DE112020006592T5 - Beschichteter Separator, elektrochemische Zelle mit einem beschichteten Separator und Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Separators - Google Patents

Beschichteter Separator, elektrochemische Zelle mit einem beschichteten Separator und Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Separators Download PDF

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Abstract

Beschichteter Separator, umfassend ein poröses Separator-Basismaterial, das einen porösen Polymerfilm einschließt; eine erste Überzugsschicht, die elektrochemisch stabile thermoplastische Polymerteilchen einschließt, die auf einer ersten Oberfläche des porösen Separator-Basismaterials angeordnet sind, wobei die elektrochemisch stabilen thermoplastischen Polymerteilchen eine Schmelztemperatur von 90 bis 135°C aufweisen; und eine zweite Überzugsschicht, die keramische Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von mehr als 100 Nanometern einschließt, wobei die zweite Überzugsschicht auf der ersten Überzugsschicht auf einer Seite gegenüber dem porösen Separator-Basismaterial angeordnet ist; oder die zweite Überzugsschicht auf dem porösen Separator-Basismaterial auf einer zweiten Seite gegenüber der ersten Überzugsschicht angeordnet ist; oder die erste Überzugsschicht und die zweite Überzugsschicht kombiniert sind, um eine gemischte Überzugsschicht zu bilden, die auf der ersten Oberfläche des porösen Separator-Basismaterials angeordnet ist. Elektrochemische Zellen, eine Vorrichtung, die eine elektrochemische Zelle enthält, und ein Verfahren zur Herstellung des beschichteten Separators werden ebenfalls beschrieben.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht die Vorteile der US-Anmeldung Nr. 62/964749 , die am 23. Januar 2020 eingereicht wurde und durch Bezugnahme in vollem Umfang hierin enthalten ist.
  • HINTERGRUND
  • Separatoren für elektrochemische Zellen, z. B. Lithium-Ionen-Batterien, sind im Allgemeinen erforderlich, um ihre strukturelle Integrität bei hohen Temperaturen zu erhalten. Separatoren können auch ein Abschaltverhalten aufweisen. Viele der derzeit für Separatoren verwendeten Materialien bieten die gewünschten Abschalteigenschaften, haben aber den Nachteil, dass sie bei hohen Temperaturen nur eine begrenzte Stabilität aufweisen. Das Erweichen oder Schmelzen eines Polymerseparators kann zu einem Abschaltverhalten führen, und eine hohe Schrumpfung kann zu einer schlechten Dimensionsstabilität führen.
  • Dementsprechend besteht nach wie vor ein Bedarf im Stand der Technik an verbesserten Separatormaterialien, die sowohl das gewünschte Abschaltverhalten als auch eine gute Hochtemperaturstabilität (z. B. gute Dimensionsstabilität und geringe Schrumpfung) bieten können.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Beschichteter Separator, umfassend ein poröses Separator-Basismaterial, das einen porösen Polymerfilm umfasst; eine erste Überzugsschicht, die elektrochemisch stabile thermoplastische Polymerteilchen umfasst, die auf einer ersten Oberfläche des porösen Separator-Basismaterials angeordnet ist, wobei die elektrochemisch stabilen thermoplastischen Polymerteilchen eine Schmelztemperatur von 90 bis 135°C aufweisen; und eine zweite Überzugsschicht, die keramische Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von mehr als 100 Nanometer umfasst; wobei die zweite Überzugsschicht auf der ersten Überzugsschicht auf einer Seite gegenüber dem porösen Separator-Basismaterial angeordnet ist; oder die zweite Überzugsschicht auf dem porösen Separator-Basismaterial auf einer zweiten Seite gegenüber der ersten Überzugsschicht angeordnet ist; oder die erste Überzugsschicht und die zweite Überzugsschicht kombiniert sind, um eine durchmischte Überzugsschicht zu bilden, die auf der ersten Oberfläche des porösen Separator-Basismaterials angeordnet ist.
  • Eine elektrochemische Zelle enthält den beschichteten Separator.
  • Eine Lithium-Ionen-Batterie enthält den beschichteten Separator.
  • Ein Gerät enthält die Lithium-Ionen-Batterie.
  • Ein Verfahren zur Herstellung des beschichteten Separators umfasst das Aufbringen der ersten Überzugsschicht auf den Separator und das Aufbringen der zweiten Überzugsschicht auf den Separator.
  • Die oben beschriebenen und weitere Merkmale werden durch die folgenden Abbildungen und die detaillierte Beschreibung veranschaulicht.
  • Figurenliste
  • Die folgenden Abbildungen zeigen beispielhafte Ausführungsformen, bei denen gleiche Elemente gleich nummeriert sind.
    • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines beschichteten Separators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, bei der Polymerteilchen und Keramikteilchen auf derselben Seite eines polymeren Grundmaterials beschichtet sind.
    • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines beschichteten Separators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, bei der Polymerteilchen und Keramikteilchen auf gegenüberliegenden Seiten eines polymeren Grundmaterials beschichtet sind.
    • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines beschichteten Separators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, bei der Polymerpartikel und Keramikpartikel auf derselben Seite eines polymeren Grundmaterials beschichtet sind und eine durchmischte Überzugsschicht bilden.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die vorliegenden Erfinder haben vorteilhafterweise festgestellt, dass ein verbessertes Separatormaterial bereitgestellt werden kann, indem ein poröser Polymerfilm mit einer ersten Überzugsschicht, die elektrochemisch stabile thermoplastische Polymerteilchen umfasst, und einer zweiten Überzugsschicht, die Keramikteilchen umfasst, beschichtet wird. Insbesondere kann die Abschalttemperatur deutlich reduziert und die thermische Stabilität des Separators verbessert werden.
  • Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist daher ein beschichteter Separator. Der beschichtete Separator umfasst ein poröses Separator-Grundmaterial, eine erste Überzugsschicht und eine zweite Überzugsschicht. Das poröse Separator-Grundmaterial umfasst einen porösen Polymerfilm. Die poröse Polymerfolie kann beispielsweise aus Polyethylen, Polypropylen, Polyimid, Polyethylenterephthalat, Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid oder einer Kombination davon bestehen. In einigen Ausführungsformen kann die poröse Polymerfolie vorzugsweise eine poröse Polyolefinfolie umfassen, z. B. eine Polyethylenfolie oder eine Polypropylenfolie. Das poröse Separator-Basismaterial kann eine Vielzahl miteinander verbundener Kanäle (auch als „Poren“ bezeichnet) umfassen, die sich von einer ersten Oberfläche zu einer zweiten Oberfläche des porösen Separator-Basismaterials erstrecken. Der Durchmesser der Poren des porösen Separator-Basismaterials kann z. B. 0,01 bis 10 Mikrometer, z. B. 0,01 bis 0,05 Mikrometer betragen. Das poröse Separator-Basismaterial kann eine Porosität von 1 bis 50%, 20 bis 50% oder 30 bis 45% aufweisen. Das poröse Separator-Basismaterial kann beispielsweise eine Dicke von 1 bis 20 Mikrometern, vorzugsweise 5 bis 14 Mikrometern, noch bevorzugter 5 bis 9 Mikrometern, noch bevorzugter 5 bis 7 Mikrometern aufweisen. Es kann von Vorteil sein, ein dünnes Separator-Basismaterial zu verwenden, um die Energiedichte des Separators zu erhöhen.
  • Der beschichtete Separator umfasst ferner eine erste Überzugsschicht, die auf einer ersten Oberfläche des porösen Separator-Basismaterials angeordnet ist. Die erste Überzugsschicht umfasst elektrochemisch stabile thermoplastische Polymerpartikel. Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff „elektrochemisch stabil“ auf die Stabilität der Polymerteilchen gegenüber Lithium in einer elektrochemischen Arbeitszelle bei 4,5 Volt oder mehr. Die elektrochemisch stabilen thermoplastischen Polymerpartikel können eine Schmelztemperatur von 90 bis 135°C, beispielsweise 95 bis 125°C, 95 bis 115°C oder 98 bis 110°C aufweisen. Die Schmelztemperatur der Polymerpartikel kann z. B. durch Differentialscanningkalorimetrie (DSC) bestimmt werden. Beispielhafte elektrochemisch stabile thermoplastische Polymerteilchen können Polyurethan, Polyethylenoxid, Polyethylen, Ethylen-Vinylacetat-Polymere, Ethylen-Acrylsäure-Polymere, Polyester, Styrol-Acrylat-Polymere, Styrol-Butadien-Polymere, Derivate davon oder eine Kombination davon umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt.
  • Die elektrochemisch stabilen thermoplastischen Polymerpartikel können einen durchschnittlichen Durchmesser von 0,3 bis 5 Mikrometer, 0,5 bis 5 Mikrometer oder 0,3 bis 3 Mikrometer haben. Die Polymerteilchen haben vorzugsweise einen Teilchendurchmesser, der größer ist als der durchschnittliche Porendurchmesser des porösen Separator-Basismaterials. Die Polymerteilchen haben vorzugsweise eine kugelförmige Gestalt mit einer relativ gleichmäßigen Größen- und Formverteilung. Die durchschnittliche Teilchengröße kann z. B. mit Laserlichtstreuungstechniken bestimmt werden. Die Form der Partikel kann z. B. mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie (REM) analysiert werden.
  • Zusätzlich zu der ersten Überzugsschicht umfasst der beschichtete Separator eine zweite Überzugsschicht. Die zweite Überzugsschicht besteht aus Keramikpartikeln. Die Keramikpartikel können eine durchschnittliche Partikelgröße von mehr als 100 Nanometern, mehr als 250 Nanometern oder mehr als 500 Nanometern haben. In einigen Ausführungsformen können die Keramikpartikel eine durchschnittliche Partikelgröße von 500 Nanometern bis 5 Mikrometern, 500 Nanometern bis 3 Mikrometern oder 500 Nanometern bis 1 Mikrometer aufweisen. Die zweite Überzugsschicht kann eine Dicke von 0,5 bis 6 Mikrometern haben.
