄), wobei 0 ≤ x ≤ 1, und/oder ein Lithiummangan-Nickel-Kobaltoxid (z. B., LiMn_1/3Ni_1/3Co_1/3O₂) beinhaltet. In einer Lithium-Schwefel-Batterie können positive Elektroden elementaren Schwefel als aktives Material oder ein schwefelhaltiges aktives Material aufweisen.
In bestimmten Variationen können diese positiven aktiven Materialien mit einem optionalen elektrisch leitenden Material und mindestens einem polymeren Bindematerial vermischt werden, um das aktive Material auf Lithiumbasis zusammen mit optional darin verteilten elektrisch leitenden Partikeln strukturell zu verstärken. So können beispielsweise die aktiven Materialien und optionale leitfähige Materialien mit derartigen Bindemitteln, wie beispielsweise Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk oder Carboxymethylcellulose (CMC), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Natriumalginat, Lithium-Alginat gegossen werden. Elektrisch leitfähige Materialien können Graphit, kohlenstoffhaltige Materialien, Nickelpulver, Metallpartikel oder ein leitfähiges Polymer beinhalten. Kohlenstoffhaltige Materialien können durch ein nicht einschränkendes Beispiel KETCHEN™ Ruß, DENKA™ Ruß, Acetylenruß, Ruß und dergleichen beinhalten. Beispiele eines leitenden Polymers beinhalten Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen. In bestimmten Aspekten können Mischungen aus leitfähigen Materialien verwendet werden. Der positive Stromabnehmer 34 kann aus Aluminium (Al) oder jedem beliebigen anderen geeigneten elektrisch leitenden Material bestehen.
In verschiedenen Aspekten beinhaltet die negative Elektrode 22 ein elektroaktives Material als ein Lithium-Wirtsmaterial, das als negativer Anschluss einer Lithium-Ionen-Batterie dienen kann. Das elektroaktive Material umfasst in bestimmten Aspekten Lithium und kann Lithiummetall sein. Die negative Elektrode 22 kann somit das elektroaktive Lithium-Wirtsmaterial und gegebenenfalls ein anderes elektrisch leitendes Material sowie eine oder mehrere polymere Bindematerialien zum konstruktiven Zusammenhalten des Lithium-Wirtsmaterials beinhalten. So kann beispielsweise die negative Elektrode 22 in bestimmten Fällen ein aktives Material beinhalten, das Graphit, Silizium (Si), Zinn (Sn) oder andere negative Elektrodenpartikel beinhaltet, die mit einem Bindemittelmaterial vermischt sind, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Polyvinylidendifluorid (PVDF), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM) oder Carboxymethylcellulose (CMC), ein Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), NatriumAlginat, Lithium-Alginat, Polyimid und Kombinationen derselben, als nicht einschränkendes Beispiel. Geeignete zusätzliche elektrisch leitfähige Materialien können kohlenstoffhaltige Materialien oder ein leitendes Polymer beinhalten. Kohlenstoffhaltige Materialien können durch ein nicht einschränkendes Beispiel KETCHEN™ Ruß, DENKA™ Ruß, Acetylenruß, Ruß und dergleichen beinhalten. Beispiele eines leitenden Polymers beinhalten Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen. In bestimmten Aspekten können Mischungen aus leitfähigen Materialien verwendet werden.
Graphit wird häufig zum Bilden der negativen Elektrode 22 verwendet, da er vorteilhafte Lithium-Interkalations- und -Deinterkalationseigenschaften aufweist, in der elektrochemischen Zellumgebung relativ reaktionsfrei ist und Lithium in Mengen speichern kann, die eine relativ hohe Energiedichte aufweisen. Herkömmliche Graphitformen und andere graphene Materialien, die zur Herstellung der negativen Elektrode 22 verwendet werden können, sind als nicht-einschränkendes Beispiel erhältlich bei Timcal Graphit und Kohlenstoff von Bodio, Schweiz, Lonza Group in Basel, Schweiz, oder Superior Graphit in Chicago, USA. Andere Materialien können auch zum Bilden der negativen Elektrode 22 verwendet werden, unter anderem zum Beispiel Lithium-Silizium- und siliziumhaltige binäre und ternäre Legierungen und/oder zinnhaltige Legierungen wie Si-Sn, SiSnFe, SiSnAl, SiFeCo, SnO₂und dergleichen. In bestimmten Fällen sind Lithium-Titan-Anoden-Materialien denkbar, wie Li_4+xTi₅O₁₂, wobei 0 ≤ x ≤ 3, Lithium-Titanat (Li₄Ti₅O₁₂) (LTO) beinhaltet. Der Negativ-Elektroden-Stromabnehmer 32 kann aus Kupfer (Cu) oder jedem beliebigen anderen geeigneten elektrisch leitenden Material bestehen, wie Fachleuten bekannt ist.
