TWI788616B - 複合膜及其製作方法與應用 - Google Patents
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Abstract
一種複合膜,包括:一纖維結構層以及一填充材料層。纖維結構層具有複數條纖維以及第一熔點。填充材料層位於纖維結構層上,且具有第二熔點。其中,複數條纖維中至少一者延伸進入填充材料層中,且第一熔點大於第二熔點。其中,纖維結構層包括一聚合物,此聚合物係選自於由聚醯亞胺、聚氨酯,聚醯胺,聚苯並咪唑、聚碳酸酯、聚丙烯腈、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚偏二氟乙烯、聚4-甲基戊烯和上述任意組合所組成的一族群;填充材料層包括聚烯烴材料或聚酯材料。
Description
本揭露是有關於一種複合膜(composite film)及其製作方法與應用,特別關於一種具有熱特性(thermal properties)的複合膜及其製作方法與應用。
鋰離子電池因為具有高能量密度、高工作電壓、無記憶效應及自放電率低的特性,目前已經廣泛的應用在消費性電子產品領域(例如可攜式電子設備)之中。近來,鋰電池更基於高能量密度符合車用動力的需求的優勢,已成為電動車車用電池的主流。然而,隨著能量密度與電池容量不斷提升,鋰電池發生異常放熱導致燃燒爆炸的風險也大幅提升,如何確保鋰電池的操作安全,已成為業界重要的課題之一。
用於確保鋰電池操作安全的關鍵組件是放置於電池正負兩電極之間的隔離膜(separator),其主要目的是用於隔絕正負兩電極並且傳導離子。絕緣高分子孔隙材料(例如聚乙烯、聚丙烯材料等...)因具備化學穩定性以及價格優勢,長期被使用來製作鋰電池的隔離膜。但熔點較低的絕緣高分子多孔材料在電池發生異常時,容易
因電池發生劇烈的放熱而迅速收縮,無法持續隔絕電極,導致電池燃燒爆炸。雖然,目前各方皆不斷提出可耐高溫的鋰電池隔離膜,例如陶瓷隔離膜、聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate,PET)不織布(nonwoven fabric)隔離膜、聚醯亞胺(polyimide,PI)不織布隔離膜等,但是這些解決方案對於安全性的提升仍然非常有限。
因此,有需要提供一種先進的多孔複合膜及其製作方法與應用,來解決習知技術所面臨的問題。
本說明書的一實施例係提供一種複合膜,包括:一纖維結構層以及一填充材料層。纖維結構層具有複數條纖維以及第一熔點。填充材料層位於纖維結構層上,且具有第二熔點。其中,複數條纖維中至少一者延伸進入填充材料層中,且第一熔點大於第二熔點。其中,纖維結構層包括一聚合物,此聚合物係選自於由聚醯亞胺(polyimide,PI)、聚氨酯(polyurethanes,PU),聚醯胺(polyamide),聚苯並咪唑(polybenzimidazole)、聚碳酸酯(polycarboate)、聚丙烯腈(polyacrylonitrile)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephtalate)、聚偏二氟乙烯(poly(vinylidenefluoride))、聚4-甲基戊烯(poly4-methylpentene,TPX)和上述任意組合所組成的一族群,填充材料層包括聚烯烴(polyolefin)材料或聚酯(polyester)材料。
本說明書的另一實施例係提供一種製作複合膜的方法,包括下述步驟:首先,形成一纖維結構層,使其具有複數條纖維以及第一熔點。接著,於纖維結構層上形成一填充材料層,使纖維結構層的至少一條纖維延伸進入填充材料層之中,並使填充材料層具有第二熔點,且第一熔點大於第二熔點。
