DE102021131846A1

DE102021131846A1 - Verfahren zur beschichtung eines separators für eine batterie

Info

Publication number: DE102021131846A1
Application number: DE102021131846.7A
Authority: DE
Inventors: Ruchira Dharmasena; Shuru Chen; Fang DAI; Mei Cai
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2021-02-10
Filing date: 2021-12-02
Publication date: 2022-08-11
Also published as: US20220255187A1; US11424509B1; CN114904741A

Abstract

Ein Verfahren zum Beschichten eines Separators für eine Batterie umfasst das Erzeugen eines elektrostatischen Feldes und das Anordnen eines Substratmaterials innerhalb des elektrostatischen Feldes. Das Verfahren umfasst ferner das Aufbringen eines Beschichtungsmaterials auf das Substratmaterial in Gegenwart des elektrostatischen Feldes und das Trocknen des Beschichtungsmaterials auf dem Substratmaterial.

Description

STAATSAUFTRAG
Diese Anmeldung wurde mit staatlicher Unterstützung unter der Vertragsnummer. DE-EE008230 des Energieministeriums eingereicht. Die Regierung hat bestimmte Rechte an der Erfindung.
EINFÜHRUNG
Die Offenbarung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zur Beschichtung eines Separators für eine Batterie.
Elektro- und Hybridelektrofahrzeuge nutzen Batterievorrichtungen zur Speicherung elektrischer Energie. Fahrzeugbatterien wie Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus einer Anode, einer Kathode und einem Separator, der eine physische Barriere zwischen der Anode und der Kathode bildet und den Austausch von Ionen über den Separator ermöglicht.
BESCHREIBUNG
Ein Verfahren zur Beschichtung eines Separators für eine Batterie wird offenbart. Das Verfahren umfasst das Erzeugen eines elektrostatischen Feldes und das Anordnen eines Substratmaterials innerhalb des elektrostatischen Feldes. Das Verfahren umfasst ferner das Aufbringen eines Beschichtungsmaterials auf das Substratmaterial in Gegenwart des elektrostatischen Feldes und das Trocknen des Beschichtungsmaterials auf dem Substratmaterial.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Erzeugung des elektrostatischen Feldes die Erzeugung einer positiven Ladung auf einer Metallspitze und die Erzeugung einer negativen Ladung auf einem Metallblech. In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Anordnen des Substrats innerhalb des elektrostatischen Feldes das Platzieren des Substratmaterials zwischen der Metallspitze und dem Metallblech.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Auftragen des Beschichtungsmaterials das Aufsprühen des Beschichtungsmaterials auf das Substratmaterial.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Auftragen des Beschichtungsmaterials das Eintauchen des Substratmaterials in einen Pool von Vorläufermaterial.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Substratmaterial eine Polyolefinfolie.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Polyolefinfolie eine Polypropylen-Einschichtfolie, eine Polyethylen-Einschichtfolie oder eine Polypropylen/Polyethylen/Polypropylen-Folie.
In einigen Ausführungsformen enthält das Beschichtungsmaterial eine Mischung aus Titandioxid und Ruß.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Beschichten eines Separators für eine Batterie offenbart. Das Verfahren umfasst das Zuführen eines Stroms eines flexiblen Substratmaterials von einer Vorratsrolle, das Führen des Stroms des flexiblen Substratmaterials um eine Applikatorwalze und das Anordnen eines flüssigen Vorläuferpools in Kontakt mit der Applikatorwalze. Das Verfahren umfasst ferner das Erzeugen eines elektrostatischen Feldes durch Erzeugen einer positiven Ladung auf einem Metallbehälter für den Flüssigkeitsvorläuferpool und durch Erzeugen einer negativen Ladung auf der Applikatorwalze und das Eintauchen des Stroms von flexiblem Substratmaterial, der um die Applikatorwalze läuft, in den Flüssigkeitsvorläuferpool, um ein Beschichtungsmaterial auf das Substratmaterial in Gegenwart des elektrostatischen Feldes aufzutragen. Das Verfahren umfasst ferner das Trocknen des Beschichtungsmaterials auf dem Substratmaterial und das Aufwickeln des Substratmaterials auf eine Endproduktrolle.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren außerdem das Anlegen eines zweiten elektrostatischen Feldes an den Strom von flexiblem Substratmaterial zwischen der Applikatorwalze und der Endproduktrolle.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren außerdem die Verwendung einer Trocknungseinheit für den Fluss des flexiblen Substratmaterials zwischen der Applikatorwalze und der Endproduktrolle.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren außerdem die Verwendung einer Trocknungseinheit für den Fluss des flexiblen Substratmaterials zwischen der Applikatorwalze und der Endproduktrolle.
