[发明专利]带有颗粒填充剂的非织造材料

说明书

技术领域

本发明涉及具有由一种非织造织物构成的基础结构的一种层片，该基础结构由纤维构成并具有由这些纤维形成的多个第一孔，该基础结构至少部分地填充有多个颗粒，这些颗粒至少部分地填充了这些第一孔并形成用颗粒填充的区域。

现有技术

所提及类型的层片从现有技术中是已知的。此类层片被用于在储能任务中的电池和电容器中作为隔膜。电池和电容器中的电荷储存以化学、物理或以一种混合的形式发生，例如通过化学吸附作用。

为了避免在电池或电容器中的内部放电，通过不传导电子且被称为隔膜或隔离物的材料将带相反电荷的电极机械地彼此分开。同时，由于它们的孔隙度与该能量储存系统及其用途相符合，这些隔膜或隔离物使之有可能令一种电解质的离子性载荷子在电极之间移动。

现有技术中已知的这些隔膜具有在微米范围内的小的、互相连接的开口。据说这些开口应尽可能地大，以便使在被浸透隔膜中的电解质的导电率尽可能高，而且因此电池具有一个高的功率密度。然而，如果这些开口过大，则金属枝状晶体可以在两个实际上应当彼此分离的电极之间造成短路。这些金属枝状晶体或者由锂构成或者由其他在电池中可以作为杂质存在的金属构成。

此外，导电的电极材料的颗粒可以穿过这些开口进行迁移。这些过程会引起电极之间的短路并极大地加速电池或电容器的自身放电。

短路会造成非常高的电流的局部流动，这会释放热量。这种热量可以造成隔膜的熔化，这进而可导致在隔膜的绝缘/隔离效果上的显著降低。一个非常迅速自身放电的电池因此构成一种高的安全风险，这是由于它的高的贮能量并且还有电极以及其他成分的可燃性。

现有技术中已知的隔膜的另一个缺点是在升高温度的情形下它们缺乏稳定性。当使用聚乙烯时其熔点是在130℃左右而当使用聚丙烯时是在150℃左右。

短路的原因包括由于电池内过高的温度造成的隔膜收缩、由于金属离子(锂、铁、锰或其他金属杂质)的还原造成的金属枝状晶体的增长、来自电极颗粒的杂物、切割杂物或电极上破碎的覆盖层、以及在压力下两个平板电极之间的直接接触。

EP 0892448A2披露了关闭机理。该关闭机理对局部过热(例如因为一个短路)进行的响应是通过禁止在初始短路附近的离子迁移来反作用于短路的空中扩散。归因于短路的热量损失致使聚乙烯加热至这样一个程度，即它将熔化并遮闭隔膜的这些孔。具有更高熔点的聚丙烯保持机械上是完整的。

US 2002/0168569A1说明了一种由聚二氟乙烯构成的隔膜的构造，聚二氟乙烯在制造的操作中起初用一种溶剂进行增溶，与硅石颗粒相混合并涂敷成一个薄膜。除去该溶剂即留下一个多孔的膜。

WO 2006/068428A1说明了用于锂离子电池的隔膜的生产，这是通过使用另外用凝胶状聚合物以及无机颗粒填充的一种聚烯烃隔膜。

WO 2004/021475A1说明了陶瓷颗粒的用途，这些陶瓷颗粒与有机硅助黏附剂以及来自元素硅、铝和/或锆的氧化物的无机粘合剂相结合以形成一种薄片材料。

为实现适当的机械挠性，将这些陶瓷颗粒掺入一种支撑材料(例如一种非织造织物)之中。这是由WO 2005/038959A1披露的。

为防止在金属枝状晶体形成的初始阶段的短路，WO 2005/104269A1说明了使用相对较低熔点的蜡作为陶瓷糊料的一种混合物。

WO 2007/028662A1披露了向陶瓷的填充剂中加入具有100℃以上的熔点的聚合物颗粒，以便该隔膜的机械性质可以得到改善。所说明的材料是旨在作为用于锂离子材料的一种隔膜的用途。尽管这些隔膜确实提供了比多种膜更高的热稳定性，迄今为止它们尚未成为商业上的成功案例。这可能是因为它们相对高的成本以及这种材料的过度的厚度，其厚度大于25μm。

WO 2000/024075A1说明了可以在燃料电池中使用的一种膜的生产。这种膜由玻璃纤维材料构成，其中通过一种硅酸盐粘合剂将氟代烃聚合物固定。

最后，JP 2005268096A说明了用于锂离子电池的一种隔膜，该隔膜是通过加热将一种聚乙烯/聚丙烯纤维的支撑材料中的热塑性颗粒一起熔化来进行生产的。这种隔膜具有一种泡沫形状的多孔结构，该结构具有0.1μm至15μm的孔径。

现有技术并未展示一种廉价的隔膜，它结合低厚度和高的孔隙度以及高的热稳定性并能够在一个宽的温度范围内、在具有高功率和能量密度的电池中安全使用。

发明概述

本发明的一个目的是开发并改进在开篇时提到的类型的一种层片，这样使它将低厚度与高孔隙度相以及高的热稳定性结合并遵循廉价的制造。