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公開番号2023012514
公報種別公開特許公報(A)
公開日2023-01-25
出願番号2022175953,2022014114
出願日2022-11-02,2012-05-18
発明の名称単層リチウムイオンのバッテリーセパレーターを製造する方法
出願人ドリームウィーバー・インターナショナル・インコーポレイテッド
代理人個人
主分類H01M 50/403 20210101AFI20230118BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】低い透気抵抗と小さな細孔サイズを同時に与え、さらには全体的にかつ比較的に等方性のレベルでの高い引張り強度を有し、その一方で、適切な化学的安定性、構造保全性、寸法安定性、および製造上の容易さをもたらすバッテリーセパレーターを提供する。
【解決手段】マイクロファイバーとナノファイバーからなる不織布配合物を含むポリマーのバッテリーセパレーターであって、前記ナノファイバーは1000nm未満の平均の直径を有し、前記マイクロファイバーは3000nmよりも大きな直径を有し、そして前記ナノファイバーとマイクロファイバーは混ざり合っていて、それにより前記ナノファイバーの少なくとも一部が前記マイクロファイバーの間の隙間の中に存在する単層のセパレーター。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項1】
単層でポリマーのバッテリーセパレーターを製造する方法であって、この方法は下記の工程:
ポリマーのマイクロファイバーとナノファイバーからなる最初のスラリーを用意すること;
前記スラリーを高剪断湿式堆積不織布製作プロセスに供し、それにより前記ナノファイバーを前記マイクロファイバーともつれさせて単層の不織布を形成させること;
を含み、このとき、前記不織布は、不織布を形成する前に前記最初のスラリーの中に導入されるナノファイバーの量を決める平均の細孔サイズを示す、製造方法。
続きを表示(約 350 文字)【請求項2】
前記最初のスラリーの中に存在するマイクロファイバーとナノファイバーは、前記マイクロファイバーからナノファイバーを取り出すフィブリル化プロセスの生成物である、請求項1に記載の方法。
【請求項3】
前記最初のスラリーを前記湿式堆積不織布製作プロセスに供する前に前記最初のスラリーにポリマーのマイクロファイバー、ポリマーのナノファイバー、およびこれらの混合物または組み合わせからなる群から選択される第二の繊維を導入する追加の工程を含み、そのように第二の繊維を追加することによって、第二の繊維を用いることなく同じ製造条件に従って前記不織布製作プロセスを行って製造された不織布の特性と比較して、得られる不織布の平均流量細孔サイズが変化する、請求項2に記載の方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、網目状にからまったマイクロファイバーとナノファイバーからなる単層で構成される絶縁性(非導電性)で微孔質のポリマーバッテリーセパレーターに関する。このようなセパレーターは、単一の不織布の全体で多孔度と細孔のサイズを任意の所望のレベルに順応させる性能を与える。その結果、本発明のセパレーターは、未達成のレベルの低い多孔度と小さな細孔サイズを有する高強度の材料を可能にする。高剪断加工を介してのポリマーマイクロファイバーのマトリックスの内部および/またはそのような支持体の上でのポリマーナノファイバーの組み合わせも、そのような利益を提供する。セパレーター、そのようなセパレーターを含むバッテリー、そのようなセパレーターを製造する方法、およびバッテリー装置の中でそのようなセパレーターを用いる方法は全て本発明に包含される。
続きを表示(約 4,300 文字)【背景技術】
【0002】
バッテリーは、遠隔の位置における電力発生器として長年にわたって利用されてきた。電極(アノードとカソード)の間での電解質(イオン)の制御された移動によって電力回路が発生し、それにより、電解質の供給源が消耗してそれ以上の電気の発生ができなくなるまで利用できる電気の供給源が与えられる。近年において、再充電が可能なバッテリーが創案され、そのような遠隔の電源としての長寿命化を可能にしたが、そのようなバッテリーを他の電気供給源に一定の期間にわたって接続する必要性がある。しかし、概していえば、そのようなバッテリーを再使用できることは使用のための大きな可能性をもたらし、特に携帯電話やラップトップコンピューターの利用、さらには、機能するのに電気だけを必要とする自動車の実現性をもたらした。
