隔膜、電極元件、電能存儲(chǔ)裝置和用于制造隔膜的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種具有包含無(wú)機(jī)材料的襯底的隔膜以及使用該隔膜的電子元件和 電能存儲(chǔ)裝置。本發(fā)明還涉及一種用于制造隔膜的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著筆記本個(gè)人計(jì)算機(jī)、蜂窩電話、電動(dòng)車輛等的市場(chǎng)的迅速擴(kuò)張，例如電容器和 二次電池的電能存儲(chǔ)裝置被積極研宄。其中，鋰離子二次電池由于能夠存儲(chǔ)較大量的能量 而具有吸引力。當(dāng)前，需要具有更高能量密度的電池，且作為符合這些需要的候選者，提出 使用例如錫和硅的金屬或這些金屬的合金和氧化物作為負(fù)電極活性材料。然而，具有較高 能量密度的電池的可釋放能量較大，且因此需要更深入地考慮到安全性。
[0003] 舉例來(lái)說(shuō)，在例如鋰離子二次電池的電能存儲(chǔ)裝置中，隔膜防止正電極板與負(fù)電 極板之間的短路，且起有效地迀移鋰離子的作用。迄今為止，主要使用由聚丙烯材料或聚乙 烯材料制成的基于聚烯烴的微孔隔膜。這是因?yàn)檫@些材料所擁有的關(guān)閉效應(yīng)（shut-down effect)在電池發(fā)熱時(shí)有助于安全性。然而，將聚乙烯材料用于高能量密度的電池導(dǎo)致隔膜 在獲得關(guān)閉效應(yīng)之前熔融，且可能導(dǎo)致發(fā)生大面積的電極之間的短路。
[0004] 已研宄將由無(wú)機(jī)材料制成的襯底，具體來(lái)說(shuō)，由機(jī)織織物制成的襯底，且更具體來(lái) 說(shuō)，玻璃布，用作熱阻高且強(qiáng)度高的隔膜襯底。玻璃布的強(qiáng)度高，且用于電子板的材料的無(wú) 堿玻璃（E玻璃）的熔點(diǎn)高達(dá)800°C或更高。玻璃布不具有基于聚烯烴的微孔隔膜所擁有的 關(guān)閉效應(yīng)，但與有機(jī)聚合物相比，熔點(diǎn)顯著較高，且因此有時(shí)安全性相當(dāng)優(yōu)良。
[0005] 玻璃布是通過(guò)機(jī)織通過(guò)使玻璃纖維成束來(lái)制備的紗而獲得的產(chǎn)品，且因此玻璃布 的切割處理有時(shí)使始于切割部分的紋理塌陷被磨損，或玻璃布有時(shí)在電能存儲(chǔ)裝置的組裝 步驟中變形。當(dāng)玻璃布經(jīng)受垂直于玻璃布的表面的力時(shí)，紋理張開(kāi)，而導(dǎo)致有可能正電極板 和負(fù)電極板相互短路。因此，為了增強(qiáng)玻璃布，已研宄由玻璃布和有機(jī)聚合物材料（具體來(lái) 說(shuō)，熱塑性聚合物材料）構(gòu)成的復(fù)合材料。
[0006] 專利文獻(xiàn)1(JPH10-12211A)公開(kāi)一種用于電池隔膜的復(fù)合膜，該復(fù)合膜是通過(guò)在 由具有特定高分子量的聚烯烴制成的聚烯烴微孔膜上層疊由具有特定物理特性的玻璃纖 維制成的機(jī)織織物或非機(jī)織織物而制備的。層疊處理是通過(guò)常規(guī)壓延處理來(lái)執(zhí)行的。
[0007] 專利文獻(xiàn)2(JP4831937)描述一種隔膜，其中玻璃布用作襯底，且由有機(jī)聚合物 制成的層作為粘合劑而與襯底的前側(cè)和后側(cè)集成。作為有機(jī)聚合物，例如列舉聚偏氟乙烯、 聚偏氟乙烯共聚物或聚偏氟乙烯作為實(shí)例。以這種方式，賦予了增強(qiáng)和防過(guò)充功能。
[0008] 專利文獻(xiàn)3(JP2004-269579A)公開(kāi)一種玻璃纖維織物增強(qiáng)的聚烯烴微孔膜作為 適用于鋰電池的隔膜的微孔膜，該玻璃纖維織物增強(qiáng)的聚烯烴微孔膜是通過(guò)如下工藝而獲 得的：將由聚烯烴和溶劑構(gòu)成的組合物所形成的膜層疊加在玻璃纖維織物上且壓制到玻璃 纖維織物，以使玻璃纖維織物浸漬有組合物，且隨后使所浸漬的玻璃纖維織物冷卻，且接著 從相關(guān)織物移除溶劑，而產(chǎn)生預(yù)期的微孔膜。
