JP7478454B2 - 単層リチウムイオンのバッテリーのセパレーター、セパレーターを含むバッテリー、コンデンサー、スーパーコンデンサーまたはウルトラコンデンサー、バッテリーを利用することによって電気を発生させる方法、及び、バッテリーセパレーターを製造する方法 - Google Patents
単層リチウムイオンのバッテリーのセパレーター、セパレーターを含むバッテリー、コンデンサー、スーパーコンデンサーまたはウルトラコンデンサー、バッテリーを利用することによって電気を発生させる方法、及び、バッテリーセパレーターを製造する方法 Download PDFInfo
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Description
明の中に包含されるが、そのような布の構造体からなる複数の層の使用、あるいは本発明のバッテリーセパレーターの布からなる単一層と別のタイプの布からなる少なくとも1つの他の層からなる複数の層の使用も採用することができて、それらも本明細書で説明している発明全体の範囲内のものである、ということに留意すべきである。
上で示したように、マイクロファイバーを、内部のバッテリーセル条件と関連して適切な化学的耐性と耐熱性を与える任意のポリマー(またはポリマー配合物)から構成することができ、それはまた、ここで示される範囲内で適当な繊維構造体を形成する能力、さらには不織布を製作する際の絡み合いを容易にするための繊維自体の表面積を増大させるためのフィブリル化または類似の技術によって処理できる可能性を与える。そのような繊維は、溶融紡糸、湿式紡糸、溶液紡糸、メルトブロー、およびその他の方法などの慣用の繊維製造方法によって製造することができる。さらに、そのような繊維は二成分繊維として開始することができ、また、解繊パイ繊維(splittable pie fibers)、海上島繊維(islands-in-the-sea fibers)などのように、さらなる加工によってサイズおよび/または形状を縮小または変更することができる。そのような繊維は、さらなる加工のために適当な長さに切断してもよく、その長さは1インチ未満、または1/2インチ未満、さらには1/4未満であってよい。そのような繊維は、もっと小さな繊維にフィブリル化することもでき、あるいは湿式堆積(wetlaid)不織布を形成するのに有利な繊維にフィブリル化することもできる。
次いで、湿式堆積製造プロセスの中に一緒に導入する前に、両方の成分の異なる濃度を与えるために、材料を組み合わせたものを計り分けた。TAPPI試験法T-205(これは本明細書に参考文献として組み込まれる)に従って手すきシート(handsheet)を製造した(基
本的には、前述したように、極めて高い水性溶媒濃度の配合で高い剪断条件の下で一緒に混合し(これは湿式堆積製造において典型的に用いられ、そして繊維の「精製」として説明される)、そして最終的には湿った構造体を平らな表面上に置いて溶媒を蒸発させる)。最終的な不織布構造体を形成するために、幾つかの異なる組み合わせのものを製造した。この方法においては、各々のシートの中に含有させる材料の最初の量を調整することによって、様々な主成分の重量に応じるような調節だけを行った。材料と比率を表2に示す。
較例が、その特許の中の試験およびCelgardの製品文献から報告される。
TAPPI試験法T-205に従って、Engineered Fiber TechnologiesのEFTEC(登録商標)A-010-04フィブリル化アクリル系繊維(マイクロファイバーとナノファイバーの組み合わせ)(「基布」と記載される)およびFiber Visions T426繊維(1フィラメント当り2デニール、5mmの長さに切断したもの)およびポリプロピレンとポリエチレンから製造されて約17ミクロンの直径を有する二成分繊維(「添加した繊維」と記載される)を用いて、実施例1~21のものを製造した。それらの実施例の各々の繊維の量、調節後の基本重量、厚さ(キャリパー)、見掛け密度および多孔率を表2に示す。調節後の基本重量、厚さ、見掛け密度および気孔率については、TAPPI T-220(これは参考文献として本明細書に
取り込まれる)に従って試験を行った。
試験手順は以下の通りであった。
透気抵抗を試験した。この試験のために用いられた装置はガーレイデンソメーターのモデル4110である。試験を行うために、サンプルをデンソメーターの中に差し込んで固定した。シリンダーの勾配を100cc(100ml)のラインまで上げて、次いで、その自重によって滴下させた。100ccの空気がサンプルを通過するのに要する(秒での)時間を記録した。結果を秒/100ccで報告するが、これは100立方センチメートルの空気がセパレーターを通過するのに要する時間である。
