Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, и электрическое устройство, содержащее такой сепаратор
Предложен сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, который включает в себя пористый базовый слой на основе полимера и термоустойчивый изолирующий слой, который формируется на одной или на обеих сторонах пористого базового слоя на основе полимера и содержит неорганические частицы и связующее вещество. Пористый базовый слой на основе полимера содержит полимер, имеющий температуру плавления 120-200°C. Сепаратор имеет такую конфигурацию, в которой отношение основного веса термоустойчивого изолирующего слоя к основному весу пористого базового слоя на основе полимера составляет не менее 0,5. Повышение сопротивлению к термической усадке и вибрации является техническим результатом изобретения. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл.
Область техники
Настоящее изобретение относится к сепаратору, имеющему термоустойчивый изолирующий слой. В частности, настоящее изобретение относится к сепаратору, имеющему термоустойчивый изолирующий слой, который предпочтительно является применимым к электрическим устройствам, таким как литий-ионные аккумуляторные батареи и электрические двухслойные конденсаторы.
Уровень техники
В последние годы разрабатываются гибридные электромобили (HEV), электрические транспортные средства (EV) и транспортные средства на топливных элементах, некоторые из которых уже изготавливаются и продаются. Эти транспортные средства также называются транспортными средствами с электроприводом и привлекают внимание вследствие растущего интереса к экологичности и высокой экономии топлива. Транспортные средства с электроприводом требуют устройств электропитания, допускающих заряд и разряд. Устройства электропитания являются электрическими устройствами, включающими в себя аккумуляторные батареи, такие как литий-ионные и никель-водородные аккумуляторные батареи и электрические двухслойные конденсаторы. Литий-ионные аккумуляторные батареи, в частности, предпочтительно используются в транспортных средствах с электроприводом вследствие своей высокой плотности энергии и высокой износостойкости к повторному заряду и разряду.
Например, литий-ионная аккумуляторная батарея имеет конфигурацию, в которой катод и анод соединяются через слой электролита и размещаются в кожухе батареи. Слой электролита может состоять из сепаратора, удерживающего раствор электролита. Сепаратор должен иметь как функцию в качестве разделительной перегородки, так и функцию для того, чтобы удерживать раствор электролита для обеспечения проводимости ионов лития между катодом и анодом. Вышеуказанный сепаратор обычно состоит из микропористой мембраны, изготовленной из электроизоляционного материала.
Традиционно разработанные сепараторы имеют функцию отключения, чтобы останавливать реакции заряда/разряда, когда батарея становится горячей во время реакций заряда/разряда. Функция отключения прекращает перемещение ионов лития между анодом и катодом. Конкретно, когда батарея достигает высокой температуры, полимер, составляющий сепаратор, расплавляется и засоряет поры, чтобы прекращать перемещение ионов лития. Соответственно, сепараторы, которые имеют функцию отключения, обычно изготавливаются из термопластического полимера, такого как полиэтилен (PE) или полипропилен (PP).
С другой стороны, известно, что сепараторы, изготовленные из вышеуказанной термопластического полимера, имеют проблему с механической прочностью вследствие гибкости материалов. В высокотемпературном режиме, в частности, термопластический сепаратор дает термическую усадку, и катод и анод, которые располагаются напротив друг друга с сепаратором, размещенным между ними, могут контактировать между собой, создавая внутреннее короткое замыкание. Соответственно, проводятся разработки по технологии уменьшения термической усадки вследствие термической обработки в процессе изготовления батарей, снижения теплоты реакции от реакций заряда/разряда и т.п.
Например, Патентный Документ 1 раскрывает пористую мембрану, которая включает в себя поверхностный защитный слой, содержащий неорганические частицы оксида алюминия и т.п., который формируется, по меньшей мере, на одной поверхности основания, изготовленного из PE или других таких материалов, т.е. сепаратор. Кроме того, примеры Патентного Документа 1 описывают, что сепаратор имеет низкий коэффициент усадки между процедурами до и после термической обработки.
Патентные документы
Патентный Документ 1: Публикация не прошедшей экспертизу заявки на патент Японии № 11-80395.
Сущность изобретения
Тем не менее сепаратор, описанный в Патентном Документе 1, предназначен для использования, главным образом, в электронных устройствах и т.п. Выявлено, что эффект уменьшения термической усадки не может быть надлежащим образом получен, когда сепаратор Патентного Документа 1 применяется в литий-ионных аккумуляторных батареях для транспортных средств с электроприводом.
Чтобы применять литий-ионную аккумуляторную батарею в транспортном средстве с электроприводом, литий-ионная аккумуляторная батарея должна иметь высокий уровень мощности и высокую емкость. Способ достижения высокого уровня мощности и высокой емкости литий-ионной аккумуляторной батареи заключается, например, в увеличении ее размера. По мере того как увеличивается размер литий-ионной аккумуляторной батареи, как описано выше, увеличивается размер сепаратора. Увеличение размера сепаратора увеличивает его внутреннее механическое напряжение при термической обработке в процессе изготовления батареи либо при увеличении температуры вследствие теплоты реакции от реакций заряда/разряда. Следовательно, сепаратор с большей вероятностью дает термическую усадку. Соответственно, желательно разрабатывать сепаратор с улучшенным эффектом уменьшения термической усадки.
Соответственно, задачей настоящего изобретения является создание сепаратора, который проявляет более превосходное сопротивление термической усадке при обеспечении функции отключения.
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой согласно аспекту настоящего изобретения, включает в себя: пористый базовый слой на основе полимера и термоустойчивый изолирующий слой, который предоставляется, по меньшей мере, на одной стороне пористого базового слоя на основе полимера и содержит неорганические частицы и связующее вещество. Пористый базовый слой на основе полимера содержит полимер, имеющий температуру плавления 120-200°C, и отношение основного веса термоустойчивого изолирующего слоя к основному весу пористого базового слоя на основе полимера составляет не менее 0,5. Кроме того, электрическое устройство по настоящему изобретению включает в себя сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой по настоящему изобретению.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 является схематичным видом в поперечном сечении, схематично иллюстрирующим сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.2 является схематичным видом в поперечном сечении, схематично иллюстрирующим общую конструкцию многослойной (не биполярного типа) литий-ионной аккумуляторной батареи согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.3 является графиком, показывающим взаимосвязь между коэффициентом термической усадки и коэффициентом основного веса термоустойчивого изолирующего слоя относительно пористого базового слоя на основе полимера в сепараторах, имеющих термоустойчивый изолирующий слой согласно примерам 1-17.
Фиг.4 является графиком, показывающим взаимосвязь между содержанием связующего вещества и сопротивлением отслаиванию в сепараторах, имеющих термоустойчивый изолирующий слой согласно примерам 18-27.