本說明書的又一實施例係提供一種電池隔離膜,此電池隔離膜包括:一纖維結構層以及一填充材料層。纖維結構層具有複數條纖維以及第一熔點。填充材料層位於纖維結構層上,且具有第二熔點。其中,複數條纖維中至少一者延伸進入填充材料層中,且第一熔點大於第二熔點。其中,纖維結構層包括一聚合物,此聚合物係選自於由聚醯亞胺、聚氨酯,聚醯胺,聚苯並咪唑、聚碳酸酯、聚丙烯腈、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚偏二氟乙烯、聚4-甲基戊烯和上述任意組合所組成的一族群,填充材料層包括聚烯烴材料或聚酯材料。
根據上述實施例,本說明書是在提供一種複合膜及其製作方法與應用。在具有複數條纖維的纖維結構層上方,設置熔點較低的填充材料層,使纖維結構層中至少一條纖維能延伸進入填充材料層之中,形成一種複合膜。將此複合膜應用來作為電池的隔離膜,在操作溫度小於100℃的環境下,可以具有較高的高孔隙率、較高的電解質的吸收能力以及較佳的離子導電度,有助於提高電池效率。
當操作溫度大於100℃時,藉由填充材料層的熱特性,因高溫部分熔融來塞住纖維結構層中的孔隙,產生熱閉孔的效果,從而阻斷離子通過隔離膜,中斷電池反應,提供電池熱
關斷(thermal shutdown)功能,防止電池溫度進一步升高,預防電池爆炸。同時,利用纖維結構層高熔點的耐熱特性,可確保隔離膜具有理想的熱尺寸穩定度,不會因高溫而形變,以爭取更多安全機制的作用時間,大幅提升電池的使用安全性。
100:複合膜
101:纖維結構層
101a:纖維
101b:纖維結構層的表面
102、102’:填充材料層
200:製作纖維結構層的製程裝置
201:聚丙烯酸溶液
202:靜電紡絲設備
202A:紡嘴
202B:收集屏
203:噴流
602:填充材料層
H、H’:複合膜的厚度
h:纖維結構層的厚度
D:纖維延伸進入填充材料層的深度
S1:形成纖維結構層,使其具有複數條纖維,構成纖維結構層的材料具有第一熔點
S2:於纖維結構層上形成填充材料層,使纖維結構層中至少一條纖維延伸進入填充材料層,構成填充材料層的材料具有低於第一熔點的第二熔點
為了對本說明書之上述及其他方面有更佳的瞭解,下文特舉實施例,並配合所附圖式詳細說明如下:第1圖係根據本說明書的一實施例所繪示的一種製作複合膜的製程步驟流程示意圖;第2A圖係根據本說明書的一實施例所繪示之製作纖維結構層的製程裝置示意圖;第2B圖係以掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)拍攝採用第2A圖的製程裝置所製作而成的纖維結構層的剖面結構顯微影像;第3A圖係根據本說明的一實施例所繪示複合膜的結構透視圖;第3B圖是採用掃描式電子顯微鏡對第3A圖之複合膜所拍攝的剖面結構顯微影像;第4圖係根據本說明書的另一實施例所繪示之複合膜的結構剖面示意圖;第5圖係是採用掃描式電子顯微鏡在小於100℃的溫度下對第3B圖之複合膜所拍攝的上視結構顯微影像;
第6A圖是採用掃描式電子顯微鏡在100℃的溫度下對第3B圖之複合膜所拍攝的上視結構顯微影像;第6B圖是採用掃描式電子顯微鏡對第6A圖之複合膜所拍攝的剖面結構顯微影像;以及第7圖係根據本說明的一實施例所繪示之複合膜的溫度與電阻值(resistance)的關係圖。
本說明書是提供一種複合膜及其製作方法與應用,可提供具有高熱關斷功能和熱尺寸穩定性的複合膜,應用於電池的隔離膜可達到提高電池電效率和使用安全性的目的。為了對本說明書之上述實施例及其他目的、特徵和優點能更明顯易懂,下文特舉複數個較佳實施例,並配合所附圖式作詳細說明。
但必須注意的是,這些特定的實施案例與方法,並非用以限定本發明。本發明仍可採用其他特徵、元件、方法及參數來加以實施。較佳實施例的提出,僅係用以例示本發明的技術特徵,並非用以限定本發明的申請專利範圍。該技術領域中具有通常知識者,將可根據以下說明書的描述,在不脫離本發明的精神範圍內,作均等的修飾與變化。在不同實施例與圖式之中,相同的元件,將以相同的元件符號加以表示。
請參照第1圖,第1圖係根據本說明書的一實施例所繪示的一種製作複合膜100的製程步驟流程示意圖(複合膜100
製程步驟中的元件符號請參照下述圖示第2B圖、第3A圖和第3B圖)。製作複合膜100的方法,包括下述步驟:首先,形成一纖維結構層101,使其具有複數條纖維101a,其中構成纖維結構層101的材料具有第一熔點(參見步驟S1)。第一熔點可以實質介於200℃至400℃之間。
