[發(fā)明專利]具有Z方向穩(wěn)定性的電池隔板

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310544699.3
• 申請(qǐng)日: 2005-10-18
• 公開（公告）號(hào): CN103633271B
• 公開（公告）日: 2017-11-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張正銘;科虎·V·恩谷晏;潘卡基·阿勞拉;羅納德·W·考爾;唐納德·K·司蒙斯;稻田
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 賽爾格有限責(zé)任公司
• 主分類號(hào): H01M2/16
• 分類號(hào): H01M2/16
• 代理公司: 北京王景林知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11320
• 代理人: 王景林

該申請(qǐng)是分案申請(qǐng)，原申請(qǐng)?zhí)柺?00580035977.6；原申請(qǐng)的國際申請(qǐng)?zhí)柺荘CT/US2005/037135，國際申請(qǐng)日是2005年10月18日，進(jìn)入中國國家階段的日期是2007年4月20日；原申請(qǐng)的發(fā)明名稱是《具有Z方向穩(wěn)定性的電池隔板》。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及防止在電池例如鋰電池中的“突然”熱失控。

發(fā)明背景

在電池例如鋰離子電池中，熱失控(thermal runaway)是潛在的問題。熱失控可由電池的陽極和陰極之間的直接接觸引起，其中在正常循環(huán)中由于陽極和陰極的體積變化形成的內(nèi)力導(dǎo)致陽極和陰極直接接觸，這又導(dǎo)致快速放熱。快速放熱可導(dǎo)致點(diǎn)燃陽極/電解液、陰極/電解液、陽極/陰極或電解液/電解液的熱化學(xué)反應(yīng)。點(diǎn)燃方案對(duì)電池導(dǎo)致危險(xiǎn)的情況。

熱失控可以分為：'突然的'熱失控或'延遲的'熱失控。突然的熱失控是指極快的放熱，即，在開始之后小于1秒之內(nèi)出現(xiàn)。延遲的熱失控是指在開始之后3秒以上出現(xiàn)的放熱。在鋰離子電池中，大于99％的故障是由熱失控導(dǎo)致的。可以通過利用'關(guān)閉'隔板(例如，通過孔隙閉合響應(yīng)增熱的隔板，孔隙閉合使陽極和陰極之間的離子流停止)，或通過從電池中的快速散熱，預(yù)防延遲的熱失控。然而，突然的熱失控還沒有得到成功地處理。

Li離子電池的突然熱失控可以在如下的電池安全試驗(yàn)中模擬：'釘穿透'試驗(yàn)或'壓裂'試驗(yàn)('壓裂'試驗(yàn)包括：球壓裂、棒壓裂和板壓裂)。在每一個(gè)這些試驗(yàn)中，通過釘、球、棒或板施加的外力可以施加于電池的外殼(或'罐')，這又可以使陽極和陰極直接接觸。

上述安全試驗(yàn)加劇了已經(jīng)存在于電池外殼內(nèi)的緊密安裝的狀態(tài)。例如，鋰離子電池最常見地是制成圓柱形和棱柱形。在無電解液的情況下，將陽極/隔板/陰極纏繞或折疊成形，然后將其安裝到它們的外殼(罐)中并且封閉(capped shut)。當(dāng)添加電解液時(shí)，陽極/隔板/陰極膨脹。這導(dǎo)致罐內(nèi)的內(nèi)力增加。隨后，在'形成'的過程中(也就是當(dāng)對(duì)電池起始充電時(shí))，陽極和陰極再次膨脹(例如，陽極可膨脹約10％，并且陰極可膨脹約3％)。在形成過程的膨脹又導(dǎo)致罐內(nèi)的內(nèi)力增加。這些內(nèi)力，如從上述的釘穿透和壓裂試驗(yàn)的那些，指向電池的中心。當(dāng)對(duì)罐施加外力時(shí)，那些力也指向電池的中心。結(jié)果是在電池內(nèi)部形成異常的壓力，并且這些壓力通過壓縮放置于其中的微孔膜隔板使陽極和陰極直接接觸。

使用微孔膜作為電池隔板是熟知的。例如，將微孔膜用作鋰離子電池中的電池隔板。這種隔板可以是由聚烯烴制造的單層或多層薄膜。這些隔板通常具有‘關(guān)閉'性能，以致于當(dāng)電池的溫度達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)，膜的孔隙關(guān)閉，并且由此防止電池的電極之間的離子流動(dòng)。電池中增加的溫度是由內(nèi)部短路即陽極和陰極的直接接觸引起的。直接接觸可以由例如在電池制造過程中電池的物理損壞、隔板的損壞、枝狀結(jié)晶的生長、過充等引起。同樣地，隔板、薄(例如一般約8-25微米的厚度)的微孔膜必須具有良好的尺寸穩(wěn)定性。

當(dāng)用于電池隔板時(shí)，尺寸穩(wěn)定性是指當(dāng)暴露在高溫時(shí)隔板不收縮或不過度收縮的性能。在平面膜的X和Y軸中觀察這種收縮。這個(gè)術(shù)語到目前為止還沒有指Z方向的尺寸穩(wěn)定性。

當(dāng)用于電池隔板時(shí)，擊穿強(qiáng)度是膜抵抗Z方向擊穿的性能。擊穿強(qiáng)度通過觀察用已知幾何尺寸的可移動(dòng)的針刺穿膜所需的作用力來測量。

到現(xiàn)在，對(duì)于提高這些電池隔板的Z方向的尺寸穩(wěn)定性，還沒有做任何工作。Z方向是指隔板的厚度方向。電池緊密纏繞以便使其能量密度最大化。對(duì)于圓柱形纏繞的電池，緊密纏繞是指：作用力放射狀向內(nèi)，使隔板上的壓縮力橫穿其厚度方向。在增加溫度的情況中，由于隔板的材料開始流動(dòng)并且蒙蔽孔隙，電池的電極可以向彼此移動(dòng)。隨著它們彼此移近時(shí)，直接接觸的風(fēng)險(xiǎn)增加。必須避免電極的接觸。

相應(yīng)地，需要電池隔板，尤其需要具有提高Z方向穩(wěn)定性的鋰離子電池的電池隔板，并且需要能防止或減少突然熱失控故障的電池隔板。