[0009] 而且對(duì)于鉛蓄電池來(lái)說(shuō)，還已經(jīng)從機(jī)械強(qiáng)度的觀點(diǎn)研宄了包含玻璃纖維織物的隔 膜。在鉛蓄電池的隔膜中，玻璃纖維織物用作支撐材料來(lái)支撐吸收和固定電解物質(zhì)（電解 質(zhì)）的纖維層。作為密閉型鉛蓄電池的隔膜，專利文獻(xiàn)4(JP2005-503652A)公開(kāi)玻璃纖維 作為吸收和固定電解物質(zhì)（電解質(zhì)）的纖維層，且還公開(kāi)玻璃纖維織物作為纖維層的支撐 層。
[0010] 現(xiàn)有技術(shù)參考
[0011] 專利文獻(xiàn)
[0012]專利文獻(xiàn)1:JPH10-12211A
[0013]專利文獻(xiàn)2:JP 4831937
[0014]專利文獻(xiàn)3:JP 2004-269579A
[0015]專利文獻(xiàn)4:JP 2005-503652A

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 技術(shù)問(wèn)題
[0017] 在基于聚烯烴的微孔隔膜中，聚丙烯或聚乙烯材料自身不具有離子電導(dǎo)率，且因 此需要使隔膜的空隙和孔的大小較大以便提高鋰離子電導(dǎo)率。聚丙烯或聚乙烯材料的熔點(diǎn) 是180°C或更低，且已指出在高溫時(shí)發(fā)生熱收縮，且可能發(fā)生短路。
[0018] 如專利文獻(xiàn)1到專利文獻(xiàn)3中所描述，通過(guò)組合有機(jī)聚合物膜和例如玻璃的無(wú)機(jī) 材料的機(jī)織織物而產(chǎn)生的復(fù)合材料使隔膜整體的形狀由無(wú)機(jī)材料維持，且因此對(duì)熱收縮的 抗性增大。無(wú)機(jī)材料的機(jī)織織物的紗線被固定到有機(jī)聚合物膜，且因此從切割部分開(kāi)始的 磨損未被引起。
[0019] 然而，由有機(jī)聚合物膜和例如玻璃的無(wú)機(jī)材料的機(jī)織織物構(gòu)成的復(fù)合膜的離子電 導(dǎo)率幾乎不受控制。通常，無(wú)機(jī)材料的機(jī)織織物的開(kāi)口的大小大，因此，當(dāng)在電極表面上存 在異常突起時(shí)，經(jīng)由開(kāi)口而發(fā)生電極之間的短路，或外力使電極變形，且因此有機(jī)聚合物膜 被組合以防止短路。然而，即使在使用對(duì)電解質(zhì)具有膨脹特性的有機(jī)聚合物膜時(shí)，電解質(zhì)的 離子電導(dǎo)率仍小于lms/cm，且電池的內(nèi)阻的增大被引起?？商孢x地，當(dāng)電池例如偶然暴露到 高溫時(shí)，有機(jī)聚合物膜收縮，且因此無(wú)法覆蓋無(wú)機(jī)材料的機(jī)織織物的開(kāi)口，且因此電極之間 的短路可能被引起。
[0020] 另一方面，專利文獻(xiàn)4中所描述的隔膜（用于密閉型蓄電池，其中纖維層及其支撐 層是由玻璃纖維構(gòu)成）不包含有機(jī)聚合物膜，且因此可預(yù)期具有高熱阻。然而，纖維層具有 吸收且保留電解質(zhì)的功能，且因此需要具有200ym或更大的厚度。因此，正電極和負(fù)電極 廣泛地相互分開(kāi)，且電池的內(nèi)阻變得大。使用厚隔膜的電池的每單位體積和單位重量的可 充電能量密度低。
[0021] 本發(fā)明的目標(biāo)是提供用于電池的各種重要性能（例如，電極之間的短路的減少和 令人滿意的離子電導(dǎo)率，這是基于使用無(wú)機(jī)材料以便不會(huì)在高溫時(shí)發(fā)生熱收縮）優(yōu)良的隔 膜，和提供電極元件以及電能存儲(chǔ)裝置。本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供用于制造如上所述的該 隔膜的方法。
[0022] 技術(shù)方案
[0023] 本發(fā)明人進(jìn)行深入研宄以便實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，且因此已發(fā)現(xiàn)，至少通過(guò)層疊通過(guò)使 用無(wú)機(jī)材料而形成的層以及由無(wú)機(jī)纖維構(gòu)成的層，獲得了具有令人滿意的離子電導(dǎo)率的隔 膜，同時(shí)還防止了電極之間的短路。
