[发明专利]包括聚酰亚胺纳米纤维网的多层制品

说明书

发明领域

本发明涉及纳米纤维网聚酰亚胺分隔体在锂(Li)电池和锂离子(Li离子)电池以及其它电化学电池中的应用。

发明背景

现代储能装置的一个重要的实用性方面为不断增加的能量密度和功率密度。已发现安全性受主要关注。目前具有广泛商业用途的锂离子电池属于常用的最高能量密度电池并需要多级安全装置，包括外部熔断器和温度传感器，所述安全装置在过热情况下于短路之前切断电池，所述短路可由于电池分隔体的机械故障而发生。万一由于分隔体的机械故障或热故障发生短路，锂离子(Li离子)电池还会经历爆炸并着火。锂离子二次电池在多次充电和放电循环后存在具体的有关耐久性的挑战。可商购获得的锂离子电池通常采用微孔聚丙烯作为电池分隔体。微孔聚丙烯在120℃下开始收缩，限制电池制造工艺、电池的使用温度、以及得自电池的功率。

在制造及使用中，市场中常见的卷绕电化学装置在装置分隔体上强加苛刻的机械应力。那些应力可导致制造缺陷和装置故障。机械应力可包括例如在制造期间分隔体的强烈张力和压缩力，所述应力用于产生紧密的卷绕。制造完成之后，装置层保持在压紧和拉伸应力下。此外，制造装置在使用期间会经受震动和冲击应力。

对选择用于锂离子电池和其它高能量密度电化学装置的改善的分隔体的需求错综复杂。适宜的分隔体将良好的电化学特性与良好的机械方面组合，所述电化学特性例如高电化学稳定性、充电-放电-再充电滞后性、首次循环不可逆容量损失等，所述机械方面例如强度、韧性和热稳定性。

已展开了关于用作电池分隔体的已知高性能聚合物的调查。一种此类聚合物为聚酰亚胺。

The Handbook of Batteries(David Lindon and Thomas Reddy编辑，McGraw-Hill，第3版，2002)描述了首次循环放电容量损失作为二次电池的重要判据(P.35.19)。还指出了非织造分隔体通常已被发现表现出不足以用于锂电池和锂离子电池的强度。(P.35.29)。出于该原因，低熔点的聚乙烯微孔膜趋于用作锂电池和锂离子电池中的分隔体。然而，聚乙烯微孔膜在热方面不适于高温，所述高温偶尔与快速放电最终用途或高温环境下的最终用途相关联。

Huang等人的Adv.Mat.DOI：10.1002/adma.200501806公开了聚酰亚胺纳米纤维垫的制备：即静电纺纱聚酰胺酸并随后亚胺化成由以下结构表示的聚合物。

如此制备的垫随后被加热至430℃并保持30分钟，从而造成强度提高。未提及电池分隔体。

Kim等人的美国公布专利申请2005/0067732公开了通过聚合物溶液(包括聚酰亚胺溶液)的电吹法来制备聚合物纳米纤维网的方法。未提及电池分隔体。

Honda等人的JP2004-308031A公开了通过静电纺纱聚酰胺酸溶液接着亚胺化来制备聚酰亚胺纳米纤维网。公开了作为电池分隔体的用途。

Nishibori等人的JP2005-19026A公开了利用聚合物链中具有砜官能团的聚酰亚胺纳米纤维网作为锂金属电池的分隔体。聚酰亚胺被描述为可溶解于有机溶剂中且纳米纤维网通过静电纺纱聚酰亚胺溶液制成。未示例出实际电池。公开了纳米纤维网被加热至约200℃。

Jo等人的WO2008/018656公开了使用聚酰亚胺纳米纤维网作为锂电池和锂离子电池中的电池分隔体。

EP 2,037,029公开了使用聚酰亚胺纳米纤维网作为锂电池和锂离子电池中的电池分隔体。

然而，仍需要由材料制备的锂电池和锂离子电池，所述材料将良好的电化学特性与优良的机械方面组合，所述电化学特性例如高电化学稳定性、充电-放电-再充电滞后性、首次循环不可逆容量损失等，所述机械方面例如强度、韧性和热稳定性。

发明概述

在一个方面，本发明提供了多层制品，所述多层制品包括第一电极材料、第二电极材料、以及设置在第一电极材料和第二电极材料之间并与所述第一电极材料和所述第二电极材料接触的多孔分隔体，其中所述多孔分隔体包括具有多个纳米纤维的纳米纤维网，其中所述纳米纤维基本上由全芳族聚酰亚胺组成。