【0003】
このようなバッテリーは典型的に、少なくとも5つの別個の構成要素を有する。ケース(または容器)は、外部への漏れと内部での環境への曝露を防ぐために、安全で信頼できるやり方で全てのものを収容する。ケースの内部にはアノードとカソードがあり、これらはセパレーターによって有効に分離されていて、またアノードとカソードの間でセパレーターの全体での輸送、および/またはセパレーターを通しての輸送を行う電解質溶液(低粘度の液体)がある。今日およびおそらくは将来の再充電可能なバッテリーは、かなり小さくて携帯式の装置の全てを動作させるものであろうが、しかしそれは、自動車の内部に存在するかなり多くのタイプのものについて充電の時期の間の長期間にわたって有効であるようにするために、かなりの電気を発生させる可能性を伴い、そのようなタイプのものの例としては、互いに接触してはならない(少なくとも表面積において)大型の電極や、必要な回路を完結させるための隔膜を持続的かつ定常的に通過する必要のある大量の電解質があり、これらの全てが自動車のエンジンを駆動させるのに十分な電気を供給する助けとなる電力を発生させるレベルのものでなければならない。従って、将来のバッテリーセパレーターの性能と可能性は、現在の工業において未だに提供されていない一定の要件を満たすものでなければならない。
【0004】
概していえば、独立セル型のバッテリーが出現して以来、電極どうしの間の望ましくない接触からの必要な保護を与えるためと、電力を発生させる電池の中で電解質を有効に輸送するために、バッテリーセパレーターが用いられてきた。典型的に、そのような材料は薄膜の構造のものであり、バッテリー装置の重量と容積を低減させるために十分に薄く、それと同時に、上述した必要な特性を付与するものであった。そのようなセパレーターは他の特性を発揮し、また適切なバッテリー機能を可能にするものでなければならない。これらには、化学安定性、イオン種についての適切な多孔度、電解質の輸送のための有効な細孔サイズ、適切な透過性、有効な機械的強度、および高温に晒されたときの(また、温度が異常なほど高いレベルまで上昇した場合に停止する可能性に対する)寸法安定性と機能安定性を保持する能力が含まれる。
【0005】
次に、さらに詳しく述べると、セパレーター材料は多くの異なる場面に耐えられるほど十分な強度と構造を有するものでなければならない。第一に、セパレーターはバッテリーを組み立てる際の応力に対して引裂きや穿刺を受けてはならない。この意味で、セパレーターの全体的な機械的強度は極めて重要であり、特に、縦方向と横方向(すなわち、横断方向)の両方で高い引張り強さの材料が、製造者がそのようなセパレーターを容易に、またそのような重要な工程においてセパレーターが構造的な破損や喪失を受けないための厳重なガイドラインを用いずに扱うことを可能にする。さらに、化学的な観点から、セパレーターは、バッテリー自体の中で(特に十分に充電されたとき)酸化性と還元性の環境に耐えなければならない。使用している間のいかなる破損も、特に構造上の保全性に関して、異常に多くの量の電解質を通過させ、あるいは電極が接触することにさせてしまい、これにより電力の発生能力を破壊し、またバッテリーを全く無能なものにするだろう。従って、気候的かつ化学的な曝露に対する性能以上に、そのようなセパレーターは、貯蔵、製造および使用の間のいずれにおいても、上で述べたのと同様の理由から、寸法安定性(すなわち、ゆがみや溶融)または機械的強度を失ってはならない。
【0006】
しかし同時に、バッテリー自体の高いエネルギーと出力密度の発揮を容易にするために、本質的にセパレーターは適切な厚さを有していなければならない。均一な厚さであることは長いサイクル寿命を可能にするためにも非常に重要であり、セパレーター上のいかなる不均一な摩耗も、適切な電解質の通過と電極の接触に対する保護に関して、不十分な連結を生じさせるだろう。
【0007】
さらに、このようなセパレーターは、そのような隔膜を通してのイオンの適切な輸送と調和するための適切な多孔度と細孔サイズを示さなければならない(また、それら多孔度と細孔サイズは、使用する間のそのようなイオンの輸送を容易にするための一定量の液体電解質を保持するための適切な収容力とも調和しなければならない)。細孔自体は、電極の要素が隔膜を通して侵入および/または通過するのを防ぐために十分に小さくなければならず、また一方で、上述したように、電解質イオンの適切な移動速度を可能にしなければならない。さらに、上述したように、バッテリーセパレーター上の均一な摩耗が、少なくともそのようなシステムにおいて最良に制御された場合に長期間のサイクル寿命を可能にするように、細孔サイズならびに細孔サイズの分布の均一さが、長期間にわたる電力の均一な発生ならびにバッテリー全体についての信頼できる長期間の安定性を提供する。加えて、異常なほどの高温に晒されたときに中の細孔が適切に閉じて、それによりバッテリーが破損したときに過剰で望ましくないイオンの移動が防がれること(すなわち、火災やその他の同様な危険から守られること)が保証されることが有利であろう。
