DE69014148T2

DE69014148T2 - Separator mit integrierter thermischer Schmelzsicherung.

Info

Publication number: DE69014148T2
Application number: DE69014148T
Authority: DE
Inventors: Robert J Fleming; Ellen A Langford; Steven M Mullins; Henry T Taskier
Original assignee: Hoechst Celanese Corp
Current assignee: Celgard LLC
Priority date: 1989-04-05
Filing date: 1990-04-04
Publication date: 1995-03-23
Anticipated expiration: 2010-04-05
Also published as: KR900017224A; CA2013202C; US4973532A; JPH0770309B2; CA2013202A1; JPH0362449A; EP0391694A2; EP0391694B1; KR950001254B1; ES2064617T3; EP0391694A3; IL93987A0; DE69014148D1; IL93987A

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet elektrochemischer Batterien. Spezifischer bezieht sich die Erfindung auf Batterie-Trennvorrichtungen, die geeignet sind, um das Risiko ungesteuerter chemischer Reaktion, die in den Batterien vorkommen kann (z. B. verursacht durch Kurzschluß-Bedingungen, außerhalb oder innerhalb der Batterie), zu minimieren (wenn nicht zu eliminieren). Die Erfindung kann in bevorzugten Formen in einem porösen Substrat (z. B. in der Form einer Platte oder einer Folie) auf wenigstens einer Oberfläche, an die ein thermisches Schmelzmaterial in einem vorher ausgewählten geometrischen Muster haftet, welches dadurch eine Anordnung offener Flächen auf der porösen Substrat-Oberfläche definiert (d.h. Substrat-Oberflächen, an die kein thermisches Schmelzmaterial haftet), ausgeführt werden. Das thermische Schmelzmaterial umfaßt vorzugsweise wenigstens ein Material, das eine vorbestimmte Schmelztemperatur hat, die niedriger ist als die Schmelztemperatur des porösen Substrats und einen erwünschten Schmelzflußindex aufweist. Auf diese Weise bleiben die Trennvorrichtungen der Erfindung für die Wanderung von positiven und negativen Ionen während der normalen Batterie-Arbeitsweisen genügend permeabel, werden jedoch in nicht umkehrbarer Weise wesentlich weniger permeabel für derartige ionische Wanderung während anormaler Batterie-Arbeitsweisen (z. B. unter Kurzschluß-Bedingungen), wodurch unkontrollierte chemische Reaktionen in der Batterie im wesentlichen minimiert (wenn nicht gestoppt) werden.

Hintergrund der Erfindung

Elektrochemische Batterien werden seit einiger Zeit als ein Mittel verwendet, um eine Vielzahl elektronischer Verbraucherprodukte mit Strom zu versorgen. Gebräuchliche Batterien sind üblicherweise von einem Typ, der eine Anode, eine Kathode, eine poröse Trennvorrichtung zur Aufrechterhaltung der physikalischen Trennung zwischen der Anode und der Kathode und einen geeigneten Elektrolyt aufweist, der eine Quelle positiver und negativer Ionen, die zwischen der Anode und Kathode während der Anwendung wandern, zur Verfügung stellt.
Bei korrekter Anwendung (wenn man keinen innewohnenden Defekt in der Batterie voraussetzt) besteht ein geringes Risiko, daß die Batterie ein Sicherheitsrisiko für ihren Benutzer darstellt. Bei unsachgemäßer Anwendung (wie bei einer erzwungenen Kurzschluß-Bedingung, die durch Umkehrung der Polarität der Batterie während des Gebrauchs verursacht wird) und/oder wenn ein Defekt in der Batterie vorliegt (wie bei einer Kurzschlußbedingung aufgrund des physischen In-Kontakt-Kommens von Anode und Kathode), besteht jedoch ein Risiko, daß ungesteuerte chemische Reaktion von möglicherweise explosivem Ausmaß in der Batterie erfolgen kann. Das Risiko ist insbesondere kritisch für Batterien, die eine hoch-elektropositive Anode, z. B. Lithium, verwenden, obwohl das Risiko auch in mehr traditionellen elektrochemischen Batterien wie z. B. Nickel-Cadmium-Zellen vorliegen kann. Während ein Batterie- Hersteller Qualitätskontroll-Verfahren einführen kann, um schadhaft hergestellte Batterien zu minimieren und verhindern kann, daß sie zum Verbraucher gelangen, kann wenig getan werden, um absolut sicherzustellen, daß Batterien auf korrekte Weise durch ihre Endverbraucher verwendet werden.
Es bestehen bereits verschiedene Vorschläge, um ungesteuerte thermische Reaktionen in elektrochemischen Batteriezellen zu minimieren, wie aus den US Patenten 4 650 730, erteilt an Lundquist et al. am 17. März 1987, 4 731 304, erteilt an Lundquist et al. am 15. März 1988, 4 075 400, erteilt an Fritts am 21. Februar 1978, 4 351 888, erteilt an Dampier et al. am 28. September 1982, 4 407 910, erteilt an Catanzarite am 4. Oktober 1983 und 4 741 979, erteilt an Faust et al. am 3. Mai 1988, klar geworden ist.
Die US Patente 4 650 730 und 4 731 304 von Lundquist et al. umfassen Platten-Produkte, die als Batterie-Trennvorrichtungen geeignet sein sollen, die wenigstens zwei mikroporöse Schichten umfassen, die beidseitig gedehnt zu einem einzigen Produkt verbunden werden. Wenn die Platte erhöhten Temperaturen unterworfen wird, wobei ein Kurzschluß in einer elektrischen Akkumulatorbatterie stattfindet, neigt eine der Schichten zum Schmelzen und zur Umwandlung in eine nicht-poröse Membran. Dieses Verschließen der Poren ist beabsichtigt, um den elektrischen Stromfluß in der Batterie abzuschalten.
Gemäß Fritts's 4 075 400 enthält eine Webmatten-Anordnung eine Vielzahl thermoplastischer Kügelchen, die ein reaktionsdeaktivierendes "Gift" einkapseln. Wenn die Innentemperatur der Batterie ein vorbestimmtes Maximum erreicht, wird das "Gift" freigesetzt, wobei die chemische Reaktion deaktiviert wird.
In Dampier et al.'s 4 351 888 wird der Stromfluß in einer Batteriezelle während anormaler Arbeitsweisen-Bedingungen aufgrund der Auflösung eines Additiv-Materials (z.B. Polyvinylchlorid) in der elektrolytischen Lösung eingeschränkt. Während normaler Arbeitsweisen-Bedingungen wird jedoch dieses Additiv-Material durch die elektrolytische Lösung dispergiert, ohne negativ den Stromfluß in der Zelle zu beeinflussen.
Die elektrochemische Zelle gemäß Catanzarite's 4 407 910 umfaßt ein festes, anorganisches Anoden-Neutralisationsmittel, welches am oder nahe dem Schmelzpunkt der Anode eine endothermische oder sehr milde exotherme Reaktion mit der Anode eingeht, wodurch dieselbe neutralisiert wird. Bei anderen Temperaturen jedoch ist das Anoden-Neutralisationsmittel mit allen Zellen-Komponenten, einschließlich der Anode, nichtreaktiv.
Eine Batterie-Trennvorrichtung wird in Faust et al.'s 4 741 979 offenbart, in dem sie eine poröse Folie (z.B. eine mikroporöse Folie) umfaßt, die eine poröse Schicht aus mit Wachs beschichteten Fasern trägt, die als eine thermische Schmelze dient. Während normaler Arbeitsweise schließt die mit Wachs beschichtete Faser-Schicht nicht die Poren der Folie.
Ungeachtet dieser vorhergehenden Vorschläge in der Technik, besteht noch eine Notwenigkeit die Sicherheit elektrochemischer Batterien zu verbessern. Die vorliegende Erfindung ist darauf ausgerichtet, ein derartiges Bedürfnis zu befriedigen.