In einigen Ausführungsformen umfasst das flexible Trägermaterial ein flexibles Polyolefin, das eine der folgenden Schichten umfasst: Polypropylen-Monoschicht, Polyethylen-Monoschicht und Polypropylen/Polyethylen/Polypropylen-Dreifachschicht.
In einigen Ausführungsformen enthält das flexible Trägermaterial außerdem eine Aluminiumfolie als Trägermaterial.
In einigen Ausführungsformen enthält das Beschichtungsmaterial eine Mischung aus Titandioxid und Ruß.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform umfasst eine Gerätekonfiguration zum Aufbringen einer Beschichtung auf einen Separator für eine Batterie eine Vorratsrolle, die einen Strom von flexiblem Substratmaterial bereitstellt, und eine Applikatorwalze, die den Strom von flexiblem Substratmaterial aufnimmt und mit ihm in Kontakt steht. Die Applikatorwalze enthält eine negative Ladung. Die Gerätekonfiguration umfasst ferner ein Flüssigkeitsvorläuferbecken, das in Kontakt mit der Applikatorwalze angeordnet ist, und einen Metallbehälter, der das Flüssigkeitsvorläuferbecken enthält. Der Metallbehälter enthält eine positive Ladung. Die Gerätekonfiguration umfasst ferner eine Endproduktrolle, die den Strom von flexiblem Substratmaterial von der Applikatorwalze aufnimmt und das flexible Substratmaterial aufwickelt. Die Applikatorwalze mit der negativen Ladung und der Metallbehälter mit der positiven Ladung erzeugen ein elektrostatisches Feld zwischen ihnen. Der Strom des flexiblen Trägermaterials wird, während er mit der Applikatorwalze in Kontakt ist, in die Beschichtung im flüssigen Vorläuferpool eingetaucht und erhält diese. Die Beschichtung wird zwischen der Applikatorwalze und der Endproduktrolle getrocknet.
In einigen Ausführungsformen umfasst die positive Ladung eine erste positive Ladung und die negative Ladung eine erste negative Ladung. In einigen Ausführungsformen umfasst das elektrostatische Feld ein erstes elektrostatisches Feld. In einigen Ausführungsformen umfasst die Gerätekonfiguration außerdem eine Metallspitze mit einer zweiten positiven Ladung und ein Metallblech, das eine zweite negative Ladung erzeugt. Die Metallspitze und das Metallblech sind so angeordnet, dass sie ein zweites elektrostatisches Feld zwischen der Applikatorwalze und der Endproduktrolle erzeugen.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Gerätekonfiguration außerdem eine Trocknungseinheit, die zwischen der Applikatorwalze und der Endproduktrolle angeordnet ist.
In einigen Ausführungsformen umfasst das flexible Trägermaterial ein flexibles Polyolefin, einschließlich einer Polypropylen-Monoschicht, einer Polyethylen-Monoschicht oder einer Polypropylen/Polyethylen/Polypropylen-Dreischicht. In einigen Ausführungsformen enthält das flexible Substratmaterial außerdem eine Aluminiumfolie als Träger. In einigen Ausführungsformen enthält der flüssige Vorläuferpool eine Aufschlämmung einer Mischung aus Titandioxid und Ruß.
Die obigen Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung der besten Modi zur Durchführung der Offenbarung in Verbindung mit den beigefügten Figuren ohne weiteres ersichtlich.