在本說明書的一些實施例中,纖維結構層101係藉由至少一纖維以不規則糾結或黏合的方式固定所形成。構成纖維結構層101的材料,可以是一種聚合物。例如聚醯亞胺、聚氨酯,聚醯胺,聚苯並咪唑、聚碳酸酯、聚丙烯腈、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚偏二氟乙烯、聚4-甲基戊烯或上述聚合物的任意組合。例如在本實施例中,纖維結構層101包括採用靜電紡絲(electrospinning)製程所形成的聚醯亞胺不織布纖維(non-woven fabric)結構層。其包括複數條平均線徑可介於10奈米至3微米之間,例如介於10奈米至1微米之間、或介於10奈米至700奈米之間,藉由溶劑、熱壓、化學或機械方式糾結或黏合在一起的纖維。
請參照第2A圖和第2B圖,第2A圖係根據本說明書的一實施例所繪示之製作纖維結構層101的製程裝置200示意圖。第2B圖係以掃描式電子顯微鏡拍攝採用第2A圖的製程裝置200所製作而成的纖維結構層101的剖面結構顯微影像。纖維結構層101的製作,可以包括以甲基甲醯胺(N,N-dimethylformamide,DMF)為溶劑,配製聚丙烯酸
(poly(acrylic acid,PAA)溶液201,透過靜電紡絲設備202,在聚丙烯酸溶液201施加電壓,使聚丙烯酸溶液201液滴上形成靜電,藉由電力場使聚丙烯酸溶液201液滴在毛細管的泰勒錐(Taylor cone)中加速,以聚丙烯酸溶液201液滴上的電荷排斥力來抵消液滴的表面表張力,構成噴發的細流由紡嘴(spinneret)202A射出,形成一道噴流203。溶劑在噴發過程中蒸發或固化,噴流203上的電荷從液滴表面的運動轉換為纖維表面電荷的流動,並在纖維彎曲處藉由靜電排斥導致纖維不斷擺動、伸長、變細,最後形成線徑為奈米大小的纖維,落在收集屏(collector)202B上,再經退火(annealing)步驟形成纖維氈狀黏合的聚醯亞胺不織布纖維多孔隙薄膜。
在本實施中,聚丙烯酸溶液201是採用4,4'氧化二苯胺(4,4’oxydianiline)和均苯四酸二酐(pyromellitic dianhydride)作為前驅物所聚合而成。另外,聚丙烯酸溶液201中可以包含重量百分比(wt%)10至20的可紡性增強劑(spinnability enhancer),例如分子量為1,300,000的聚乙烯吡咯烷酮(poly(vinylpyrrolidinone)。由於聚醯亞胺具有醯亞胺官能基團,因此化學穩定性和熱穩定性高,且具有較佳的電解質親和性。構成纖維結構層101的纖維,平均線徑介於10奈米至700奈米之間,拉伸強度介於30MPa至120MPa之間。
且構成纖維結構層101的材料的第一熔點,可以介於200℃至350℃之間。例如在本實施中,將纖維結構層
101置於150℃烘箱中烘烤30分鐘後,纖維結構層101的收縮率為0%;於250℃烘箱中烘烤30分鐘後,纖維結構層101的收縮率小於5%。纖維結構層101的整體耐溫度(即收縮率超過5%),可以達到350℃。可見,纖維結構層101具有極佳的熱尺寸穩定度,不會因高溫而形變。
而值得注意的是,纖維結構層101的結構與製作方式並不以此為限。例如,在本說明書的一些實施例中,纖維結構層101可以是一種藉由多根纖維(未繪示)以至少一種規則排列的結合方式固定而形成的織物結構。例如,透過平織(梭織)或針織方式所製成的多孔隙織布結構層(未繪示)。也可以是藉由溶劑、熱壓、化學或機械方式,將多層多孔隙織布結構層、多孔隙非織布結構層或二者之組合糾結或黏合在一起而形成的複合結構層(未繪示)。
接著請再參照第1圖,於纖維結構層101上形成一填充材料層102,使纖維結構層101中至少一條纖維101a延伸進入填充材料層102之中。其中,構成填充材料層102的材料具有低於第一熔點的第二熔點(如步驟S2),完成複合膜100的製備。在本說明書的一些實施例中,填充材料層102可以包括聚烯烴(polyolefin)材料或聚酯(polyester)材料,且構成填充材料層102的材料的第二熔點,介於90℃至180℃之間。聚烯烴材料主要可以包括:聚乙烯(polyethylene,PE)、聚丙烯(polypropylene,PP)、聚氧乙烯(polyoxyethylene,POE);