In verschiedenen Aspekten können die positive Elektrode 24, die negative Elektrode 22 und der Separator 26 jeweils eine Elektrolytlösung oder ein System 30 beinhalten, das Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 leiten kann. In bestimmten Aspekten kann der Elektrolyt 30 eine wasserfreie, flüssige Elektrolytlösung sein, die ein oder mehrere Lithiumsalze beinhaltet, gelöst in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch aus organischen Lösungsmitteln. In bestimmten Variationen kann der Elektrolyt 30 eine 1M-Lösung eines oder mehrerer Lithiumsalze in einem oder mehreren organischen Lösungsmitteln sein. Zahlreiche herkömmliche, nichtwässrige, flüssige Elektrolytlösungen 30 können in der Lithium-Ionen-Batterie 20 verwendet werden. Eine nicht-einschränkende Liste von Lithiumsalzen, die in einem organischen Lösungsmittel gelöst werden können, um die nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung zu bilden, beinhaltet Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆); Lithiumperchlorat (LiClO₄); Lithiumtetrachloraluminat (LiAlCl₄), Lithiumjodid (LiI); Lithiumbromid (LiBr); Lithiumthiocyanat (LiSCN); Lithiumtetrafluoroborat (LiBF₄); Lithiumtetraphenylborat (LiB(C₆H₅)₄); Lithium-bis(oxalat)borat (LiB(C₂O₄)₂)(LiBOB); Lithiumdifluoroxalatoborat (LiBF₂(C₂O₄)), Lithiumhexafluorarsenat (LiAsF₆), Lithiumtrifluormethansulfonat (LiCF₃SO₃), Lithiumtrigluormethansulfonimid (LiN(CF₃SO₂)₂), Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid (LiN(FSO₂)₂) (LiSFI) und Kombinationen derselben. Diese und andere ähnliche Lithiumsalze können in einer Vielzahl von organischen Lösungsmitteln, einschließlich, aber nicht einschränkt auf verschiedene Alkylcarbonate, wie zyklische Carbonate (z. B., Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC)), lineare Carbonate (z. B., Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC)), aliphatische Carbonsäureester (z. B., Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat), γ-lactone (z. B.), γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton), Kettenstrukturether (z. B., 1,2-Dimethoxyethan, 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), cyclische Ether (z. B., Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran) und Kombinationen derselben, gelöst werden.
In verschiedenen Aspekten kann der Separator 26 ein Verbundseparator sein, der ein isolierendes poröses Substrat mit mindestens einer im Wesentlichen gleichmäßigen porösen Polymerbeschichtung, -schicht oder -phase beinhaltet, die gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung gebildet wurde. Die Poren der im Wesentlichen gleichmäßigen porösen Polymerbeschichtung können innerhalb der Beschichtung auf eine im Wesentlichen gleichförmige Weise oder Art und Weise verteilt werden. So kann beispielsweise die mindestens eine im Wesentlichen gleichmäßige poröse Polymerbeschichtung eine Porosität von mehr als oder gleich etwa 20 % bis weniger als oder gleich etwa 90 %, optional mehr als oder gleich etwa 30 % bis weniger als oder gleich etwa 60 % aufweisen. Die Poren der mindestens einen im Wesentlichen einheitlichen porösen Polymerschicht können einen durchschnittlichen Durchmesser von mehr als oder gleich etwa 50 nm bis weniger als oder gleich etwa 2 µm aufweisen.