  • Die keramischen Partikel können SiO2, Al2O3, Böhmit, MgO, TiO2, ZrO2, SnO2, Al(OH)3, BaTiO2, ZnO2, Mg(OH)2, Ti(OH)4, AlN, SiC, BN und dergleichen oder eine Kombination davon umfassen. In einigen Ausführungsformen weisen die Keramikpartikel keine Oberflächenbeschichtung auf. In einigen Ausführungsformen kann die zweite Überzugsschicht, die die Keramikteilchen enthält, eine polymere Komponente ausschließen. In einigen Ausführungsformen können leitfähige Teilchen (z. B. aus kohlenstoffhaltigen Materialien wie Graphit, Ruß und dergleichen) von einer oder beiden Überzugsschichten ausgeschlossen werden.
  • In einigen Ausführungsformen können die erste Überzugsschicht, die zweite Überzugsschicht oder beide optional zusätzlich ein polymeres Bindemittel enthalten. Beispielhafte polymere Bindemittelmaterialien können unter anderem Carboxylmethylcellulose (CMC), Hydroxyethylcellulose (HEC), Ethylenvinylacetat (EVA), Ethylen-Acrylsäure-Copolymer (EAA) Polyvinylalkohol (PVA), Polyvinylbutyral (PVB), Polyethylenglykol (PEG), Acrylharze, Polyvinylidenfluorid (PVDF) / Polyvinylidenfluorid-co-Hexafluorpropylen (PVDF-HFP) oder eine Kombination davon. In einigen Ausführungsformen kann das polymere Bindemittel eine Acrylharzdispersion in Wasser umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die erste Überzugsschicht, die zweite Überzugsschicht oder beide ein polymeres Bindemittel ausschließen.
  • Der beschichtete Separator der vorliegenden Offenbarung umfasst das poröse Separator-Basismaterial, die erste Überzugsschicht und die zweite Überzugsschicht, die in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet sind. In einer Ausführungsform ist die erste Überzugsschicht auf der ersten Oberfläche des porösen Separator-Basismaterials angeordnet, und die zweite Überzugsschicht ist auf der ersten Überzugsschicht auf einer Seite gegenüber dem porösen Separator-Basismaterial angeordnet. Eine schematische Darstellung dieser Anordnung ist in 1 gezeigt, wobei das poröse Separator-Basismaterial 1 mit der ersten Überzugsschicht 2 beschichtet ist und die zweite Überzugsschicht 3 auf der ersten Überzugsschicht angeordnet ist. In einer anderen Ausführungsform ist die erste Überzugsschicht auf der ersten Oberfläche des porösen Separator-Basismaterials angeordnet, und die zweite Überzugsschicht ist auf dem porösen Separator-Basismaterial auf einer zweiten Seite gegenüber der ersten Überzugsschicht angeordnet. Eine schematische Darstellung dieser Anordnung ist in 2 gezeigt, wobei das poröse Separator-Basismaterial 1 auf einer ersten Seite mit der ersten Überzugsschicht 2 und auf einer zweiten, gegenüberliegenden Seite mit der zweiten Überzugsschicht 3 beschichtet ist. Bei den in 1 und 1 gezeigten Ausführungsformen kann die erste Überzugsschicht auf der ersten Seite des porösen Separator-Basismaterials in direktem Kontakt mit dem porösen Separator-Basismaterial stehen (d. h., es sind keine Zwischenschichten zwischen dem porösen Separator-Basismaterial und der ersten Überzugsschicht vorhanden). Der beschichtete Separator kann zum Beispiel keine Klebstoffschicht enthalten. In einer anderen Ausführungsform werden die erste und die zweite Überzugsschicht kombiniert, um eine gemischte Überzugsschicht zu bilden, die auf der ersten Oberfläche des porösen Separator- Basismaterials angeordnet ist. Eine schematische Darstellung der Anordnung ist in 3 zu sehen, in der das poröse Separator-Basismaterial 1 mit einer gemischten Überzugsschicht beschichtet ist, die die erste Überzugsschicht 2 und die zweite Überzugsschicht 3 umfasst. Die durchmischte Überzugsschicht kann in direktem Kontakt mit dem Separator-Basismaterial stehen (d. h., es sind keine Zwischenschichten zwischen der durchmischten Schicht und dem Separator-Basismaterial vorhanden).
  • Vorteilhafterweise kann der beschichtete Separator der vorliegenden Offenbarung eine reduzierte Abschalttemperatur aufweisen. Zum Beispiel kann der beschichtete Separator eine Abschalttemperatur von weniger als 130°C, 90 bis 125°C, 90 bis 120°C oder 100 bis 120°C aufweisen.
  • Der beschichtete Separator kann durch ein Verfahren hergestellt werden, das das Aufbringen der ersten Überzugsschicht auf den Separator und das Aufbringen der zweiten Überzugsschicht auf den Separator umfasst. Wenn die erste Überzugsschicht und die zweite Überzugsschicht wie in 2 auf gegenüberliegenden Seiten des Separators vorhanden sind, kann jede Überzugsschicht in beliebiger Reihenfolge aufgebracht werden. In einigen Ausführungsformen können die Überzugsschichten gleichzeitig auf die jeweiligen Seiten des Separators aufgebracht werden. In einigen Ausführungsformen wird die erste Überzugsschicht auf den Separator aufgebracht, und die zweite Überzugsschicht wird anschließend auf die erste Überzugsschicht aufgebracht, um den beschichteten Separator von 1 zu erhalten. In einigen Ausführungsformen können das erste Beschichtungsmaterial und das zweite Beschichtungsmaterial gemischt werden, und die Mischung kann auf den Separator aufgebracht werden, um den beschichteten Separator von 3 zu erhalten. Das Aufbringen der ersten Überzugsschicht, der zweiten Überzugsschicht oder beider kann beispielsweise durch Tauchbeschichtung, Schlitzdüsen-Extrusionsbeschichtung, Rakelbeschichtung, Mikrotiefdruckbeschichtung, Walzenbeschichtung oder eine Kombination davon erfolgen. In einigen Ausführungsformen kann die Mikrotiefdruckbeschichtung bevorzugt werden.