Фиг.5 является графиком, показывающим взаимосвязь между сопротивлением отслаиванию и коэффициентом термической усадки в сепараторах, имеющих термоустойчивый изолирующий слой согласно примерам 18-27.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
В дальнейшем в этом документе приводится подробное описание сепаратора, имеющего термоустойчивый изолирующий слой и электрическое устройство по настоящему изобретению, со ссылкой на чертежи. В этом подробном описании "%" представляет массовое процентное отношение, если не указано иное. Кроме того, размерные пропорции на чертежах чрезмерно увеличиваются для удобства пояснения, и некоторые из них отличаются от фактических пропорций.
Конфигурация сепаратора, имеющего термоустойчивый изолирующий слой
Приводится подробное описание сепаратора, имеющего термоустойчивый изолирующий слой согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой согласно варианту осуществления настоящего изобретения, схематично иллюстрируется в качестве схематичного вида в поперечном сечении на фиг.1. Как проиллюстрировано на фиг.1, в сепараторе 1, имеющем термоустойчивый изолирующий слой согласно варианту осуществления, термоустойчивые изолирующие слои 5a и 5b, соответственно, формируются на верхней и нижней поверхностях пористого базового слоя 3 на основе полимера, изготовленного из полиэтилена. Пористый базовый слой 3 на основе полимера состоит из микропористой мембраны, которая имеет пористость в 65% и изготавливается из полиэтилена, имеющего температуру плавления 130°C. С другой стороны, термоустойчивые изолирующие слои 5a и 5b содержат неорганические частицы 7a и 7b, изготовленные из оксида алюминия, и связующие вещества 9a и 9b, изготовленные из карбоксиметилцеллюлозы, соответственно. Неорганические частицы связываются с пористым базовым слоем 3 на основе полимера или со смежными неорганическими частицами через связующее вещество. Как проиллюстрировано на фиг.1, пористый базовый слой 3 на основе полимера включает в себя пустоты, и имеются зазоры между неорганическими частицами. Соответственно, сепаратор 1, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, в целом выступает в качестве сепаратора, имеющего ионную удельную электропроводность.
В сепараторе 1, имеющем термоустойчивый изолирующий слой по фиг.1, значение коэффициента основного веса касательно отношения основного веса термоустойчивых изолирующих слоев 5a и 5b (которое вычисляется как совокупное значение обоих изолирующих слоев 5a и 5b) к основному весу пористого базового слоя 3 на основе полимера составляет 3,06. В данном документе основной вес означает вес (г) на квадратный метр и его единицу [г/м2]. Коэффициент основного веса, полученный посредством деления значения основного веса теплоизоляционных слоев на значение основного веса пористого базового слоя на основе полимера, является безразмерным числом, не имеющим единицу измерения.
Сепаратор 1, имеющий термоустойчивый изолирующий слой по фиг.1, имеет коэффициент основного веса с вышеуказанным значением и тем самым демонстрирует в высшей степени превосходное сопротивление термической усадке при обеспечении функции отключения.
В дальнейшем в этом документе подробно описывается каждый из компонентов сепаратора, имеющего термоустойчивый изолирующий слой по варианту осуществления.
Пористый базовый слой на основе полимера
Пористый базовый слой на основе полимера выполнен с возможностью предоставлять функцию отключения сепаратору, имеющему термоустойчивый изолирующий слой. Соответственно, пористый базовый слой на основе полимера содержит полимер, имеющий температуру плавления 120-200°C.
Материал, используемый в пористом базовом слое на основе полимера, не ограничен конкретным образом и должен только иметь температуру плавления в вышеуказанном диапазоне. Материал представляет собой полиэтилен (PE), полипропилен (PP) или сополимер (сополимер этилена и пропилена), полученный, например, посредством сополимеризации мономерных звеньев этилена и пропилена. Кроме того, материал может представлять собой сополимер, полученный посредством сополимеризации этилена или пропилена и мономера, отличного от этилена и пропилена. Кроме того, материал пористого базового слоя на основе полимера может содержать полимер или термореактивный полимер, имеющий температуру плавления, превышающую 200°C, при условии, что материал содержит полимер, имеющий температуру плавления 120-200°C. Его примеры представляют собой полистирол (PS), поливинилацетат (PVAc), полиэтилентерефталат (PET), поливинилидендифторид (PVDF), политетрафторэтилен (PTFE), полисульфон (PSF), полиэфирсульфон (PES), полиэфирэфиркетон (PEEK), полиимид (PI), полиамидоимид (PAI), феноловый полимер (PF), эпоксидный полимер (EP), меламиновый полимер (MF), карбамидный полимер (UF), алкидный полимер и полиуретан (PUR). В данном документе содержание полимера, имеющего температуру плавления 120-200°C, во всем пористом базовом слое на основе полимера предпочтительно составляет не менее 50 мас.%, более предпочтительно не менее 70%, еще более предпочтительно не менее 90%, еще более предпочтительно не менее 95% и наиболее предпочтительно равно 100%. Кроме того, пористый базовый слой на основе полимера может формироваться посредством наслаивания вышеуказанных материалов. Пример такого многослойного пористого базового слоя на основе полимера представляет собой слой, имеющий трехслойную конструкцию PP/PE/PP. Для вышеуказанного пористого базового слоя на основе полимера отключение может осуществляться, когда температура батареи достигает 130°C, что представляет собой точку плавления PE. Даже в случае, если температура батареи продолжает увеличиваться после отключения, расплавление не происходит до тех пор, пока температура батареи не достигнет 170°C, что представляет собой точку плавления PP. Соответственно, можно не допускать замыкания накоротко анода и катода по всей поверхности раздела.
Форма пористого базового слоя на основе полимера не ограничена конкретным образом и может представлять собой, по меньшей мере, форму, выбранную из группы, состоящей из тканого материала, нетканого материала и микропористой мембраны. В данном документе, чтобы обеспечивать высокую ионную удельную электропроводность пористого базового слоя на основе полимера, предпочтительно, чтобы пористый базовый слой на основе полимера имел очень пористую конструкцию. Следовательно, предпочтительно, чтобы пористый базовый слой на основе полимера имел форму микропористой мембраны с точки зрения улучшения характеристик батареи. Кроме того, пористость пористого базового слоя на основе полимера предпочтительно составляет 40-85%. Когда его пористость не менее 40%, пористый базовый слой на основе полимера может предоставляться с соответствующей ионной удельной электропроводностью. С другой стороны, когда пористость не превышает 85%, пористый базовый слой на основе полимера может сохранять соответствующую прочность.
Вышеуказанный пористый базовый слой на основе полимера может быть изготовлен посредством общеизвестных способов. Способы включают в себя, например, способ на основе образования пор за счет растяжения и способ разделения фаз для изготовления микропористой мембраны и электропрядение для изготовления нетканого материала.