Figurenliste

1 zeigt schematisch eine beispielhafte Gerätekonfiguration 5, die zur Anwendung eines Verfahrens zur Beschichtung von Separatoren für Batterieanwendungen gemäß der vorliegenden Offenbarung geeignet ist;
2 zeigt schematisch die negativ geladene Folie 30 und das Trennsubstrat von 1 in vergrößertem Maßstab gemäß der vorliegenden Offenbarung;
3 zeigt eine beispielhafte Gerätekonfiguration 100, mit der ein Verfahren zur Beschichtung von Separatoren für Batterieanwendungen in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung angewandt werden kann;
4 zeigt ein Verfahren zur Beschichtung von Separatoren für Batterieanwendungen gemäß der vorliegenden Offenbarung;
5 zeigt ein Verfahren zur Beschichtung von Separatoren für Batterieanwendungen in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung;
6 zeigt schematisch einen Teil einer Gerätekonfiguration, mit der ein Verfahren zur Beschichtung von Separatoren für Batterieanwendungen in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung angewendet werden kann;
7 zeigt ein alternatives Verfahren zur Beschichtung von Separatoren für Batterieanwendungen in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung;
8 zeigt grafisch die Testergebnisse eines Batteriesystems nach dem Stand der Technik, das der vorliegenden Offenbarung entspricht; und
9 zeigt graphisch die Testergebnisse eines Batteriesystems, das einen Separator verwendet, der mit dem offengelegten Verfahren gemäß der vorliegenden Offenlegung hergestellt wurde.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es wird ein Beschichtungsverfahren zur Verfügung gestellt, um eine gleichmäßige und dünne Beschichtung von Metallteilchen, Metalloxidteilchen, leitfähigen Kohlenstoffteilchen und/oder deren Mischungen auf Batterieseparatoren mit Hilfe elektrostatischer Kraft herzustellen. Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren in einem Rolle-zu-Rolle-Beschichtungsprozess durchgeführt werden. Die beschichteten Separatoren können die Leistung und Robustheit von Batterien mit hoher Energiedichte verbessern.
Zu den bekannten Verfahren zur Beschichtung einer Membran gehören das Durchleiten der Membran durch ein Bad und das Trocknen der Flüssigkeit des Bades auf der Membran. Beschichtungen, die durch herkömmliche Methoden erzeugt werden, führen jedoch zu spröden Beschichtungen oder zu Beschichtungen, die sich vom Substrat ablösen können, oder zu Beschichtungen, die sich wölben oder verbiegen. Das beschriebene Verfahren erzeugt eine beschichtete Membran, ohne dass sich die Beschichtung während des Trocknens wölbt oder verbiegt. In einer Ausführungsform kann das elektrostatische Feld zunächst aufgebaut werden, und dann kann die Beschichtung in Gegenwart des aufgebauten elektrostatischen Feldes aufgebracht werden. In einer anderen Ausführungsform kann die Beschichtung zunächst auf ein Trägermaterial aufgebracht und anschließend das elektrostatische Feld aufgebaut werden, wobei das Trägermaterial und das flüssige Beschichtungsmaterial in das elektrostatische Feld eingebracht oder bewegt werden.
Das beschriebene Verfahren nutzt die elektrostatische Kraft, um die Separatoren auf einem Substrat zu halten. Die Nutzung der elektrostatischen Kraft ermöglicht die Bildung einer kontrollierbaren, dünnen und gleichmäßigen Beschichtung. Das offengelegte Verfahren ist einfach und schnell zu handhaben und kann leicht und kostengünstig erweitert werden. Die elektrostatische Kraft kann genutzt werden, um die Separatoren auf einem Metallsubstrat zu halten, das sich während des Trocknens wölbt/biegt.
