[发明专利]单层锂离子电池隔膜

说明书

技术领域

本发明涉及绝缘（不导电）多微孔聚合物电池隔膜，包括单层的缠成网状的微纤维和纳米纤维。通过单个非织物纤维，这样的隔膜给予将孔隙率和孔径大小协调至任何期望水平的能力。作为结果，该创新性的隔膜允许具有达到未曾达到的水平的低孔隙率和低孔径大小高强度材料。通过高剪切处理将聚合物纳米纤维组合到聚合物微纤维矩阵内和/或这样的衬底上同样也提供了这样的优势。本发明中包括了下列全部：隔膜、包括这样的隔膜的电池、制造这样的隔膜的方法、以及在电池器件内利用这样的隔膜的方法。

发明背景

电池被用作远程位置的发电装置已经有许多年了。通过电解液（离子）在电极（阳极和阴极）之间的受控运动，生成了电源电路，藉此提供了可被使用的电源，直到耗尽了电解液源且没有进一步发电的可能。近年来，已经创建了可充电电池，允许这样的远程电源的寿命更长，尽管是需要通过将这样的电池连接至其他电源达特定时间段。然而，总而言之，再使用这样的电池的能力导致更大的潜在用途，特别是通过手机和膝上型计算机使用，以及对于只需要电力起作用的汽车的可能性而言更是如此。

这样的电池一般包括至少五个不同组件。外壳（容器）以安全可靠的方式容纳所有的一切来防止泄露至外部以及内部环境暴露。在该外壳内是由隔膜有效地隔离开的阳极和阴极，还有电解液溶液（低粘度液体），越过阳极和阴极之间的隔膜输送和/或通过阳极和阴极之间的隔膜。如今以及今后的可能的可充电电池，将全方位运行，不但能运行小的且便携式的设备，还具有大量发电潜力从而在充电期之间维持有效达长时间段，对于汽车内非常大的类型的现有电池而言（作为示例，该电池包括不可彼此接触的较大电极（至少表面积较大）和必须一直且恒定地穿过薄膜以完成必要电路的大量电解液），全都处于有助于向汽车引擎提供足够电力的发电水平处。因此，将来电池隔膜的能力和多功能性必须符合当前产业内已经设置的特定要求。

一般而言，由于封闭电池的出现，已经利用电池隔膜来提供对于电极之间不期望的接触的保护以及允许电解液在发电的电池内的有效输送。一般，这样的材料具有膜结构、足够薄来减少电池设备的重量与体积的同时给予上述必要性质。这样的隔膜必须还展示出其他特性，来允许适当的电池功能。这些包括化学稳定性、离子种类的适当孔隙率、电解液输送的有效孔径大小、适当的渗透性、有效的机械强度、以及当暴露于高温时保持尺寸和功能稳定性的能力（以及如果温度升高至异常高的程度时关闭的潜力）。

然后，更详细地，隔膜材料必须具有足够强度和构造以承受多种不同情境。一开始，在电池构件的应力期间，隔膜必须不遭受拉扯或刺穿。以此方式，隔膜的总体机械强度非常重要，特别是在加工和截面（即，横断）方向的高拉伸强度材料允许制造商更易于处理这样的隔膜且在不需要严格准则的情况下免得隔膜在这样的关键步骤期间经受结构破坏或损失。此外，从化学角度看，隔膜必须忍受电池本身内部的氧化和还原环境，特别是在充满电时。使用时的任何故障，特别是结构完整性方面的故障，允许异常大量的电解液穿过或使得电极接触到异常大量的电解液，将会有损发电能力且使得电池呈现为完全失效。因此，即使高于露天化学暴露的能力，这样的隔膜在存储、制造、和使用过程中，为了上述同样的理由，还必须不能丢失尺寸稳定性（即，歪斜或熔化）或机械强度。

同时，然而，本质上，隔膜必须具有适当的厚度来帮助电池本身的高能量和功率密度。为了允许长寿命，均匀的厚度也是非常重要的，因为就适当的电解液通道和电极接触防止而言隔膜上的任何不均匀的磨损将是弱链接。

此外，这样的隔膜必须展示出适当的孔隙率和孔径大小来同样地符合离子穿过这样的薄膜的适当输送（以及保持特定量液体电解液来帮助使用期间这样的离子输送的适当能力）。孔本身应该足够小以防止电极组件进入和/或通过薄膜，同时还如上所述地允许电解液离子的适当输送速率。还有，孔径大小的均匀度、以及孔径大小分布，提供了随时间过去的更为均匀的发电结果，以及对于整个电池而言更为可靠的长期稳定性，因为，如之前所述，电池隔膜上的均匀磨损，至少在这样的系统内最佳地控制，允许更长的寿命周期。此外，可有利的是，一旦暴露于异常高温，可确保其中的孔隙适当地闭合以防止一旦有这样的电池损害后的过量和不期望的离子输送（即，防止火灾和其他灾害）。