[发明专利]一种电能供应单元及其陶瓷隔离层

说明书

技术领域

本发明有关一种电能供应单元，应用于各种电子装置的供电，特别是指一种具可承受高温的陶瓷隔离层、且维持电子绝缘性并增加离子导电度的电能供应单元。

背景技术

隔离层（膜）在锂电池中扮演关键性的角色，其介于正、负极层之间，以防止电极产生物理性的接触，且其允许自由离子可于其间通过，电子则被隔绝以防止短路发生。其必须对于电解液或是电极材料具有化学以及电化学稳定性；并且必须具有一定的机械强度，使其能忍受电池于组装过程中的高张力强度，并维持两极层之间的间距。就结构上而言，隔离层需具有足够的孔隙度来吸收电解液，以维持较高的离子导电度(Ionic Conductivity)。然而，隔离层会增加电子阻抗，以及占据电池中可利用的空间等不利于电池表现的因素；因此，隔离层的选择在电池表现上（如能量密度、功率密度，循环效能以及安全性等）扮演着重要的角色。

目前商用隔离层材质多为聚烯烃(Polyolefin)，如聚乙烯(PE) 或聚丙烯(PP)为主，然而PE的熔点约为130°C，而PP 的熔点约为160°C ，当电池内部温度高过材质的熔点时，隔离层（膜）会熔化收缩导致极板接触短路，同时引发极层与电解液间的剧烈放热反应，造成电池爆炸。因此，近年来纷纷朝向陶瓷材质的隔离层（膜）来加以开发，倚重陶瓷材料较佳的耐高温以及润湿性的特性。

实际应用上主要有两种型态，首先第一型，如美国专利公告第5,342,709号专利，系直接以陶瓷颗粒为主要材料的陶瓷隔离层，取代习知聚烯烃的隔离层；另一方面，第二型的部份，如美国专利申请案公开第2008/0138700号专利，系先将陶瓷颗粒涂布于PET、PEN、PI等薄膜上而形成陶瓷隔离层。然而，不论上述哪一种型态的陶瓷隔离层，都面临到难以克服的缺失。

首先以第一型为例，从制程上来说，系将陶瓷颗粒藉由接着剂黏着于极层上，因接着剂系统（binder system）与极层的接着剂系统相近，故溶剂（solvent）系统也会相近，在涂布后蒸干溶剂时，因接着剂系统相近而会于接口间排列重整、产生交缠现象，并形成介面孔洞，而此些孔洞将是好的离子通道，但是因为溶剂于短时间内蒸干，很容易因蒸干速度不一，而于部份区域产生较大的孔洞(较大的贯通孔)，而造成微短路现象，使得电池的电子绝缘性降低；因此，由于此接口状态难以有效掌控，因此短路率一直难以有效降低。

再者，以上述第二型为例，目前最常见的接着剂有聚二氟乙烯（Polyvinylidene fluoride；PVDF）、聚偏二氟乙烯－共－三氯乙烯（PVDF-HFP），然而不论是PVDF或是PVDF-HEP，其与PET、PEN、PI等薄膜的接着效果并不佳，陶瓷颗粒很容易剥离无法成膜；再者，此型态的PET、PEN、PI等薄膜上具有孔洞供离子导通（一般为贯通孔较多），然后再藉由陶瓷隔离层涂布于其上来完成电子绝缘，因此一般厚度相较于第一型会较薄。同样的，因为溶剂干燥时速度不均，很有可能会产生较大孔洞，影响其电子绝缘的特性；若是要增加电子绝缘性，则必须将黏着剂的比重提高，但是一旦比重提高，又会影响离子导电度，难以有效取得平衡点；再者，若是要提高陶瓷颗粒的量来增加离子导电度，势必也必须同步增加接着剂的量方能有效黏着，因此一般陶瓷颗粒的含量比重无法提高，最高仅约为40%左右，故整体耐热性较差；同时，离子导电度亦较差。为了解决此一离子导电度的问题，习知亦有于黏着剂中增添有塑性剂或是非溶剂的溶液，于形成隔离膜后再利用物理或是化学的方式加以去除，而能在隔离膜内保留孔洞供离子通过，以增加离子导电度。

同时，因陶瓷颗粒一般含水性高，要去除此一吸附水时，温度至少得加热到190°C以上，但是一般接着剂的熔点并不高，譬如PVDF约为170°C、PVDF-HEP约为120-150°C；因此，一旦加热到190°C以上来去水，则接着剂会熔化，使得陶瓷隔离层内部的孔洞分布状态会改变，使得电荷转移变差，而影响电池的性能。而若是以上述塑性剂等方式所形成的孔洞，则也会因为接着剂熔化，将孔洞予以填补，使得离子导电度无法有效提升。再者，若是于操作过程中达到此一高温状态，则将使接着剂熔化、隔离层崩解，使电池发生短路、故障或是爆炸等安全性的问题。