  • Der beschichtete Separator der vorliegenden Offenbarung kann insbesondere in einer elektrochemischen Zelle nützlich sein. Dementsprechend stellt eine elektrochemische Zelle, die den beschichteten Separator umfasst, einen weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung dar. In einigen Ausführungsformen kann die elektrochemische Zelle eine Lithium-Ionen-Batterie sein. Die Lithium-Ionen-Batterie kann eine positive Elektrode, eine negative Elektrode, einen zwischen der positiven und der negativen Elektrode angeordneten Elektrolyten und den zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordneten beschichteten Separator der vorliegenden Offenbarung umfassen. In der Lithium-Ionen-Batterie sind die positive und die negative Elektrode nicht besonders begrenzt und können durch Bindung eines aktiven Elektrodenmaterials an einen Elektrodenstromabnehmer hergestellt werden. Beispiele für aktive Materialien, die in einer positiven Elektrode verwendet werden können, sind Lithium-Mangan-Oxide, Lithium-Kobalt-Oxide, Lithium-Nickel-Oxide, Lithium-Eisenphosphate und Lithium-Übergangsmetall-Oxide. Beispiele für aktive Materialien, die in einer negativen Elektrode verwendet werden können, sind z. B. Lithium, Lithiumlegierungen, Siliziumlegierungen und Lithiumeinlagerungsmaterialien wie Kohlenstoff, Petrolkoks, Aktivkohle, Graphit und andere kohlenstoffhaltige Materialien. Nicht einschränkende Beispiele für einen Stromabnehmer mit positiver Elektrode können Aluminiumfolien, Nickelfolien oder eine Kombination davon sein. Nicht einschränkende Beispiele für einen Stromabnehmer mit negativer Elektrode können Kupferfolien, Goldfolien, Nickelfolien, Folien aus einer Kupferlegierung oder eine Kombination davon sein. Der Elektrolyt kann ein flüssiger Elektrolyt sein, der zum Beispiel ein organisches Lösungsmittel und ein Elektrolytsalz, zum Beispiel ein Lithiumsalz, enthält. Ein Gerät, das die Lithium-Ionen-Batterie enthält, stellt einen weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung dar.
  • Diese Offenbarung wird durch die folgenden Beispiele, die nicht einschränkend sind, näher erläutert.
  • BEISPIELE
  • Als Basisseparator wurde im folgenden Beispiel eine Polyethylenfolie mit einer Porosität von 30 bis 60 % und einer Porengröße von 0,01 bis 0,2 Mikrometern verwendet. Bei den elektrochemisch stabilen Polymerpartikeln handelt es sich um eine Polyethylen (PE)-Wachsemulsion mit einem Schmelzpunkt von 105°C, eine Emulsion aus PE-Derivaten, eine Styrolacrylat (SA)-Emulsion mit einem Schmelzpunkt von 108°C oder eine Emulsion aus Polystyrolderivaten. Als Keramikmaterial wurde Böhmit/Al2O3 verwendet. Es wurden beschichtete Strukturen hergestellt, bei denen der Basisseparator mit den elektrochemisch stabilen Polymerteilchen, der Mischung aus elektrochemisch stabilen Polymerteilchen und Keramik beschichtet wurde, oder es wurde eine mehrschichtige Struktur hergestellt, bei der die elektrochemisch stabilen Polymerteilchen auf dem PE-Basisseparator und die Keramikteilchen auf der elektrochemisch stabilen Polymerüberzugsschicht oder die Keramikteilchen auf gegenüberliegenden Seiten des PE-Basisseparators beschichtet wurden. Die Dicke der funktionellen Beschichtung lag zwischen 0,1 und 10 Mikrometern. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser lag zwischen 0,05 und 5 Mikrometern.
  • Der Gurley-Wert ist ein wichtiger Indikator für den beschichteten Separator. Der Gurley-Wert des Separators ist die Zeit, die ein bestimmtes Luftvolumen benötigt, um einen Separator zu durchströmen. Der Gurley-Wert spiegelt die Tortuosität der Poren wider, wenn die Porosität und die Dicke des Separators festgelegt sind. Das bedeutet, dass es für Luft schwierig ist, einen Separator mit einem hohen Gurley-Wert zu passieren, und dass die Ionen-Durchlässigkeit gering ist. Der Gurley-Wert eines Separators wird mit Messgeräten gemessen, die nach ASTM D726(B) hergestellt werden. In dieser Anwendung werden die Porositätswerte mit einem Gurley 4110N/4320DN Tester unter Umgebungsbedingungen gemessen. Jede Probe wurde fünfmal gemessen und der Durchschnitt ermittelt. Die Gurley-Werte werden in sec/100cc angegeben. Die Gurley-Werte wurden bei Raumtemperatur („r.t.“), nach 1 Stunde bei 90°C, nach 1 Stunde bei 100°C, nach 1 Stunde bei 110°C, nach 1 Stunde bei 120°C oder nach 1 Stunde bei 130°C bestimmt. Ein „X“ in Tabelle 1 bedeutet, dass der Gurley-Wert unendlich ist. Die Abschalttemperatur wurde bestimmt, wenn der Gurley-Wert unendlich ist, was auf eine Abschaltung des Separators hinweist.