Kurzbeschreibung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Batterie-Trennvorrichtung bereitgestellt, die ein poröses Substrat mit einer fest eingebauten thermischen Schmelze umfaßt. Die thermische Schmelze haftet in Form eines schmelzbaren thermischen Schmelzmaterials an wenigstens einer Oberfläche des porösen Substrats in einem vorbestimmten geometrischen Muster. Dieses schmelzbare thermische Schmelzmaterial bedeckt einzelne Oberflächenbereiche des porösen Substrats (das gegebenenfalls mit benachbarten Substrat-Oberflächenbereichen verbunden ist, die durch das thermische Schmelzmaterial bedeckt sind). Da das schmelzbare thermisches Schmelzmaterial in Form eines geometrischen Musters auf der Substrat-Oberfläche vorliegt, werden offene Flächen, die nicht durch das thermische Schmelzmaterial bedeckt sind, zwischen benachbarten bedeckten Oberflächenbereichen geschaffen. Auf diese Weise erlauben diese offenen Flächen, daß die Trennvorrichtungen der Erfindung für die Wanderung der positiven und negativen Ionen zwischen der Anode und Kathode während normaler Batterie-Arbeitsweisen genügend permeabel bleiben.
Während anormaler Bedingungen (z. B. Kurzschluß-Bedingungen) wird jedoch eine vorher ausgewählte innere Temperatur der Batterie (zu einem großen Teil bestimmt durch das besondere, verwendete thermische Schmelzmaterial) das Schmelzen und Fließen des thermischen Schmelzmaterials über einen genügend großen Anteil (vorzugsweise die Gesamtheit) der offenen Flächen verursachen, wodurch in bedeutendem Maße die Permeabilität der Trennvorrichtung gegenüber der Wanderung positiver und negativer Ionen abnehmen wird. D. h. der Widerstand der Trennvorrichtung gegenüber Ionen-Wanderung zwischen der Anode und der Kathode in der Batteriezelle nimmt in bedeutendem Maße bei oder oberhalb einer vorher ausgewählten inneren, erhöhten Batterie-Temperatur zu, um so anschließend im wesentlichen die chemische Reaktion, die in der Batterie abläuft, zu minimieren (oder sogar vollständig zu stoppen).
Diese und andere Merkmale der Erfindung werden nach sorgfältiger Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung ihrer beispielhaften Ausführungsformen klarer.

Kurze Beschreibung der beigefügten Zeichnungen

Es wird nachstehend auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, worin:
Figur 1 eine schematische Querschnitts-Ansicht einer Batteriezelle ist, die eine Trennvorrichtung gemäß der Erfindung umfaßt;
Figur 2 eine schematische, perspektivische Querschnitts-Ansicht einer repräsentativen Trennvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Figur 3 eine Mikrophotographie ist, die in einer Vergrößerung von 25 mal aufgenommen wurde, die eine mögliche Batterie- Trennvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Figur 4 eine Mikrophotographie ist, die in einer Vergrößerung von 100 mal aufgenommen wurde, die einen repräsentativen Bereich eines schmelzbaren thermischen Schmelzmaterials auf einem porösen Substrat zeigt; und
Figur 5 eine Mikrophotographie ist, die in einer Vergrößerung von 300 mal aufgenommen wurde, die insbesondere einen Anteil des thermischen Schmelzmaterial-Bereichs auf einem porösen Substrat zeigt.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten beispielhaften Auführungsformen