Термоустойчивый изолирующий слой
Каждый термоустойчивый изолирующий слой является керамическим слоем, содержащим (1) неорганические частицы и (2) связующее вещество. Предоставление термоустойчивого изолирующего слоя позволяет уменьшать внутреннее механическое напряжение сепаратора, которое возрастает по мере того, как увеличивается температура батареи. Соответственно, сепаратор демонстрирует превосходное сопротивление термической усадке. Кроме того, предоставление термоустойчивого изолирующего слоя увеличивает механическую прочность сепаратора, имеющего термоустойчивый изолирующий слой, так что сепаратор с меньшей вероятностью разрушается. Кроме того, высокий эффект уменьшения термической усадки и высокая механическая прочность уменьшают изгибание сепаратора в процессе изготовления электрических устройств.
(1) Неорганическая частица
Неорганические частицы являются составляющим элементом термоустойчивого изолирующего слоя и предоставляют механическую прочность и эффект уменьшения термической усадки для термоустойчивого изолирующего слоя.
Материал, используемый для неорганических частиц, не ограничен конкретным образом и может включать в себя общеизвестные материалы. Материал, используемый для неорганических частиц, представляет собой, например, оксид, гидроксид, нитрид кремния, алюминий, цирконий и титан либо их составные соединения. Примеры оксидов кремния, алюминия, циркония и титана могут представлять собой диоксид кремния (SiO2), оксид алюминия (Al2O3), диоксид циркония (ZrO2) и диоксид титана (TiO2). Вышеуказанные материалы для неорганических частиц могут быть использованы по отдельности либо в комбинации по два или больше. Из этих материалов диоксид кремния или оксид алюминия является предпочтительным с точки зрения стоимости.
Неорганические частицы имеют удельную плотность. Плотность диоксида циркония составляет, например, приблизительно 5,7 г/см3; оксида алюминия - приблизительно 4,0 г/см3; диоксида титана - приблизительно 3,9-4,3 г/см3; и диоксида кремния - приблизительно 2,2 г/см3. Необходимый объем неорганических частиц зависит от типа включенных неорганических частиц. Когда плотность неорганических частиц становится более высокой, в то время как вес является постоянным, имеется тенденция к улучшению эффекта уменьшения термической усадки. Соответственно, диоксид циркония предпочтительно используется в качестве неорганических частиц в другом варианте осуществления. Размер частиц неорганических частиц не ограничен конкретным образом и может надлежащим образом регулироваться.
(2) Связующее вещество
Связующее вещество является составляющим элементом термоустойчивого изолирующего слоя и имеет функцию связывания неорганических частиц со смежными неорганическими частицами и с пористым базовым слоем на основе полимера.
Связующее вещество способствует сцеплению между смежными неорганическими частицами и сцеплению между пористым базовым слоем на основе полимера и термоустойчивым изолирующим слоем. Таким образом, связующее вещество может стабильно формировать термоустойчивый изолирующий слой и увеличивать сопротивление отслаиванию между пористым базовым слоем на основе полимера и термоустойчивым изолирующим слоем. Следовательно, связующее вещество является существенным составляющим элементом в термоустойчивом изолирующем слое. Предпочтительно, содержание связующего вещества составляет 2-20 мас.% относительно термоустойчивого изолирующего слоя 100 мас.%. Когда содержание связующего вещества составляет не менее 2 мас.%, сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, имеет высокое сопротивление отслаиванию и является высокоустойчивым к вибрации. С другой стороны, когда содержание связующего вещества не превышает 20 мас.%, сцепление может поддерживаться к надлежащей степени, при этом связующее вещество с меньшей вероятностью запрещает ионную проводимость.
Материал, используемый для связующего вещества, не ограничен конкретным образом и может быть общеизвестным материалом. Его примеры включают в себя карбоксиметилцеллюлозу (CMC), полиакрилонитрил, целлюлозу, сополимер этилена и винилацетата, поливинилхлорид, стиролбутадиеновый каучук (SBR), изопреновый каучук, бутадиеновый каучук, поливинилидендифторид (PVDF), политетрафторэтилен (PTFE), поливинилфторид (PVF) и метилакрилат. Вышеуказанные вещества могут быть использованы по отдельности либо в комбинации по два или больше. Из этих связующих веществ предпочтительными являются карбоксиметилцеллюлоза (CMC), метилакрилат и поливинилидендифторид (PVDF).
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой по этому варианту осуществления, выполняет функцию изоляции проводимости электронов между катодом и анодом. С точки зрения улучшения характеристик батареи предпочтительно, чтобы общая толщина сепаратора была небольшой. В частности, общая толщина сепаратора предпочтительно составляет 10-50 мкм и более предпочтительно 15-30 мкм. Когда общая толщина не менее 10 мкм, обеспечивается прочность сепаратора. С другой стороны, когда общая толщина не превышает 50 мкм, батарея может быть сделана компактной.
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой по этому варианту осуществления, имеет такую конфигурацию, в которой коэффициент основного веса в виде отношения термоустойчивого изолирующего слоя к пористым базовым слоям на основе полимера находится в предварительно определенном диапазоне. В частности, коэффициент основного веса должен быть не менее 0,5, предпочтительно не менее 0,8 и более предпочтительно не менее 1,3. Посредством задания коэффициента основного веса в вышеуказанном диапазоне может быть эффективно уменьшена термическая усадка сепаратора. Причина этого состоит в том, что внутреннее механическое напряжение пористого базового слоя на основе полимера, которое увеличивается по мере того, как возрастает температура, может быть надлежащим образом уменьшено посредством термоустойчивого изолирующего слоя. С другой стороны, верхний предел коэффициента основного веса не ограничен конкретным образом, но предпочтительно составляет не более 2,0 в свете всего веса сепаратора, имеющего термоустойчивый изолирующий слой. Причина этого заключается в следующем. Когда коэффициент основного веса не превышает 2,0, эффект уменьшения термической усадки сепаратора увеличивается по мере того, как увеличивается коэффициент веса. Тем не менее, когда коэффициент основного веса превышает 2,0, эффект уменьшения термической усадки сепаратора практически не увеличивается, даже если коэффициент основного веса дополнительно увеличивается.
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой по варианту осуществления, отличается посредством демонстрации превосходного сопротивления термической усадке. Соответственно, характеристики сепаратора могут быть оценены посредством измерения коэффициента термической усадки сепаратора. Коэффициент термической усадки сепаратора, имеющего термоустойчивый изолирующий слой по варианту осуществления, который зависит от намеченного использования сепаратора, имеющего термоустойчивый изолирующий слой, предпочтительно составляет не более 35%, более предпочтительно не более 10% и наиболее предпочтительно не более 5%. Коэффициент термической усадки измеряется посредством способа, описанного в примерах.