Die in dem beschriebenen Verfahren verwendete Beschichtung kann eine Vielzahl von Ausgangsmaterialien für die Beschichtung enthalten, darunter Kohlenstoff, Metall, Oxide und/oder deren Mischungen. In einer Ausführungsform enthält die Beschichtung eine Titandioxid/Ruß-Mischung. Elektrostatische Kraft wird verwendet, um Polypropylen oder ähnliche Membranen auf Dünnschicht-Metallsubstraten wie Aluminium zu befestigen. Zu den Substraten können Polyolefinfolien (wie Polypropylen (PP)-Einzelfolien, Polyethylen (PE)-Einzelfolien und Polypropylen/Polyethylen/Polypropylen (PP/PE/PP)-Dreifolien) gehören. Die elektrostatische Kraft kann genutzt werden, um Beschichtungsmaterialien gleichmäßig auf die Separatoren zu sprühen und die Haftung zu verbessern. Die gleichmäßige Beschichtung ermöglicht die Herstellung von ionenselektiven Membranen, die in Li-S-Batterien, Li-Ionen-Batterien und Brennstoffzellen verwendet werden können. Das beschriebene Verfahren kann eine schnelle Trocknung von Dünnschichtmembranen beinhalten, z. B. indem erwärmte Luft über die Membran geleitet wird, was eine Beschichtung von Rolle zu Rolle ermöglicht. Die offengelegte Beschichtung kann dünn oder mikroskopisch klein sein, z. B. in Form von Nanopartikeln auf dem Separator.
1 zeigt schematisch eine beispielhafte Gerätekonfiguration 5, die zur Anwendung eines Verfahrens zur Beschichtung von Separatoren für Batterieanwendungen geeignet ist. Die Gerätekonfiguration 5 ist mit einer positiv geladenen Spitze 20 und einer negativ geladenen Platte 30 dargestellt. Die positiv geladene Spitze 20 kann ein leitfähiges Metallteil mit einem dreieckigen Querschnitt umfassen. Ein Unterschied in der elektrostatischen Ladung zwischen der positiv geladenen Spitze 20 und dem negativ geladenen Blatt 30 erzeugt ein elektrostatisches Feld 40, das sich zwischen der positiv geladenen Spitze 20 und dem negativ geladenen Blatt 30 erstreckt. Ein Trennsubstrat 10 wird als beispielhaftes Substrat in Gegenwart des elektrostatischen Feldes 40 bereitgestellt. Durch das Aufbringen auf das Trennsubstrat 10 in Anwesenheit des elektrostatischen Feldes 40 werden Beschichtungspartikel, wie sie z. B. durch eine Sprühbeschichtung aufgebracht werden, elektrostatisch auf dem Substrat angeheftet. 2 zeigt schematisch die negativ geladene Folie 30 und das Trennsubstrat 10 von 1 in vergrößertem Maßstab. Das negativ geladene Blatt 30 ist mit einer ersten Oberfläche 32 dargestellt. Die Gesamtheit der negativ geladenen Folie 30 einschließlich der ersten Oberfläche 32 enthält eine negative Ladung, die durch Anbringen der negativ geladenen Folie 30 an einem negativen Anschluss einer Gleichstromquelle erzeugt werden kann. Das Trennsubstrat 10 ist dargestellt und befindet sich innerhalb des elektrostatischen Feldes 40 von 1. Infolgedessen besteht eine Trennung von negativer Ladung und positiver Ladung über das Trennsubstrat 10, wobei eine negative Ladung auf einer ersten Oberfläche 12 des Trennsubstrats 10 und eine positive Ladung auf einer zweiten Oberfläche 14 des Trennsubstrats 10 vorhanden ist. Die negative Ladung auf der ersten Oberfläche 12 zieht die Beschichtungsteilchen an und lässt die Beschichtungsteilchen elektrostatisch auf der ersten Oberfläche 12 des Trennsubstrats 10 haften. Das Trennsubstrat 10 kann aus vielen verschiedenen Materialien hergestellt werden. In einer Ausführungsform kann das Trennsubstrat 10 ein Polypropylen-Separator sein.