聚酯材料主要可包括:乙烯-醋酸乙烯酯(ethylene-vinyl acetate,EVA)共聚物、甲基丙烯酸甲酯(methyl methacrylate,MMA)聚合物。
在本實施例中,可以使用旋塗(spin coating)製程,將填充材料溶液(包含聚烯烴(polyolefin)材料或聚酯(polyester)材料,例如高密度聚乙烯(high density polyethylene,HDPE)溶液或低密度聚乙烯(low density polyethylene,LDPE)溶液)塗佈於纖維結構層101的表面101b上,經固化形成填充材料層102。請參照,第3A圖和第3B圖,第3A圖係根據本說明的一實施例所繪示複合膜100的結構透視圖;第3B圖是採用掃描式電子顯微鏡對第3A圖之複合膜100所拍攝的剖面結構顯微影像。
由於,塗佈於纖維結構層101的表面101b上的高密度聚乙烯溶液或低密度聚乙烯溶液,會由纖維結構層101的表面101b滲入纖維結構層101之中;經固化形成之後,使填充材料層102佔據纖維結構層101的一部分厚度。換言之,形成複合膜100之後,纖維結構層101中的複數條纖維101a會延伸進入填充材料層102之中,使填充材料層102與纖維結構層101具有共同的上表面。在一些實施例中,纖維結構層101中的複數條纖維101a,甚至穿過固化形成的填充材料層102的上表面(如第3B圖所示)。因此,複合膜100的整體厚度H,實質上
為纖維結構層101的厚度h(H=h),不會因為形成填充材料層102而導致厚度增加,具有可薄型化的技術優勢。
但複合膜100的結構並不以此為限,例如請參照第4圖,第4圖係根據本說明書的另一實施例所繪示之複合膜100’的結構剖面示意圖。在本實施例中,由於塗佈於纖維結構層101的表面101b上的高密度聚乙烯溶液或低密度聚乙烯溶液太厚,導致僅有一部份高密度聚乙烯溶液或低密度聚乙烯溶液滲入纖維結構層101之中。經固化形成之後填充材料層102’並未與纖維結構層101具有共同的上表面。意即,纖維結構層101中的纖維結構層101中的複數條纖維101a只延伸進入一部分的填充材料層102’之中,使複合膜100’的整體厚度H’實質上大於纖維結構層101的厚度h(H’>h)。其中,複數條纖維101a延伸進入填充材料層102’的深度D與複合膜100’的整體厚度H’的比值介於5%至50%之間。
接著,對複合膜100進行功能測試,例如觀察或量測複合膜100的表面形貌、孔隙率、孔徑分佈、電解液吸收率、導電度、熱穩定性以及熱閉孔特性。
其中,MP和MBuOH分別代表未浸泡正丁醇以及浸泡正丁醇2小時後量測複合膜100所得到的重量;ρP、ρBuOH分別代表複合膜100和正丁醇的比重。
複合膜100的孔徑分佈(pore size distribution),可以採用毛細管流動孔徑分析儀(capillary flow porometer)來進行量測。
複合膜100的電解液吸收率(EL,以%為單位),可以採用電解液浸泡法(electrolyte soaking method)來進行量測,並以公式(2)計算如下:EL=(W 1-W 0)/W 0×100% 公式(2)
其中,W0和W1分別代表未浸泡電解液以及浸泡電解液2小時之後量測複合膜100所得到的重量。其中,電解液浸泡法所使用的電解液,可以是混合碳酸鹽溶液(碳酸乙烯酯(ethylene carbonate,EC)/碳酸二甲酯(dimethyl carbonate,DMC)/碳酸甲乙酯(ethyl methyl carbonate,EMC)=1/1/1,含1%碳酸亞乙烯酯(vinylene carbonate,VC)),濃度為1M的六氟化磷酸鋰lithium hexafluorophosphate(LiPF6)溶液。