- Eine Batteriezelle 10, bei der die neue Trennvorrichtung 12 gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wird in einer schematischen Querschnitts-Ansicht in der beigefügten Figur 1 gezeigt. Wie ersichtlich ist, umfaßt die Batteriezelle 10 eine Anode 14 und eine Kathode 16, wobei die Trennvorrichtung 12 der Erfindung dazwischen angeordnet ist. Diese Anordnung, d.h. Anode 14/Trennvorrichtung 12/Kathode 16 ist in einem Behälter 18 mit geeigneten Anschlußklemmen 20, 22, die elektrisch mit der Anode 14 bzw. der Kathode 16 verbunden sind, untergebracht. Die Anode und Kathode können z. B. aus Lithium bzw. Manganoxid sein, wobei verstanden werden soll, daß die Trennvorrichtung der vorliegenden Erfindung auf befriedigende Weise in Batterien verwendet werden kann, bei denen irgendwelche andere Anoden- und Kathoden-Materialien verwendet werden.
Eine mögliche Form der Trennvorrichtung 12 gemäß der vorliegenden Erfindung ist schematisch in der beigefügten Zeichnung 2 gezeigt, die für eine klare Darstellung stark vergrößert ist. Die Trennvorrichtung 12 umfaßt ein poröses Substrat 12a, bei dem wenigstens eine seiner Oberflächen eine geometrische Anordnung einer Anzahl von Bereichen (einige wenige repräsentative, die in der Figur 2 durch die Bezugszahl 12b kenntlich gemacht sind) aufweist, die das schmelzbare thermische Schmelzmaterial umfaßt. So bleiben offene Flächen (einige wenige repräsentative, die in der Figur 2 durch die Bezugszahl 12c kenntlich gemacht sind) des porösen Substrats 12a zwischen den Bereichen 12b frei (d.h. nicht bedeckt durch das thermische Schmelzmaterial). Die Permeabilität des Substrats 12 in den offenen Flächen 12c wird dadurch im wesentlichen nicht durch die Gegenwart des thermischen Schmelzmaterials in den Bereichen 12b beeinflußt. D. h., selbst wenn das thermische Schmelzmaterial einen Teil der Substrat-Oberfläche bedeckt, existiert doch noch genügend Permeabilität durch das Substrat 12a aufgrund des Vorliegens der offenen Flächen 12c. Ein konkretes Beispiel der Trennvorrichtung 12, schematisch in Figur 2 dargestellt, wird in der Mikrophotographie der Figur 3 gezeigt.
Eine beispielhafte geometrische Anordnung der thermischen Schmelzmaterial-Bereiche 12b ist in Figur 2 als eine Anzahl von "Tüpfelchen", die in gegeneinander versetzten Reihen angeordnet sind, abgebildet. Es soll jedoch verstanden werden, daß irgendeine andere geometrische Anordnung in geeigneter Weise gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. So sind "geometrische Anordnung", "geometrisches Muster" und ähnliche Ausdrücke so zu verstehen, daß sie sich auf irgendein geordnetes (d.h. nicht zufälliges) Muster der vorher ausgewählten geometrischen Konfiguration beziehen, das durch das thermische Schmelzmaterial auf der Oberfläche des darunterliegenden porösen Substrats gebildet wird, das offene Flächen des Substrat-Oberfläche schafft, auf denen kein thermisches Schmelzmaterial vorliegt. Das thermische Schmelzmaterial kann deshalb in diskreten, nichtverbundenen Bereichen vorliegen, wie durch die gegeneinander versetzte "Tüpfelchen"-Anordnung in der beigefügten Figur 2 gezeigt wird, es könnte jedoch auch gleichermaßen in einer "Tüpfelchen"-Anordnung vorliegen, worin die einzelnen Tüpfelchen sowohl in Reihen als auch in Spalten ausgerichtet sind. Gleichermaßen kann das thermische Schmelzmaterial die Form einer gitterartigen Anordnung annehmen, in der sich überschneidende Linien oder Bänder des Materials die offenen Flächen bereitstellen; in diesem Fall werden diese Linien des thermischen Schmelzmaterials entweder senkrecht zueinander stehen oder zueinander geneigt sein und/oder in Bezug auf eine Dimension des darunterliegenden Substrats geneigt sein. Es sollen ebenfalls sich nicht überschneidende Linien oder Bänder des thermischen Schmelzmaterials (entweder parallel oder schief zueinander und/oder in Bezug auf eine Dimension des darunterliegenden Substrats) zusätzlich zu einer Kombination von Mustern (z. B. ein "Tüpfelchen"-Muster wie in Figur 2 gezeigt und ein gitterartiges Muster), die an die gleiche oder unterschiedliche Substrat-Oberfläche haften, in die Definition von "geometrischer Anordnung", "geometrisches Muster" und ähnliche Ausdrücke eingeschlossen werden.
Gleicherweise können die diskreten Bereiche 12b des thermischen Schmelzmaterials in anderen geometrischen Formen als den in Figur 2 gezeigten, im wesentlichen kreisförmigen "Tüpfelchen", dargestellt werden. So können z. B. die Bereiche 12b, falls erwünscht, dreieckig, rechteckig und/oder von Diamantform sein.
Im allgemeinen wird es bevorzugt, daß das thermische Schmelzmaterial nicht mehr als etwa 70 % der gesamten Substrat-Oberfläche bedeckt, an die es haftet, d.h. die Trennvorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung sollten wenigsten etwa 30 % oder mehr offene Fläche haben (d.h. der Prozentanteil der gesamten Substrat 12a-Oberfläche, der nicht durch das thermische Schmelzmaterial bedeckt ist). Nur in dem Beispiel hat das spezifische geometrische Muster, das in der Mikrophotographie der Figur 3 gezeigt wird (z. B. das Tüpfelchen-Matrix-Muster) eine Dichte an thermischen Schmelzmaterial-Bereichen 12b von etwa 100 pro cm² (648 pro Quadratinch), eine Frequenz von 9,8 Bereichen pro cm Länge (25 Bereiche pro linear inch) und etwa 52 % offene Fläche (d.h. der prozentuale Anteil der gesamten Substrat 12a-Oberfläche, der durch solche Flächen dargestellt wird, die durch Bezugsnummer 12c in Figur 3 dargestellt sind). Wie vorstehend angegeben, kann jedoch praktisch jedes geometrische Muster erfolgreich in der Praxis der Erfindung verwendet werden.
Wie insbesondere aus den Mikrophotographien der Figuren 4 und 5 ersichtlich ist, können die Bereiche 12b des thermischen Schmelzmaterials aufgrund des Vorliegens von offenen Poren (einige repräsentative davon sind in den Figuren 4 und 5 durch die Bezugszahl 12d angegeben) selbst permeabel sein. Diese offenen Poren 12d erlauben somit wenigstens eine gewisse Ionenwanderung durch die Bereiche 12b während des normalen Batteriebetriebs. Somit wird sich in solchen Ausführungsformen der Erfindung, in denen die thermischen Schmelzmaterial-Bereiche 12b selbst permeabel sind (d.h. aufgrund des Vorliegens von Poren 12d), eine geringere Behinderung der Wanderung von Ionen während normalen Batteriebetriebs ergeben, verglichen mit nichtpermeablen Formen der Bereiche 12b. Ohne sich auf irgendeine spezielle Theorie festzulegen, wird vermutet, daß wenn die Bereiche 12b in Form einer Paste, bestehend aus einem teilchenförmigen thermischen Schmelzmaterial und einer geeigneten Trägerflüssigkeit (wird später genauer beschrieben), angewendet werden, können die Poren 12d gebildet werden, sobald die Trägerflüssigkeit entfernt worden ist und/oder wenn das teilchenförmige thermische Schmelzmaterial koalesziert (z. B. beim Trocknen bei erhöhten Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt des teilchenförinigen thermischen Schmelzmaterials).
Jedes geeignete poröse Substrat kann vorteilhafterweise in den Trennvorrichtungen der Erfindung verwendet werden, vorausgesetzt, daß es (i) genügend permeabel für die Wanderung von positiven und negativen Ionen ist, (ii) es mit den anderen Batterie-Komponenten kompatibel ist, und (iii) es eine geeignete Oberfläche bereitstellt, an die eine geometrische Anordnung von thermischem Schmelzmaterial haften kann. So kann das Substrat eine poröse Folie oder ein Textilerzeugnis (z.B. in gewebter oder nichtgewebter Form) sein.
Vorzugsweise ist das Substrat jedoch eine offenzellige, mikroporöse Polmyer-Membran des Typs, offenbart z. B. in den US Patenten 3 558 764, erteilt an Isaacson et al. am 26.1.1971; 3 679 538, erteilt an Druin et al. am 25.Juli 1972 und/oder 3 843 761, erteilt an Biernbaum et al. am 22. Oktober 1974, wobei auf den gesamten Inhalt dieser vorher erteilten US Patente hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird. Kurzgesagt können die bevorzugten mikroporösen Folien-Substrate, die in den Batterie-Trennvorrichtungen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, aus einer nichtporösen Vorläufer- Folie hergestellt werden, z. B. gemäß den Arbeitsweisen der unmittelbar vorher erwähnten US Patente. Die bevorzugten mikroporösen Membrane werden üblicherweise aus Folien olefinischer Harze gebildet, z. B. aus Polypropylen oder Polyethylen, es können jedoch auch Membrane, die aus Folien anderer Harze gebildet werden, ebenfalls verwendet werden, in Abhängigkeit z. B. von den besonderen Batterie-Komponenten, die in der Membran verwendet werden.
Die Poren der bevorzugten mikroporösen Folien-Substrate sind im wesentlichen durch gewundene Pfade, die sich von einer äußeren Oberfläche oder Oberflächenbereich zu einer anderen erstrecken, d.h. offenzellig, miteinander verbunden. Diese bevorzugten mikroporösen Folien werden somit eine reduzierte Schüttdichte, verglichen mit der Dichte ihrer entsprechenden Vorläufer-Folie, die über keine offenzellige Struktur verfügt, aufweisen. Somit werden die mikroporösen Folien vorzugsweise eine Schüttdichte von nicht mehr als etwa 95 % und üblicherweise zwischen 50 und 70 % der nichtporösen Ausgangs- Vorläufer-Folie haben.
Die bevorzugten mikroporösen Folien werden üblicherweise eine Permeabilität von weniger als etwa 50 Gurley-Einheiten und noch typischer von weniger als etwa 35 Gurley-Einheiten haben. Der Ausdruck "Gurley-Einheiten" ist die Zeit in Sekunden, die notwenig ist, damit 10 cm³ Luft durch 6,45 cm² (ein Quadratinch) Membran in einer Richtung von einer der äußeren Membran-Oberflächen unter einem Druckunterschied von 31 cm (12,2 inch) Wasser durch die Membran hindurchgehen können. Da die Permeabilität ein Maß für die Leichtigkeit eines Stoffübergangs durch die Membran ist, entsprechen niedrigere Gurley-Einheiten geringeren Stoffübergangszeiten und entsprechen somit höheren Permeabilitäten und einer gleichzeitig größeren Leichtigkeit des Stoffübergangs durch die Membran.
Die Poren der bevorzugten mikroporösen Folien-Substrate, die in den Trennvorrichtungen der vorliegenden Erfindung verwendbar sind, sind mikroskopisch, d.h. die Einzelheiten der Poren-Konfiguration oder der Poren-Anordnung werden nur in Ausdrücken von mikroskopischen Dimensionen beschrieben. So sind die offenen Zellen oder Poren in der Folie kleiner als jene, die unter Verwendung eines gewöhnlichem Lichtmikroskops gemessen werden können, da die Wellenlänge des sichtbaren Lichts, die etwa 5 000 Å beträgt, länger ist als die längste planare oder Oberflächendimension der offenen Zelle oder Pore. Die Porengröße der mikroporösen Folien kann unter Verwendung von Elektronenmikroskop-Techniken, welche es ermöglichen Einzelheiten der Porenstruktur unterhalb 5 000 Å aufzulösen oder durch Quecksilber-Porosimetrie-Techniken definiert werden.
Die durchschnittliche wirksame Porengröße der mikroporösen Folien, die als Substrate in der Praxis der Erfindung verwendet werden können, liegt vorzugsweise zwischen 50 und 5 000 Å und typischer zwischen 150 und 5 000 Å. Unter "durchschnittlicher wirksamer Porengröße" wird das kleinste Ausmaß einer Pore verstanden, die es erlauben würde, daß ein im allgemeinen kugelförmiges Teilchen der gleichen Größe dadurch hindurchgehen könnte. Die Poren haben im allgemeinen eine gestreckte Form mit einer Breite von 50 bis 5 000 Å und einer Länge von 500 bis 10 000 Å. Somit wird die "durchschnittliche wirksame Porengröße" der bevorzugten mikroporösen Folien gewöhnlich durch die Breitenausdehnung der Poren bestimmt.
Mikroporöse polymere Folien des oben beschriebenen Typs sind im Handel von Hoechst Celanese Corporation, Separation Products Division, Charlotte, North Carolina unter dem eingetragenen Warenzeichen CELGARD erhältlich.
Jedes Material kann als thermisches Schmelzmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, vorausgesetzt, daß es bei oder nahe der durch "Design"-erhöhten, inneren Schwellentemperatur der Batterie schmilzt, in der die Trennvorrichtung verwendet werden soll, daß es den erwünschten Schmelzfluß-Index aufweist, um sich so in genügendem Maße über die normalerweise offenen Flächen auf der Oberfläche des Substrats ausbreiten zu können [somit signifikant erhöhten Widerstand (abnehmende Permeabilität)] für die Wanderung von positiven und negativen Ionen durch die Trennvorrichtung bereitstellend. Somit wird der Ausdruck "Thermisches Schmelzmaterial" derartig verstanden, daß er sich auf irgendein Material bezieht, das bei oder nahe der vorher bestimmten inneren, erhöhten Schwellentemperatur der Komponente schmilzt, jedoch unterhalb der Schmelztemperatur des darunterliegenden Substrats. Um zu gewährleisten, daß das Substrat im wesentlichen während anormal hoher innerer Temperaturen intakt bleibt, hat das thermische Schmelzmaterial vorzugsweise einen Schmelzpunkt von wenigsten 10 ºC unterhalb des Schmelzpunkts des darunterliegenden porösen Substrats, an welches es haftet.
Die Auswahl irgendeines teilchenförmigen thermischen Schmelzmaterials in Kombination mit irgendeinem teilchenförmigen, darunterliegenden porösen Substrat obliegt den Fähigkeiten des Fachmanns. Es genügt hier jedoch festzustellen, daß sowohl das thermische Schmelzmaterial als auch das poröse Substrat, an welches das Material haftet, miteinander und mit den anderen Batterie-Komponenten kompatibel sein müssen und andererseits in der erwünschten Art während sowohl normaler als auch anormaler Batterie-Betriebsbedingungen ansprechen müssen. Unter diese Design-Kriterien fallen jedoch eine große Anzahl möglicher thermischer Schmelzmaterial/Substrat-Kombinationen, in Abhängigkeit von dem besonderen elektrochemischen Batterie-Typ, für den die Trennvorrichtung verwendet werden soll.
Vorzugsweise wird das thermische Schmelzmaterial einen Schmelzpunkt von wenigstens etwa 30 ºC und gewöhnlich zwischen etwa 50 ºC und etwa 200 ºC haben. Diese Schmelzpunkts- Temperaturen werden somit bei oder nahe der inneren, erhöhten Schwellentemperatur der Batterie liegen, in der thermischer Schutz erwünscht ist. Das heißt, für eine erwünschte Batterie-Schwellentemperatur (auf anormale Batterie-Betriebsbedingungen hinweisend) wird ein thermisches Schmelzmaterial ausgewählt werden, das einen Schmelzpunkt bei oder nahe dieser gleichen Schwellentemperatur hat. Somit wird durch das thermische Schmelzmaterial die Schwellentemperatur der Batterie vorbestimmt, bei oder oberhalb welcher die elektrochemische Reaktion in der Batterie wenigstens in bedeutendem Maße bis zu einem Ausmaß minimiert wird, bei dem die Reaktion praktisch (wenn nicht überhaupt) beendet wird.
Ein weiteres wichtiges Kriterium für jedes erfolgreiche thermische Schmelzmaterial ist seine Fähigkeit, sich auf der Oberfläche des darunterliegenden porösen Substrats beim Schmelzen "auszubreiten", so daß es in wirksamer Weise die normalerweise offenen Flächen der Substrat-Oberfläche bedeckt. Diesbezüglich sollte das thermische Schmelzmaterial einen Schmelzfluß-Index (quantifiziert z. B. durch ASTM D-1238, Bedingung 190/2.16) von wenigstens etwa 10 Gramm pro 10 Minuten und bevorzugter wenigstens von etwa 200 Gramm pro 10 Minuten oder mehr aufweisen.
So kann tatsächlich jedes thermische Schmelzmaterial für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung ausgewählt werden, vorausgesetzt, daß es die oben beschriebenen Kriterien erfüllt; d.h. einen Schmelzpunkt unterhalb des Schmelzpunkts des Substrats hat, an welches es haftet, und daß es die erwünschten Fließeigenschaften beim Schmelzen aufweist.
Als nichteinschränkende Beispiele können die thermischen Schmelzmaterialien derartige Wachse sein, die in dem vorher erwähnten US Patent 4 741 979 (auf dessen gesamten Inhalt hierin ausdrücklich Bezug genommen wird) gekennzeichnet wurden, zusätzlich zu einer Anzahl von thermoplastischen Polymeren wie z. B. Polyethylen (Allied Signal, Inc., Qualitäten C-9, C-6, C-5, C-18 oder A-617), Polyethylen niedriger Dichte (Plast Labor, SA, Coathylene HA1591 oder HX1591), oder Ethylen-Vinylacetat-Copolymer (Allied-Signal, Inc., Qualitäten 400, 405 oder 430; Plast Labor, SA, Coathylene CB3547). Üblicherweise werden die thermoplastischen Materialien in Form fein verteilter Teilchen (z.B. mit durchschnittlicher Teilchengröße von weniger als etwa 75 um) vorliegen, jedoch können auch Wachse solcher thermoplastischer Materialien, falls erwünscht, verwendet werden.
Zur Zeit bevorzugt man es, daß das thermoplastische Schmelzmaterial auf das Substrat in Form einer Paste aufgebracht wird, welche eine größere Menge des thermischen Schmelzmaterials in teilchenartiger Form in einer inneren Träger-Flüssigkeit (z. B. Wasser) und wahlweise einen oder mehrere Verarbeitungs- und/oder eigenschaftsverbessernde Hilfsstoffe (z.B. Tenside, Verdickungsmittel, Haftmittel und dergleichen) in solchen Mengen umfaßt, daß die erwünschten Wirkungen für die Paste erreicht werden (z.B. weniger als etwa 20 Gew.-%).
Die Trägerflüssigkeit, die in den thermoplastischen Pasten- Formulierungen verwendet werden kann, kann tatsächlich jede Flüssigkeit sein, die ein Nicht-Lösungsmittel für das bestimmte, verwendete thermoplastische Material ist. Vorzugsweise verwendet man Wasser als Trägerflüssigkeit aufgrund seiner Verfügbarkeit, Nicht-Toxizität und der Kosten. Organische Flüssigkeiten können jedoch auch verwendet werden, vorausgesetzt, daß sie Nicht-Lösungsmittel für das thermoplastische Material sind. Z.B. können, wenn Polyethylen als das thermoplastische Material verwendet wird, organische Alkohole wie Ethanol und dergl. in zufriedenstellender Weise verwendet werden.
Eine Anzahl wohlbekannter, im Handel erhältlicher Verfahrenshilfsmittel und eigenschaftsverbessernder Hilfsstoffe können in Pasten-Formulierungen, die das thermische Schmelzmaterial gemäß der Erfindung aufweisen, verwendet werden. Als nichteinschränkende Beispiele können die folgenden bevorzugten Verfahrenshilfsmittel und/oder eigenschaftsverbessernden Hilfsstoffe angewendet werden.