Кроме того, предпочтительно, чтобы сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой по варианту осуществления, имел высокое сопротивление отслаиванию между пористым базовым слоем на основе полимера и каждым термоустойчивым изолирующим слоем. В частности, сопротивление отслаиванию предпочтительно составляет не менее 0,1 мН/мм и более предпочтительно не менее 2,0 мН/мм. Увеличение сопротивления отслаиванию увеличивает виброустойчивость сепаратора, имеющего термоустойчивый изолирующий слой. Соответственно, сепаратор с сопротивлением отслаиванию не менее 0,1 мН/мм может быть предпочтительно включен в электрические устройства транспортных средств с электроприводом. Кроме того, когда сопротивление отслаиванию увеличивается, операция уменьшения механического напряжения термоустойчивого изолирующего слоя может быть эффективно передана в пористый базовый слой на основе полимера, и термическая усадка сепаратора может быть дополнительно уменьшена. Другими словами, когда сопротивление отслаиванию увеличивается, основной вес термоустойчивого изолирующего слоя, необходимого для демонстрации сепаратором требуемого эффекта уменьшения термической усадки, может быть уменьшен. Соответственно, вес сепаратора, имеющего термоустойчивый изолирующий слой, может быть уменьшен. С другой стороны, верхний предел сопротивления отслаиванию не ограничен конкретным образом. Тем не менее, сопротивление отслаиванию предпочтительно составляет не более 10 мН/мм, так что связующее вещество не добавляется чрезмерно. Сопротивление отслаиванию измеряется посредством способа, описанного в примерах.
Вариантами применения сепаратора, имеющего термоустойчивый изолирующий слой по варианту осуществления, являются, например, электрические устройства, такие как литий-ионные аккумуляторные батареи. Для применения литий-ионной аккумуляторной батареи в транспортных средствах с электроприводом батарея должна иметь высокий уровень мощности и высокую емкость. Соответственно, сама литий-ионная аккумуляторная батарея формируется в конструкции многослойного материала, так что ее размер увеличивается. Это может увеличивать вес самой батареи и вес всего транспортного средства с электроприводом. Тем не менее можно предоставлять легковесное транспортное средство с электроприводом посредством использования сепаратора, имеющего термоустойчивый изолирующий слой по этому варианту осуществления, со сниженным весом вышеуказанного термоустойчивого изолирующего слоя.
Способ изготовления сепаратора, имеющего термоустойчивый изолирующий слой
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, изготавливается посредством общеизвестного способа изготовления, который не ограничен конкретным образом при условии, что температура плавления и коэффициент основного веса удовлетворяют предварительно определенным значениям. В этом процессе термоустойчивый изолирующий слой может формироваться только на одной поверхности пористого базового слоя на основе полимера или на его обеих поверхностях. В случае формирования термоустойчивого изолирующего слоя на каждой поверхности коэффициент основного веса должен задаваться равным 0,5 или больше, при этом основной вес термоустойчивых изолирующих слоев задается равным сумме основных весов отдельных термоустойчивых изолирующих слоев, сформированных на обеих поверхностях. Сепаратор может иметь такую конфигурацию, в которой другой слой размещается между пористым базовым слоем на основе полимера и каждым термоустойчивым изолирующим слоем при условии, что сепаратор может обеспечивать требуемый эффект уменьшения термической усадки. Такая конфигурация включается в объем настоящего изобретения. В таком случае, если сепаратор дополнительно включает в себя третий слой, общая толщина является толщиной, включающей в себя толщину третьего слоя.
Конкретный пример способа изготовления сепаратора, имеющего термоустойчивый изолирующий слой, заключается в применении раствора, содержащего неорганические частицы и связующее вещество, диспергированное в растворителе, к пористому базовому слою на основе полимера, и последующем выводе растворителя.
Используемый растворитель в процессе, который не ограничен конкретным образом, представляет собой н-метил-2-пирролидон (NMP), диметилформамид, диметилацетамид, метилформамид, циклогексан, гексан, воду и т.п. В случае если связующее вещество представляет собой поливинилидендифторид (PVDF), предпочтительно, чтобы растворитель представлял собой NMP. Температура для удаления растворителя не ограничена конкретным образом и может быть надлежащим образом задана в зависимости от используемого растворителя. Например, в случае использования воды в качестве растворителя, температура для вывода растворителя может задаваться равной 50-70°C, а в случае использования NMP в качестве растворителя, температура может задаваться равной 70-90°C. Растворитель может удаляться при пониженном давлении при необходимости. Кроме того, растворитель может частично оставляться вместо полного удаления.
Коэффициент основного веса может варьироваться в зависимости от материалов пористого базового слоя на основе полимера и термоустойчивых изолирующих слоев. В частности, на коэффициент основного веса может оказывать влияние пористость пористого базового слоя на основе полимера, плотность и размер частиц неорганических частиц, общая толщина сепаратора, имеющего термоустойчивый изолирующий слой, содержание связующего вещества и т.п. Соответственно, предпочтительно, чтобы сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, изготавливался с учетом вышеуказанных факторов.
Электрическое устройство (литий-ионная аккумуляторная батарея)
Как описано выше, сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой по варианту осуществления, имеет коэффициент основного веса с предварительно определенным значением и тем самым демонстрирует превосходное сопротивление термической усадке при обеспечении функции отключения. Таким образом, сконфигурированный сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, предпочтительно уменьшается по весу в максимально возможной степени. Кроме того, предпочтительно, чтобы сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, был устойчивым к вибрации. Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, может быть предпочтительно использован в литий-ионных аккумуляторных батареях, поскольку сепаратор имеет вышеуказанные свойства. Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой также может быть предпочтительно использован в электрических устройствах, включающих в себя другие типы аккумуляторных батарей, такие как никель-водородные аккумуляторные батареи и электрические двухслойные конденсаторы.
Фиг.2 иллюстрирует общую конструкцию многослойной (не биполярного типа) литий-ионной аккумуляторной батареи 10 в качестве примера электрических устройств, к которым применяется сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой по варианту осуществления. Литий-ионная аккумуляторная батарея 10 включает в себя конструкцию, в которой практически прямоугольный вырабатывающий электроэнергию элемент 17 герметизируется между пленками-ламинатами 22 в качестве корпуса батареи. В вырабатывающем электроэнергию элементе 17 фактически протекают реакции заряда/разряда. Конкретно, вырабатывающий электроэнергию элемент 17 размещается и герметизируется посредством композиционной пленки-ламината на основе соединения полимера и металла в качестве корпуса батареи, которая термически сплавляется и связывается по всей внешней границе.