【0008】
さらに、細孔のサイズと分布はセパレーターの透気抵抗(air resistance)を増大または低下させるかもしれないが、それは、バッテリー自体の中に存在する電解質を適切に通過させるセパレーターの性能を示すものであるセパレーターの単純な寸法を示す。例えば、平均流量細孔サイズ(mean flow pore size)をASTM E-1294に従って測定することができて、この寸法はセパレーターのバリヤー特性を測定するのを助けるために用いることができる。すなわち、細孔サイズが小さいとき、細孔自体の剛性(すなわち、長期間にわたって使用する間に、また設定圧力に晒されたときに、細孔が一定のサイズを維持する能力)は、電極の分離の効果的な制御も可能にする。さらに重要なことは、おそらく、アノード上で結晶(例えば、黒鉛アノード上でのリチウム結晶)が形成する機会(これは、必要な回路の生成を損ない、また長期間にわたるバッテリーの電力発生能力に悪影響を及ぼすであろう)を少なくするために、そのような細孔サイズのレベルが電解質の透過性を制限する能力である。
【0009】
さらに、セパレーターは、製造、貯蔵および使用する間に電解質が電池の全体を十分に満たす能力を損なってはならない。すなわち、電解質が実際に適切にイオンを発生させて隔膜を通してイオンを確実に移動させるために、セパレーターはそれらの段階において適切な吸収性および/または湿潤性を発揮しなければならない。そのような状況においてセパレーターが伝導性でない場合は、電解質はセパレーターの上および中に適切に存在することができず、必要なイオンの伝達は、少なくとも理論上は容易には起こらないであろう。
【0010】
この場合、有効なバッテリーセパレーターの一般的な目的は、電極が接触するあらゆる可能性を徹底的に少なくするが、しかしバッテリーセルの一方の位置から他方の位置への電解質の移動を制御する(すなわち、必要な電力を発生させるために回路を閉じる)能力を備えた材料を提供するために、低い透気抵抗を有し、それと同時に極めて小さな細孔サイズを有することである。現在のところ、それらの特性は同時に効果的には提供されていない。例えば、セルガード(Celgard)は、極めて小さな細孔サイズを有する発泡フィルム(expanded film)のバッテリーセパレーターを発表し販売していて、これは上述した点では非常に良好であるが、しかし、そのような材料について対応する透気抵抗は極めて高く、そのため、そのようなセパレーターの全体的な有効性を制限している。それに対して、デュポン(duPont)はナノファイバーの不織隔膜セパレーターを市販していて、これは極めて低い透気抵抗を与えるが、しかしその細孔サイズは非常に大きい。さらに、これら二つの材料が示す全体的な機械的強度は極めて限定的である。セルガードのセパレーターは縦方向で優れた強度を有するが、しかし横方向(横断方向)での強度はほぼゼロである。そのような低い横方向強度は、少なくとも上で述べた点では、製造する際に非常に繊細な扱いを必要とする。デュポンの材料は、強度が両方向でかなり低いことを除けば、やや良好であり、セルガードの材料よりも高い横方向強度を有する。実際には、デュポンの製品は等方性の材料(縦方向と横方向の両方でほぼ同じ強度を有する材料)に近く、従って、セルガードのタイプよりも扱いに関しては信頼性の高い材料である。しかし、デュポンのセパレーターの測定された引張り強度は実際には極めて低く、従って、使用者はやはり製造する際にその材料を注意深く操作し、そして設置することを強いられる。同様に、これらの先行技術のバッテリーセパレーターの寸法安定性は、これらの引張り強度の問題のためにかなり疑わしく、再充電可能なバッテリーセルの中にあるとき、長期間にわたっては、材料が構造上の保全性を望ましくないほどに失う可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
(【0011】以降は省略されています)

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