  • Die in den folgenden Beispielen verwendeten Separatormaterialien sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die Porosität des verwendeten Basis-PE-Separators betrug 39 %. Tabelle 1
    Beispiel Separator Beschreibung Mittlere Porengröße (Standardabweichung) (nm)
    Vergleichendes Beispiel 1 Basis-PE-Separator 22.0 (11.1)
    Beispiel 1 Elektrochemisch stabiler, mit Polymerpartikeln beschichteter Separator 23.5 (11.7)
    Beispiel 2 Mit Keramikpartikeln beschichteter Separator 29.2 (7.2)
    Beispiel 3 Elektrochemisch stabiler Separator mit Polymer- und Keramikbeschichtung 22.2 (10.5)
  • Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Tabelle 2
    ITEMS Vergleichendes Beispiel 1 Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3
    Avg. Gurley-Wert (r.t.) 197.5 217.9 221.7 239.9
    S.D. 1.1 1.5 4.6 1.4
    Avg. Gurley-Wert (80C/1h) 203.0 245.8 228.9 263.7
    S.D. 0.9 1.6 6.3 2.7
    Avg. Gurley-Wert (90C/1h) 208.3 257.5 227.9 280.9
    S.D. 1.4 2.0 5.7 1.8
    Avg. Gurley-Wert (100C/1h) 205.5 3242.4 233.2 1280.3
    S.D. 1.1 - 0.9 96.2
    Avg. Gurley-Wert (110C/1h) 216.7 Abschaltung 251.0 2249.2
    S.D. 2.5 3.0 221.8
    Avg. Gurley-Wert (120C/1h) 285 337.0 Abschaltung
    S.D. 13.1 20.3
    Avg. Gurley-Wert (130C/1h) Abschaltung Abschaltung
    S.D.
    Abschaltung (°C) 130 110 130 120
  • Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, kann bei Verwendung des beschichteten Separators der Abschaltpunkt für einen PE-Separator von 130 °C auf bis zu 100 °C gesenkt werden.
  • Auch die thermische Stabilität der Separatoren wurde untersucht. Wie aus Tabelle 3 hervorgeht, weisen die beschichteten Trennmaterialien eine höhere thermische Stabilität auf, die sich in einer geringen Schrumpfung bei hohen Temperaturen zeigt. Tabelle 3 zeigt die Schrumpfung in Quer- und Maschinenrichtung (TD und MD) für jede Probe bei einer Temperatur von 90, 100, 110 und 120 °C. Jede Probe wurde in einer zweiteiligen Glaseinspannung geprüft. Bei höheren Temperaturen kann der Separator aus Beispiel 1 (elektrochemisch stabiler, mit Polymerpartikeln beschichteter Separator) einen positiven Einfluss auf die thermische Stabilität haben. Der keramikbeschichtete Separator aus Beispiel 2 wirkte sich bei allen getesteten Temperaturen positiv auf die thermische Stabilität aus. Tabelle 3
    Separator Verhältnis (%) (90C/1h) Verhältnis (%) (100C/1h) Verhältnis (%) (110C/ 1 h) Verhältnis (%) (120C/1 h)
    Vergleichendes Beispiel 1 TD 0.57 0.57 0.57 -0.29
    0.57 0.57 0.57 -0.29
    MD -1.11 -2.22 -2.22 -4.00
    -1.11 -2.22 -2.22 -4.00
    Beispiel 1 TD 1.43 1.14 1.14 0.00
    1.43 1.14 1.14 0.00
    MD -0.89 -1.11 -1.56 -2.22
    -0.89 -1.11 -1.56 -2.22
    Beispiel 2 TD 0.29 0.29 0.29 0.00
    0.29 0.29 0.29 0.00
    MD -0.44 -0.89 -1.11 -1.11
    -0.44 -0.89 -1.11 -1.11
    Beispiel 3 TD 1.43 1.43 1.43 0.00
    1.43 1.43 1.43 0.00
    MD -0.22 -0.44 -1.11 -2.22
    -0.22 -0.44 -1.11 -2.22
  • Diese Offenlegung umfasst außerdem die folgenden Aspekte.