Tenside

Bevorzugte Tenside umfassen solche, die durch ein symmetrisch substituiertes, zwei-Kohlenstoffatom-Gerüst mit einer Dreifachbindung, zwei benachbarten Hydroxylgruppen und vier symmetrischen Methylgruppen gekennzeichnet sind. Eingeschlossen innerhalb dieser Definition ist acetylenisches Diol, entweder allein oder in Zumischung mit anderen organischen Alkoholen wie 2-Ethylhexanol, Ethylenglycol, Propylenglycol, 2-Butoxyethanol und Isopropylalkohol. Tenside dieses Typs sind im Handel von Air Products and Chemicals, Inc. unter dem Warenzeichen Surfynol erhältlich.
Eine andere Klasse von Tensiden sind 1-Hydroxyethyl-2-alkylimidazoline. Bevorzugt sind solche, die 7-17 Kohlenstoffatom- Alkylreste an das Kohlenstoffatom gebunden enthalten, das die Position 2 in dem Imidazolin einnimmt. Diese Tenside sind ebenfalls im Handel von MONA Industries, Inc. unter dem Handelsnamen Monazolines erhältlich.
Noch eine weitere Klasse von Tensiden umfaßt Poly(alkalenoxy)alkohole, unter denen Nonylphenoxy-Poly(ethylenoxy)ethanol und Dodecylphenoxy-Poly(ethylenoxy)ethanol insbesonders bevorzugt werden. Diese bevorzugten Tenside sind im Handel von GAF Corporation unter dem Warenzeichen IGEPAL erhältlich, wobei IGEPAL CO-430 und IGEPAL RC-630 besonders bevorzugt werden.
Eine andere Klasse von Tensiden umfaßt nichtionische Block- Copolymere des Propylenoxids und Ethylenoxids, die im Handel von BASF Corporation unter dem Warenzeichen Pluronic erhältlich sind. Besonders bevorzugt sind Block-Copolymere des Propylenoxids und Ethylenoxids, die als Pluronic L-101- und Pluronic L-62-Tenside bezeichnet werden.

