[发明专利]高孔隙率隔膜箔

说明书

技术领域

本发明涉及多孔箔及其作为隔膜的用途，和制备所述箔的方法。

背景技术

现代的装置需要能量源，例如电池或可充电电池，所述能量源使得所述装置可在不用考虑位置的情况下使用。电池的缺点是它们必须要被处理。因此现在越来越多地使用可充电电池（二次电池），其可以借助于连接于电力网的充电器而充电。如果正确使用，镍-镉可充电电池（NiCd可充电电池）可以例如具有约1000次充电循环的使用寿命。

电池和可充电电池总是包括两个浸没到电解质溶液中的电极和将所述阳极和所述阴极分开的隔膜。根据使用的电极材料、电解质和使用的隔膜，各种可充电电池类型存在差异。电池隔膜的目的是确保在电池中的阴极和阳极之间，或者在可充电电池的负极和正极之间总是存在一定距离。所述隔膜必须是将所述两个电极彼此电分开以防止内部短路的阻挡物。同时，所述隔膜必须能渗透离子，因此电化学反应可以在单电池中发生。

电化学双层电容器（DSK）作为填补常规电池或可充电电池和电容器之间空白的补充能量源，也变得越来越重要。由于它们能够快速容纳大量电能并可以在短时间内使得所述能量可用，它们可支持现有能量源或者为现有发电机提供补充能量，或者弥补短时间的电力故障直至紧急设备可以在一定时间间隔后启动。

DSK的构造和制造与锂离子电池的构造和制造相当。电化学双层电容器主要包含两个浸没在电解质溶液中并由所述隔膜分开的电极。这种隔膜必须是多孔的并且吸收所述电解质。同时，其对于所述电解质而言，特别是对于由溶解在所述电解质中的导电性盐的解离形成的离子而言，必须是可渗透的。因此，多孔材料，例如纸，被选择用作隔膜。然而，也可以由其它材料，例如由塑料或玻璃纤维制成的塑料膜、毛毡或织物，制备隔膜。

为了提高电容，通常将多个电极和隔膜以如下形式一个放在另一个上：交替堆叠体，例如作为平面堆叠体，或者另外以更简单和更紧密的方式，以卷绕的形式。在所述两个电极之间的间隙尺寸由所述隔膜的厚度决定，并且可能由任何存在的绝缘材料决定。为了确保所述电极/隔膜组合尽可能小地产生内电阻，所述隔膜应当是薄的并且是高孔隙率的，因为多孔性对电阻的影响约为两个数量级。所述隔膜在给定的电解质中还应当足够稳定。玻璃纤维网或纸很好地满足这些要求，特别是在高孔隙率方面。

为了改进所述内电阻，可以降低所述隔膜的厚度，或者可以增加其孔隙率。在某些情况下，增加孔隙率可能比降低所述隔膜厚度更有效。通过提供高孔隙率和低厚度而进行的这种优化受到所述隔膜的机械稳定性的限制，因为所述隔膜可能易于穿孔，特别是在电极表面是粗糙的、颗粒状的或纤维性的情况下。其中机械稳定性仅在一个方向被最优化的隔膜，例如单轴拉伸的箔，特别易于在纵向方向上过度撕裂。同样对于双轴定向的箔，为了增加它们的孔隙率，甚至在纵向拉伸的过程中就经常引入高程度的定向。例如，美国专利US 7,235,203公开了在纵向拉伸后，β-微晶的高度定向有利于获得高孔隙率。然而，这些多孔箔在横向方向上并不显示出足够的稳定性。

因此仍需要改进具有高孔隙率和低厚度的箔在纵向方向上的机械稳定性，特别是撕裂的倾向。

已知很多可以制备具有高孔隙率的聚烯烃箔的方法：填充剂法；冷拉提取法和β-微晶法。这些方法的区别基本在于产生所述孔的多种机理。

例如，通过添加非常大量的填充剂可以制备多孔箔。在拉伸过程中由于在所述填充剂和所述聚合物基质之间的不相容性而产生所述孔。然而，尽管极度拉伸，所述箔的机械强度还是由要实现高孔隙率而需要大量的高达40重量%的填充剂显著破坏，并且这些产品不能用作DSK中的隔膜。

在所述“提取法”中，所述孔主要是通过使用适当的溶剂将组分从聚合物基质中洗脱而产生的。已经开发了这些方法的许多不同变体，并且这些变体的差异在于添加剂和合适溶剂的性质。有机和无机添加剂二者都可以被提取。这种提取可以作为制备所述箔中的最后方法步骤实施，或者其可以与随后的拉伸步骤组合。