3 zeigt eine beispielhafte Anlagenkonfiguration 100, mit der ein Verfahren zur Beschichtung von Separatoren für Batterieanwendungen in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren angewendet werden kann. Die Anlagenkonfiguration 100 umfasst eine Vorratsrolle 120, eine Applikatorwalze 130 und eine Fertigproduktrolle 140. Die Vorratswalze 120, die Applikatorwalze 130 und die Fertigproduktwalze 140 sind gemeinsam in der Lage, einen Vorrat an flexiblem Substratmaterial 110 von der Vorratswalze 120 über die Applikatorwalze 130 und auf die Fertigproduktwalze 140 zu übertragen. In einer Ausführungsform kann das flexible Trägermaterial 110 eine Polypropylenfolie sein. In einer Ausführungsform kann die Polypropylenfolie auf einer Aluminiumfolie aufgebracht sein. Beim Übergang des flexiblen Trägermaterials 110 von der Vorratsrolle 120 zur Applikatorwalze 130 passt sich das flexible Trägermaterial 110 an die äußere Form der Applikatorwalze 130 an und bewegt sich durch einen im Behälter 150 enthaltenen Flüssigkeitsvorläuferpool 160. Der flüssige Vorläuferpool 160 kann die Partikel enthalten, die als Beschichtung auf das flexible Substratmaterial 110 aufgebracht werden sollen. In einer Ausführungsform kann der flüssige Vorläuferpool 160 Titandioxid (TiO₂) enthalten.
Der Behälter 150 kann aus einem leitfähigen metallischen Material bestehen und positiv geladen sein. Die Applikatorwalze 130 kann metallisch sein oder einen metallischen Teil enthalten, die Applikatorwalze 130 kann negativ geladen sein. Durch die Erzeugung einer positiven Ladung auf dem Behälter 150 und einer negativen Ladung auf der Applikatorwalze 130 kann ein elektrostatisches Feld zwischen dem Behälter 150 und der Applikatorwalze 130 erzeugt werden. Wenn sich das flexible Trägermaterial 110 durch den Flüssigkeitsvorläuferpool 160 bewegt, werden Partikel aus dem Flüssigkeitsvorläuferpool 160 in Gegenwart des elektrostatischen Feldes, das durch die positive Ladung des Behälters 150 und die negative Ladung der Applikatorwalze 130 erzeugt wird, an dem flexiblen Trägermaterial 110 angeheftet. Infolgedessen wird eine Beschichtung 112 auf dem flexiblen Trägermaterial 110 aufgebracht. Das flexible Trägermaterial 110 einschließlich der Beschichtung 112 wird zur Endproduktrolle 140 transportiert, wo es zur Lagerung auf die Endproduktrolle 140 aufgewickelt wird.
4 zeigt ein Verfahren 200 zur Beschichtung von Separatoren für Batterieanwendungen. Das Verfahren 200 beginnt mit Schritt 202. In Schritt 204 wird ein elektrostatisches Feld erzeugt, und ein Substratmaterial wird innerhalb des elektrostatischen Feldes angeordnet. In Schritt 206 wird in Anwesenheit des elektrostatischen Feldes ein Beschichtungsmaterial auf das Substratmaterial aufgebracht. Das Auftragen des Beschichtungsmaterials kann durch Sprühen oder Streichen des Beschichtungsmaterials auf das Substrat, durch Tauchen oder Eintauchen des Substratmaterials in einen Beschichtungsmaterialpool oder durch andere ähnliche Auftragsverfahren erfolgen. In Schritt 208 wird das Beschichtungsmaterial auf dem Substratmaterial getrocknet. In Schritt 210 wird das Verfahren 200 beendet. Es sind eine Reihe zusätzlicher oder alternativer Schritte denkbar, und die Offenbarung ist nicht auf die hier aufgeführten beispielhaften Verfahrensschritte beschränkt.
5 zeigt ein Verfahren 300 zur Beschichtung von Separatoren für Batterieanwendungen in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren. Das Verfahren 300 beginnt in Schritt 302. In Schritt 304 wird eine Vorratsrolle mit flexiblem Substratmaterial bereitgestellt, um einen Strom von flexiblem Substratmaterial zu liefern. In Schritt 306 wird ein elektrostatisches Feld zwischen einer Applikatorwalze und einem Behälter für metallische Vorläufer erzeugt. In Schritt 308 wird der Strom von flexiblem Substratmaterial durch einen Pool von flüssigem Vorläufermaterial innerhalb des metallischen Vorläuferbehälters bewegt, so dass das flexible Substratmaterial in Anwesenheit des elektrostatischen Feldes in das flüssige Vorläufermaterial eingetaucht wird, was dazu führt, dass das flexible Substratmaterial mit dem flüssigen Vorläufermaterial beschichtet wird. Der Pool des flüssigen Vorläufermaterials kann Titandioxid oder eine Aufschlämmung von Titandioxid und Rußmaterial enthalten. In Schritt 310 wird der Strom von flexiblem Substratmaterial auf eine Endproduktrolle aufgewickelt. Das flüssige Vorläufermaterial auf dem flexiblen Trägermaterial trocknet auf dem flexiblen Trägermaterial, während es zwischen der Applikatorwalze und der Endproduktrolle hindurchläuft. In Schritt 312 endet das Verfahren 300. Es sind eine Reihe zusätzlicher oder alternativer Schritte denkbar, und die Offenbarung soll nicht auf die hier dargestellten beispielhaften Verfahrensschritte beschränkt sein.