Das isolierende poröse Substrat kann eine Polymerfaser umfassen, wie beispielsweise diejenigen, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: Polyethylen-(PET)-Fasern, Cellulosefasern, Glasfasern, Polyamidfasern, Polyolefinfasern und Kombinationen derselben; oder ein poröses Polymerelement, wie beispielsweise eine Polyethylen- und Polypropylenmembran. Das isolierende poröse Substrat weist einen oder mehrere exponierte Oberflächenbereiche auf, die gemeinsam einen exponierten Oberflächenbereich definieren, beispielsweise Oberflächenbereiche, die sich auf einer ersten Seite des isolierenden porösen Substrats gegenüber der positiven Elektrode und/oder einer zweiten Seite des isolierenden porösen Substrats gegenüber der negativen Elektrode befinden. Die einen oder mehreren freiliegenden Oberflächenbereiche des isolierenden porösen Substrats umfassen Außenflächen, einschließlich aller freiliegenden Poren, und in bestimmten Variationen erstrecken sich die inneren Porenflächen in den Körper des isolierenden Substrats. Der eine oder die mehreren freiliegenden Oberflächenbereiche des isolierenden porösen Substrats können gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung so behandelt werden, dass die mindestens eine im Wesentlichen gleichmäßige poröse Polymerschicht oder - beschichtung darauf angeordnet ist. In verschiedenen Fällen weist die mindestens eine im Wesentlichen gleichmäßige poröse Polymerschicht eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 40 µm auf. Das isolierende poröse Substrat kann eine Dicke von weniger als oder gleich etwa 20 µm aufweisen, und der Verbundseparator kann eine Gesamtdicke von weniger als oder gleich etwa 100 µm, optional weniger als oder gleich etwa 50 µm, und in bestimmten Aspekten optional weniger als oder gleich etwa 25 µm aufweisen.
Die mindestens eine im Wesentlichen gleichmäßige poröse Polymerbeschichtung beinhaltet ein oder mehrere Polymere mit mindestens 200 wiederkehrenden Einheiten. Das eine oder die mehreren Polymere könne ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: Aramidpolymeren, Polyamid, Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polysulfid, Polyimid (PI), Polyacryl, Polycarbonat und Kombinationen derselben. Optional kann die mindestens eine im Wesentlichen gleichmäßige poröse Polymerbeschichtung in bestimmten Variationen auch teilchenförmige Additive und/oder Keramikpartikel beinhalten. So kann beispielsweise in bestimmten Aspekten die mindestens eine im Wesentlichen einheitliche poröse Polymerbeschichtung ein oder mehrere Nanopartikel beinhalten, die beispielsweise einen durchschnittlichen Durchmesser von weniger als etwa 100 nm aufweisen; ein oder mehrere Submikronpartikel, die beispielsweise einen durchschnittlichen Durchmesser von mehr als oder gleich etwa 100 nm und weniger als oder gleich etwa 2 µm aufweisen; sowie Kombinationen derselben. In bestimmten Aspekten können das eine oder die mehreren Nanopartikel und das eine oder die mehreren Submikronpartikel Materialien umfassen, die unabhängig ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: Aluminium (Al₂O₃), Silizium (SiO₂), Titandioxid (TiO₂), Calciumchlorid (CaCl₂), Metalloxide, Carboxide, Nitride (z. B. Bornitrid (BN), Schwefel-Nitrid (SN)), Titanate (z. B. Barium-Titanate (BaTiO₃)), Tone, Phosphate und Kombinationen derselben. In bestimmten Variationen können das eine oder die mehreren Nanopartikel zur späteren Porenbildung beitragen, und das eine oder die mehreren Submikronpartikel können die mechanische Festigkeit des gebildeten Verbundseparators bereitstellen und/oder verbessern. So weisen Nanopartikel beispielsweise vergleichsweise hohe spezifische Bereiche auf und können bei der Verbesserung der Leitfähigkeit des Elektrolyten und in bestimmten Fällen beim Einfangen von Verunreinigungen im Elektrolyten wirksam sein. Die größeren Größen der Submikronpartikel können Dendrit und andere Verunreinigungen innerhalb des Elektrolyten und der elektrochemischen Zelle physisch blockieren.
In bestimmten Aspekten bietet die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Bilden eines derartigen thermisch stabilen Verbundseparators. Das Verfahren kann zunächst das Bilden einer nicht-porösen Polymerschicht auf einem oder mehreren Oberflächenbereichen eines isolierenden Substrats beinhalten. Anschließend können die einen oder mehreren Oberflächenbereiche des isolierenden Substrats mit der darauf gebildeten nicht-porösen polymeren Beschichtungsschicht mit einem Koagulationsmedium in Kontakt gebracht werden. Auf diese Weise bewirkt der Kontakt mit dem Koagulationsmedium, dass sich die nicht-poröse polymere Beschichtungsschicht auf der/den Oberfläche(n) des isolierenden Substrats in eine im Wesentlichen gleichmäßige poröse Polymerbeschichtung umwandelt, wie im Folgenden näher beschrieben wird.