Вырабатывающий электроэнергию элемент 17 имеет конфигурацию, в которой аноды, слои 13 электролита и катоды укладываются друг на друга. Каждый анод включает в себя анодный токоотвод 11 и слои 12 активного материала анода, сформированные на обеих поверхностях токоотвода 11. Каждый катод включает в себя катодный токоотвод 14 и слои 15 активного материала катода, сформированные на обеих поверхностях токоотвода 14. В частности, аноды, слои 13 электролита и катоды укладываются друг на друга в этом порядке таким образом, что каждый из слоев 12 активного материала анода располагается напротив слоя 15 активного материала катода, смежного с ними, при том, что соответствующий слой 13 электролита размещен между ними. Каждый из самых внешних анодных токоотводов 11a, которые находятся в самых внешних слоях вырабатывающего электроэнергию элемента 17, содержит слой 12 активного материала анода только на одной стороне. На фиг.2 аноды и катоды могут меняться местами друг с другом, так что самые внешние катодные токоотводы находятся в обоих самых внешних слоях вырабатывающего электроэнергию элемента 17 и содержат слой активного материала катода только на одной стороне.
Смежный анод, слой 13 электролита и катод тем самым составляют один слой 16 единичного аккумулятора. Другими словами, литий-ионная аккумуляторная батарея 10 по варианту осуществления имеет конфигурацию, в которой несколько слоев 16 единичных аккумуляторов укладываются так, что они электрически соединяются параллельно. Каждый единичный аккумулятор 16 может содержать не показанный герметизирующий элемент (изолирующий слой), который изолирует смежные катодные и анодные токоотводы 11 и 14 друг от друга.
Анодные токоотводы 11 и катодные токоотводы 14, соответственно, присоединены к анодной токоотводной пластине 18 и катодной токоотводной пластине 19, которые электрически соединены с соответствующими электродами (положительными и отрицательными электродами). Токоотводные пластины 18 и 19 размещаются посередине между пленками-ламинатами 22 и выступают из пленок-ламинатов 22. Анодные и катодные токоотводы 11 и 14 анодов и катодов могут быть присоединены к анодной и катодной токоотводной пластине 18 и 19 через анодные и катодные контактные выводы 20 и 21 посредством ультразвуковой сварки или сварки сопротивлением. Конфигурация проиллюстрирована на фиг.2. Тем не менее анодная токоотводная пластина 18 может состоять из удлиненных частей анодных токоотводов 11 и выступать из пленок-ламинатов 22. Аналогичным образом, катодная токоотводная пластина 19 может состоять из удлиненных частей катодных токоотводов 14 и выступать из пленок-ламинатов 22.
На фиг.2 сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, составляет каждый слой 13 электролита вместе с раствором электролита. Раствор электролита, удерживаемый посредством слоя 13 электролита, предпочтительно содержит ионы лития и обеспечивает превосходную литий-ионную проводимость. Посредством включения термоустойчивого изолирующего слоя многослойная литий-ионная аккумуляторная батарея, проиллюстрированная на фиг.2, может быть безопасным сепаратором, имеющим термоустойчивый изолирующий слой, который демонстрирует превосходное сопротивление термической усадке при обеспечении функции отключения. Кроме того, сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой с подходящим сопротивлением отслаиванию, может предоставлять виброустойчивую литий-ионную аккумуляторную батарею.
Примеры
В дальнейшем в этом документе настоящее изобретение описывается подробно на основе примеров. Настоящее изобретение не ограничено этими примерами.
Пример 1
Микропористая мембрана на основе полиэтилена (PE), имеющая толщину 10 мкм и пористость 65%, и водный раствор, содержащий 95 мас.% частиц оксида алюминия (Al2O3) и 5 мас.% карбоксиметилцеллюлозы (CMC), равномерно диспергированных в воде, подготовлены. Подготовленный водный раствор применяется к обеим поверхностям микропористой мембраны с использованием устройства для нанесения рифленых покрытий. Затем вода удаляется при 60°C. Таким образом, изготовлен сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, который имеет общую толщину 24 мкм и включает в себя термоустойчивый изолирующий слой в 7,0 мкм, сформированный на каждой стороне микропористой мембраны на основе PE.
Пример 2
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, изготовлен посредством способа, идентичного способу по примеру 1, за исключением следующего. Микропористая мембрана на основе PE имеет толщину 12,5 мкм, и неорганические частицы представляют собой частицы диоксида титана (TiC2). Сепаратор имеет общую толщину 24,5 мкм и включает в себя термоустойчивый изолирующий слой в 6,0 мкм, сформированный на каждой поверхности микропористой мембраны на основе PE.
Пример 3
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, изготовлен посредством способа, идентичного способу по примеру 2, за исключением использования частиц оксида алюминия в качестве неорганических частиц.
Пример 4
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, изготовлен посредством способа, идентичного способу по примеру 2, за исключением использования частиц гидроксида магния (Mg(OH)2) в качестве неорганических частиц.
Пример 5
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, изготовлен посредством способа, идентичного способу по примеру 2, за исключением использования частиц гидроксида алюминия (Al(OH)3) в качестве неорганических частиц.
Пример 6
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, изготовлен посредством способа, идентичного способу по примеру 1, за исключением следующего. Пористое основание на основе полимера представляет собой микропористую мембрану на основе PE с толщиной 14 мкм и пористостью 60%. Термоустойчивый изолирующий слой, сформированный на каждой поверхности микропористой мембраны на основе PE, имеет толщину 5,5 мкм, и сепаратор имеет общую толщину 25 мкм.
Пример 7
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, изготовлен посредством способа, идентичного способу по примеру 6, за исключением того, что микропористая мембрана на основе PE имеет пористость 55%.
Пример 8
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, изготовлен посредством способа, идентичного способу по примеру 7, за исключением следующего. Микропористая мембрана на основе PE имеет толщину 16 мкм, и неорганические частицы представляют собой частицы диоксида циркония (ZrO2). Термоустойчивый изолирующий слой, сформированный на каждой поверхности микропористой мембраны на основе PE, составляет 5,5 мкм.
Пример 9
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, изготовлен посредством способа, идентичного способу по примеру 7, за исключением того, что пористое основание на основе полимера представляет собой микропористую мембрану на основе полипропилена (PP), имеющую толщину 14 мкм и пористость 55%.
Пример 10
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, изготовлен посредством способа, идентичного способу по примеру 7, за исключением использования частиц диоксида кремния (SiO2) в качестве неорганических частиц.
Пример 11
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, изготовлен посредством способа, идентичного способу по примеру 7, за исключением использования частиц диоксида титана в качестве неорганических частиц.
Пример 12
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, изготовлен посредством способа, идентичного способу по примеру 8, за исключением использования частиц гидроксида магния в качестве неорганических частиц.
Пример 13
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, изготовлен посредством способа, идентичного способу по примеру 8, за исключением использования частиц оксида алюминия в качестве неорганических частиц.
Пример 14
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, изготовлен посредством способа, идентичного способу по примеру 7, за исключением следующего. Микропористая мембрана на основе PE имеет толщину 15 мкм, и термоустойчивый изолирующий слой, сформированный на каждой поверхности микропористой мембраны на основе PE, имеет толщину 5,0 мкм.
