[发明专利]具有涂层和切断功能的高孔隙度隔板膜

说明书

技术领域

本发明涉及具有双重安全性的经涂覆的多孔膜和其作为隔板的用途，以及所述膜的制备方法。

背景技术

现代仪器要求能够实现空间上独立地利用的能源，如电池或蓄电池。电池的缺点在于必须将它们处置。因此，越来越多地使用蓄电池(二次电池)，它们可以借助与供电系统连接的充电设备重复地再充电。例如，常规镍-镉蓄电池(NiCd-蓄电池)可在恰当使用的情况下达到大约1000次充电循环的使用寿命。

在高能或高性能系统中目前越来越多地使用锂电池、锂离子电池、锂-聚合物电池和碱土金属电池作为蓄电池。

电池和蓄电池总是由两个浸入在电解质溶液中的电极和一个将正极和负极隔开的隔板构成。各种蓄电池类型通过所使用的电极材料、电解质和所使用的隔板加以区分。电池隔板的作用是将电池中的负极与正极在空间上分开，或将蓄电池中的负电极和正电极在空间上分开。隔板必须是使两个电极彼此电绝缘的阻隔物，从而避免内部短路。然而，同时，所述隔板必须对于离子是可透过的，以便使电化学反应能够在电池中进行。

电池隔板必须是薄的，以致内电阻尽可能低并且可以获得高的充填密度。只有这样，才能确保良好的性能数据和高容量。另外必要的是，隔板吸收电解质，并且当电池装满时确保气体交换。尽管以前尤其使用纺织物，但是如今主要使用细孔材料，如无纺织物和膜。

在锂电池中，短路的发生是个问题。在热负荷下，由于短路或有缺陷的冷却系统，在锂离子电池中可能发生电池隔板的熔融，因而导致发生具有破坏性后果的短路。当锂电池被机械损坏或者由于充电设备的有缺陷的电子设备而过度充电时，存在类似危险。

为了提高锂离子电池的安全性，过去开发了切断隔板(关闭(Shut Down)膜)。这些特殊的隔板在明显低于锂的熔点或着火点的给定温度下，在最短的时间内关闭它们的孔。这样，在很大程度上防止了锂电池中的短路的可怕后果。

然而，同时还希望隔板具有高的机械强度，其由具有高熔融温度的材料保证。例如，聚丙烯膜由于良好抗穿透性而是有利的，但聚丙烯的熔点是大约164℃，非常接近于锂的燃点(170℃)。

基于锂技术的高能电池用于其中必须以最小可用的空间获得尽可能多的电能的应用中。例如，用于电动车辆，以及用于其中要求在低重量下实现最大能量密度的其它移动式应用，例如航空和航天的牵引型电池就是这种情况。目前，在高能电池中实现350-400Wh/L或150-200Wh/kg的能量密度。这些高能密度通过使用特殊电极材料(例如Li-CoO₂)和更节省使用外壳材料而达到。因此，在袋型电池类型的Li电池中，各个电池单元仅还通过膜彼此隔开。由此，在这些电池中还对隔板提出更高要求，因为如果发生内部短路和过热，则像爆炸那样的燃烧反应波及到相邻电池。

用于此类应用的隔板材料必须具有以下性能:它们必须尽可能薄以便保证小的比体积和以便保持内电阻低。为了确保此种低内电阻，隔板还具有高孔隙度是重要的。另外，它们必须轻以致达到低比重，并且它们必须是绝对安全的。这意味着如果发生过热或机械损坏，正和负电极必须无论如何保持分开以防止导致电池着火或爆炸的进一步化学反应。

在现有技术中已知将聚丙烯膜与由具有较低熔点的材料构成的，例如由聚乙烯构成的其它层组合。如果发生由于短路或其它外界影响引起的过热，聚乙烯层熔融并封闭多孔聚丙烯层的孔(切断功能)，于是在电池中离子流动中断并因此电流通过中断。但是，随着温度进一步增加(>160℃)，聚丙烯层也熔融，并且不再能防止由于正极和负极接触引起的内部短路和由此导致的问题例如自燃和爆炸。此外，聚乙烯层与聚丙烯的粘附是有问题的，以致这些层仅能通过层压结合，或仅能将这两种类型的所选的聚合物共挤出。在高能应用中此类隔板仅提供不足的安全性。一种这种类型的具有切断功能的膜描述在WO 2010048395中。

US 2011171523描述了利用溶剂方法获得的耐热隔板。在该方法中，在第一步骤中，将无机颗粒(白垩、硅酸盐或氧化铝)与油一起配混到原料(UHMW-PE)中。然后经过模头将这种混合物挤出而形成预制膜，接着使用溶剂从该预制膜中溶解出所述油以产生孔隙，然后拉伸该膜以形成隔板。这样在该隔板中无机颗粒确保电池中的正极和负极分开，即使有严重的过热的情况下仍如此。然而，该方法受困于这样的缺点，即颗粒导致削弱隔板的机械性能，并且另外，可能由于颗粒的附聚物而产生缺陷和不一致的孔结构。