Verdickungsmittel

Es kann eine Vielzahl von Verdickungsmitteln verwendet werden, um sicherzustellen, daß die Pasten-Formulierungen die erwünschten Fließeigenschaften während ihrer Anwendung auf das poröse Substrat aufweisen. Z.B. können Stärke und Verdickungsmittel auf Cellulose-Basis (z.B. Methylcellulose, Carboxymethylcellulose und dgl.) verwendet werden.

Haftmittel

Es können Haftmittel in den Pasten-Formulierungen verwendet werden, um die Bindung der Teilchen des thermoplastischen Materials aneinander und an das poröse Substrat zu verbessern. Bevorzugte Haftmittel umfassen Emulsionen aus Vinylacetat-Copolymeren, wobei Emulsionen aus Vinylacetat-Ethylen- Copolymer und einem teilweise acetylierten Polyvinylakohol insbesonders bevorzugt werden. Diese bevorzugten Haftmittel sind im Handel von Air Products and Chemicals, Inc. unter dem Handelsnamen Airflex erhältlich. Es wurde gefunden, daß unter diesen Airflex 400 als ein Haftmittel besonders geeignet war.
Nachdem die thermoplastische Pastenformulierung auf der Substrat-Oberfläche in einer vorher ausgewählten geometrischen Anordnung abgeschieden ist, wird dann die Trägerflüssigkeit entfernt (z. B. durch Trocknen bei erhöhten Temperaturen), so daß das teilchenförmige thermische Schmelzmaterial als ein Rückstand auf der Oberfläche des porösen Substrats zurückbleibt, jedoch seine geometrische Anordnung beibehält.
Die erhöhten Temperaturen, die während des Trocknens angewendet werden, und die Verweilzeit, der die Trennvorrichtungen der Erfindung bei derartig erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind, hängen von der besonderen Pastenformulierung des verwendeten thermischen Schmelzmaterials ab. Die Temperatur, die angewendet wird, um die Träger-Flüssigkeit während der Trocknungsstufe zu entfernen, sollte jedoch unterhalb der Schmelzpunktstemperatur des besonderen thermoplastischen Materials liegen, das als das thermische Schmelzmaterial verwendet wird. Ansonsten würde das thermische Schmelzmaterial schmelzen und sich auf der Substrat-Oberfläche während der Herstellung ausbreiten. Vorzugsweise sollte die erhöhte Temperatur, bei der die thermische Schmelzmaterial-Paste getrocknet wird, wenigstens etwa 2 ºC (vorzugsweise wenigstens etwa 5 ºC) unterhalb der Schmelzpunkt-Temperatur des thermoplastischen Schmelzmaterials liegen.
Die Verweilzeit, während der das thermische Schmelzmaterial der erhöhten Temperatur ausgesetzt wird, sollte genügend lang sein, so daß die Träger-Flüssigkeit von der Paste entfernt werden kann, d.h., so daß das thermoplastische Material als ein getrockneter Rückstand auf der Oberfläche des porösen Substrats zurückbleibt.
Während das teilchenförmige thermoplastische Material während des Trocknens nicht schmelzen und sich nicht auf der Substrat-Oberfläche ausbreiten sollte, wird es zuweilen bevorzugt, daß die einzelnen thermoplastischen Teilchen zumindestens teilweise schmelzen (d.h. koaleszieren), so daß das eine mit dem anderen und mit der Substrat-Oberfläche verschmilzt. Wenn die Pasten-Formulierungen des thermischen Schmelzmaterials ein Haftmittel umfassen, ist es gewöhnlich unnötig das teilchenförmige Thermoplast zu koaleszieren (d.h., da das Haftmittel dazu dient, die Teilchen des thermoplastischen Materials aneinander und mit der porösen Substrat-Oberfläche zu verbinden). In derartigen Situationen können die Temperaturen und Verweilzeiten geringer sein, verglichen mit den Temperaturen, die bei den Trockenpasten-Formulierungen angewendet werden, bei denen kein Haftmittel verwendet wird. Im allgemeinen werden deshalb das Substrat und das thermische Schmelzmaterial üblicherweise während des Trocknens erhöhten Temperaturen ausgesetzt, die zwischen einigen Minuten und weniger als etwa einer Stunde liegen.
Das thermische Schmelzmaterial kann alternativ auf die Oberfläche des porösen Substrats in Form einer heißen Schmelze aufgebracht werden. In einem derartigen Fall läßt man die Schmelze auf der Substrat-Oberfläche sich verfestigen (z. B. durch Abkühlen), um so die vorgegebene geometrische Anordnung beizubehalten.
Das thermische Schmelzmaterial kann auf eine Oberfläche oder beide Oberflächen des porösen Substrats in jeder geeigneten Weise aufgebracht werden. Wenn es nur auf eine Seite aufgebracht wird, bevorzugt man es, daß die Oberfläche, an der kein thermisches Schmelzmaterial haftet, der Kathode in der Batterie gegenüberliegt, d.h., derartig, daß die Oberfläche, an der das thermische Schmelzmaterial haftet, der Anode gegenüberliegt.
Die geometrische Anordnung von thermischem Schmelzmaterial kann z. B. auf das poröse Substrat in bequemer Weise mittels gebräuchlicher Druck-Techniken wie Siebdruck- und Tiefdruck-Techniken aufgebracht werden. Allgemein beinhaltet die Siebdruck-Technik das Überschichten eines mit Öffnungen versehenen Rasters, das die erwünschte geometrische Anordnung bereitstellt. Eine Paste oder Schmelze des thermischen Schmelzmaterials (z.B. wie oben beschrieben) kann dann durch die Rasteröffnungen gedrückt werden, um so auf der Substrat-Oberfläche, in einer geometrischen Anordnung entsprechend der der Rasteröffnungen, abgeschieden zu werden.
Die Tiefdruck-Technik umfaßt allgemein die Anwendung einer nichtdosierten Menge des thermischen Schmelzmaterials in Form einer Paste auf die äußere Oberfläche eines rotierbar ausgebildeten, mit Mustern versehenen Tiefdruckzylinders. Durch eine Rakel wird überschüssige Paste von der Oberfläche des Tiefdruckzylinders abgeschabt. Das poröse Substrat kann dann mit der Zylinder-Oberfläche in Kontakt gebracht werden, um so zu verursachen, daß die daran befindliche Paste auf die Substrat-Oberfläche in dem gleichen Muster übertragen wird wie dem auf der Oberfläche des Tiefdruckzylinders.
Bei der Anwendung, wenn die Temperatur in der Batterie die Schwellentemperatur erreicht oder nahe der Schwellentemperatur liegt, wird das thermische Schmelzmaterial schmelzen und auf die normalerweise offenen Flächen auf der Substrat-Oberfläche fließen. Dieses Schmelzen und Fließen des thermischen Schmelzmaterials wird somit im wesentlichen die Permeabilität der normalerweise offenen Flächen blockieren, wodurch der Gesamtwiderstand der Trennvorrichtung zunimmt (Abnahme der Gesamt-Permeabilität), wodurch auf wirksame Weise die elektrochemische Reaktion, die in der Batterie abläuft, beendet wird.
Obwohl eine große Vielzahl von abnehmenden Permeabilitäten möglich ist (d.h. aufgrund des besonderen thermischen Schmelzmaterials und/oder porösen Substrats, die für jeden gegebenen Batterie-Systemtyp ausgewählt werden), sollten die Trennvorrichtungen der vorliegenden Erfindung eine Zunahme in Form von Gurley-Einheiten während einer "Abschalt"-Bedingung (d.h. während einer Bedingung, bei der die vollständige thermische Schmelze aktiviert ist) bereitstellen, die wenigstens etwa 100 % größer ist als die Gurley-Einheiten der Trennvorrichtungen unter normalen Betriebsbedingungen. Als ein spezifisches Beispiel sollten bei einer Schwellentemperatur von etwa 120 ºC die Trennvorrichtungen eine etwa 500 %ige Zunahme an Gurley-Einheiten aufweisen.
Die folgenden Beispiele, die als erläuternd und nicht einschränkend anzusehen sind, dienen zum weiteren Verständnis der Erfindung.

Beispiele

In den folgenden Beispielen werden Batterie-Trennvorrichtungs-Proben den folgenden qualitativen Testverfahren unterworfen. Wenn nicht anderweitig angegeben, werden alle Komponenten der thermoplastischen Pasten-Formulierungen in den folgenden Beispielen in Form von Gew.-% der Komponenten, bezogen auf das Gesamtgewicht der Formulierung, ausgedrückt.

