[发明专利]具有可变孔隙率的电池隔膜

说明书

技术领域

本公开涉及用在电化学蓄电池(battery)组件中电极之间的隔膜，更具体而言，涉及多孔聚合物隔膜，其不但将相对的电极彼此物理地隔离，而且含有电解质以在蓄电池充电和/或放电循环过程中将离子从一个电极输运至另一个电极。

背景技术

蓄电池隔膜广泛用在液体电解质蓄电池中，以阻止在给定蓄电池的电池(cell)中正极和负极之间发生物理接触，同时使得离子可以在电极间传输。一种类型的蓄电池隔膜是多孔或微多孔聚合物隔膜。这种类型的隔膜在电化学蓄电池的电池中通常置于正极和负极电极之间，以将所述电极彼此物理分隔开，并将液体电解质吸收到其多孔结构中。通过与各个电极的紧密物理接触，在蓄电池的工作过程中，或者是在电力负载下进行放电时，或者是在从外加电源施加的电压下进行充电时，所述含有液体电解质的隔膜有利于通过隔膜空隙和在电极之间的离子传输。

根据液体电解质蓄电池的具体应用，可以将任何数目的独立蓄电池的电池以串联、并联、或它们的各种组合的方式进行配置，以满足该应用的功率要求。例如，给定蓄电池的电池通常能够产生已知的电压（主要取决于所使用的材料），并具有特定的电流容量（主要取决于材料的类型、部件（例如电极）的尺寸和电极与电解质接触的表面积）。为了由蓄电池得到所需的电压，将足够数目的单个电池串联连接，例如，将六个两伏特电池串联设置从而得到十二伏特的蓄电池。为了由蓄电池得到所需的电流容量，可以将多个这样的电池组并联连接，或者可以将多个并联连接的电池组串联连接。当然，其它配置也是可能的。

在使用电连接的多个电池以实现合用的功率水平的蓄电池中，能够将一种极性或另一种极性的多个电极彼此连接起来的一种方法是介助于沿着各个电极的相同边缘设置的共用导电连接。例如，单个电极有时各自包括从相应边缘延伸的极耳，从而各个极性的多个极耳通过焊接或其他合适的方法而彼此连接,以在各单个电极之间形成电连接。在一些蓄电池组件中，这些极耳从各个电极的上部边缘延伸出来或从与其相连的集电器延伸出来。这种内蓄电池连接也可以称为内端子。

在本文公开的主题的发明人已经认识到由包括如上所述的内端子的蓄电池构造会导致的一些潜在问题，并发现了一些结构和方法来帮助缓解上述问题。

发明内容

下面公开的是制备用于电化学蓄电池的电池（例如锂离子蓄电池的电池）中的隔膜的方法。这种隔膜是相当薄的（例如，最高至约50 μm厚），并且以与各个电极面接触的方式被置于蓄电池的电池中的正负电极之间。它们可以为与电极在形状上对应的聚合物片或膜的形式。例如，一些蓄电池电极是矩形形状的，而以对应的方式，所述隔膜也是矩形形状的。所述隔膜的特征在于在隔膜材料内的开放多孔结构。更具体而言，所述隔膜包括沿隔膜的长度和宽度遍布隔膜片材的一系列孔，所述孔为内部互联的，从而使得它们通过所述膜的厚度连接该膜的相对表面。所述孔允许液体电解质流动和离子传导通过所述隔膜。

本文的发明人已经认识到，可以将隔膜形成为具有可变的孔含量、尺寸和/或位置，从而提供跨越隔膜的整个面积并朝向电极的更均匀的离子电流流。根据下面示出的结构和方法，这种内部互联的孔结构包括这样的孔，所述孔可以沿隔膜的长度和/或宽度以受控的方式在尺寸、数目、间隔和分布方面变化，总体上限定了可变的孔隙率。在蓄电池的电池中各个电极和对应形状的隔膜的一个末端通常很接近各个电极的电接头，通常为从各个电极延伸出的金属极耳的形式。所述极耳可以结合并电连接至其他电极和/或蓄电池的电池的极耳以形成共同的端子。下面描述的可变孔隙率隔膜可以在电池中被定向，从而使得距离极耳最远的隔膜末端比距离极耳最近的隔膜末端具有更高的孔隙率和更高的离子导电性。可以制备这种类型的构造，从而通过在距离电极极耳最远的更高孔隙率区域中允许更高水平的离子输运通过隔膜，以使得沿着所述电极的长度本来不均匀的电流密度变得更均匀。

利用以下事实：常规隔膜中包括孔以容纳液体电解质并另外允许离子介助于所述液体电解质流过所述孔，本发明人已经发现了通过控制所述孔的尺寸和分布来控制离子流过所述孔的先前未知的方法，以及控制所述孔的尺寸和分布从而使得不同尺寸和分布的孔可以存在于相同隔膜中的方法。使用下述的方法，不仅可以在相同隔膜内控制和改变孔的尺寸和分布，而且可以在单个隔膜中控制不同尺寸孔的位置以及在材料孔隙率上相应的变化。