Vor dem Kontakt mit dem Koagulationsmedium beinhaltet die mindestens eine nicht-poröse Polymerschicht das Polymer; optional ein oder mehrere teilchenförmige Additive; und ein erstes oder primäres Lösungsmittel. Das primäre Lösungsmittel kann ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: Dimethylformamid (DMF), Dimethylsulfoxid (DMSO), Dimethylacetamid (DMAc) und Kombinationen derselben. So kann beispielsweise bei bestimmten Aspekten das erste oder primäre Lösungsmittel ein Lösungsmittel auf N-Methyl-2-pyrrolidon-(NMP)-Basis sein. In einigen Variationen kann das primäre Lösungsmittel mehr als oder gleich etwa 2 Gew.- % bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.- % Calciumchlorid (CaCl₂), gelöst in N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), beinhalten; und optional kann das primäre Lösungsmittel mehr als oder gleich etwa 4 Gew.- % bis weniger als oder gleich etwa 12 Gew.- % einer Lösung aus Calciumchlorid (CaCl₂) und Lithiumchlorid (LiCl), gelöst in N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), beinhalten. Das Calciumchlorid (CaCl₂) und/oder Lithiumchlorid (LiCl) kann vollständig im N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) gelöst werden. In verschiedenen Aspekten kann das Calciumchlorid (CaCl₂) und/oder Lithiumchlorid (LiCl) die Löslichkeit des Polymers verbessern.
Eine Polymerbeschichtungslösung kann verwendet werden, um die mindestens eine nicht-poröse Polymerschicht zu bilden und/oder aufzutragen. Die Polymerbeschichtungslösung kann mehr als oder gleich etwa 3 Gew.- % bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.- % des Polymers beinhalten. In bestimmten Fällen kann die Polymerbeschichtungslösung ferner weniger als oder gleich etwa 400 Gew.- % der einen oder mehreren Nanopartikel und gegebenenfalls weniger als oder gleich etwa 3000 Gew.- % der einen oder mehreren Submikronpartikel beinhalten.
In bestimmten Variationen weist die Polymerbeschichtungslösung eine Viskosität von mehr als oder gleich etwa 1 Pa-s und weniger als oder gleich etwa 80 Pa-s auf, und in bestimmten Aspekten gegebenenfalls mehr als oder gleich etwa 10 Pa-s und weniger als oder gleich etwa 30 Pa-s, und die mindestens eine nicht-poröse Polymerschicht des beschichteten Substrats kann durch Aufbringen der Polymerbeschichtungslösung über einen Abscheidungsprozess auf einen oder mehrere Oberflächenbereiche des isolierenden porösen Substrats gebildet werden. Die Polymerbeschichtungslösung kann mit einem herkömmlichen Beschichtungsverfahren aufgebracht werden, beispielsweise unter Verwendung von Laminierverfahren oder -techniken, Schlitzdüsenbeschichtungsverfahren oder -techniken, Sprühbeschichtungsverfahren oder -techniken, Streichbeschichtungsverfahren oder - techniken, Vorhangbeschichtungsverfahren oder -techniken, Tauchbeschichtungsverfahren oder -techniken und verschiedenen Vakuumbeschichtungsverfahren oder -techniken. In verschiedenen Fällen kann ein Vakuum auf einen Oberflächenbereich des isolierenden porösen Substrats auf einer Seite aufgebracht werden, die dem einen oder den mehreren Oberflächenbereichen gegenüberliegt, in denen eine Abscheidung erfolgen soll, um die Haftung zwischen dem isolierenden porösen Substrat und der mindestens einen nichtporösen Polymerschicht zu verbessern.
In bestimmten weiteren Variationen weist die Polymerbeschichtungslösung eine Viskosität von mehr als oder gleich etwa 0,1 Pa-s und weniger als oder gleich etwa 20 Pa-s auf, und in bestimmten Aspekten gegebenenfalls mehr als oder gleich etwa 0,1 Pa-s und weniger als oder gleich etwa 10 Pa-s, und die mindestens eine nicht-poröse Polymerschicht kann zunächst auf einem Fördersystem angeordnet und anschließend mit dem isolierenden porösen Substrat in Kontakt gebracht werden, um die mindestens eine nicht-poröse Polymerschicht auf dem isolierenden porösen Substrat zu bilden. Die Beschichtungssequenz kann die Lufteinschlüsse und die daraus resultierende Bildung unerwünschter Luftblasen oder -taschen innerhalb des beschichteten isolierten porösen Substrats begrenzen, die sich möglicherweise aus der niedrigeren Viskosität ergeben können.