6 zeigt schematisch einen Teil einer Gerätekonfiguration 100' zur Anwendung eines Verfahrens zur Beschichtung von Separatoren für Batterieanwendungen in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren. Die Gerätekonfiguration 100' ähnelt der Gerätekonfiguration 100 von 3 und umfasst die Applikatorwalze 130, den Flüssigkeitsvorläuferpool 160, das flexible Substratmaterial 110 und die Endproduktrolle 140. Die Beschichtung 112 wird auf dem flexiblen Trägermaterial 110 beim Übergang von der Applikatorwalze 130 zur Endproduktrolle 140 dargestellt. Eine positiv geladene Spitze 170 und eine negativ geladene Platte 180 sind dargestellt, die ein elektrostatisches Feld 190 erzeugen. Da das flüssige Vorläufermaterial der Beschichtung 112 in flüssiger Form vorliegt, kann das elektrostatische Feld 190 das flüssige Vorläufermaterial der Beschichtung 112 elektrostatisch an das flexible Substratmaterial 110 anhaften. In einer Ausführungsform kann das elektrostatische Feld 190 alternativ zu dem in 3 beschriebenen elektrostatischen Feld in Bezug auf den Behälter 150 und die Applikatorwalze 130 angelegt werden. In einer anderen Ausführungsform kann das in 3 beschriebene elektrostatische Feld in der Konfiguration von 6 angelegt werden, und das elektrostatische Feld 190 kann ein zusätzliches oder zweites elektrostatisches Feld sein. Es ist eine Trocknungseinheit 192 dargestellt, die einen Strom erwärmter Luft 194 auf das flexible Substratmaterial 110 leitet, um die Beschichtung 112 zu trocknen. In einer anderen Ausführungsform kann die Trocknungseinheit 192 alternativ eine Wärmelampe oder eine ähnliche Vorrichtung zum Erwärmen und Trocknen der Beschichtung 112 umfassen.
7 zeigt ein alternatives Verfahren 400 zur Beschichtung von Separatoren für Batterieanwendungen in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren. Das Verfahren 400 beginnt in Schritt 402. In Schritt 404 wird eine Vorratsrolle mit flexiblem Substratmaterial bereitgestellt, um einen Strom von flexiblem Substratmaterial zu liefern. In Schritt 406 wird ein elektrostatisches Feld zwischen einer Applikatorwalze und einem Behälter für metallische Vorläufer erzeugt. In Schritt 408 wird der Strom von flexiblem Substratmaterial durch einen Pool von flüssigem Vorläufermaterial innerhalb des metallischen Vorläuferbehälters bewegt, so dass das flexible Substratmaterial in Gegenwart des elektrostatischen Feldes in das flüssige Vorläufermaterial eingetaucht wird, was dazu führt, dass das flexible Substratmaterial mit dem flüssigen Vorläufermaterial beschichtet wird. In Schritt 410 wird ein zusätzliches oder zweites elektrostatisches Feld zwischen der Applikatorwalze und einer Endproduktwalze erzeugt, und der Strom von flexiblem Substratmaterial wird durch das zweite elektrostatische Feld bewegt. In Schritt 412 wird eine Trocknungseinheit verwendet, um die Beschichtung auf dem Strom des flexiblen Substratmaterials zu trocknen. In Schritt 414 wird der Strom des flexiblen Substratmaterials auf die Rolle des Endprodukts aufgewickelt. In Schritt 416 wird das Verfahren 400 beendet. Es sind eine Reihe zusätzlicher oder alternativer Schritte denkbar, und die Offenbarung ist nicht auf die hier dargestellten beispielhaften Verfahrensschritte beschränkt.
