[发明专利]具有部分涂层的高孔隙率隔离膜

说明书

技术领域

本发明涉及经涂覆的多孔薄膜及其作为隔离器的用途，以及制备所述薄膜的方法。

背景技术

现代设备需要能够在空间上独立使用的能源，例如电池或蓄电池。电池的缺点在于必须对其进行处置。因此越来越多地使用蓄电池(二次电池)，蓄电池可以借助于充电设备在供电系统再次充电。在合理使用的情况下，常规的镍-镉-蓄电池(NiCd-蓄电池)可以例如达到约1000次充电循环的寿命。在高能系统或高功率系统中，目前越来越多地使用锂电池、锂离子电池、锂-聚合物电池和碱土金属电池作为蓄电池。

电池和蓄电池总是由两个浸入电解质溶液的电极和分离阳极和阴极的隔离器组成。不同的蓄电池类型的区别在于所使用的电极材料、电解质和所使用的隔离器。电池隔离器的目的是在空间上分离电池中的阴极和阳极，或蓄电池中的负极和正极。隔离器必须为将两个电极彼此电隔离的屏障，从而避免内部短路。然而同时隔离器必须是离子可透过的，从而可以在电池中进行电化学反应。

电池隔离器必须薄，由此使得内部电阻尽可能小并且可以实现高的填充密度。只有如此才可能实现良好的功率数据和高的电容。此外还需要的是，隔离器吸收电解质并且在填满的电池中保证气体交换。虽然之前特别使用纺织物，但是目前主要使用细孔材料，例如无纺布和膜。

在锂电池中短路的出现是一个问题。在热负载下，热负载可能在锂离子电池中导致电池隔离器的熔融并且因此导致具有破坏性后果的短路。当锂电池机械损坏或由于充电设备的有缺陷的电子学过度充电时，存在类似的风险。

为了提高锂离子电池的安全性，过去开发了切断隔离器(关闭膜)。这种特别的隔离器在一定温度下在最短的时间内关闭其孔，所述一定温度明显低于锂的熔点或燃点。因此在锂电池中大大防止了短路的灾难性后果。

然而同时还希望隔离器具有高的机械强度，通过具有高熔融温度的材料保证所述高的机械强度。例如，聚丙烯膜由于良好的抗穿透性是有利的，但是聚丙烯的约164℃的熔点非常接近锂的燃点(170℃)。

基于锂技术的高能电池用于其中重要的是在最小的空间中可以利用尽可能大量的电能的应用中。例如，用于电动车辆的牵引电池就是这种情况，但是在小重量下需要最大能量密度的其它移动应用(例如航空和航天)中也是这种情况。在高能电池中暂时实现了350至400Wh/L或150至200Wh/kg的能量密度。通过使用特定的电极材料(例如Li-CoO2)和节约使用壳体材料实现这种高的能量密度。因此，在袋装电池类型的锂电池中，单个电池单元仍然仅通过薄膜彼此分离。

由于这样的事实，在这些电池中也对隔离器提出更高的要求，因为在内部短路和过热时爆炸性燃烧反应会蔓延至相邻的电池。

用于这种应用的隔离器材料必须具有如下性能：其必须尽可能薄，从而保证低的比空间需求并且保持小的内部电阻。为了保证这种小的内部电阻，重要的是，隔离器还具有大的孔隙率。其还必须轻质，从而实现低的比重，并且其必须绝对安全。这意味着在过热或机械损坏的情况下，正极和负极在任何情况下必须保持分离从而防止导致电池燃烧或爆炸的进一步的化学反应。

现有技术中已知使聚丙烯膜与其它层组合，所述其它层由具有较低熔点的材料(例如聚乙烯)构成。在由于短路或其它外部影响导致过热的情况下，聚乙烯层熔融并且关闭多孔聚丙烯层的孔，因此中断了电池中的离子流和因此中断了电流。然而在进一步升温(＞160℃)时聚丙烯层也熔融并且由于阳极和阴极的接触导致内部短路，并且不再可以防止由此导致的问题例如自燃和爆炸。此外，聚乙烯层在聚丙烯上的粘附是成问题的，因此这些层仅可以通过层压组合或者只有这两个类别的选定的聚合物可以共挤出。这些隔离器在高能应用中仅提供不足的安全性。这种薄膜描述于WO 2010048395中。

US 2011171523描述了通过溶剂法获得的耐热性隔离器。在此，在第一步骤中将无机颗粒(白垩、硅酸盐或氧化铝)连同油一起配混入原料(UHMW-PE)中。所述混合物然后通过喷嘴挤出形成预制薄膜，然后借助溶剂从所述预制薄膜中溶解出油，从而产生孔，然后拉伸薄膜形成隔离器。这样在该隔离器中，即使在剧烈过热时无机颗粒仍然保证电池中阳极和阴极的分离。

然而所述方法的缺点在于，所述颗粒导致隔离器的机械性能减弱并且另一方面由于颗粒的附聚物而可能产生缺陷和不一致的孔结构。

US2007020525描述了陶瓷隔离器，所述陶瓷隔离器通过用基于聚合物的粘结剂加工无机颗粒而获得。所述隔离器也保证了在剧烈过热的情况下使电池中的阳极和阴极保持分离。但是该制备方法复杂并且隔离器的机械性能不足。