図8は、本発明のセパレーター18を中に含む本発明のバッテリー10の1つの可能性のある態様を示す。バッテリーセル10はハウジング12を含み、ハウジングの中に他の全ての構成部品が存在し、環境汚染を防ぐとともにセルからの電解質の漏れを防ぐように、しっかりと密封されている。アノード14がカソード16と縦列させて設けられ、それらの二つの間に少なくとも1つのバッテリーセパレーター18がある。アノード14にアノードの導線20が取り付けられ、一方、カソード16にカソードの導線22が取り付けられている。アノード14はアノード容器24の中に収容されていて、一方、カソードはカソードカバー26の中に収容されている。アノード14とカソード16がハウジング12ならびにアノード容器24およびカソードカバー26に触れないように分離するために、絶縁体28が存在する。カソードカバー26は安全ベント30を含み、セル10の中で圧力をかけることを可能にするためにガスケット32が存在する。最後に、ハウジング12の内周の回りにサーミスタ34が存在する。必要なイオンの生成を与えるために、封止する前にセルに液体電解質が添加される。従って、セパレーター18はアノード14とカソード16の接触を防ぐのを助けるとともに、電解質から生成する選択されたイオンが電解質の中を通って移動するのを可能にする。バッテリーセルの一般的な構成はこのような構造として記述されるものであるが、しかし、バッテリーセル自体のサイズと構造に応じて、各々の内部構成部品についてのサイズと形状についての構成は相違する。このような状態において、実質的に円形の固体構成要素からなるコイン電池バッテリーが、そのような電池の中でのセパレーターの有効性についての適当な試験を行うために製造された。
真空室の中で70℃で約12時間にわたって乾燥し、そして次のものの中に組み込んだ:
(a)対称的なリチウム箔-セパレーター-リチウム箔2016コイン電池、および
(b)非対称の炭素電極-セパレーター-リチウム箔2016コイン電池。
とするものであった。電極の組成は次の通りであった:Pureblack(登録商標)-88.85重量%、CMC(MM250kDa,DS0.9)-11.15重量%。電池を組み立てる前に、電極を真空中で100℃において二日間乾燥させた。上で用いたものと同じタイプの電解質(EC:DMC:DEC混合物(容量で1:1:1)の中の1MのLiPF6)を、この場合も用いた。C/20のゆっくりした速度において収集した最初のLiの挿入と抜き取りのサイクルの結果を下の表6に示す。
本明細書は以下の発明の開示を包含する。
[1]マイクロファイバーとナノファイバーからなる不織布配合物を含むポリマーのバッテリーセパレーターであって、単層の前記セパレーターが、電解質イオンの通過移動のための十分な多孔度と前記不織布配合物からなる単層を介しての電極の接触に対する適切な保護を与えるものである、前記バッテリーセパレーター。
[2]繊維からなる単一の層を含み、前記の層はナノファイバーとマイクロファイバーの両方を含み、前記ナノファイバーは1000nm未満の平均の直径を有し、前記マイクロファイバーは3000nmよりも大きな直径を有し、そして前記ナノファイバーとマイクロファイバーは混ざり合っていて、それにより前記ナノファイバーの少なくとも一部が前記マイクロファイバーの間の隙間の中に存在する、[1]に記載のバッテリーセパレーター。
[3]セパレーターは250kg/cm2よりも大きな縦方向(MD)引張り強さを有
する、[1]に記載のバッテリーセパレーター。
[4]セパレーターは500kg/cm2よりも大きな縦方向(MD)引張り強さを有する、[3]に記載のバッテリーセパレーター。
[5]セパレーターは100kg/cm2よりも大きな横方向(CD)引張り強さを有
する、[1]に記載のバッテリーセパレーター。
[6]セパレーターは250kg/cm2よりも大きな横方向(CD)引張り強さを有
する、[5]に記載のバッテリーセパレーター。
[7]前記ナノファイバーは1.5:1よりも大きな横断アスペクト比を示す、[1]に記載のバッテリーセパレーター。
[8]海上島(islands-in-the-sea)を形成するナノファイバーを含む、[1]に記載のバッテリーセパレーター。
[9]平均流量細孔サイズ(mean flow pore size)は2000nm未満である、[1
]に記載のバッテリーセパレーター。
[10]厚さが250ミクロン未満である、[1]に記載のバッテリーセパレーター。