Das beschriebene Verfahren kann beispielsweise zur Beschichtung von Polypropylen (PP)-Separatoren mit Titandioxid (TiO₂)-Nanopartikeln und einer Rußmischung verwendet werden, die in Lithium-Schwefel-Batterien eingesetzt werden können, um deren Kapazität und Zelllebensdauer zu verbessern. In sind die Testergebnisse eines Lithium-Schwefel-Batteriesystems grafisch dargestellt. Die vertikale Achse 502 stellt das Spannungspotential (Li/Li⁺) dar. Eine horizontale Achse 504 stellt die gravimetrische Kapazität (mAh g^-1) dar, die die Kapazität der Batterie pro Masseneinheit der Schwefelkathode beschreibt. Die Testdaten wurden bei einer Entlade-/Laderate von 0,1 C nach dem ersten Formationszyklus mit einer Rate von 0,05 C erzeugt. Die Kurven für Potenzial und spezifische Kapazität in den Testdaten entsprechen einer Schwefelkathode mit einem unbeschichteten Polypropylenseparator. Diagramm 510 stellt einen ersten Ladezyklus dar. Kurve 520 stellt einen fünften Ladezyklus dar. Das Diagramm 530 stellt einen fünfzehnten Ladezyklus dar. Das Diagramm 512 stellt einen ersten Entladezyklus dar. Das Diagramm 522 stellt einen fünften Entladezyklus dar. Das Diagramm 532 stellt einen fünfzehnten Entladezyklus dar. 9 zeigt grafisch die Testergebnisse eines Lithium-Schwefel-Batteriesystems mit einem Separator, der mit einer Schicht aus TiO/Kohlenstoff₂ (90:10 Massenverhältnis) mit einer Dicke von 10 um unter Verwendung der beschriebenen Methode hergestellt wurde. Die vertikale Achse 602 stellt das Potential in Volt (Li/Li⁺) dar. Eine horizontale Achse 604 stellt die gravimetrische Kapazität (mAh g^-1) dar. Die Testdaten wurden bei einer Entlade-/Laderate von 0,1 C nach dem ersten Formationszyklus mit einer Rate von 0,05 C erzeugt. Die Kurven von Potenzial und spezifischer Kapazität in den Testdaten entsprechen einer Schwefelkathode mit einem unbeschichteten Polypropylenseparator. Diagramm 610 stellt einen ersten Ladezyklus dar. Diagramm 620 stellt einen fünften Ladezyklus dar. Das Diagramm 630 stellt einen fünfzehnten Ladezyklus dar. Das Diagramm 612 stellt einen ersten Entladezyklus dar. Das Diagramm 622 stellt einen fünften Entladezyklus dar. Das Diagramm 632 stellt einen fünfzehnten Entladezyklus dar. In 8 liegt die gravimetrische Kapazität im ersten Zyklus bei etwa 1200 mAh g^-1 bei einer Entlade-/Laderate von 0,05 C. Wenn die Entladungsrate ab dem zweiten Zyklus auf 0,1 C erhöht wird, sinkt die spezifische Kapazität auf etwa 800 mAh g^-1. zeigt, dass der erste Zyklus der Lithium-Schwefel-Batterie mit ₂TiO/Kohlenstoff-beschichtetem Separator eine gravimetrische Kapazität von 950 mAh g^-1 ergibt, die niedriger ist als die Anfangskapazität mit unbeschichtetem PP-Separator. Vom ersten Zyklus an wurde jedoch eine höhere stabile gravimetrische Kapazität von ~1100 mAh g^-1 bei 0,1 C beobachtet. Vergleicht man die Diagramme in mit den Diagrammen in , so ist eine Verbesserung der gravimetrischen Kapazität einer Lithium-Schwefel-Batterie mit einem Separator mit einer funktionellen Beschichtung offensichtlich. Dies beweist, dass die ₂TiO/Kohlenstoff-Beschichtung auf dem Separator durch das beschriebene Verfahren die Polysulfide, die sich während des Entladungsprozesses von der Schwefelkathode in den Elektrolyten lösen, adsorbieren und wiederverwenden kann, wodurch der Kapazitätsverlust von Lithium-Schwefel-Batterien gemildert wird.