複合膜100的導電度(conductivity)是將複合膜100應用在Swagelok模擬測試電池之中,作為兩個不銹鋼電極的隔離膜;採用電化學阻抗圖譜(electrochemical impedance spectroscopy,EIS)方法,對Swagelok模擬測試電池施加頻率1至100kHz,振幅為10mV的交流電,以量測複合膜100的
導電度。期間,並採用線性掃描伏安法(linear sweep voltammetry,LSV)在Swagelok模擬測試電池中,以50mV/s的掃描速率,在兩電極Li/Li+的相對電壓介於3V至5V的條件下循環掃描,並紀錄電池中的電流變化。複合膜100的導電度可以用公式(3)計算如下:
其中,σ、Rb、d和S分別代表離子導電度、隔離膜的體電阻(bulk resistance)、隔離膜的厚度和面積。
複合膜100的熱穩定性測試,是在溫度110℃至150℃的不同溫度區間中,以每10℃為量測間隔;將複合膜100置入具有設定量測溫度的烘箱中1小時;之後再檢查複合膜100的尺寸改變情況。
複合膜100的熱閉孔特性,是在具有磷酸鐵鋰(LiFePO4)/隔離膜/介相碳微球(mesophase carbon microbeads,MCMB)結構,電容量為138mAh/g的電池充放電測試系統中進行測試。採用2.5至4.2V之間的充放電電壓,充電速率範圍介於0.1C至1C之間,放電速率為0.5C的條件下進行50次充放電循環。完成充放電循環之後,從電池中取出隔離膜,用碳酸鹽溶劑清洗後,再用掃描式電子顯微鏡檢查其表面形態的完整性,並以電化學阻抗圖譜量測其導電度(或電阻值)。
請參照第5圖,第5圖係採用掃描式電子顯微鏡在小於100℃的溫度下對第3B圖之複合膜100所拍攝的上視結構顯微影像。由於構成填充材料層102的材料的第二熔點介於90℃至180℃之間,遠小於構成纖維結構層101的材料的第一熔點(介於200℃至400℃之間)。因此,在小於100℃的溫度下,填充材料層102不會熔融而填充於纖維結構層101的孔隙之中。
在本實施例中,在溫度低於100℃的溫度下,纖維結構層101的平均孔徑約為1370奈米,孔隙率可以大於70%,在形成填充材料層102之後,複合膜100的平均孔徑則介於900奈米至500奈米之間,孔隙率降低約20%(意即,複合膜100的孔隙率約為50%)。但在其他實施例中,在形成填充材料層102之後,複合膜100的孔隙率約介於40%至65%之間。且在形成填充材料層102之後,孔徑分佈的變異性也會同時降低。顯示,在形成複合膜100之後,填充材料層102的存在,不僅不會造成纖維結構層101的孔隙嚴重堵塞,還可提高複合膜100的孔徑均勻度。應用於電池的隔離膜中,可提高電流密度的均勻性,改善電性,並有利於抑制枝晶成長,藉以提升電池的使用安全性。
另外,在本實施例中,在小於100℃的溫度下,複合膜100的整體電解液吸收率可以大於1200%,甚至達到1300%,導電度約為4.3x10-4S/cm。整體電性效果與僅採用
聚烯烴材料所製作的隔離膜(無熱閉孔功能)相差無幾,且遠優於目前市售的各種隔離膜。可見,本實施例所提供的複合膜100,在小於100℃的溫度下,具有較市售的各種隔離膜還要高的電解質的吸收能力、及較佳的離子導電度,可提高電池效率。
請參照第6A圖至第6B圖,第6A圖是採用掃描式電子顯微鏡在100℃的溫度下對第3B圖之複合膜100所拍攝的上視結構顯微影像。第6B圖是採用掃描式電子顯微鏡對第6A圖之複合膜100所拍攝的剖面結構顯微影像。當溫度大等於100℃時,藉由填充材料層602的部分熔融,可以聚集並塞住纖維結構層101的孔隙,藉以提供熱閉孔功能,從而阻擋離子穿過複合膜100,有效阻斷電化學反應。
請參照第7圖,第7圖係繪示複合膜100的溫度與電阻值的關係圖。在本實施例中,當溫度低於100℃時,複合膜100的電阻值(第一電阻值)約為10歐姆(ohm,Ω)。而當溫度高過100℃時,複合膜100的電阻值(第二電阻值)即提高至約106歐姆。其中,第二電阻值約為第一電阻值的105倍。由此可見,複合膜100可提供極佳的低溫(約160℃以下)熱關斷特性(thermal shutdown function)。