  • Aspekt 1: Beschichteter Separator, umfassend: ein poröses Separator-Basismaterial, das einen porösen Polymerfilm umfasst; eine erste Überzugsschicht, die elektrochemisch stabile thermoplastische Polymerteilchen umfasst, die auf einer ersten Oberfläche des porösen Separator-Basismaterials angeordnet sind, wobei die elektrochemisch stabilen thermoplastischen Polymerteilchen eine Schmelztemperatur von 90 bis 135 °C aufweisen; und eine zweite Überzugsschicht, die keramische Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von mehr als 100 Nanometer umfasst, wobei die zweite Überzugsschicht auf der ersten Überzugsschicht auf einer Seite gegenüber dem porösen Separator-Basismaterial angeordnet ist; oder die zweite Überzugsschicht auf dem porösen Separator-Basismaterial auf einer zweiten Seite gegenüber der ersten Überzugsschicht angeordnet ist; oder die erste Überzugsschicht und die zweite Überzugsschicht kombiniert sind, um eine durchmischte Überzugsschicht zu bilden, die auf der ersten Oberfläche des porösen Separator-Basismaterials angeordnet ist.
  • Aspekt 2: Der beschichtete Separator nach Aspekt 1, wobei die erste Überzugsschicht auf der ersten Seite des porösen Separator-Basismaterials angeordnet ist und die zweite Überzugsschicht auf der ersten Überzugsschicht auf einer dem porösen Separator-Basismaterial gegenüberliegenden Seite angeordnet ist.
  • Aspekt 3: Der beschichtete Separator nach Aspekt 1, wobei die erste Überzugsschicht auf der ersten Seite des porösen Separator-Basismaterials und die zweite Überzugsschicht auf der zweiten, gegenüberliegenden Seite des porösen Separator-Basismaterials angeordnet ist.
  • Aspekt 4: Der beschichtete Separator nach Aspekt 2 oder 3, wobei die erste Überzugsschicht in direktem Kontakt mit dem porösen Separator-Basismaterial auf der ersten Seite des porösen Separator-Basismaterial s steht.
  • Aspekt 5: Der beschichtete Separator nach Aspekt 1, wobei die erste Überzugsschicht und die zweite Überzugsschicht so kombiniert sind, dass sie eine gemischte Überzugsschicht bilden, die auf der ersten Oberfläche des porösen Separator-Basismaterials angeordnet ist.
  • Aspekt 6: Der beschichtete Separator nach einem der Aspekte 1 bis 5, wobei das poröse Separator-Grundmaterial Polyethylen, Polypropylen, Polyimid, Polyethylenterephthalat, Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid oder eine Kombination davon umfasst.
  • Aspekt 7: Der beschichtete Separator nach einem der Aspekte 1 bis 6, wobei das poröse Separator-Basismaterial eine Vielzahl miteinander verbundener Kanäle umfasst, die sich von einer ersten Oberfläche zu einer zweiten Oberfläche des porösen Separator-Basismaterials erstrecken.
  • Aspekt 8: Der beschichtete Separator nach einem der Aspekte 1 bis 7, wobei die elektrochemisch stabilen thermoplastischen Polymerteilchen Polyurethan, Polyethylenoxid, Polyethylen, Ethylen-Vinylacetat-Polymere, Ethylen-Acrylsäure-Polymere, Polyester, Styrol-Acrylat-Polymere, Styrol-Butadien-Polymer oder eine Kombination davon umfassen.
  • Aspekt 9: Der beschichtete Separator nach einem der Aspekte 1 bis 8, wobei die elektrochemisch stabilen thermoplastischen Polymerpartikel einen durchschnittlichen Durchmesser von 0,5 bis 5 Mikrometern haben.
  • Aspekt 10: Der beschichtete Separator nach einem der Aspekte 1 bis 9, wobei die keramischen Teilchen SiO2, Al2O3, Böhmit, MgO, TiO2,ZrO2, SnO2, Al(OH)3, BaTiO2, ZnO2, Mg(OH)2, Ti(OH)4, AIN, SiC, Bn oder eine Kombination davon umfassen.
  • Aspekt 11: Der beschichtete Separator nach einem der Aspekte 1 bis 10, wobei die keramischen Partikel einen durchschnittlichen Durchmesser von 0,5 bis 3 Mikrometern haben.
  • Aspekt 12: Der beschichtete Separator nach einem der Aspekte 1 bis 11, wobei der beschichtete Separator eine Abschalttemperatur von weniger als 130°C, vorzugsweise 90 bis 125°C, noch bevorzugter 90 bis 120°C, noch bevorzugter 100 bis 120°C aufweist.
  • Aspekt 13: Der beschichtete Separator nach einem der Aspekte 1 bis 12, wobei die erste Überzugsschicht, die zweite Überzugsschicht oder beide ein polymeres Bindemittel ausschließen.
  • Aspekt 14: Der beschichtete Separator nach einem der Aspekte 1 bis 13, wobei die Keramikpartikel keine Oberflächenbeschichtung aufweisen.
  • Aspekt 15: Eine elektrochemische Zelle mit dem beschichteten Separator nach einem der Aspekte 1 bis 14.
  • Aspekt 16: Eine Lithium-Ionen-Batterie mit dem beschichteten Separator nach einem der Aspekte 1 bis 14.
  • Aspekt 17: Die Lithium-Ionen-Batterie nach Aspekt 16 umfassend eine positive Elektrode, eine negative Elektrode, einen zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordneten Elektrolyten und den beschichteten Separator nach einem der Aspekte 1 bis 14, der zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet ist.
