[发明专利]具有Z方向稳定性的电池隔板

说明书

该申请是分案申请，原申请号是200580035977.6；原申请的国际申请号是PCT/US2005/037135，国际申请日是2005年10月18日，进入中国国家阶段的日期是2007年4月20日；原申请的发明名称是《具有Z方向稳定性的电池隔板》。

技术领域

本发明涉及防止在电池例如锂电池中的“突然”热失控。

发明背景

在电池例如锂离子电池中，热失控(thermal runaway)是潜在的问题。热失控可由电池的阳极和阴极之间的直接接触引起，其中在正常循环中由于阳极和阴极的体积变化形成的内力导致阳极和阴极直接接触，这又导致快速放热。快速放热可导致点燃阳极/电解液、阴极/电解液、阳极/阴极或电解液/电解液的热化学反应。点燃方案对电池导致危险的情况。

热失控可以分为：'突然的'热失控或'延迟的'热失控。突然的热失控是指极快的放热，即，在开始之后小于1秒之内出现。延迟的热失控是指在开始之后3秒以上出现的放热。在锂离子电池中，大于99％的故障是由热失控导致的。可以通过利用'关闭'隔板(例如，通过孔隙闭合响应增热的隔板，孔隙闭合使阳极和阴极之间的离子流停止)，或通过从电池中的快速散热，预防延迟的热失控。然而，突然的热失控还没有得到成功地处理。

Li离子电池的突然热失控可以在如下的电池安全试验中模拟：'钉穿透'试验或'压裂'试验('压裂'试验包括：球压裂、棒压裂和板压裂)。在每一个这些试验中，通过钉、球、棒或板施加的外力可以施加于电池的外壳(或'罐')，这又可以使阳极和阴极直接接触。

上述安全试验加剧了已经存在于电池外壳内的紧密安装的状态。例如，锂离子电池最常见地是制成圆柱形和棱柱形。在无电解液的情况下，将阳极/隔板/阴极缠绕或折叠成形，然后将其安装到它们的外壳(罐)中并且封闭(capped shut)。当添加电解液时，阳极/隔板/阴极膨胀。这导致罐内的内力增加。随后，在'形成'的过程中(也就是当对电池起始充电时)，阳极和阴极再次膨胀(例如，阳极可膨胀约10％，并且阴极可膨胀约3％)。在形成过程的膨胀又导致罐内的内力增加。这些内力，如从上述的钉穿透和压裂试验的那些，指向电池的中心。当对罐施加外力时，那些力也指向电池的中心。结果是在电池内部形成异常的压力，并且这些压力通过压缩放置于其中的微孔膜隔板使阳极和阴极直接接触。

使用微孔膜作为电池隔板是熟知的。例如，将微孔膜用作锂离子电池中的电池隔板。这种隔板可以是由聚烯烃制造的单层或多层薄膜。这些隔板通常具有‘关闭'性能，以致于当电池的温度达到预定温度时，膜的孔隙关闭，并且由此防止电池的电极之间的离子流动。电池中增加的温度是由内部短路即阳极和阴极的直接接触引起的。直接接触可以由例如在电池制造过程中电池的物理损坏、隔板的损坏、枝状结晶的生长、过充等引起。同样地，隔板、薄(例如一般约8-25微米的厚度)的微孔膜必须具有良好的尺寸稳定性。

当用于电池隔板时，尺寸稳定性是指当暴露在高温时隔板不收缩或不过度收缩的性能。在平面膜的X和Y轴中观察这种收缩。这个术语到目前为止还没有指Z方向的尺寸稳定性。

当用于电池隔板时，击穿强度是膜抵抗Z方向击穿的性能。击穿强度通过观察用已知几何尺寸的可移动的针刺穿膜所需的作用力来测量。

到现在，对于提高这些电池隔板的Z方向的尺寸稳定性，还没有做任何工作。Z方向是指隔板的厚度方向。电池紧密缠绕以便使其能量密度最大化。对于圆柱形缠绕的电池，紧密缠绕是指：作用力放射状向内，使隔板上的压缩力横穿其厚度方向。在增加温度的情况中，由于隔板的材料开始流动并且蒙蔽孔隙，电池的电极可以向彼此移动。随着它们彼此移近时，直接接触的风险增加。必须避免电极的接触。

相应地，需要电池隔板，尤其需要具有提高Z方向稳定性的锂离子电池的电池隔板，并且需要能防止或减少突然热失控故障的电池隔板。