In verschiedenen Aspekten kann die Polymerbeschichtungslösung/mindestens eine nicht-poröse Polymerschicht weiterhin ein Sekundärlösungsmittel beinhalten. Das sekundäre Lösungsmittel ist flüchtig und kann verwendet werden, um die Viskosität der Polymerbeschichtungslösung/mindestens einer nicht-porösen Polymerschicht zu variieren. Somit kann die Zugabe eines sekundären Lösungsmittels die gewählte Beschichtungssequenz und das Bilden des beschichteten Substrats beeinflussen. Nachdem die mindestens eine nicht-poröse Polymerschicht auf einer oder mehreren Oberflächen des isolierenden porösen Substrats gebildet wurde, kann das sekundäre Lösungsmittel durch Verdampfungstechniken oder -prozesse entfernt werden. Das sekundäre Lösungsmittel kann Tetrahydrofuran (THF), Aceton, Acetonitril und Kombinationen derselben beinhalten.
Das gebildete beschichtete Substrat (das isolierende poröse Substrat mit der mindestens einen darauf gebildeten nicht-porösen Polymerschicht) ist eine benetzte Struktur. Um daraus einen porösen Verbundseparator zu bilden, wird das beschichtete Substrat mit einem Koagulationsmedium oder Bad in Kontakt gebracht. Das Koagulationsmedium weist eine Viskosität (Pa-s) auf, die größer ist als die des primären Lösungsmittels der Polymerbeschichtungslösung/mindestens eine nicht-poröse Polymerschicht und einen Löslichkeitsparameterabstand in Bezug auf das Polymer, der kleiner ist als ein Löslichkeitsparameterabstand zwischen dem Polymer und Wasser. So kann beispielsweise das Koagulationsmedium in bestimmten Aspekten eine Viskosität aufweisen, die größer als oder gleich etwa 200 % und optional größer oder gleich etwa 1000 % des primären Lösungsmittels ist, und der Löslichkeitsparameterabstand zwischen dem Polymer und dem Koagulationsmittel kann kleiner als oder gleich der Hälfte (50 %) des Löslichkeitsparameterabstandes zwischen dem Polymer und Wasser sein. Das Koagulationsmedium kann Materialien beinhalten, die aus der Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus: Ethylenglykol, Glycerin, Diethylenglykol und Kombinationen derselben. In bestimmten Fällen kann das Koagulationsmedium Materialien beinhalten, die aus der Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus: Diethylenglykol, Glycerin, und Kombinationen derselben.
Das Verfahren kann das Kontaktieren der einen oder mehreren Oberflächenbereiche des beschichteten Substrats mit der mindestens einen nicht-porösen Polymerschicht mit dem Koagulationsmedium beinhalten. In anderen Fällen kann das beschichtete Substrat in ein Koagulationsmedium eingetaucht werden. Das Verfahren kann das Inkontaktbringen des beschichteten Substrats mit dem Koagulationsmedium über verschiedene Zeiträume beinhalten. Das Koagulationsmedium wäscht das primäre Lösungsmittel aus der mindestens einen nicht-porösen Polymerschicht und induziert dadurch die Ausfällung des Polymers auf der Oberfläche des isolierenden porösen Substrats und fördert damit das Bilden einer porösen Schicht oder Beschichtung anstelle der nicht-porösen nassen Polymerschicht - wobei mindestens eine im Wesentlichen gleichmäßige poröse Polymerschicht oder Beschichtung anstelle der mindestens einen nicht-porösen Polymerschicht gebildet wird. Auf diese Weise kann die Bildung der im Wesentlichen einheitlichen porösen Morphologie in mehr als oder gleich etwa 2 Sekunden bis weniger als oder gleich etwa 1 Minute, gegebenenfalls mehr als oder gleich etwa 2 Sekunden bis weniger als oder gleich etwa 30 Sekunden und in bestimmten Variationen gegebenenfalls mehr als oder gleich etwa 2 Sekunden bis weniger als oder gleich etwa 10 Sekunden erfolgen.