  • Aspekt 18: Ein Gerät mit der Lithium-Ionen-Batterie von Aspekt 16 oder 17.
  • Aspekt 19: Verfahren zur Herstellung des beschichteten Separators nach einem der Aspekte 1 bis 14, wobei das Verfahren das Aufbringen der ersten Überzugsschicht auf den Separator und das Aufbringen der zweiten Überzugsschicht auf den Separator umfasst.
  • Aspekt 20: Das Verfahren nach Aspekt 19, wobei das Aufbringen der ersten Überzugsschicht, der zweiten Überzugsschicht oder beider die Tauchbeschichtung, die Schlitzdüsen-Extrusionsbeschichtung, die Rakelbeschichtung, die Mikrotiefdruckbeschichtung, die Walzenbeschichtung oder eine Kombination davon umfasst.
  • Die Zusammensetzungen, Verfahren und Artikel können alternativ alle geeigneten Materialien, Schritte oder Komponenten, die hier offengelegt sind, umfassen, aus ihnen bestehen oder im Wesentlichen aus ihnen bestehen. Die Zusammensetzungen, Verfahren und Gegenstände können zusätzlich oder alternativ so formuliert werden, dass sie frei oder im Wesentlichen frei von jeglichen Materialien (oder Spezies), Schritten oder Komponenten sind, die ansonsten zur Erreichung der Funktion oder der Ziele der Zusammensetzungen, Verfahren und Gegenstände nicht erforderlich sind.
  • Alle hier offengelegten Bereiche schließen die Endpunkte ein, und die Endpunkte sind unabhängig voneinander miteinander kombinierbar. Der Begriff „Kombinationen“ umfasst Verschnitte, Mischungen, Legierungen, Reaktionsprodukte und dergleichen. Die Begriffe „erster“, „zweiter“ und dergleichen bezeichnen keine Reihenfolge, Menge oder Bedeutung, sondern werden verwendet, um ein Element von einem anderen zu unterscheiden. Die Ausdrücke „ein“, „ein“ und „die“ bedeuten keine Mengenbeschränkung und sind so zu verstehen, dass sie sowohl die Einzahl als auch die Mehrzahl umfassen, es sei denn, es wird hier etwas anderes angegeben oder der Kontext widerspricht eindeutig. „Oder“ bedeutet „und/oder“, sofern nicht eindeutig anders angegeben. Wenn in der Beschreibung von „einigen Ausführungsformen“, „einer Ausführungsform“ usw. die Rede ist, bedeutet dies, dass ein bestimmtes Element, das im Zusammenhang mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer der hier beschriebenen Ausführungsformen enthalten ist und in anderen Ausführungsformen vorhanden sein kann oder nicht. Der Begriff „Kombination davon“, wie er hier verwendet wird, schließt eines oder mehrere der aufgeführten Elemente ein und ist offen, so dass auch ein oder mehrere ähnliche, nicht genannte Elemente vorhanden sein können. Darüber hinaus ist es zu verstehen, dass die beschriebenen Elemente in den verschiedenen Ausführungsformen in jeder geeigneten Weise kombiniert werden können.
  • Sofern hier nicht anders angegeben, sind alle Prüfnormen die neueste Norm, die am Anmeldetag dieser Anmeldung in Kraft ist, oder, wenn eine Priorität beansprucht wird, der Anmeldetag der frühesten Prioritätsanmeldung, in der die Prüfnorm erscheint.
  • Sofern nicht anders definiert, haben die hier verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie von einem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Anmeldung gehört, gemeinhin verstanden wird. Alle zitierten Patente, Patentanmeldungen und sonstigen Referenzen sind durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in die vorliegende Anmeldung aufgenommen. Steht jedoch ein Begriff in der vorliegenden Anmeldung im Widerspruch zu einem Begriff in der einbezogenen Referenz, so hat der Begriff aus der vorliegenden Anmeldung Vorrang vor dem widersprüchlichen Begriff aus der einbezogenen Referenz.
  • Die Verbindungen werden unter Verwendung der Standardnomenklatur beschrieben. So wird z. B. jede Position, die nicht durch eine angegebene Gruppe substituiert ist, so verstanden, dass ihre Wertigkeit durch eine Bindung, wie angegeben, oder durch ein Wasserstoffatom besetzt ist. Ein Bindestrich („-“), der nicht zwischen zwei Buchstaben oder Symbolen steht, wird verwendet, um einen Anknüpfungspunkt für einen Substituenten anzugeben. Zum Beispiel ist -CHO über den Kohlenstoff der Carbonylgruppe gebunden.