Пример 15
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, изготовлен посредством способа, идентичного способу по примеру 7, за исключением следующего. Толщина микропористой мембраны на основе PE составляет 16 мкм, и неорганические частицы представляют собой частицы оксида цинка (ZnO2). Термоустойчивый изолирующий слой, имеющий толщину 4,0 мкм, сформирован на каждой поверхности микропористой мембраны на основе PE, и сепаратор имеет общую толщину 24 мкм.
Пример 16
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, изготовлен посредством способа, идентичного способу по примеру 7, за исключением следующего. Толщина микропористой мембраны на основе PE составляет 18 мкм. Термоустойчивый изолирующий слой, сформированный на каждой стороне микропористой мембраны на основе PE, имеет толщину 4,0 мкм. Сепаратор имеет общую толщину 26 мкм.
Пример 17
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, изготовлен посредством способа, идентичного способу по примеру 15, за исключением следующего. Неорганические частицы представляют собой частицы оксида цинка. Термоустойчивый изолирующий слой, сформированный на каждой поверхности микропористой мембраны на основе PE, имеет толщину 3,5 мкм, и сепаратор имеет общую толщину 25 мкм.
Сравнительный пример 1
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, изготовлен посредством способа, идентичного способу по примеру 1, за исключением следующего. Пористый базовый слой на основе полимера состоит из нетканого материала на основе полиэтилентерефталата (PET), имеющего толщину 20 мкм и пористость 85%, и сепаратор имеет общую толщину 34 мкм.
Сравнительный пример 2
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, изготовлен посредством способа, идентичного способу по примеру 14, за исключением следующего. Пористое основание на основе полимера состоит из микропористой мембраны на основе поливинилидендифторида (PVDF), имеющей толщину 15 мкм и пористость 55%.
Сравнительный пример 3
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, изготовлен посредством способа, идентичного способу по примеру 15, за исключением следующего. Микропористая мембрана на основе PE имеет толщину 17 мкм. Термоустойчивый изолирующий слой, сформированный на каждой стороне микропористой мембраны на основе PE, имеет толщину 4,5 мкм. Сепаратор имеет общую толщину 26 мкм.
Сравнительный пример 4
Изготовлен сепаратор, который состоит из только микропористой мембраны на основе PP, имеющей толщину 25 мкм и пористость 55%, и имеет общую толщину 25 мкм.
Сравнительный пример 5
Изготовлен сепаратор, который состоит из только микропористой мембраны на основе PE, имеющей толщину 25 мкм и пористость 55%, и имеет общую толщину 25 мкм.
Пример 18
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, изготовлен посредством способа согласно примеру 7.
Пример 19
Микропористая мембрана на основе PE, имеющая толщину 15 мкм и пористость 55%, и раствор, содержащий 95 мас.% частиц оксида алюминия и 5 мас.% метилакрилата, равномерно диспергированных в н-метил-2-пирролидоне (NMP), подготовлены. Подготовленный раствор применяется к обеим поверхностям микропористой мембраны с использованием устройства для нанесения рифленых покрытий. Затем NMP удаляется при 80°C. Таким образом, изготовлен сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, включающий в себя термоустойчивый изолирующий слой в 5,0 мкм, сформированный на каждой поверхности микропористой мембраны на основе PE. Сепаратор имеет общую толщину 25 мкм.
Пример 20
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, изготовлен посредством способа, идентичного способу по примеру 19, за исключением использования PVDF в качестве связующего вещества.
Пример 21
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, изготовлен посредством способа, идентичного способу по примеру 18, за исключением следующего. Микропористая мембрана на основе PE имеет толщину 15 мкм, и термоустойчивый изолирующий слой, сформированный на каждой поверхности микропористой мембраны на основе PE, имеет толщину 5,0 мкм. Кроме того, содержание CMC составляет 3 мас.%, а содержание оксида алюминия составляет 97 мас.%.
Пример 22
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, изготовлен посредством способа, идентичного способу по примеру 21, за исключением использования метилакрилата в качестве связующего вещества.
Пример 23
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, изготовлен посредством способа, идентичного способу по примеру 21, за исключением использования PVDF в качестве связующего вещества.
Пример 24
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, изготовлен посредством способа, идентичного способу по примеру 21, за исключением того, что содержание CMC и оксида алюминия составляет 2,5 мас.% и 97,5 мас.%, соответственно.
Пример 25
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, изготовлен посредством способа, идентичного способу по примеру 21, за исключением того, что содержание CMC и оксида алюминия составляет 2,0 мас.% и 98 мас.%, соответственно.
Пример 26
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, изготовлен посредством способа, идентичного способу по примеру 21, за исключением того, что содержание CMC и оксида алюминия составляет 1,0 мас.% и 99 мас.%, соответственно.
Пример 27
Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, изготовлен посредством способа, идентичного способу по примеру 21, за исключением того, что содержание CMC и оксида алюминия составляет 0,5 мас.% и 99,5 мас.%, соответственно.
Оценка сепаратора
Изготовленные сепараторы подвергаются следующим испытаниям.
Испытание на нагрев за счет импеданса: оценка функции отключения
Подготовлен раствор электролита 1-к-M, который содержит литиевую соль LiPF6, растворенную в растворителе, полученном посредством смешивания этиленкарбоната (EC) и диэтиленкарбоната (DEC) в соотношении 2/3 по объему. Затем, в сферической коробке, раствор электролита пропитывается в сепаратор согласно каждому примеру, который вырезается в фрагмент φ30. Сепараторы φ30 размещены посередине между двумя металлическими пластинами (изготовленными из SUS), чтобы формировать плоский круглый аккумулятор. Полученный плоский круглый аккумулятор нагрет от комнатной температуры до 200°C при 1°C/мин, когда измеряется внутренний импеданс. Определяется то, что сепаратор, внутренний импеданс которого увеличен в десять раз или более до и после увеличения температуры, имеет функцию отключения.
Испытание на термическую усадку: оценка сопротивления термической усадке
Каждый сепаратор вырезается как 20 см на 20 см, и его размер измеряется в направлении MD. Результат измерений задается в качестве начального размера. Затем сепаратор оставляется в ванне с постоянной температурой при 150°C. Через час его размер в направлении MD измеряется снова. Результат измерений считается размером сепаратора после термической усадки. Коэффициент термической усадки вычислен посредством следующего уравнения на основе вышеуказанных результатов измерений.