[11]厚さが100ミクロン未満である、[10]に記載のバッテリーセパレーター。
[12]セパレーターは250kg/cm2よりも大きな縦方向(MD)引張り強さを有する、[2]に記載のバッテリーセパレーター。
[13]セパレーターは100kg/cm2よりも大きな横方向(CD)引張り強さを有する、[2]に記載のバッテリーセパレーター。
[14]前記ナノファイバーは1.5:1よりも大きな横断アスペクト比を示す、[2]に記載のバッテリーセパレーター。
[15]平均流量細孔サイズ(mean flow pore size)は2000nm未満である、[
2に記載のバッテリーセパレーター。
[16]厚さが250ミクロン未満である、請求項2に記載のバッテリーセパレーター。
[17]セパレーターは縦方向と横方向の引張り強さに関して等方性であり、そして前記セパレーターは250kg/cm2よりも大きな縦方向引張り強さを有する、[1]に記載のバッテリーセパレーター。
[18][1]に記載のバッテリーセパレーターを含むバッテリー、キャパシター、スーパーキャパシターまたはウルトラキャパシター。
[19][18]のバッテリーを利用することによって電気を発生させる方法。
[20]単層でポリマーのバッテリーセパレーターを製造する方法であって、この方法は下記の工程:
ポリマーのマイクロファイバーとナノファイバーからなる最初のスラリーを用意すること;
前記スラリーを高剪断湿式堆積不織布製作プロセスに供し、それにより前記ナノファイバーを前記マイクロファイバーともつれさせて単層の不織布を形成させること;
を含み、このとき、前記不織布は、不織布を形成する前に前記最初のスラリーの中に導入されるナノファイバーの量を決める平均の細孔サイズを示す、前記製造方法。
[21]前記最初のスラリーの中に存在するマイクロファイバーとナノファイバーは、前記マイクロファイバーからナノファイバーを取り出すフィブリル化プロセスの生成物である、[20]に記載の方法。
[22]前記最初のスラリーを前記湿式堆積不織布製作プロセスに供する前に前記最初のスラリーにポリマーのマイクロファイバー、ポリマーのナノファイバー、およびこれらの混合物または組み合わせからなる群から選択される第二の繊維を導入する追加の工程を含み、そのように第二の繊維を追加することによって、第二の繊維を用いることなく同じ製造条件に従って前記不織布製作プロセスを行って製造された不織布の特性と比較して、得られる不織布の平均流量細孔サイズ(mean flow pore size)が変化する、[21]に記載の方法。
Claims (9)
- マイクロファイバーとナノファイバーの不織布配合物を含むポリマーの、バッテリー用セパレーターであって、前記マイクロファイバーとナノファイバーの配合物は前記バッテリー用セパレーター内に単層として存在し、前記バッテリー用セパレーターが、電解質イオンの通過移動のための多孔度と電極の接触に対する保護を与えるものであり、前記ナノファイバーは1000nm未満の平均の直径を有し、前記マイクロファイバーは3000nmよりも大きな直径を有し、
前記ナノファイバーとマイクロファイバーは混ざり合っていて、それにより前記ナノファイバーの少なくとも一部が前記マイクロファイバーの間の隙間の中に存在し、
平均流量細孔サイズは2000nm未満である、
バッテリー用セパレーター。 - 前記バッテリー用セパレーターは500kg/cm2よりも大きな縦方向(MD)引張り強さを有する、請求項1に記載のバッテリー用セパレーター。
- 前記バッテリー用セパレーターは250kg/cm2よりも大きな横方向(CD)引張り強さを有する、請求項1に記載のバッテリー用セパレーター。
- 前記ナノファイバーは1.5:1よりも大きな横断アスペクト比を示す、請求項1に記載のバッテリー用セパレーター。
- 海島型繊維由来のナノファイバーを含む、請求項1に記載のバッテリー用セパレーター。
- 厚さが250ミクロン未満である、請求項1に記載のバッテリー用セパレーター。
- 前記バッテリー用セパレーターは縦方向と横方向の引張り強さに関して等方性であり、そして前記バッテリー用セパレーターは250kg/cm2よりも大きな縦方向(MD)引張り強さを有する、請求項1に記載のバッテリー用セパレーター。
- 請求項1~7のいずれかに記載のバッテリー用セパレーターを含むバッテリー、コンデンサー、スーパーコンデンサーまたはウルトラコンデンサー。
- 請求項8のバッテリーを利用することによって電気を発生させる方法。
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