In verschiedenen Fällen kann das Verfahren ferner das Auswaschen der mindestens einen im Wesentlichen gleichmäßigen porösen Polymerschicht und des isolierenden porösen Substrats beinhalten, um verbleibende primäre Lösungsmittel und Koagulationsmittel zu entfernen. So können beispielsweise in bestimmten Fällen die mindestens eine im Wesentlichen gleichmäßige poröse Polymerschicht und das isolierende poröse Substrat mit destilliertem Wasser ausgewaschen werden. In noch weiteren Variationen kann das Verfahren auch das Trocknen der mindestens einen im Wesentlichen gleichmäßigen porösen Polymerschicht und des isolierenden porösen Substrats beinhalten. In bestimmten Fällen können die mindestens eine im Wesentlichen gleichmäßige poröse Polymerschicht und das isolierende poröse Substrat im Ofen getrocknet werden. Die mindestens eine im Wesentlichen gleichmäßige poröse Polymerschicht und das isolierende poröse Substrat können über verschiedene Zeiträume und bei verschiedenen Temperaturen im Ofen getrocknet werden, beispielsweise können die mindestens eine im Wesentlichen gleichmäßige poröse Polymerschicht und das isolierende poröse Substrat in einem Ofen getrocknet werden, der etwa 2 Stunden lang bei etwa 120 °C gehalten wird.
In bestimmten Aspekten tritt ein Teil des Koagulationsmediums während des Ausfällungsprozesses in die mindestens eine nicht-poröse Polymerschicht ein. Die mindestens eine nicht-poröse Polymerschicht und das isolierende poröse Substrat werden anschließend zum Entfernen von primärem Restlösungsmittel und Koagulationsmittel gewaschen und anschließend getrocknet (z. B. im Ofen getrocknet). Während des Trocknungsprozesses verdampft oder verflüchtigt sich das Koagulationsmedium, das in die mindestens eine nicht-poröse Polymerschicht eingedrungen ist, und bildet darin im Wesentlichen gleichförmige Poren. Auf diese Weise kann das ausgewählte Koagulationsmedium die Morphologie der Poren der mindestens einen im Wesentlichen einheitlichen porösen Polymerschicht steuern. 2 ist beispielsweise eine Mikroaufnahme, die einen Querschnitt eines Verbundseparators darstellt, der unter Verwendung eines Koagulationsmediums einschließlich Ethylenglykol hergestellt wurde, und 3 ist eine Mikroaufnahme, die einen Querschnitt eines Verbundseparators darstellt, der unter Verwendung eines Koagulationsmediums einschließlich Glycerin hergestellt wurde.
4 ist ein Flussdiagramm, das ein exemplarisches Verfahren 50 zur Herstellung eines thermisch stabilen Verbundseparators für eine elektrochemische Zelle darstellt, die Lithiumionen zyklisiert. Das Verfahren beinhaltet bei 52 das Herstellen einer Polymerbeschichtungslösung und bei 54 das Messen der Viskosität (Pa-s) der hergestellten Polymerbeschichtungslösung. Die Viskosität (Pa-s) der hergestellten Polymerbeschichtungslösung bestimmt die Beschichtungsreihenfolge bei 56. Wenn die gemessene Viskosität (Pa·s) größer als oder gleich etwa 1 Pa-s und weniger als oder gleich etwa 80 Pa-s ist, und in bestimmten Aspekten gegebenenfalls größer als oder gleich etwa 10 Pa-s und weniger als oder gleich etwa 80 Pa-s ist, wird die mindestens eine nicht-poröse Polymerschicht des beschichteten Substrats durch Aufbringen der Polymerbeschichtungslösung über einen Abscheidungsprozess auf einen oder mehrere Oberflächenbereiche des isolierenden porösen Substrats bei 58 gebildet. Wenn die gemessene Viskosität (Pa-s) größer oder gleich etwa 0,1 Pa-s und kleiner oder gleich etwa 20 Pa-s ist, und in bestimmten Aspekten gegebenenfalls größer oder gleich etwa 0,1 Pa-s und kleiner oder gleich etwa 10 Pa-s ist, wird die mindestens eine nicht-poröse Polymerschicht zunächst auf einem Fördersystem angeordnet und anschließend mit dem isolierenden porösen Substrat in Kontakt gebracht, um das beschichtete Substrat bei 60 zu bilden. Bei 62 werden ein oder mehrere Oberflächenbereiche des isolierenden porösen Substrats, das die mindestens eine nicht-poröse Polymerschicht auf einem oder mehreren Oberflächenbereichen aufweist, anschließend mit einem Koagulationsmedium in Kontakt gebracht, um Poren zu erzeugen und mindestens eine im Wesentlichen gleichmäßige poröse Polymerschicht auf einer oder mehreren Oberflächen eines isolierenden porösen Substrats des beschichteten Substrats zu bilden, wie vorstehend ausgeführt. Bei 64 kann die mindestens eine im Wesentlichen gleichmäßige poröse Polymerschicht, die auf einer oder mehreren Oberflächen des isolierenden porösen Substrats angeordnet ist, gewaschen werden, und bei 66 kann die mindestens eine im Wesentlichen gleichmäßige poröse Polymerschicht, die auf einer oder mehreren Oberflächen des isolierenden porösen Substrats angeordnet ist, wie vorstehend ausgeführt, im Ofen getrocknet werden, um den thermisch stabilen Verbundseparator zu bilden.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Technologie sind durch das folgende nicht-einschränkende Beispiel veranschaulicht.