Уравнение 1:
Коэффициент термической усадки = (начальный размер - размер после термической усадки)/начальный размер × 100
Испытание на отслаивание при 180 градусах: оценка сопротивления отслаиванию
Одна сторона термоустойчивого изолирующего слоя упрочнена посредством целлофановой ленты (компании Nichiban Co., Ltd.). Сепаратор затем вырезан по ширине в 10 мм и присоединен и прикреплен к металлическому основанию с помощью двусторонней ленты. Целлофановая лента затем отслоена на 10 мм. Образец для испытания присоединен к контрольно-измерительной машине и измерен с точки зрения сопротивления отслаиванию в условиях скорости растяжения в 100 мм/мин и расстояния отслаивания в 80 мм. Использована контрольно-измерительная машина STA 1150, изготовленная компанией ORIENTEC.
Результаты оценки
Составы сепараторов, изготовленных в примерах и сравнительных примерах, и результаты испытаний показаны в нижеприведенных таблицах 1 и 2.
| Таблица 1 | |||||||||||
| Коэффициент основного веса | Пористый базовый слой на основе полимера | Термоустой-чивый изолирующий слой | Неоргани-ческая частица | CMC (мас.%) | Общая толщина сепаратора (мкм) | Коэффициент термической усадки MD (%) | Отключение | ||||
| Материал | Структура | Толщина (мм) | Пористость (%) | Толщина | |||||||
| Пример 1 | 3,06 | PE | микропористая | 10 | 65 | 7 | оксид алюминия | 5 | 24 | 0,89 | отключение |
| Пример 2 | 2,12 | PE | микропористая | 12,5 | 65 | 6 | диоксид титана | 5 | 24,5 | 0,88 | отключение |
| Пример 3 | 2,06 | PE | микропористая | 12,5 | 65 | 6 | оксид алюминия | 5 | 24,5 | 0,92 | отключение |
| Пример 4 | 1,97 | PE | микропористая | 12,5 | 55 | 6 | гидроксид магния | 5 | 24,5 | 1,45 | отключение |
| Пример 5 | 1,95 | PE | микропористая | 12,5 | 55 | 6 | оксид алюминия | 5 | 24,5 | 1,43 | отключение |
| Пример 6 | 1,7 | PE | микропористая | 14 | 60 | 5,5 | оксид алюминия | 5 | 25 | 1,83 | отключение |
| Пример 7 | 1,32 | PE | микропористая | 14 | 55 | 5,5 | оксид алюминия | 5 | 25 | 1,92 | отключение |
| Пример 8 | 1,3 | PE | микропористая | 16 | 55 | 4,5 | диоксид циркония | 5 | 25 | 0,97 | отключение |
| Пример 9 | 1,3 | PP | микропористая | 14 | 55 | 5,5 | оксид алюминия | 5 | 25 | 1,85 | отключение |
| Пример 10 | 1,3 | PE | микропористая | 14 | 55 | 5,5 | диоксид кремния | 5 | 25 | 2,56 | отключение |
| Пример 11 | 1,3 | PE | микропористая | 14 | 55 | 5,5 | диоксид титана | 5 | 25 | 2,88 | отключение |
| Пример 12 | 1,21 | PE | микропористая | 16 | 55 | 4,5 | гидроксид магния | 5 | 25 | 15,4 | отключение |
| Пример 13 | 1,21 | PE | микропористая | 16 | 55 | 4,5 | оксид алюминия | 5 | 25 | 14,9 | отключение |
| Пример 14 | 1,2 | PE | микропористая | 15 | 55 | 5 | оксид алюминия | 5 | 25 | 10,73 | отключение |
| Пример 15 | 0,82 | PE | микропористая | 16 | 55 | 4 | оксид цинка | 5 | 24 | 11,55 | отключение |
| Пример 16 | 0,73 | PE | микропористая | 18 | 55 | 4 | оксид алюминия | 5 | 26 | 29 | отключение |
| Пример 17 | 0,51 | PE | микропористая | 18 | 55 | 3,5 | оксид цинка | 5 | 25 | 27,3 | отключение |
| Сравни-тельный пример 1 | 1,2 | PET | нетканый материал | 20 | 85 | 7 | оксид алюминия | 5 | 34 | 1,32 | без отключения |
| Сравни-тельный пример 2 | 1,2 | PVDF | микропористая | 15 | 55 | 5 | оксид алюминия | 5 | 25 | 5,91 | без отключения |
| Сравни-тельный пример 3 | 0,45 | PE | микропористая | 17 | 55 | 4,5 | оксид цинка | 5 | 26 | 39,1 | отключение |
| Сравни-тельный пример 4 | 0 | PP | микропористая | 25 | 55 | - | 25 | 51,2 | отключение | ||
| Сравни-тельный пример 5 | 0 | PE | микропористая | 25 | 55 | - | 25 | - | отключение |
В таблице 1 результаты примеров 1-17 раскрывают, что сепараторы, которые имеют коэффициент основного веса не менее 0,5 и включают в себя пористый базовый слой на основе полимера, изготовленный из PE или PP, имеют функцию отключения и демонстрируют превосходный эффект уменьшения термической усадки. С другой стороны, согласно результатам сравнительных примеров 1 и 2, сепараторы имеют коэффициент основного веса 1,2 и тем самым включают в себя превосходный эффект уменьшения термической усадки. Тем не менее отключение не происходит, поскольку пористые базовые слои на основе полимера изготовлены только из PET или PVDF. Кроме того, согласно результатам сравнительного примера 3, сепаратор имеет функцию отключения, поскольку пористый базовый слой на основе полимера изготовлен только из PE. Тем не менее коэффициент термической усадки сепаратора сравнительного примера 3 является высоким, поскольку коэффициент веса составляет меньше 0,5.
Кроме того, на графике, показывающем взаимосвязь между коэффициентом основного веса и коэффициентом термической усадки MD на фиг.3, коэффициент термической усадки MD составляет приблизительно 35%, когда коэффициент основного веса составляет 0,5, приблизительно 10%, когда коэффициент основного веса составляет 0,8, и приблизительно 5%, когда коэффициент основного веса составляет 1,3. Это раскрывает, что коэффициент термической усадки MD понижается по мере того, как увеличивается коэффициент основного веса. Причина этого, как считается, заключается в том, что эффект уменьшения внутреннего механического напряжения сепаратора, которое увеличивается по мере увеличения температуры, увеличивается по мере увеличения коэффициента основного веса. С другой стороны, когда коэффициент основного веса превышает 2,0, коэффициент термической усадки MD является практически постоянным. Выявлено, что сепараторы не всегда демонстрируют эффект уменьшения термической усадки пропорционально увеличению коэффициента основного веса. Соответственно, следует понимать, что коэффициент основного веса предпочтительно задается равным не более 2,0 с точки зрения уменьшения веса сепаратора, имеющего термоустойчивый изолирующий слой.