  • Es wurden zwar bestimmte Ausführungsformen beschrieben, doch können sich den Anmeldern oder anderen Fachleuten Alternativen, Änderungen, Variationen, Verbesserungen und wesentliche Äquivalente ergeben, die derzeit nicht vorhersehbar sind oder sein können. Dementsprechend sollen die beigefügten Ansprüche in der eingereichten und gegebenenfalls geänderten Fassung alle derartigen Alternativen, Modifikationen, Variationen, Verbesserungen und wesentlichen Äquivalente umfassen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 62/964749 [0001]

Claims (20)

  1. Ein beschichteter Separator, umfassend: ein poröses Separator-Grundmaterial, das einen porösen Polymerfilm umfasst; eine erste Überzugsschicht, die elektrochemisch stabile thermoplastische Polymerteilchen umfasst, die auf einer ersten Oberfläche des porösen Separatorbasismaterials angeordnet sind, wobei die elektrochemisch stabilen thermoplastischen Polymerteilchen eine Schmelztemperatur von 90 bis 135 °C aufweisen; und eine zweite Überzugsschicht, die keramische Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von mehr als 100 Nanometern umfasst; wobei die zweite Überzugsschicht auf der ersten Überzugsschicht auf einer Seite gegenüber dem porösen Separator-Basismaterial angeordnet ist; oder die zweite Überzugsschicht auf dem porösen Separator-Basismaterial auf einer zweiten Seite gegenüber der ersten Überzugsschicht angeordnet ist; oder die erste Überzugsschicht und die zweite Überzugsschicht kombiniert werden, um eine gemischte Überzugsschicht zu bilden, die auf der ersten Oberfläche des porösen Separator-Basismaterial s angeordnet ist.
  2. Der beschichtete Separator nach Anspruch 1, wobei die erste Überzugsschicht auf der ersten Seite des porösen Separator-Basismaterials angeordnet ist und die zweite Überzugsschicht auf der ersten Überzugsschicht auf einer dem porösen Separator-Basismaterial gegenüberliegenden Seite angeordnet ist.
  3. Der beschichtete Separator nach Anspruch 1, wobei die erste Überzugsschicht auf der ersten Seite des porösen Separator-Basismaterials und die zweite Überzugsschicht auf der zweiten, gegenüberliegenden Seite des porösen Separator-Basismaterials angeordnet ist.
  4. Der beschichtete Separator nach Anspruch 2 oder 3, wobei die erste Überzugsschicht in direktem Kontakt mit dem porösen Separator-Basismaterial auf der ersten Seite des porösen Separator-Basismaterials steht.
  5. Der beschichtete Separator nach Anspruch 1, wobei die erste Überzugsschicht und die zweite Überzugsschicht kombiniert sind, um eine gemischte Überzugsschicht zu bilden, die auf der ersten Oberfläche des porösen Separator-Basismaterials angeordnet ist.
  6. Der beschichtete Separator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das poröse Separator-Basismaterial Polyethylen, Polypropylen, Polyimid, Polyethylenterephthalat, Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid oder eine Kombination davon umfasst.
  7. Der beschichtete Separator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das poröse Separator-Basismaterial eine Vielzahl miteinander verbundener Kanäle umfasst, die sich von einer ersten Oberfläche zu einer zweiten Oberfläche des porösen Separator-Basismaterials erstrecken.
  8. Der beschichtete Separator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die elektrochemisch stabilen thermoplastischen Polymerteilchen Polyurethan, Polyethylenoxid, Polyethylen, Ethylen-Vinylacetat-Polymere, Ethylen-Acrylsäure-Polymere, Polyester, Styrol-Acrylat-Polymere, Styrol-Butadien-Polymer oder eine Kombination davon umfassen.
  9. Der beschichtete Separator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei elektrochemisch stabile thermoplastische Polymerteilchen einen durchschnittlichen Durchmesser von 0,5 bis 5 Mikrometer aufweisen.
  10. Der beschichtete Separator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die keramischen Teilchen SiO2, Al2O3, Böhmit, MgO, TiO2,ZrO2, SnO2, Al(OH)3, BaTiO2, ZnO2, Mg(OH)2, Ti(OH)4, AIN, SiC, Bn oder eine Kombination davon umfassen.
  11. Der beschichtete Separator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Keramikpartikel einen durchschnittlichen Durchmesser von 0,5 bis 3 Mikrometer haben.
  12. Der beschichtete Separator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der beschichtete Separator eine Abschalttemperatur von weniger als 130°C, vorzugsweise 90 bis 125°C, noch bevorzugter 90 bis 120°C, noch bevorzugter 100 bis 120°C aufweist.
  13. Der beschichtete Separator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die erste Überzugsschicht, die zweite Überzugsschicht oder beide ein polymeres Bindemittel ausschließen.
  14. Der beschichtete Separator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Keramikpartikel keine Oberflächenbeschichtung aufweisen.
  15. Elektrochemische Zelle mit dem beschichteten Separator nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
  16. Lithium-Ionen-Batterie mit dem beschichteten Separator nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
  17. Die Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 16 umfassend eine positive Elektrode; eine negative Elektrode; einen Elektrolyten, der zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet ist; und den beschichteten Separator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, der zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angeordnet ist.
  18. Vorrichtung mit der Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 16 oder 17.
  19. Verfahren zur Herstellung des beschichteten Separators nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Verfahren das Aufbringen der ersten Überzugsschicht auf den Separator und das Aufbringen der zweiten Überzugsschicht auf den Separator umfasst.
  20. Das Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Aufbringen der ersten Überzugsschicht, der zweiten Überzugsschicht oder beider das Tauchbeschichten, das Schlitzdüsen-Extrusionsbeschichten, das Rakelbeschichten, das Mikrotiefdruckbeschichten, das Walzenbeschichten oder eine Kombination davon umfasst.
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