JP2006507635A - 電気化学的セルのための非対称的多孔質構造を有するセパレータ - Google Patents
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Abstract
Description
前記のセパレータ材料は、わずかな相対的な所要量を保証し、かつ内部抵抗を低く維持するために、出来る限り薄くなければならない。このわずかな内部抵抗を保証するために、セパレータが大きな多孔率をも有することは重要である。更に、前記のセパレータ材料は軽くなければならず、それによりわずかな比重量が達成される。更に、湿潤性が高くなければならず、それというのも、そうでなければ非湿潤のデッドゾーンが生じてしまうためである。
(A)孔のあいた柔軟な支持体、及び
(B)支持体の孔を塞ぐ多孔質セラミック材料
を含み、
その際、セラミック材料がイオン伝導性電解質を収容するために適当であり、
多孔質セラミック材料は、平均孔径により特徴付けられる第一の多孔質層を含み、並びに、少なくとも1つの第二の多孔質層が電極と接触しており、その際、第二の多孔質層は、第一の多孔質層の平均孔径よりも小さい平均孔径を有していることを特徴とする、電気化学的セルのためのセパレータを用いて解決される。
(a)分散液を薄い層として織物及び/又は不織布の上及び中に施与する工程、その際、分散液が、以下:
(a1)平均粒径が層の多孔構造を提供する大きなセラミック粒子であって、前記多孔構造は平均孔径により特徴付けられるものとするセラミック粒子、並びに
(a2)(a1)記載のセラミック粒子の平均粒径よりも低い平均一次粒径を有するセラミック粒子
を含むものとする、
(b)分散液を100℃〜680℃の温度で硬化させ、第一の層を多孔質セラミック材料から製造する工程、
(c)他の分散液を多孔質セラミック材料からなる層の少なくとも一面に施与する工程、その際、他の分散液は、以下:
(c1)粒径が多孔構造を提供するセラミック粒子であって、前記の多孔構造の平均孔径は、分散液で被覆された多孔質セラミック材料からなる層の平均孔径よりも小さい、セラミック粒子、
(c2)場合により、(c1)記載のセラミック粒子の平均粒径よりも低い平均一次粒径を有するセラミック粒子
を含むものとする、
(d)約100℃〜680℃の温度で硬化し、他の層を多孔質セラミック材料から製造する工程、並びに、
(e)場合により、工程(c)及び(d)を繰り返し、
(e1)第二の多孔質層の面と向かい合った第一の多孔質層の面上に、
(e2)第二の多孔質層上に、及び/又は
(e3)場合により(e1)又は(e2)の後に存在する中間層上に、
1つ又は複数の他の多孔質層を製造する工程であって、前記の多孔質層の平均孔径が、第一の層の方向に存在する隣接する層の平均孔径よりもそれぞれ小さく、かつこの面に組み込まれた電極の方向に存在する層の平均孔径よりも大きいものとする、
を含む方法により製造することができる。
参照例1:S100PETセパレータの製造
水145gに、まず5質量%のHCl水溶液30g、テトラエトキシシラン10g、メチルトリエトキシシラン2.5g及びDynasilan GLYMO 7.5gを添加する。このゾルをまず数時間撹拌し、次いでこのゾル中に酸化アルミニウムAICoA CT3000 140gを懸濁させた。この懸濁液(スラリー)を少なくとも更に72時間電磁撹拌機で均質化し、その際、溶剤損失を生じさせないために撹拌容器を密閉しなければならなかった。
水140g及びエタノール10gに、まず5質量%のHCl水溶液30g、テトラエトキシシラン10g、メチルトリエトキシシラン2.5g及びDynasilan GLYMO 7.5gを添加する。このゾルをまず数時間撹拌し、次いでこのゾル中に酸化アルミニウムAICoA CT1200 SG 265gを懸濁させた。この懸濁液(スラリー)を少なくとも更に24時間電磁撹拌機で均質化し、その際、溶剤損失を生じさせないために撹拌容器を密閉しなければならなかった。
水130g及びエタノール15gに、まず5質量%のHNO3水溶液30g、テトラエトキシシラン10g、メチルトリエトキシシラン2.5g及びDynasilan GLYMO 7.5gを添加する。このゾルをまず数時間撹拌し、次いでこのゾル中に酸化アルミニウムMartoxid MZS-1及びMartoxid MZS-3をそれぞれ125g懸濁させた。この懸濁液(スラリー)を少なくとも更に24時間電磁撹拌機で均質化し、その際、溶剤損失を生じさせないために撹拌容器を密閉しなければならなかった。