A. Simulierungstest des Batterieversagens

Die Trennvorrichtungsproben wurden erhöhten Temperaturbedingungen unterworfen, wobei die anormalen inneren Temperatur- Bedingungen simuliert wurden, die in einer Batteriezelle existieren würden, und wodurch Aktivierung der gesamten thermischen Schmelze gemäß der Erfindung notwendig wäre. Diesbezüglich wurden 7,62 cm mal 15,24 cm (3 inch mal 6 inch) große Proben der Trennvorrichtungen zwischen die Platten einer handelsüblichen Heizplatte (Black & Decker Grill Wafflebaker, Cat. Nr. Z1G48TD) gegeben, die so eingestellt wurden, daß die Proben zunehmender Temperatur von Umgebungstemperatur bis zu einer festgelegten Temperatur von 70 ºC oder 150 ºC, bei einer Geschwindigkeit von 5,4 ºC pro Minute, ausgesetzt waren.
Die Seite der Trennvorrichtung, an der das thermische Schmelzmaterial haftete, wurde oben auf ein mit Teflon beschichtetes Textilerzeugnis (in welchem ein Thermoelement im wesentlichen in seiner Mittellinie eingefädelt worden war) so angeordnet, daß das thermische Schmelzmaterial dem Deckel der Heizplatte gegenüberlag. Die bodennahe Platte der Heizplatte wurde mit einem ähnlichen, mit Teflon beschichteten, Textilerzeugnis bedeckt, über welches eine 6,35 mm (0,25 inch) dikke Aluminiumplatte angeordnet wurde. Eine Schicht aus einer Plakattafel, die einen Schlitz von 12,7 mm (0,5 inch) ungefähr in ihrer Mittellinie aufweist, wurde zwischen die Aluminiumplatte und das mit Teflon beschichtete Textilerzeugnis, das die zu testenden Trennvorrichtungsproben trägt, angeordnet. Der Schlitz in der Plakattafel wurde bereitgestellt, so daß durch das Thermoelement die Temperatur der Heizplatte genauer gemessen werden konnte und somit eine genauere Steuerung der Temperatur, der die Trennvorrichtungsproben ausgesetzt wurden, bereitgestellt wurde.

B. Permeabilitätstest

Permeabilitäts-Messungen wurden für jede Trennvorrichtungsprobe vor und nach dem oben beschriebenen Simulierungstest des Batterieversagens unter Verwendung eines Hochdruck-Gurley-Densometers (Nr. 4120, erhältlich von W & L.F. Gurley Co., Troy, New York) und der Betriebsweise gemäß ASTM D-726-58, Methode B erhalten. Die Permeabilitäten der Proben, vor und nachdem sie dem Batterie-Versagen-Simulierungstest unterworfen worden waren, werden nachstehend jeweils als die "Anfänglichen Gurley-Einheiten" und die "Abschaltungs-Gurley- Einheiten" bezeichnet. Diese Permeabilitäts-Messungen stellen somit eine Basis zur Bestimmung einer prozentualen Abnahme der Permeabilität (d.h. prozentuale Zunahme in Form von Gurley-Einheiten) der Trennvorrichtungsproben dar, wenn sie erhöhten Temperaturen ausgesetzt werden und stellen somit ein Mittel zur Bestimmung der Wirksamkeit des thermischen Schmelzmaterials in den Trennvorrichtungen der Erfindung bereit.

C. Adhäsionstest

Adhäsionswerte wurden unter Anwendung von Abdeckklebeband auf die Trennvorrichtung an der Seite, an die das thermische Schmelzmaterial aufgebracht wurde, und anschließendem visuellen Bestimmen der Menge an thermischem Schmelzmaterial, das an das Band bei seinem Entfernen haftete, bestimmt. Es wurden Werte zwischen 4 (was bedeutet, daß kein thermisches Schmelzmaterial an dem Band klebte) und 0 (was bedeutet, daß das gesamte thermische Schmelzmaterial durch das Band entfernt wurde) den Proben gemäß diesem Test zugeordnet.

Beispiel I

Es wurde eine Paste umfassend 56 % teilchförmiges Polyethylen niedriger Dichte (Plast Labor, S.A., Coathylene HA1591), 1 % Tensid (Monazoline O, MONA Industries, Inc.) und Wasser zum Auffüllen hergestellt. Die Paste wurde auf eine Oberfläche einer mikroporösen Polypropylen-Folie (CELGARD 2500, Hoechst Celanese Corporation) mittels Siebdruck unter Verwendung eines Rasters von 83 mesh Maschenweite aufgebracht. Das thermische Schmelzmaterial wurde dann durch Anordnen des siebbedruckten Substrats (mit einem Band auf eine Platte aus rostfreiem Stahl geklebt) in einem Laboratoriumsofen (Fisher Model 116G) bei einer Temperatur von 90-95 ºC während etwa 50 Minuten getrocknet. Die Trennvorrichtung hatte eine Gesamtdicke von 0,18 mm (7,0 mil) nach dem Trocknen. Die Trennvorrichtung wies einen Adhäsionswert von 3 und eine Permeabilität von 13,1 anfänglichen Gurley-Einheiten auf. Die Trennvorrichtung wurde dann dem Batterieversagens-Simulationstest unterworfen und wies eine Permeabilität von mehr als 8400 Abschaltungs-Gurley-Einheiten bei 125 ºC auf, wodurch sich zufriedenstellende thermische Schmelzeigenschaften ergaben.

Beispiel II

Beispiel I wurde mit der Abänderung wiederholt, daß das Polyethylen niedriger Dichte in einer Menge von 62 % vorlag und 0,4 % Tensid (Igepal RC630, GAF Corporation) in der thermischen Schmelzmaterialpaste verwendet wurde. Die Paste wurde dann auf eine Oberfläche aus einem mikroporösen Polypropylen- Substrat (CELGARD 2500) unter Verwendung eines 60 mesh- Rasters siebgedruckt und gemäß der in Beispiel I beschriebenen Weise getrocknet. Die Trennvorrichtung hatte eine Gesamtdicke von 0,2 mm (8,0 mil) nach dem Trocknen. Die Trennvorrichtung wies einen Adhäsionswert von 3 und eine Permeabilität von 10,4 anfänglichen Gurley-Einheiten auf. Die Trennvorrichtung wurde dann dem Batterieversagens-Simulationstest unterworfen und wies eine Permeabilität von mehr als 12 000 Abschaltungs-Gurley-Einheiten bei 125 ºC auf, wodurch sich zufriedenstellende thermische Abschalteigenschaften ergaben.

Beispiel III

Es wurde eine Paste umfassend 39 % Wachs (Eastman Kodak Company, Epolene -Wachs C-13), 1,7 % Tensid (Monazoline O, MONA Industries, Inc.) und Wasser zum Auffüllen hergestellt. Die Paste wurde auf eine Oberfläche einer mikroporösen Polypropylen-Folie (CELGARD 2500) mittels Siebdruck unter Verwendung eines Rasters von 60 mesh Maschenweite aufgebracht und gemäß der in Beispiel I beschriebenen Weise getrocknet. Die Trennvorrichtung hatte eine Gesamtdicke von 0,46 mm (18,0 mil) nach dem Trocknen. Die Trennvorrichtung wies einen Adhäsionswert von 4 und eine Permeabilität von 18,0 anfänglichen Gurley-Einheiten auf. Die Trennvorrichtung wurde dann dem Batterieversagens-Simulationstest unterworfen und wies eine Permeabilität von 3 392 Abschaltungs-Gurley-Einheiten bei 125 ºC auf, wodurch sich zufriedenstellende thermische Schmelzeigenschaften ergaben.

Beispiel IV

Beispiel II wurde mit der Abänderung wiederholt, daß die Paste auf die Oberfläche des Substrats unter Verwendung eines 83 mesh-Rasters siebgedruckt wurde. Die Trennvorrichtung hatte eine Gesamtdicke von 0,13 mm (5,0 mil) nach dem Trocknen und wies einen Adhäsionswert von 3 und eine Permeabilität von 12,3 anfänglichen Gurley-Einheiten auf. Die Trennvorrichtung wurde dann dem Batterieversagens-Simulationstest unterworfen und wies eine Permeabilität von 354 Abschaltungs-Gurley-Einheiten bei 125 ºC auf, wodurch sich zufriedenstellende thermische Schmelzeigenschaften ergaben.

