[發明專利]交聯多層多孔聚合物隔膜電池分隔件

在審

• 申請號: 201310757409.3
• 申請日: 2013-12-04
• 公開（公告）號: CN104425790A
• 公開（公告）日: 2015-03-18
• 發明（設計）人: X·黃
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
• 主分類號: H01M2/16
• 分類號: H01M2/16;B32B27/08;B32B37/10
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 鄧雪萌;譚祐祥

技術領域

本公開涉及用于電池應用，特別是用于鋰離子電池應用的兩層和三層多孔聚烯烴分隔件隔膜。更具體地，本公開涉及制備這種多膜層分隔件，其包括與提供過熱擊穿承受能力的非交聯聚烯烴層共擠的至少一個耐高溫交聯聚烯烴層。共擠的聚合物層(分隔件前體)均包含分散的碳氫化合物液體(油)塑化劑。拉伸共擠膜，并且從所述膜層提取塑化劑以在分隔件隔膜中提供合適的孔結構。

背景技術

二次液態電解質電池一般包括至少一個電化學電池單元，該電化學電池單元包括負電極、正電極以及位于電極之間的分隔件。正電極和負電極由能夠參與氧化和還原反應的材料構成。這種電極材料允許電流在外部電路中的電極之間可逆地通過，而離子種類在電池單元內通過液態電解質內的分隔件在電極之間轉移以通過電化學的方式平衡外部電子流流動。這些并發的電流和離子流在電池單元放電期間自發地發生。在電池單元放電期間，氧化作用在負電極自發地發生且還原作用在正電極發生。逆反應在電池單元充電階段強制進行，其中氧化作用發生在正電極且還原作用發生在負電極。電池單元放電期間產生的電流可用于至少部分地為電負載供電，而一旦電池單元的電流容量已經降至不期望的水平，外部電源施加的電壓可用于為電池單元充電或者重新供電。

例如，鋰離子電化學電池單元被用于很多二次液態電解質電池。在鋰離子電池單元的一個實例中，電解質包括合適的鋰化合物，如LiPF₆，其溶解于非水性有機液體中。陽極可以包括合適地結合到薄金屬集電器條上的石墨薄層。鋰在電池單元充電期間被插入石墨層中。并且陰極包括合適的鋰化合物薄層，其也結合到薄金屬集電器條上，用于接收在電池單元放電期間通過電解質從陽極傳送至陰極的鋰離子。薄多孔聚合物分隔件隔膜放置在陽極層和陰極層之間。

分隔件通過在兩個電極之間提供多孔且電絕緣的機械支撐屏障而便于進行電化學電池單元操作。分隔件一般具有多孔性，其足以包含液態電解質(其能在電極之間傳送離子種類)，并且其是熱、化學和機械穩定的足以在很多放電／充電電池單元循環的進程中將接近隔開的相對的正電極和負電極分開，從而防止短路。多種材料，單獨地或者彼此組合地，已經被利用或者被研究以用于構成分隔件，目的在于對不同工作環境內的分隔件賦予長期操作可靠性。當今最普遍使用的分隔件由單個平的熱塑性聚烯烴隔膜片或者若干平的聚烯烴隔膜片的層壓物制成。通常采用的具體熱塑生聚烯烴是從諸如聚丙烯和聚乙烯的簡單的低碳烯烴中衍生出來的。

為了與電負載和外部電源相互作用，電化學電池單元被配置為連接到外部電路上，該電路在電化學電池單元外部的正電極和負電極之間提供電流路徑。例如，正電極和負電極中的每個通常與金屬集電器相關聯，其幫助分配通過外部電路到達電極的所有電化學活性區域的電流或從電極的所有電化學活性區域通過外部電路的電流。連接特征(如連接器耳片)可被包括在每個金屬集電器上。連接特征可遠離電化學電池單元突起以操作地與外部電路建立電連接。這通常通過將與負電極和正電極相關聯的突起連接特征分別連接到負端子和正端子上而完成，其與其他電化學電池單元相關聯的連接特征成串聯或者并聯關系。然而，如果二次液態電解質電池僅包括一個電化學電池單元，那么可不需要負端子和正端子。

例如，在汽車應用中，許多鋰離子電化學電池單元可以串聯和并聯電路連接方式相互連接，以形成二次電池，該二次電池能夠以相對高的電壓將大量電力傳輸至牽引馬達以用于驅動車輛。電池在車輛環境下經受環境加熱和冷卻。并且每個電池單元的薄電極和分隔件元件由于大量的電力負荷需求也要經歷加熱，并且經受很多反復的放電和再充電循環。車輛具有用于將電池溫度控制在具體的操作溫度范圍內的冷卻系統。但是車輛電池在不正常使用條件下會經歷顯著加熱，其中電池可能被物理損壞。例如，薄聚烯烴分隔件可暴露于高溫下，高溫將它們軟化并降低它們在保持接近地隔開的陽極層和陰極層合適地分開的有效性。在高溫下聚烯烴分隔件經歷的收縮也會增加電池短路的風險。這就需要考慮能夠形成堅固的、耐高溫的以及電化學有效的分隔件隔膜或薄層的其他材料。

發明內容