Während die bevorzugten Ausführungsformen zur Durchführung der Offenbarung im Detail beschrieben wurden, werden diejenigen, die mit dem Stand der Technik, auf den sich diese Offenbarung bezieht, vertraut sind, verschiedene alternative Designs und Ausführungsformen zur Durchführung der Offenbarung im Rahmen der beigefügten Ansprüche erkennen.

Claims

Verfahren zum Beschichten eines Separators für eine Batterie, umfassend: Erzeugen eines elektrostatischen Felds; Anordnen eines Substratmaterials innerhalb des elektrostatischen Feldes; Aufbringen eines Beschichtungsmaterials auf das Substratmaterial in Anwesenheit des elektrostatischen Feldes; und Trocknen des Beschichtungsmaterials auf dem Substratmaterial.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen des elektrostatischen Feldes das Erzeugen einer positiven Ladung auf einer Metallspitze und das Erzeugen einer negativen Ladung auf einem Metallblech umfasst; und wobei das Anordnen des Substratmaterials innerhalb des elektrostatischen Feldes das Platzieren des Substratmaterials zwischen der Metallspitze und dem Metallblech einschließt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aufbringen des Beschichtungsmaterials das Aufsprühen des Beschichtungsmaterials auf das Substratmaterial umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aufbringen des Beschichtungsmaterials das Eintauchen des Substratmaterials in einen Pool aus Vorläufermaterial einschließt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substratmaterial eine Polyolefinfolie umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Polyolefinfolie eine Polypropylen-Einschichtfolie, eine Polyethylen-Einschichtfolie oder eine Polypropylen/Polyethylen/Polypropylen-Folie umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Beschichtungsmaterial eine Mischung aus Titandioxid und Ruß enthält.
Gerätekonfiguration zum Aufbringen einer Beschichtung auf einen Separator für eine Batterie, die Folgendes umfasst: eine Vorratsrolle, die einen Strom von flexiblem Substratmaterial liefert; eine Applikatorwalze, die den Fluss des flexiblen Substratmaterials aufnimmt und mit ihm in Kontakt steht, wobei die Applikatorwalze eine negative Ladung aufweist; einen Flüssigkeitsvorläuferpool, der in Kontakt mit der Applikatorwalze steht; einen Metallbehälter, der den flüssigen Vorläuferpool enthält, wobei der Metallbehälter eine positive Ladung aufweist; eine Endproduktrolle, die den Strom des flexiblen Substratmaterials von der Applikatorwalze aufnimmt und den Strom des flexiblen Substratmaterials aufwickelt; und wobei die Applikatorwalze mit der negativen Ladung und der Metallbehälter mit der positiven Ladung ein elektrostatisches Feld dazwischen erzeugen; wobei der Fluss des flexiblen Substratmaterials, während er in Kontakt mit der Applikatorwalze ist, in die Beschichtung innerhalb des flüssigen Vorläuferpools eingetaucht wird und diese aufnimmt; und wobei die Beschichtung zwischen der Applikatorwalze und der Endproduktrolle getrocknet wird.
Gerätekonfiguration nach Anspruch 8, wobei die positive Ladung eine erste positive Ladung umfasst; wobei die negative Ladung eine erste negative Ladung enthält; wobei das elektrostatische Feld ein erstes elektrostatisches Feld umfasst; und eine Metallspitze mit einer zweiten positiven Ladung und eine Metallfolie, die eine zweite negative Ladung erzeugt, wobei die Metallspitze und die Metallfolie so angeordnet sind, dass sie ein zweites elektrostatisches Feld zwischen der Applikatorwalze und der Endproduktrolle erzeugen.
Gerätekonfiguration nach Anspruch 8, ferner umfassend eine Trocknungseinheit, die zwischen der Applikatorwalze und der Endproduktrolle angeordnet ist.