[0024] 為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明的隔膜是一種用于電極元件的隔膜，該電極元件具有 設(shè)置為彼此面對(duì)的正電極和負(fù)電極，該隔膜具有：襯底，至少包含通過(guò)使用無(wú)機(jī)材料而形成 的以便具有多個(gè)開(kāi)口的層；以及無(wú)機(jī)纖維層，以一種方式層疊在襯底的一個(gè)表面或兩個(gè)表 面上，以使得無(wú)機(jī)纖維層覆蓋開(kāi)口而不阻塞開(kāi)口，其中整個(gè)隔膜的厚度為l〇〇ym或更小。 作為由無(wú)機(jī)材料形成的層，優(yōu)選使用由無(wú)機(jī)纖維制成的機(jī)織織物或針織織物，具體來(lái)說(shuō)，玻 璃布，且無(wú)機(jī)纖維層優(yōu)選包含玻璃纖維。
[0025] 本發(fā)明的電極元件具有本發(fā)明的隔膜，以及設(shè)置為彼此面對(duì)的正電極和負(fù)電極， 其中隔膜介于正電極與負(fù)電極之間。
[0026] 本發(fā)明的電能存儲(chǔ)裝置具有本發(fā)明的電極元件、電解質(zhì)以及包括電極元件和電解 質(zhì)的外封裝。
[0027] 本發(fā)明還提供用于制造隔膜的方法。本發(fā)明的用于制造隔膜的方法是用于制造 用于電極元件的隔膜的方法，該電極元件具有設(shè)置為彼此面對(duì)的正電極和負(fù)電極，該制造 方法包含：準(zhǔn)備襯底，該襯底至少包含通過(guò)使用無(wú)機(jī)材料而形成的以便具有多個(gè)開(kāi)口的層； 以及將無(wú)機(jī)纖維層層疊在襯底的一個(gè)表面或兩個(gè)表面上，其中襯底的厚度和無(wú)機(jī)纖維層的 厚度被選擇成使整個(gè)隔膜的厚度為100ym或更小。
[0028] 有益效果
[0029] 根據(jù)本發(fā)明，能夠提供各種性能優(yōu)良的隔膜、電極元件和電能存儲(chǔ)裝置，以使得離 子電導(dǎo)率令人滿意，且電極元件和電能存儲(chǔ)裝置中的電極之間的短路的發(fā)生被大幅減少。 在制造過(guò)程中，成品率提高，且處置容易，且因此電極元件和電能存儲(chǔ)裝置的生產(chǎn)率可提 尚。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 圖1是二次電池的分解的斜向透視圖，該二次電池是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的電能 存儲(chǔ)裝置。
[0031] 圖2是圖1所示的電極元件的示意性分解圖。
[0032] 圖3是圖2所示的正電極和負(fù)電極的一組示意性截面圖。
[0033] 圖4是圖2所示的隔膜的實(shí)例的示意性截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 本發(fā)明的實(shí)施例涉及一種用于電極元件的隔膜，該電極元件具有設(shè)置為彼此面對(duì) 的正電極和負(fù)電極，該隔膜包含：襯底，至少包含通過(guò)使用無(wú)機(jī)材料而形成的以便具有多個(gè) 開(kāi)口的層；以及無(wú)機(jī)纖維層，其層疊在襯底的一個(gè)表面或兩個(gè)表面上，以便覆蓋開(kāi)口而不阻 塞開(kāi)口，其中整個(gè)隔膜的厚度為100ym或更小。本發(fā)明的另一實(shí)施例涉及具有隔膜的電極 元件和電能存儲(chǔ)裝置。本發(fā)明的又一實(shí)施例涉及一種用于制造用于電極元件的隔膜的方 法，該電極元件具有設(shè)置為彼此面對(duì)的正電極和負(fù)電極，該制造方法包含：準(zhǔn)備襯底，該襯 底至少包含通過(guò)使用無(wú)機(jī)材料而形成的以便具有多個(gè)開(kāi)口的層；以及將無(wú)機(jī)纖維層層疊在 襯底的一個(gè)表面或兩個(gè)表面上，其中襯底的厚度和無(wú)機(jī)纖維層的厚度被選擇成使整個(gè)隔膜 的厚度為100ym或更小。
[0035] 下文中，描述上述個(gè)別構(gòu)成構(gòu)件和構(gòu)成材料。
[0036] 〈隔膜〉
[0037] 隔膜具有襯底，該襯底至少包含通過(guò)使用無(wú)機(jī)材料而形成的層。隔膜與電解質(zhì)一 起存在于正電極與負(fù)電極之間，且被構(gòu)成為在防止正電極與負(fù)電極之間的短路的同時(shí)具有 離子電導(dǎo)率。襯底中所包含的由無(wú)機(jī)材料形成的層不具有電導(dǎo)率，而隔膜自身具有離子電 導(dǎo)率。隔膜優(yōu)選幾乎不受電解質(zhì)影響。隔膜所需的強(qiáng)度和形狀保