水130g及びエタノール15gに、まず5質量%のHCl水溶液30g、テトラエトキシシラン10g、メチルトリエトキシシラン2.5g及びDynasilan GLYMO 7.5gを添加する。このゾルをまず数時間撹拌し、次いでこのゾル中に酸化アルミニウムAICoA CT800 SG 280gを懸濁させた。この懸濁液(スラリー)を少なくとも更に24時間電磁撹拌機で均質化し、その際、溶剤損失を生じさせないために撹拌容器を密閉しなければならなかった。
参照例1で製造されたS100PETセパレータを、LiCoO2からなる陽極材料、黒鉛からなる陰極材料及びエチレンカーボネート/ジメチルカーボネート(EC/DC)中のLiPF6からなる電解質からなるLiイオンセル中に組み込んだ[LiCoO2//S100PET、EC/DMC 1:1、1M LiPF6//黒鉛]。このバッテリーの充電特性を試験した。このバッテリーは250を上回るサイクル(C/5で運転)の後に、数パーセント分の容量のわずかな減少を示しただけであった。200回の充電サイクルにおける4.1ボルトから4.2ボルトへの充電電圧の上昇も、このバッテリーを損傷しなかった。
参照例4で製造されたS800PETセパレータを、LiCoO2からなる陽極材料、黒鉛からなる陰極材料及びエチレンカーボネート/ジメチルカーボネート(EC/DMC)中のLiPF6からなる電解質からなるLiイオンセル中に組み込んだ[LiCoO2//S800PET、EC/DMC 1:1、1M LiPF6//黒鉛]。このバッテリーの充電特性を試験した。このバッテリーは250を上回るサイクルの後に、数パーセント分の容量のわずかな減少を示しただけであった。200回の充電サイクルにおける4.1ボルトから4.2ボルトへの充電電圧の上昇も、このバッテリーを損傷しなかった。
例1:Z025APETセパレータの製造
完全脱塩水中の粘度調節剤としての、ナノ粒子状酸化ジルコニウム(VPH、Degussa社)3.0質量%、酸化ジルコニウム−ゾル(MEL社)1質量%及びAerosil 300(Degussa社)1.0質量%からなる懸濁液を、参照例1からのセパレータS100PETに、連続的なローラ塗布法(ベルト速度約8m/h、T=220℃)で施与し、硬化させた。
脱塩水180g及び65%硝酸0.69gから成る混合物に、iプロパノール27.1g中のチタンテトライソプロピレート(Fluka)14.21gからなる混合物をゆっくりと滴加した。生じる二酸化チタンの解膠を、17日間の期間に亘って時折撹拌しながら行う。そのように製造されたゾルを、被覆懸濁へとさらに処理する。そのために、(上記のゾルからの)TiO2 0.3体積%からなる懸濁液をCarbopol 980 0.2体積%と混合し、実施例1からのセパレータに施与する(ベルト速度約16m/h、T=220℃)。
酸化アルミニウムAICoA CT3000 SG 250g及びAerosil200(Degussa AG)6gを、水220g、エタノール15g、5質量%HNO3水溶液5g及び30質量%酸化ジルコニウム−ゾル(MEL社)50gからなる混合物中に分散させる。この懸濁液(スラリー)を少なくとも72時間電磁撹拌機で均質化し、その際、溶剤損失を生じさせないために撹拌容器を密閉しなければならない。
酸化アルミニウムAICoA CT3000 SG 250g及びAerosil200(Degussa AG)6gを、水220g、エタノール15g、5質量%HNO3水溶液5g及び30質量%酸化ジルコニウム−ゾル(MEL社)50gからなる混合物中に分散させる。この懸濁液(スラリー)を少なくとも72時間電磁撹拌機で均質化し、その際、溶剤損失を生じさせないために撹拌容器を密閉しなければならない。
酸化アルミニウムAICoA CT3000 SG 250g及びAerosil200(Degussa AG)6gを、水220g、エタノール15g、5質量%HNO3水溶液5g及び30質量%酸化ジルコニウム−ゾル(MEL社)50gからなる混合物中に分散させる。この懸濁液(スラリー)を少なくとも72時間電磁撹拌機で均質化し、その際、溶剤損失を生じさせないために撹拌容器を密閉しなければならない。
酸化アルミニウムAICoA CT3000 SG 250g及びAerosil200(Degussa AG)6gを、水220g、エタノール15g、5質量%HNO3水溶液5g及び30質量%酸化ジルコニウム−ゾル(MEL社)50gからなる混合物中に分散させる。この懸濁液(スラリー)を少なくとも72時間電磁撹拌機で均質化し、その際、溶剤損失を生じさせないために撹拌容器を密閉しなければならない。