Beispiel V

Es wurde eine thermische Schmelzmaterialpaste durch Vermischen von 45 % teilchenförmigem Polyethylen-Wachs (Shamrock S-394, Shamrock Technologies, Inc.), 9,5 % eines Adhäsionsmittels (Airflex 400, Air Products and Chemicals, Inc.), 0,6 % Gesamt-Tensid (d.h. 0,2 % Igepal RC630, 0,2 % Igepal CO430, GAF Corporation und 0,2 % Surfynol , Air Products and Chemicals, Inc.) und Wasser zum Auffüllen hergestellt. Ein Kautschukstück [15,24 cm x 30,4 cm x 0,64 cm (6 inch x 12 inch x ¼ inch)] wurde auf einer Labortisch-Oberseite befestigt und ein Stück aus mikroporöser Polypropylen-Folie (CELGARD 2500) ähnlicher Größe wurde über dem Kautschuk befestigt. Die Paste wurde auf die Oberfläche der Folie durch Auffüllen einer manuellen Tiefdruck-Auftragswalze mit geringen Mengen der Paste unter Bewegen der Walze quer über die Folien-Oberfläche aufgebracht. Die Auftragswalze enthielt 18 viereckige Zellen pro 2,54 cm (pro linear inch), wobei jede Zelle etwa 1 mm x 1 mm Größe und 0,1 mm Abstand aufwies.
Die mittels Tiefdruck gedruckte Folie wurde dann in einem Laboratoriumsofen (Fischer Model 116G) bei 80 ºC während 15 Minuten getrocknet. Die Trennvorrichtung hatte eine Dicke von 0,17 mm (6,5 mil) nach dem Trocknen und wies einen Adhäsionswert von 3 und eine Permeabilität von 8,1 anfänglichen Gurley-Einheiten auf. Die Trennvorrichtung wurde dann dem Batterieversagens-Simulationstest unterworfen und wies Permeabilitäten von 24 Gurley-Einheiten bei 110 ºC, 1000 Gurley-Einheiten bei 115 ºC und mehr als 30 000 Gurley-Einheiten bei 125 ºC auf, was jeweils einer Zunahme gegenüber den anfänglichen Gurley-Einheiten von 196 %, 12 246 %, 370 000 % entsprach.

Beispiel VI

Es wurde eine Paste umfassend 56 % teilchenförmiges Polyethylen niedriger Dichte (Plast Labor, S.A., Coathylene HA1591), 0,4 % Tensid (Pluronic L-101) und Wasser zum Auffüllen hergestellt. Die Paste wurde auf eine Oberfläche einer mikroporösen Polypropylen-Folie (CELGARD 2500) mittels Siebdruck unter Verwendung eines Rasters von 60 mesh Maschenweite aufgebracht. Die Probe wurde dann in einem Laboratoriumsofen während 50 Minuten bei 90-95 ºC getrocknet. Die sich ergebende Trennvorrichtung hatte eine Gesamtdicke von 0,160 mm (6,3 mil) nach dem Trocknen. Die Trennvorrichtung wies einen Adhäsionswert von 3 und eine Permeabilität von 9,7 anfänglichen Gurley-Einheiten auf. Die Trennvorrichtung wurde dann dem Batterieversagens-Simulationstest unterworfen und wies eine Permeabilität von mehr als 12 000 Gurley-Einheiten nach dem Erwärmen auf 125 ºC auf, wodurch sich zufriedenstellende thermische Schmelzeigenschaften ergaben.

Beispiel VII

Beispiel VI wurde unter Verwendung einer Pastenformulierung wiederholt, die 48 % teilchenförmiges Polyethylen niedriger Dichte (Plast Labor, S.A., Coathylene HA1591), 0,4 % Tensid (Pluronic L-62) und Wasser zum Auffüllen umfaßte. Die Trennvorrichtung wies einen Adhäsionswert von 3 und eine Permeabilität von 9,0 anfänglichen Gurley-Einheiten auf. Nach der Durchführung des Batterieversagens-Simulationstests bei einer Temperatur von 125 ºC war die Permeabilität der Trennvorrichtung größer als 12 000 Gurley-Einheiten, wodurch sich zufriedenstellende thermische Schmelzeigenschaften ergaben.

Beispiel VIII

Es wurde eine Paste umfassend 45 % teilchenförmiges Polyethylen niedriger Dichte (Plast Labor, S.A., Coathylene HA1591), 0,4 % Tensid (Pluronic L-101) und Wasser zum Auffüllen hergestellt. Die Paste wurde auf eine Oberfläche einer mikroporösen Polyethylen-Folie (CELGARD K-864) mittels Siebdruck unter Verwendung eines Rasters von 60 mesh Maschenweite aufgebracht. Die Probe wurde dann in einem Laboratoriumsofen während 50 Minuten bei 90-95 ºC getrocknet. Die sich ergebende Trennvorrichtung hatte eine Gesamtdicke von 0,183 mm (7,2 mil) nach dem Trocknen. Die Trennvorrichtung wies einen Adhäsionswert von 3 und eine Permeabilität von 5,0 anfänglichen Gurley-Einheiten auf. Die Trennvorrichtung wurde dann dem Batterieversagens-Simulationstest unterworfen und wies eine Permeabilität von mehr als 23,2 Gurley-Einheiten nach dem Erwärmen auf 100 ºC und von 488,8 Gurley-Einheiten nach dem Erwärmen auf 110 ºC auf, wodurch sich zufriedenstellende thermische Schmelzeigenschaften ergaben.
Die vorstehend genannten Daten zeigen die Wirksamkeit der Trennvorrichtungen der vorliegenden Erfindung zur bedeutsamen Erhöhung der Permeabilität bei erhöhten Temperaturen, während sie ausreichende Permeabilitäten bei normalen Temperaturen aufweisen. Somit sind die Trennvorrichtungen gemäß der Erfindung für die Verwendung in Batterien als ein Mittel zur Bereitstellung einer thermischen Schmelze gut geeignet, da derartig reduzierte Permeabilitäten bei erhöhten Temperaturen in bedeutsamer Weise die ionische Wanderung zwischen der Kathode und Anode in der Batterie reduzieren würden, wodurch für die Batterie eine "Abschaltungs"-Fähigkeit in dem Fall von Funktionsstörungen der Batterie und/oder ungeeigneter Batterieverwendung bereitgestellt wird.
Die obigen Beispiele illustrieren Ausführungsformen der Erfindung; jedoch ist die Erfindung natürlich nicht darauf beschränkt.

Claims

1. Batterie-Trennvorrichtung umfassend ein poröses Substrat und ein thermisches Schmelz-Material, das wenigstens an eine Oberfläche des porösen Substrats in einer vorbestimmten geometrischen Anordnung anhaftet, um so offene Flächen von wenigstens einer Oberfläche bereitzustellen.

2. Batterie-Trennvorrichtung gemäß Anspruch 1, worin das thermisches Schmelz-Material in der geometrischen Anordnung porös ist.

3. Batterie-Trennvorrichtung gemäß Anspruch 1, worin die vorbestimmte geometrische Anordnung eine Vielzahl diskreter Bereiche ist, wobei jeder Bereich im wesentlichen aus dem thermischen Schmelz-Material besteht und in einer Anzahl von Reihen ausgerichtet ist.

4. Batterie-Trennvorrichtung gemäß Anspruch 3, worin die Bereiche einer dieser Reihen in bezug auf die Bereiche benachbarter Reihen gegeneinander versetzt angeordnet sind.

5. Batterie-Trennvorrichtung gemäß Anspruch 1, worin die offenen Flächen, die durch die vorbestimmte geometrische Anordnung von thermischem Schmelz-Material bereitgestellt werden, wenigstens etwa 30 % der Substrat-Oberfläche ausmachen.

6. Batterie-Trennvorrichtung gemäß Anspruch 1, worin das poröse Substrat eine Folie oder ein Textilerzeugnis ist.

7. Batterie-Trennvorrichtung gemäß Anspruch 1, worin das poröse Substrat eine offenzellige, mikroporöse Polymerfolie ist.

8. Batterie-Trennvorrichtung gemäß Anspruch 7, worin die Folie ein Polyolefin ist.

9. Batterie-Trennvorrichtung gemäß Anspruch 8, worin das Polyolefin Polyethylen oder Polypropylen ist.

10. Batterie-Trennvorrichtung gemäß Anspruch 1, worin das thermische Schmelz-Material aus der Gruppe bestehend aus Wachsen und Thermoplasten ausgewählt ist.