而值得注意的是,複合膜100並不以此為限,在本說明書的實施例中,複合膜100可以更包括其他合適的膜層結構,例如陶瓷膜層或聚合物膜層,且纖維結構層101、填充材料層102和其他膜層結構的排列順序並沒有限定,任何具有纖維
結構層101和填充材料層102的複合膜結構皆未脫離本說明書所述的技術範圍。另外,在複合膜100中,構成纖維結構層101和填充材料層102的材料種類與用量,可以隨著不同的應用範圍或功能要求進行調整。
以下特舉出複數個採用不同材料與用量所製備之複合膜100的實施例,並且使其與採用習知技術的比較例進行上述的功能測試,以驗證複合膜100的技術優勢。
<實施例1>
以甲基甲醯胺為溶劑,配製聚丙烯酸溶液,透過靜電紡絲設備200在電壓為24kV、噴塗距離為25公分(cm)的條件下,噴塗成具有不織布孔隙結構的薄膜。後續,將薄膜置於300℃,2小時進行高溫環化,完成聚醯亞胺纖維結構層101的製作。再以2,6-二氯甲苯(2,6-Dichlorotoluene)配製濃度為0.7wt%的低密度聚乙烯(LDPE)塗佈溶液,以旋轉塗佈方式,轉速為2000rpm,在聚醯亞胺纖維結構層101的單側表面進行塗佈,形成填充材料層102,並完成複合膜100的製備。
<實施例2-3>
實施例2-3與實施例1的製備方法、條件與參數大致相同,主要差別在於用來形成填充材料層102之低密度聚乙烯(LDPE)塗佈溶液的濃度。在實施例2中,是採用濃度為1.0wt%的低密度聚乙烯(LDPE)塗佈溶液來形成填充材料層
102。在實施例3中,是採用濃度為0.5wt%的低密度聚乙烯(LDPE)塗佈溶液來形成填充材料層102。
<實施例4>
以環己烷Cyclohexane為溶劑,配製TPX溶液,透過靜電紡絲設備在電壓為24kV、噴塗距離為25公分的條件下,噴塗成具有不織布孔隙結構的薄膜。再以2,6-二氯甲苯配製濃度為0.7wt%的低密度聚乙烯塗佈溶液,以旋轉塗佈方式,轉速為2000rpm,在TPX纖維結構層101單側表面進行塗佈,形成填充材料層102,並完成複合膜100的製備。
<比較例>
比較例是採用市售商品(由美國Celgard公司提供),具有聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯(PP/PE/PP)三層結構,總厚度為25um,型號為Celgard 2325的隔離膜。
由表1的比較結果可以看出,應用實施例1-4提供的複合膜100所製成的隔離膜,在溫度低於100℃的操作條件下,具有優於比較例的導電度;在溫度150℃的操作環境下,則具有極優異的熱穩定性。複合膜100所製成的隔離膜的熱閉孔溫度為100℃,也遠低於比較例的130℃。顯示,應用實施例1-4提供的複合膜100所製成的隔離膜,不僅具有優於比較例的離子導電效率,且在高溫(約150℃以下)操作下,具有更靈敏的熱關斷特性及優異的熱尺寸穩定度。
根據上述實施例,本揭露是在提供複合膜及其製作方法與應用。在具有複數條纖維的纖維結構層上方,設置材料熔點較低的填充材料層,使纖維結構層中至少一條纖維能延伸進入填充材料層之中,形成一種複合膜。將此複合膜應用來作為電池的隔離膜,在操作溫度小於100℃的環境下,可以具有較高的高孔隙率、較高的電解質的吸收能力以及較佳的離子導電度,有助於提高電池效率。
當操作溫度大於100℃時,藉由填充材料層的熱特性,因高溫部分熔融來塞住纖維結構層中的孔隙,產生熱閉孔的效果,從而阻斷離子通過隔離膜,中斷電池反應,提供電池熱關斷功能,防止電池溫度進一步升高,預防電池爆炸。同時,利用纖維結構層高熔點的耐熱特性,可確保隔離膜具有理想的熱尺寸穩定度,不會因高溫而形變,以爭取更多安全機制的作用時間,大幅提升電池的使用安全性。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上,然其並非用以限定本發明,任何該技術領域中具有通常知識者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可作些許之更動與潤飾,因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:複合膜