実施例4で製造されたZ100APET−セパレータを、LiCoO2からなる陽極材料、黒鉛からなる陰極材料及びエチレンカーボネート/ジメチルカーボネート(EC/DMC)中のLiPF6からなる電解質からなるLiイオンセル中に組み込み[LiCoO2//Z100APET EC/DMC 1:1、1M LiPF6//黒鉛]、小孔を有する層が黒鉛陰極に面するようにした。このバッテリーの充電特性を試験した。このバッテリーは500を上回るサイクルの後に、数パーセント分の容量の極めてわずかな減少を示しただけであった。450回の充電サイクルにおける4.1ボルトから4.2ボルトへの充電電圧の上昇も、このバッテリーを損傷しなかった。
Claims (31)
- 以下:
(A)孔のあいた柔軟な支持体、及び
(B)支持体の孔を塞ぐ多孔質セラミック材料
を含み、
その際、セラミック材料がイオン伝導性電解質を収容するために適当である、
電気化学的セルのためのセパレータにおいて、
多孔質セラミック材料は、平均孔径により特徴付けられる第一の多孔質層を含み、並びに、少なくとも1つの第二の多孔質層が電極と接触しており、その際、第二の多孔質層は、第一の多孔質層の平均孔径よりも小さい平均孔径を有していることを特徴とする、電気化学的セルのためのセパレータ。 - 多孔質セラミック材料が、第二の多孔質層の面と向かい合った第一の多孔質層の面上に、対極の電極の接触のための第三の多孔質層を含み、その際、第三の層は第一の層の平均孔径よりも低い平均孔径を有する、請求項1記載のセパレータ。
- 第二の層の平均孔径及び/又は場合により第三の層の平均孔径が、第一の層の平均孔径の0.1〜50%の範囲内である、請求項1記載のセパレータ。
- 第一の層の平均孔径が、80〜1000nm、殊に450〜800nmの範囲内である、請求項1から3までのいずれか1項記載のセパレータ。
- 第二の層の平均孔径及び/又は場合により第三の層の平均孔径が、5〜250nm、殊に25〜150nmの範囲内である、請求項1から4までのいずれか1項記載のセパレータ。
- 第一の層と第二の層との間に、及び/又は、場合により第一の層と第三の層との間に、1つ以上の中間層が存在しており、前記中間層の平均孔径は、第一の層の方向に存在する隣接する層の平均孔径よりもそれぞれ小さく、かつこの面に組み込まれた電極の方向に存在する層の平均孔径よりも大きい、請求項1から5までのいずれか1項記載のセパレータ。
- 多孔質セラミック材料が、ジルコニウムの酸化物、ケイ素の酸化物及び/又は有利にアルミニウムの酸化物を含む、請求項1から6までのいずれか1項記載のセパレータ。
- セラミック材料の多孔構造を決定する大きな平均粒径を有する粒子と、スラリーの硬化の際に大きな粒子を接着させるより小さな平均一次粒径を有する粒子とを含むスラリーの硬化によってセラミック材料を製造することができる、請求項1から7までのいずれか1項記載のセパレータ。
- 層を形成する粒子の表面が、付加的にSiO2、Al2O3、ZrO2又はSiCを含む、請求項8記載のセパレータ。
- 層が、Li2CO3、Li3N、LiAlO3、又は、1≦x≦2、0≦y≦1及び1≦z≦2であるLixAlyTiz(PO4)3を含む、請求項1から9までのいずれか1項記載のセパレータ。
- イオン伝導のための電解質を含む、請求項1から10までのいずれか1項記載のセパレータ。
- セパレータが、15〜80%、有利に20%〜45%の多孔率を有する、請求項1から11までのいずれか1項記載のセパレータ。
- 孔のあいた支持体が、有利にポリアミド、ポリアクリロニトリル、ポリエステル及び/又はポリオレフィンの繊維、ガラス繊維又はセラミック繊維から選択されたポリマー繊維を含む、請求項1から12までのいずれか1項記載のセパレータ。
- 支持体が、1〜150μm、有利に1〜20μmの直径を有する繊維及び/又はフィラメント及び/又は3〜150μm、有利に10〜70μmの直径を有する糸を含む、請求項1から13までのいずれか1項記載のセパレータ。
- 支持体が5〜500μm、有利に10〜200μmの孔幅を有する不織布である、請求項1から14までのいずれか1項記載のセパレータ。
- 少なくとも100℃、有利に少なくとも150℃、極めて殊に有利に少なくとも180℃での使用条件下で安定である、請求項1から15までのいずれか1項記載のセパレータ。
- 10〜1000μm、有利に10〜100μm、極めて殊に有利に10〜50μmの範囲内の厚さを有する、請求項1から16までのいずれか1項記載のセパレータ。
- 100mm以下まで、有利に20mm以下まで、極めて殊に有利に1mm以下までの曲げ半径を許容する、請求項1から17までのいずれか1項記載のセパレータ。
- 請求項1から18までのいずれか1項記載の電気化学的セルのためのセパレータの製造法において、以下の工程:
