[发明专利]具有关断功能的锂电池隔膜

说明书

相关专利申请的交叉引用

本专利申请根据35U.S.C.§119(e)，要求2011年1月19日提交的美国申请号61/434,029以及2011年12月9日提交的美国申请号61/568,680的优先权，两者的全部公开内容以引用方式并入本文。

技术领域

本文的主题涉及电化学电池隔膜的领域，以及其在电池，尤其是锂离子电池中的用途。

背景技术

用于锂离子电池和其它电化学电池的隔膜常常要求在高温下维持结构完整性(尺寸稳定性、低收缩)，并且还要求提供关断性能。由聚乙烯或聚丙烯制成的，目前使用的基于聚烯烃的微孔隔膜提供关断性能但是在高温稳定性方面受到不利的限制。在高温下，聚合物的软化和熔融可导致关断性能，但是高收缩可导致隔膜的尺寸稳定性较低。因此关断功能被高收缩和低尺寸稳定性显著减弱。

还已知不具有关断功能的隔膜，并且其在一些应用中为电池制造商所需。例如，由聚酰亚胺制成的高温非织造纳米纤维隔膜提供异常的高温稳定性和熔融完整性，但是不提供安全关断性能。提供此类具有关断机制的高温稳定电池隔膜的最近的尝试公开在美国专利7,691,528中。所述隔膜包括多孔载体，所述多孔载体主要由织造或非织造玻璃或聚合物织物构成，其具有涂覆在其上的无机颗粒层以及结合到无机层的关断颗粒层。然而，这种方法的一个缺点是难以在常用纤维尺寸的非织造物的高度不均匀孔结构内制备具有均匀孔径分布的薄隔膜。另一缺点涉及无机颗粒彼此之间以及与非织造载体的不完美的结合能力，这导致无机颗粒在隔膜处理和电池制造期间脱落。

因此仍然需要由以下材料制备的锂电池和锂离子电池，所述材料满足尺寸稳定性要求和在内部温度上升的情况下(诸如在短路期间)关断同时在升高的温度下维持合理的结构完整性的能力。

发明内容

本文的主题涉及用于电化学电池，尤其是锂离子电池的隔膜，其包括布置在非织造纤维网中的纳米纤维。所述隔膜还包括由多个热塑性颗粒组成的涂层。所述涂层在期望的温度下流动并限制电池中的离子流动通道，导致与隔膜在室温下的离子电导率相比，离子电导率下降至少50％(即导致离子电阻增大至少2倍)。

所述隔膜为层压体，其包括第一层，其包含布置在非织造纤维网中的纳米纤维，以及第二层，其包含第一组热塑性颗粒，所述第二层结合到第一层上并覆盖所述第一层的至少一部分。

本领域技术人员将理解并非纳米纤维网的所有表面都需要涂覆，只要用颗粒涂覆纳米纤维网的至少一部分，并且在达到阈值温度时，可由所述颗粒涂层实现关断功能即可。在一些实施例中，所述纳米纤维可以是聚合物的纳米纤维。所述非织造纤维网可具有介于0.1微米和5微米之间的中流量孔径(mean flow pore size)，并且所述颗粒可聚集、可结合到粘合层中，和/或可具有小于或等于所述中流量孔径的数均粒度。所述隔膜的厚度可小于100μm，或小于50μm，或小于25μm，或小于15μm。

所述颗粒在第二层中的粒度分布可以为正态分布、对数-正态分布、关于平均值对称或不对称分布，或者其特征可在于任何其它类型的分布。优选大多数颗粒具有小于纳米纤维网的中流量孔径的尺寸。在本发明的另一个实施例中，大于60％，或甚至大于80％或90％的颗粒具有小于纳米纤维网的中流量孔径的尺寸。

所述颗粒可以为球形、细长形、非球形或任何其它形状。所述颗粒优选由聚合物制成，并且可由热塑性烯烃的均聚物或共聚物或其它热塑性聚合物制成。组成颗粒的聚合物可以是支化的、氧化的或官能化的。所述颗粒还可通过微粉化、碾磨、铣削、造粒、电喷雾或直接聚合而制备。所述颗粒优选为胶态颗粒，其在施用到纳米纤维网层之前已絮凝成粘合材料。因此所述颗粒组可由具有不同的组成、尺寸、形状和功能的颗粒的共混物组成。

在另一个实施例中，所述隔膜包括涂覆在第一层或第二层表面上的第二组颗粒的第三层。所述第三层可邻近前两层之一或它们两者而放置。第二组颗粒的数均粒度可等于非织造纤维网的中流量孔径，或其可小于所述纤维网的中流量孔径、或大于所述中流量孔径或它们的组合。第二组颗粒的最大数均粒度为不超过涂覆的纳米纤维网的目标厚度的数均粒度。

随后可将包含颗粒的附加层涂覆到涂覆的非织造纤维网形成多层涂层。

在另一个实施例中，所述隔膜包括布置在多个不同的非织造纤维网上的聚合物纳米纤维上，其中所述非织造纤维网由位于所述纤维网之间并结合到其表面的一个或多个热塑性颗粒层而彼此分隔。所述多个纤维网可以为两个纤维网。