Beispiel 1
Gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung wird ein Verbundseparator hergestellt, indem zunächst eine Menge an Polyamid in einer Calciumchloridlösung (CaCl₂) in N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) von 8 Gew.- % gelöst wird, um eine Polymerlösung von 10,5 Gew.- % zu bilden. Variierende Konzentrationen von Aluminiumoxid-Nanopartikeln (Al₂O₃) und Submikronpartikeln werden anschließend in der Polymerlösung unter Bildung einer gleichmäßigen Dispersion dispergiert. Insbesondere werden 20 Gew.- % Aluminiumoxid (Al₂O₃) Nanopartikel und 200 Gew.- % Aluminiumoxid (Al₂O₃) Submikronpartikel in der Polymerlösung dispergiert. Ein beschichtetes Substrat wird dann durch Gießen der Dispersion auf ein Fördersystem (z. B. Förderband) und anschließendes Kontaktieren eines isolierenden porösen Substrats mit der gegossenen Dispersion gebildet, oder durch Aufbringen der Dispersion auf einen oder mehrere Oberflächenbereiche des isolierenden porösen Substrats über einen Abscheidungsprozess. Einer oder mehrere Oberflächenbereiche des beschichteten Substrats werden dann mit einem Koagulationsmedium in Kontakt gebracht und anschließend mit destilliertem Wasser gewaschen, um Restkalziumchlorid (CaCl₂), N-methyl-2-pyrrolidon (NMP) und Koagulationsmaterialien zu entfernen sowie bei 120 °C für 2 Stunden im Ofen getrocknet.
Um den gebildeten Verbundseparator zu charakterisieren, ist der Verbundseparator zwischen zwei Edelstahlelektroden angeordnet, die mit einem flüssigen Elektrolyten gesättigt sind, der 1M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆) in einem Lösungsmittel umfasst, das ein Volumenverhältnis von 1:1 von Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC) umfasst. Die Ionenleitfähigkeiten (σ) der elektrochemischen Zelle werden unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet: $σ = \frac{d}{R_{b} \cdot S}$
wobei d die Dicke (µm) des Separators ist, R_b der mit einem Impedanzverstärkungsanalysator erhaltene Schüttgutwiderstand ist und S die Fläche der negativen und positiven Elektroden ist. Die thermische Schrumpfung des Verbundseparators wird bei etwa 150 °C durch einen Größenvergleich des Separators vor und nach dem Erwärmen gemessen. Die folgende Tabelle 1 vergleicht die notierten Daten des gebildeten Verbundseparators mit einem herkömmlichen Separator der Serie CELGARD® 2500, und wie dargestellt demonstriert der Verbundseparator eine verbesserte thermische Stabilität und Ionenleitfähigkeit. TABELLE 1

CELGARD® 2500 Verbundseparator

$σ (\frac{m S}{c m})$
1,47 1,58

Dicke (µm) 25 33

Thermische Schrumpfung 45% 0%
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient lediglich der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie ist nicht dazu bestimmt, erschöpfend zu sein und soll die Offenbarung in keiner Weise beschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern gegebenenfalls gegeneinander austauschbar und in einer ausgewählten Ausführungsform verwendbar, auch wenn dies nicht gesondert dargestellt oder beschrieben ist. Auch diverse Variationen sind denkbar. Diese Variationen stellen keine Abweichung von der Offenbarung dar, und alle Modifikationen dieser Art verstehen sich als Teil der Offenbarung und fallen in ihren Schutzumfang.