(a)分散液を薄い層として織物及び/又は不織布の上及び中に施与する工程、その際、分散液が、以下:
(a1)平均粒径が層の多孔構造を提供する大きなセラミック粒子であって、前記多孔構造は平均孔径により特徴付けられるものとするセラミック粒子、並びに
(a2)(a1)記載のセラミック粒子の平均粒径よりも低い平均一次粒径を有するセラミック粒子
を含むものとする、
(b)分散液を100℃〜680℃の温度で硬化させ、第一の層を多孔質セラミック材料から製造する工程、
(c)他の分散液を多孔質セラミック材料からなる層の少なくとも一面に施与する工程、その際、他の分散液は、以下:
(c1)粒径が多孔構造を提供するセラミック粒子であって、前記の多孔構造の平均孔径は、分散液で被覆された多孔質セラミック材料からなる層の平均孔径よりも小さい、セラミック粒子、
(c2)場合により、(c1)記載のセラミック粒子の平均粒径よりも低い平均一次粒径を有するセラミック粒子
を含むものとする、
(d)約100℃〜680℃の温度で硬化し、他の層を多孔質セラミック材料から製造する工程、並びに、
(e)場合により、工程(c)及び(d)を繰り返し、
(e1)第二の多孔質層の面と向かい合った第一の多孔質層の面上に、
(e2)第二の多孔質層上に、及び/又は
(e3)場合により(e1)又は(e2)の後に存在する中間層上に、
1つ又は複数の他の多孔質層を製造する工程であって、前記の多孔質層の平均孔径が、第一の層の方向に存在する隣接する層の平均孔径よりもそれぞれ小さく、かつこの面に組み込まれた電極の方向に存在する層の平均孔径よりも大きいものとする、
を含むことを特徴とする、請求項1から18までのいずれか1項記載の電気化学的セルのためのセパレータの製造法。 - セラミック粒子が、酸化アルミニウム、酸化ケイ素及び酸化ジルコニウムから成るか又はその混合酸化物又は混合物から成る群から選択された材料を含む、請求項19記載の方法。
- ジルコニウム、ケイ素又はアルミニウムの硝酸塩、オキシ硝酸塩、塩化物、オキシ塩化物、炭酸塩、アルコラート、酢酸塩又はアセチルアセトネートから選択された1種又は数種の化合物の加水分解及び解膠によって、小さい平均粒径を有するセラミック粒子を製造することができる、請求項19又は20記載の方法。
- 層を形成する粒子の表面が、付加的にSiO2、Al2O3、ZrO2又はSiCを含む、請求項19から21までのいずれか1項記載の方法。
- 層を形成する粒子の表面が、付加的にLi2CO3、Li3N、LiAlO3、又は、1≦x≦2、0≦y≦1及び1≦z≦2であるLixAlyTiz(PO4)3を含む、請求項19から21までのいずれか1項記載の方法。
- 工程(a)及び/又は(c)における分散液が、元素Al、Zr及び/又はSiの少なくとも1種の酸化物、及び、少なくとも1種の元素Al、Si及び/又はZrのゾルを有する、請求項19から23までのいずれか1項記載の方法。
- 織物及び/又は不織布が、ポリアミド、ポリアクリロニトリル、ポリエステル又はポリオレフィンから選択された繊維を含む、請求項19から24までのいずれか1項記載の方法。
- 分散液を、印刷、圧縮、圧入、ローラ塗布、ブレード塗布、刷毛塗り、浸漬塗布、吹き付け塗布又は流延塗布により施与する、請求項19から26までのいずれか1項記載の方法。
- (a2)及び/又は(c2)記載のセラミック粒子を製造するために、元素Zr、Al及び/又はSiの少なくとも1種のアルコラート化合物、又は、元素Zr、Al及び/又はSiの少なくとも1種の硝酸塩、炭酸塩又はハロゲン化物を加水分解する、請求項19から26までのいずれか1項記載の方法。
- (a2)及び/又は(c2)記載のセラミック粒子が7〜50nmの平均一次粒径を有する、請求項19から27までのいずれか1項記載の方法。
- 硬化を200〜280℃の温度で0.5〜10分間に亘って行う、請求項19から27までのいずれか1項記載の方法。
- セルが、請求項1から18までのいずれか1項記載のセパレータを含み、前記セパレータは、50〜1000nmの平均孔径を有する第一の層と、5〜400nmの平均孔径を有する少なくとも1つの他の層とを有する、電気化学的セル、殊にリチウム−バッテリー、リチウムイオン−バッテリー又はリチウム−ポリマー−バッテリー。
- その都度有利に高電流を適用するための電気化学的セル、殊にリチウム−バッテリー、リチウムイオン−バッテリー又はリチウム−ポリマー−バッテリーを製造するための、請求項1から18までのいずれか1項記載のセパレータの使用。
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