11. Batterie-Trennvorrichtung gemäß Anspruch 10, worin die Thermoplaste aus Partikeln bestehen.

12. Batterie-Trennvorrichtung umfassend ein poröses Substrat und thermisches Schmelzmittel, das vollständig mit dem porösen Substrat verbunden ist, um in bedeutendem Maße die Permeabilität des porösen Substrats als Reaktion auf die Aussetzung an eine vorbestimmte Schwellentemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Substrats zu vermindern, worin das thermische Schmelzmittel ein Material umfaßt, das im wesentlichen bei der Schwellentemperatur schmelzbar ist und das wenigstens an eine Oberfläche des Substrats in Form eines geometrischen Musters anhaftet, das Bereiche auf der wenigstens einen Oberfläche, die mit dem schmelzbaren Material bedeckt ist, und offene Flächen auf der Substrat-Oberfläche, die nicht mit dem schmelzbaren Material bedeckt ist, bereitstellt.

13. Batterie-Trennvorrichtung gemäß Anspruch 12, worin das schmelzbare Material in Form der geometrischen Anordnung porös ist.

14. Batterie-Trennvorrichtung gemäß Anspruch 12 oder 13, worin die vorbestimmte geometrischen Anordnung eine Vielzahl diskreter Bereiche ist, wobei jeder Bereich im wesentlichen aus dem thermischen Schmelz-Material besteht und in einer Anzahl von Reihen ausgerichtet ist.

15. Batterie-Trennvorrichtung gemäß Anspruch 14, worin die Bereiche einer dieser Reihen in bezug auf die Bereiche benachbarter Reihen gegeneinander versetzt angeordnet sind.

16. Batterie-Trennvorrichtung gemäß Anspruch 12, worin die offenen Flächen zumindestens etwa 30 % der wenigstens einen Substrat-Oberfläche ausmachen.

17. Batterie-Trennvorrichtung gemäß Anspruch 12, worin das poröse Substrat eine Folie oder ein Textilerzeugnis ist.

18. Batterie-Trennvorrichtung gemäß Anspruch 12, worin das poröse Substrat eine offenzellige, mikroporöse Polymerfolie ist.

19. Batterie-Trennvorrichtung gemäß Anspruch 18, worin die Folie ein Polyolefin ist.

20. Batterie-Trennvorrichtung gemäß Anspruch 19, worin das Polyolefin Polyethylen oder Polypropylen ist.

21. Batterie-Trennvorrichtung gemäß Anspruch 12, worin das thermische Schmelz-Material aus der Gruppe bestehend aus Wachsen und Thermoplasten ausgewählt ist.

22. Batterie-Trennvorrichtung gemäß Anspruch 21, worin die Thermoplaste aus Partikeln bestehen.

23. Batterie bestehend aus einer Anode, einer Kathode und einer Trennvorrichtung, die zwischen der Anode und Kathode eingefügt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennvorrichtung ein poröses Substrat und ein thermisches Schmelz-Material umfaßt, das an wenigstens eine Oberfläche des porösen Substrats in einer vorbestimmten geometrischen Anordnung anhaftet, um so offene Flächen der wenigstens einen Substrat-Oberfläche bereitzustellen.

24. Batterie gemäß Anspruch 23, worin die offenen Flächen, die durch die vorbestimmte geometrische Anordnung von thermischem Schmelz-Material bereitgestellt werden, wenigstens etwa 30 % der Substrat-Oberfläche ausmachen.

25. Batterie gemäß Anspruch 23, worin das thermische Schmelz- Material, das an das Substrat in der vorbestimmten geometrischen Anordnung anhaftet, porös ist.

26. Batterie gemäß Anspruch 23 oder 25, worin die vorbestimmte geometrischen Anordnung eine Vielzahl diskreter Bereiche ist, wobei jeder Bereich im wesentlichen aus dem thermischen Schmelz-Material besteht und in einer Anzahl von Reihen ausgerichtet ist.

27. Batterie gemäß Anspruch 26, worin die Bereiche einer der Reihen in bezug auf die Bereiche der benachbarten Reihen gegeneinander versetzt angeordnet sind.

28. Batterie gemäß Anspruch 23, worin das thermische Schmelz- Material aus der Gruppe bestehend aus Wachsen und aus Teilchen bestehenden Thermoplasten ausgewählt ist.

29. Batterie gemäß Anspruch 23, worin das poröse Substrat eine Folie oder ein Textilerzeugnis ist.

30. Batterie gemäß Anspruch 23, worin das poröse Substrat eine offenzellige, mikroporöse Polymerfolie ist.

31. Batterie gemäß Anspruch 30, worin die Folie ein Polyolefin ist.

32. Batterie gemäß Anspruch 31, worin das Polyolefin Polyethylen oder Polypropylen ist.

33. Verfahren zur Herstellung einer Batterie-Trennvorrichtung umfassend das Aufbringen eines schmelzbaren thermischen Schmelz-Materials in einer vorbestimmten geometrischen Anordnung auf wenigstens eine Oberfläche eines porösen Substrats.

34. Verfahren gemäß Anspruch 33, worin das schmelzbare thermische Schmelzmaterial in Form einer Vielzahl diskreter Bereiche aufgebracht wird, wobei jeder Bereich im wesentlichen aus dem thermischen Schmelz-Material besteht und in einer Anzahl von Reihen ausgerichtet ist.

35. Verfahren gemäß Anspruch 34, worin das thermische Schmelzmaterial derartig aufgebracht wird, daß die Bereiche einer der Reihen in bezug auf die Bereiche der benachbarten Reihen gegeneinander versetzt angeordnet sind.

36. Verfahren gemäß Anspruch 33, worin das thermische Schmelzmaterial durch Bereitstellen flüssigen thermischen Schmelz-Materials auf eine Oberfläche einer Musterwalze und anschließendem In-Kontakt-Bringen des Substrats mit der Musterwalze aufgebracht wird, so daß das flüssige, thermische, Schmelz-Material auf die Substrat-Oberfläche in Form des geometrischen Musters auf das Substrat übertragen wird.

37. Verfahren gemäß Anspruch 33, worin das thermische Schmelzmaterial durch Überschichten dieser wenigsten einen Oberfläche mit einem geöffneten Teil, welches das vorbestimmte geometrische Muster definiert, und anschließendem Hindurchpressen von flüssigem thermischem Schmelz-Material durch die Öffnungen dieses Teils, so daß das thermische Schmelz-Material auf der wenigstens einen Oberfläche in dem vorbestimmten geometrischen Muster abgeschieden wird, aufgebracht wird.

38. Verfahren gemäß Anspruch 36 oder 37, worin das thermische Schmelzmaterial in Form einer flüssigen Paste, die im wesentlichen aus einem aus Partikeln bestehenden thermoplastischen Material in einer inerten Träger-Flüssigkeit besteht, aufgebracht wird.

39. Verfahren gemäß Anspruch 38, welches weiterhin das Entfernen der Träger-Flüssigkeit umfaßt, so daß der aus Partikeln bestehende Thermoplast als ein Rückstand auf der wenigstens einen Oberfläche zurückbleibt.

40. Verfahren gemäß Anspruch 39, welches weiterhin das Trocknen der aufgebrachten Paste durch Aussetzen des Substrats mit der daran aufgebrachten Paste an eine erhöhte Temperatur, die ausreichend ist, um die Träger-Flüssigkeit zu entfernen, so daß das thermoplastische Material als ein Rückstand auf der Substrat-Oberfläche verbleibt, umfaßt.

41. Verfahren gemäß Anspruch 40, worin die Stufe des Trocknens der aufgebrachten Paste das Aussetzen der Trennvorrichtung an eine erhöhte Temperatur von wenigstens etwa 2 ºC unterhalb des Schmelzpunkts des thermoplastischen Materials während weniger als etwa einer Stunde umfaßt.

42. Verfahren gemäß Anspruch 40, worin die Stufe des Trocknens der aufgebrachten Paste bei einer Temperatur durchgeführt wird, bei der das aus Partikeln bestehende thermoplastische Material teilweise schmilzt.

43. Verfahren gemäß Anspruch 39, worin das thermische Schmelz-Material als eine wäßrige Mischung aufgebracht wird, die weiterhin im wesentlichen aus wenigstens einem Additiv besteht, ausgewählt aus Tensiden, Verdickungsmitteln und Haftmitteln.

44. Verfahren gemäß Anspruch 37 oder 38, worin das thermische Schmelz-Material in Form einer Schmelze aufgebracht wird, wobei das Verfahren weiterhin das Verfestigenlassen der Schmelze auf der wenigstens einen Substrat-Oberfläche umfaßt.