[发明专利]具有耐热性和高强度的超细纤维多孔隔板及其制造方法以及使用所述隔板的二次电池

说明书

技术领域

本发明涉及具有耐热性和高强度的超细纤维多孔隔板，并且更特别地涉及耐热性和高强度的超细纤维多孔隔板及其制造方法以及使用所述隔板的二次电池，其中能使用空气-电纺丝(AES)方法大规模生产耐热性和高强度的超细纤维多孔隔板。

背景技术

消费者需要数字化的电子产品及其高性能。因此，电子产品市场还需要开发薄且轻量级的电子产品以及高能量密度的高容量电池。此外，为了应对未来能量和环境问题，正在积极开发混合动力车辆、电动车辆和燃料电池车辆。因此，汽车电池需要在容量方面变得更大。

包括高能量密度和大容量的锂离子二次电池、锂离子聚合物电池和超级电容器(双电层电容器等)的二次电池分别具有相对高的操作温度范围。此外，当二次电池在高速充放电状态下使用时，温度上升。因此，与普通隔板中所需的那些相比，通常用于这些二次电池中的隔板需要更高的耐热性和更高的热稳定性。此外，二次电池应具有诸如快速充电和放电以及高离子电导率的优异电池特性以响应低温。

隔板放置在电池的阳极和阴极之间以起到隔离作用。隔板保持电解质溶液，由此提供离子传导通路。如果电池温度上升得过多，则隔板具有通过熔化一部分隔板来阻塞孔从而阻滞电流的关闭功能。

当隔板因为温度变得更高而熔化时，产生大的空穴，由此导致阳极和阴极之间发生短路。该温度称为短路温度。通常，隔板应具有较低的关闭温度和较高的短路温度。在聚乙烯隔板的情况下，隔板在150°C或更高的温度下收缩，由此暴露电极部分，从而最终导致短路。

因此，对于二次电池非常重要的是具有关闭功能和耐热性能从而实现高能量密度和大面积的二次电池。换言之，要求隔板应具有优异的耐热性能以导致小的热收缩和由高离子电导率产生的优异的循环性能。

在耐热性方面，将使用聚烯烃隔板和液体电解质的现有锂离子二次电池或使用已被凝胶涂覆在凝胶聚合物电解质或聚烯烃隔板上的聚合物电解质的现有锂离子聚合物电池用于高能量密度和大容量二次电池非常不足。因此，用于汽车的高容量和大面积二次电池所需的耐热性能不能满足安全要求。特别地，通过使用聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)获得的隔板在150°C左右的温度下熔化，由此导致差的耐热性。

为了解决该问题，即为了充分保证高能量密度和大面积二次电池的安全性，第2005-209570号日本特许专利公开披露了耐热性树脂粘结的聚烯烃隔板，其中将诸如具有200°C或更高熔点的芳香族聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚砜、聚醚酮和聚醚酰亚胺的耐热性树脂溶液涂覆在聚烯烃隔板的两面上，并将耐热性树脂涂覆的聚烯烃隔板浸在凝结剂溶液中，洗涤并干燥，由此获得耐热性树脂粘结的聚烯烃隔板。为了减少离子电导率的降低，在耐热性树脂溶液中包含相分离剂以给予孔隙率，并还将耐热性树脂层限制为0.5g/m²至6.0g/m²。

然而，耐热性树脂的浸渍阻塞了聚烯烃隔板的孔，因此限制了锂离子的移动。结果，由于降低了充电放电特性，因此耐热性树脂涂覆的聚烯烃隔板不满足汽车的大容量电池的要求，尽管其保证了耐热性。此外，尽管由于耐热性树脂的浸渍并没有阻塞聚烯烃隔板的孔，但由于广泛使用的聚烯烃隔板的孔隙率为40%左右并且孔径的直径还为数十纳米(nm)，因此大容量电池的离子电导率是有限的。

第2001-222988号和第2006-59717号日本特许专利公开披露了制造耐热性电解质隔板的方法，其中将熔点为150°C或更高的芳香聚酰胺和聚酰亚胺的纺织物或非纺织物、多孔膜等浸渍有或涂覆有诸如聚氧乙烯、聚氧丙烯、聚醚或聚乙二烯的聚合物凝胶电解质，由此制备耐热性电解质隔板。然而，即使在该情况下，可能满足所需的耐热性，但对于离子电导率，容器或耐热性芳香族聚合物层中的离子迁移率仍受限制，这与常规锂离子电池的隔板或凝胶电解质的情况类似。

同时，第WO 2001/89022号PCT国际专利公开涉及包括超细纤维多孔隔板的锂二次电池及其制造方法，并公开了通过使用包括下列步骤的方法制备锂二次电池的技术：通过多孔聚合物隔板熔化一种或多种聚合物，或在有机溶解中溶解一种或多种聚合物，由此获得熔化的聚合物或聚合物溶液；将熔化的聚合物或聚合物溶液放入电荷感应电纺丝机器的桶中；并电荷感应电纺丝所述熔化的聚合物或聚合物溶液通过基底上的喷嘴，由此形成多孔聚合物隔板。