Claims

Verfahren zum Bilden eines thermisch stabilen Verbundseparators für eine elektrochemische Zelle, die Lithium-Ionen zykliert, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Kontaktieren eines oder mehrerer beschichteter Oberflächenbereiche eines porösen isolierenden Substrats mit einem Koagulationsmedium, worin der eine oder die mehreren beschichteten Oberflächenbereiche mindestens eine nicht-poröse Polymerschicht aufweisen, die ein Polymer, ein oder mehrere teilchenförmige Additive und ein Lösungsmittel umfasst, wobei das Kontaktieren mit dem Koagulationsmedium das Lösungsmittel entfernt, wodurch das Polymer veranlasst wird, mindestens eine im Wesentlichen gleichmäßige poröse Polymerschicht auf dem einen oder den mehreren beschichteten Oberflächenbereichen zu bilden, um den thermisch stabilen Verbundseparator zu bilden, worin das Koagulationsmedium eine erste Viskosität (Pa-s) aufweist, die größer als eine zweite Viskosität des Lösungsmittels ist, und worin ein Löslichkeitsparameterabstand zwischen dem Polymer und dem Koagulationsmedium kleiner als der zwischen dem Polymer und Wasser ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das eine oder die mehreren teilchenförmigen Additive ausgewählt sind aus einem oder mehreren Nanopartikeln mit einem durchschnittlichen Durchmesser von weniger als etwa 100 nm; einem oder mehreren Submikronpartikeln mit einem durchschnittlichen Durchmesser von mehr als oder gleich etwa 100 nm und weniger als oder gleich etwa 2 µm; und Kombinationen derselben.
Verfahren nach Anspruch 2, worin das Polymer mindestens 200 wiederkehrende Einheiten beinhaltet und ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Aramidfasern, Polyamid, Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polysulfid, Polyimid (PI), Polyacryl, Polycarbonat und Kombinationen derselben; worin das eine oder die mehreren Nanopartikel und das eine oder die mehreren Submikronpartikel Materialien umfassen, die unabhängig ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumdioxid (SiO₂), Titandioxid (TiO₂), Calciumchlorid (CaCl₂), Metalloxiden, Carboxiden, Nitriden, Titanaten, Tonen, Phosphaten und Kombinationen derselben; und worin das Lösungsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), Dimethylformamid (DMF), Dimethylsulfoxid (DMSO), Dimethylacetamid (DMAc) und Kombinationen derselben.
Verfahren nach Anspruch 3, worin das Lösungsmittel mehr als oder gleich etwa 2 Gew.- % bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.- % eines oder mehrerer Calciumchloride (CaCl₂) und Lithiumchloride (LiCl), gelöst in N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die mindestens eine nicht-poröse Polymerschicht unter Verwendung einer Polymerbeschichtungslösung mit einer dritten Viskosität von mehr als oder gleich etwa 1 Pa-s und weniger als oder gleich etwa 80 Pa-s gebildet wird; und worin die mindestens eine nicht-poröse Polymerschicht durch Aufbringen der Polymerbeschichtungslösung über einen Abscheidungsprozess auf die einen oder mehreren Oberflächenbereiche des porösen isolierenden Substrats gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die mindestens eine nicht-poröse Polymerschicht eine vierte Viskosität von mehr als oder gleich etwa 0,1 Pa-s und weniger als oder gleich etwa 20 Pa-s aufweist, und worin die beschichteten Oberflächenbereiche des porösen isolierten Substrats gebildet werden, indem zuerst die mindestens eine nicht-poröse Polymerschicht auf ein Fördersystem aufgebracht und anschließend das isolierende poröse Substrat mit der mindestens einen nicht-porösen Polymerschicht in Kontakt gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Lösungsmittel ein primäres Lösungsmittel ist und die Viskosität einer Polymerbeschichtungslösung, die zum Bilden der mindestens einen nicht-porösen Polymerschicht verwendet wird, durch Zugabe eines sekundären flüchtigen Lösungsmittels variiert wird, und worin das sekundäre flüchtige Lösungsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Tetrahydrofuran (THF), Aceton, Acetonitril und Kombinationen derselben.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Koagulationsmedium Materialien umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: Ethylenglykol, Glycerin, Diethylenglykol und Kombinationen derselben.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Koagulationsmedium eine Viskosität aufweist, die größer oder gleich etwa 200 % derjenigen des primären Lösungsmittels ist; und worin der Abstand des Löslichkeitsparameters zwischen dem Polymer und dem Koagulierungsmedium kleiner oder gleich zu der Hälfte des Abstandes des Löslichkeitsparameters zwischen dem Polymer und Wasser ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Waschen des thermisch stabilen Verbundseparators zum Entfernen des verbleibenden primären Lösungsmittels und des Koagulationsmittels; und Trocknen des thermisch stabilen Verbundseparators.