Результаты примеров 8-13 раскрывают, что коэффициент термической усадки MD варьируется в зависимости от типа содержащихся неорганических частиц, даже когда коэффициент основного веса является постоянным. В частности, частицы диоксида циркония, которые имеют наибольшую плотность, больше всего уменьшают термическую усадку сепаратора. Этот результат раскрывает, что имеется тенденция улучшения эффекта уменьшения тепловой усадки по мере того, как увеличивается плотность неорганических частиц.
| Таблица 2 | |||||||||
| Коэффициент основного веса | Толщина пористого базового слоя на основе полимера (мкм) | Толщина термоустойчивого изолирующего слоя (мкм) |
Мас.% неорганических частиц | Связующее вещество | Общая толщина сепаратора (мкм) | Коэффициент терми-ческой усадки MD (%) |
Сопротивление отслаиванию (мН/мм) | ||
| Тип | Мас.% | ||||||||
| Пример 18 | 1,32 | 14 | 5,5 | 95 | CMC | 5 | 25 | 1,92 | 11,8 |
| Пример 19 | 1,3 | 15 | 5 | 95 | Метилак-рилат | 5 | 25 | 1,35 | 13,1 |
| Пример 20 | 1,3 | 15 | 5 | 95 | PVDF | 5 | 25 | 1,21 | 14,2 |
| Пример 21 | 1,3 | 15 | 5 | 97 | CMC | 3 | 25 | 2.74 | 2,35 |
| Пример 22 | 1,3 | 15 | 5 | 97 | Метилак-рилат | 3 | 25 | 3,56 | 3,98 |
| Пример 23 | 1,3 | 15 | 5 | 97 | PVDF | 3 | 25 | 3,33 | 4,12 |
| Пример 24 | 1,22 | 15 | 5 | 97,5 | CMC | 2,5 | 25 | 24,37 | 1,54 |
| Пример 25 | 1,3 | 15 | 5 | 98 | CMC | 2 | 25 | 8,82 | 0,45 |
| Пример 26 | 1,3 | 15 | 5 | 99 | CMC | 1 | 25 | 15,3 | 0,15 |
| Пример 27 | 1,3 | 15 | 5 | 99,5 | CMC | 0,5 | 25 | 31,4 | 0,06 |
Как очевидно из результатов таблицы 2 и графика по фиг.4, показывающих взаимосвязь между содержанием связующего вещества и сопротивлением отслаиванию, сопротивление отслаиванию увеличивается пропорционально увеличению содержания связующего вещества. Другими словами, сопротивление отслаиванию может надлежащим образом регулироваться посредством управления содержанием связующего вещества, за счет этого создавая сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, устойчивый к вибрации.
Как следует понимать из результатов таблицы 2 и графика по фиг.5, показывающих взаимосвязь между сопротивлением отслаиванию и коэффициентом термической усадки MD, коэффициент термической усадки понижается по мере того, как увеличивается сопротивление отслаиванию. Причина этого, как считается, заключается в том, что за счет увеличения сопротивления отслаиванию операция уменьшения механического напряжения термоустойчивого изолирующего слоя может быть эффективно передана в пористый базовый слой на основе полимера, дополнительно уменьшая термическую усадку сепаратора.
Выше содержание настоящего изобретения описывается на основе примеров. Тем не менее настоящее изобретение не ограничено его описанием, и специалистам в данной области техники должно быть очевидным, что могут осуществляться различные модификации и улучшения.
Например, настоящее изобретение может применяться не только к вышеуказанным многослойным батареям, но также и к батареям кнопочного типа и к батареям в защитной оболочке. Кроме того, настоящее изобретение может применяться не только к вышеуказанным многослойным (плоским) батареям, но также и к обмоточным (цилиндрическим) батареям. С точки зрения электрического соединения в литий-ионных аккумуляторных батареях настоящее изобретение может применяться к батареям с параллельным внутренним соединением, описанным выше, но также и батареям с последовательным внутренним соединением, к примеру к биполярным батареям. Аккумуляторный элемент общей биполярной батареи имеет конструкцию, в которой биполярные электроды и слои электролита укладываются друг на друга, причем каждый биполярный электрод включает в себя слой активного материала анода, сформированный на одной поверхности токоотвода, и слой активного материала катода, сформированный на другой его поверхности.
Промышленная применимость
Согласно настоящему изобретению, можно предоставлять безопасный сепаратор, который демонстрирует превосходное сопротивление термической усадке при обеспечении функции отключения.
Перечень ссылочных позиций
1 - сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой
3 - пористый базовый слой на основе полимера
5a, 5b - термоустойчивый изолирующий слой
7a, 7b - неорганическая частица
9a, 9b - связующее вещество
10 - литий-ионная аккумуляторная батарея
11 - анодный токоотвод
11a - самый внешний анодный токоотвод
12 - слой активного материала анода
13 - слой электролита
14 - катодный токоотвод
15 - слой активного материала катода
16 - слой единичного аккумулятора
17 - вырабатывающий электроэнергию элемент
18 - анодная токоотводная пластина
19 - катодная токоотводная пластина
20 - анодный контактный вывод
21 - катодный контактный вывод
22 - пленка-ламинат
1. Сепаратор, имеющий термоустойчивый изолирующий слой, содержащий:
пористый базовый слой на основе полимера; и
термоустойчивый изолирующий слой, который расположен на, по меньшей мере, одной стороне пористого базового слоя на основе полимера и содержит неорганические частицы и связующее вещество,
при этом пористый базовый слой на основе полимера содержит полимер, имеющий температуру плавления 120-200°С, и
отношение основного веса термоустойчивого изолирующего слоя к основному весу пористого базового слоя на основе полимера составляет не менее 1,3, причем основной вес представляет собой вес на один квадратный метр и его единицей измерения является г/м2.
2. Сепаратор по п. 1, в котором отношение основного веса термоустойчивого изолирующего слоя к основному весу пористого базового слоя на основе полимера составляет не более 2,0.
3. Сепаратор по п. 1, в котором сопротивление отслаиванию между пористым базовым слоем на основе полимера и термоустойчивым изолирующим слоем составляет не менее 0,1 мН/мм.
4. Сепаратор по п. 3, в котором сопротивление отслаиванию составляет не менее 2,0 мН/мм.
5. Сепаратор по п. 1, в котором неорганические частицы включают в себя, по меньшей мере, одно из группы, состоящей из оксидов, гидроксидов и нитридов циркония, алюминия, кремния и титана, а также их смеси и составного соединения.
6. Сепаратор по п. 1, в котором материал, составляющий пористый базовый слой на основе полимера, включает в себя, по меньшей мере, одно из группы, состоящей из полиэтилена, полипропилена и сополимера этилена и пропилена.
7. Сепаратор по п. 1, в котором пористый базовый слой на основе полимера включает в себя, по меньшей мере, одно из группы, состоящей из тканого материала, нетканого материала и микропористой мембраны.
8. Сепаратор по п. 1, в котором неорганические частицы включают в себя цирконий.
9. Электрическое устройство, содержащее сепаратор по п. 1.
