[发明专利]用于能量储存装置的薄的高密度无纺隔膜及其制造方法

说明书

提供了由单层嵌入微纤维和纳米纤维制成并被超级压光成极薄的尺寸和高密度的绝缘(非导电)微孔无纺聚合物电池隔膜。这种隔膜不仅能够通过单一无纺织物将孔隙率和孔径调节到任何期望的水平，而且还能够提供在进一步减小的孔径、减少的电解质水平要求和减少的主体电池单元自身总体积方面的益处。结果，本发明的隔膜能使具有低孔隙率和低孔径的高强度材料达到先前未获得过的水平。该隔膜、包括该隔膜的电池、制造该隔膜的方法，以及在电池装置内利用该隔膜的方法均涵盖在本发明中。

技术领域

本发明涉及由单层的嵌入微纤维和纳米纤维制成并被超级压光成极薄的尺寸和高密度的绝缘(非导电)微孔无纺聚合物电池隔膜。这种隔膜不仅能够通过单一无纺织物将孔隙率和孔径调节到任何期望的水平，而且还能够提供在进一步减小的孔径、减少的电解质水平要求和减少的主体电池单元自身总体积方面的益处。结果，本发明的隔膜能使具有低孔隙率和低孔径的高强度材料达到先前未获得过的水平。该隔膜、包括该隔膜的电池、制造该隔膜的方法，以及在电池装置内利用该隔膜的方法均涵盖在本发明中。

背景技术

多年以来，电池一直用作偏远地点的电力产生装置。通过电极(阳极和阴极)之间电解质(离子)的可控移动，产生电源电路，从而提供可以使用的电源，直到电解质源耗尽并且不能进一步发电为止。近些年来，已创造了为这种远程电源提供更长的使用寿命的可再充电电池，尽管需要将这些电池连接到其他电源一定的时间。然而，总而言之，这种电池的重复使用能力产生了更大的使用潜力，特别是手机和笔记本电脑的使用，甚至可能产生了仅需要电力运行的汽车。

这种电池通常包括至少5个不同的组件。箱子(或容器)以安全可靠的方式容纳所有物品，以防止泄漏到外部以及内部的环境暴露。在该箱子内有被隔膜分开的阳极和阴极，以及在该阳极和阴极之间的该隔膜上方和/或通过其传输的电解质溶液(低粘度液体)。目前的及未来可能的可再充电电池将涵盖从相当小且便携但具有巨大的发电能力(以在充电期之间长时间保持有效)的设备到汽车中存在的非常大型的设备，作为一个实例，它包括不能彼此接触的大电极(至少在表面区域中)以及必须持续恒定穿过膜的大量电解质(以完成必要电路)，它们都处于有利于提供足够的电力来运行汽车发动机的发电水平。因此，未来电池隔膜的性能和多功能性必须满足当前产业中尚未提供的某些要求。

一般来说，自封闭式蓄电池出现以来，已使用电池隔膜来提供必要的保护，以防止电极之间不期望的接触并允许发电电池内的电解质有效传输。通常地，这种材料具有膜结构，该膜结构薄到足以减少电池装置的重量和体积，同时赋予上述的必要特性。这种隔膜必须显示其他特性，同样，以使得具有适当的电池功能。这些包括化学稳定性、离子物质的合适孔隙率、用于电解质转移的有效孔径、适当的渗透性、有效的机械强度以及暴露于高温时保持尺寸稳定性和功能稳定性的能力(以及如果温度升高到异常高的水平则关闭的能力)。

更详细地说，隔膜材料必须具有足够的强度和构造以承受许多不同的情况。首先，隔膜必须在电池组装的应力中不遭受撕裂或刺破。如此，隔膜的整体机械强度非常重要，特别是由于在机械方向和横断方向(即横向)上均具有高抗拉强度的材料，使得制造商更容易且在没有严格准则下处理这样的隔膜，以免隔膜在这样的关键程序期间遭受结构故障或损失。另外，从化学的观点来看，隔膜必须承受电池本身内的氧化和还原环境，特别是在充满电时。使用过程中的任何故障，尤其是在允许异常大量电解质通过或电极接触的结构完整性方面的故障，都会破坏发电能力并使电池完全无效。因此，出于与上述相同的原因，即使具有耐化学品暴露的能力，这种隔膜也必须在储存、制造和使用期间不丧失尺寸稳定性(即弯曲或融化)或机械强度。

然而，与此同时，隔膜必须具有适当的厚度，以实质上促进电池本身的高能量和功率密度。均匀的厚度也非常重要，以便使得寿命周期更长，因为隔膜的任何不均匀磨损都将成为在电解质适当通过以及防止电极接触方面的薄弱环节。然而，在这种电池隔膜内提供极薄且均匀尺寸的能力已经证明是相当困难的，特别是因为减小已经较薄的结构的厚度倾向于损害隔膜强度。由于薄膜隔膜结构促进该结构的生产，因此薄膜隔膜结构可以赋予一定的薄尺寸；相反，无纺隔膜难以在不损失完整性的情况下以薄尺寸制造，并且如通常所公认的，这会增加隔膜中的孔径。