101:纖維結構層
101a:纖維
101b:纖維結構層的表面
102:填充材料層
H:複合膜的厚度
h:纖維結構層的厚度
Claims (10)
- 一種複合膜,包括:一纖維結構層,具有複數條纖維以及一第一熔點;以及一填充材料層,位於該纖維結構層上,且具有一第二熔點;其中,該複數條纖維中至少一者延伸進入該填充材料層中,使該填充材料層佔據該纖維結構層的一部分厚度,但未包含該纖維結構層的全部厚度,該填充材料層與該纖維結構層具有一共同的上表面,且該第一熔點大於該第二熔點;其中,該纖維結構層包括一聚合物,該聚合物係選自於由聚醯亞胺(polyimide,PI)、聚氨酯(polyurethanes,PU)、聚醯胺(polyamide)、聚苯並咪唑(polybenzimidazole)、聚碳酸酯(polycarboate)、聚丙烯腈(polyacrylonitrile)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephtalate)、聚偏二氟乙烯(poly(vinylidenefluoride))、聚4-甲基戊烯(poly4-methylpentene,TPX)和上述任意組合所組成的一族群,該填充材料層包括一聚烯烴(polyolefin)材料或一聚酯(polyester)材料。
- 如申請專利範圍1所述之複合膜,其中該第一熔點介於200℃至400℃之間,該第二熔點介於90℃至180℃之間。
- 如申請專利範圍1所述之複合膜,在小於100℃的一溫度下具有一第一電阻,在大於等於100℃的一溫度下具有一第二電阻值,該第二電阻值至少為該第一電阻的105倍。
- 如申請專利範圍第1項所述之複合膜,其中該纖維結構層係一不織布纖維(non-woven fabric)結構層,且該複數條纖維具有介於10奈米至3微米之間的一平均線徑。
- 如申請專利範圍第1項所述之複合膜,其中該複數條纖維中至少一者延伸進入該填充材料層一深度;且該深度與複合膜的一厚度之比值介於5%至50%之間。
- 一種製作複合膜的方法,包括:形成一纖維結構層,使其具有複數條纖維以及一第一熔點;以及於該纖維結構層上形成一填充材料層,使該複數條纖維中至少一者延伸進入該填充材料層中,使該填充材料層佔據該纖維結構層的一部分厚度,但未包含該纖維結構層的全部厚度,該填充材料層與該纖維結構層具有一共同的上表面,其中該填充材料層具有一第二熔點,且該第一熔點大於該第二熔點。
- 如申請專利範圍第6項所述之製作複合膜的方法,其中該纖維結構層係藉由至少一纖維以不規則糾結或黏合的方式固定所形成,或藉由多根纖維以至少一規則排列的結合方式固定所形成。
- 如申請專利範圍第6項所述之製作複合膜的方法,其中形成該填充材料層的步驟,包括在該纖維結構層的一表面塗佈一填充材料溶液。
- 如申請專利範圍第6項所述之製作複合膜的方法,其中形成該纖維結構層的步驟,包括一聚合物的靜電紡絲(electrospinning)製程;且形成該填充材料層的步驟,包括一旋塗(spin coating)製程。
- 一種電池隔離膜(separator),包括:一纖維結構層,具有複數條纖維以及一第一熔點;以及一填充材料層,位於該纖維結構層上,佔據該纖維結構層的一部分厚度,但未包含該纖維結構層的全部厚度,該填充材料層與該纖維結構層具有一共同的上表面,且具有一第二熔點;其中,該複數條纖維中至少一者延伸進入該填充材料層中,且該第一熔點大於該第二熔點; 其中,該纖維結構層包括一聚合物,該聚合物係選自於由聚醯亞胺、聚氨酯、聚醯胺、聚苯並咪唑、聚碳酸酯、聚丙烯腈、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚偏二氟乙烯、聚4-甲基戊烯和上述任意組合所組成的一族群,該填充材料層包括一聚烯烴材料或一聚酯材料。
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