[发明专利]交联多层多孔聚合物隔膜电池分隔件

说明书

技术领域

本公开涉及用于电池应用，特别是用于锂离子电池应用的两层和三层多孔聚烯烃分隔件隔膜。更具体地，本公开涉及制备这种多膜层分隔件，其包括与提供过热击穿承受能力的非交联聚烯烃层共挤的至少一个耐高温交联聚烯烃层。共挤的聚合物层(分隔件前体)均包含分散的碳氢化合物液体(油)塑化剂。拉伸共挤膜，并且从所述膜层提取塑化剂以在分隔件隔膜中提供合适的孔结构。

背景技术

二次液态电解质电池一般包括至少一个电化学电池单元，该电化学电池单元包括负电极、正电极以及位于电极之间的分隔件。正电极和负电极由能够参与氧化和还原反应的材料构成。这种电极材料允许电流在外部电路中的电极之间可逆地通过，而离子种类在电池单元内通过液态电解质内的分隔件在电极之间转移以通过电化学的方式平衡外部电子流流动。这些并发的电流和离子流在电池单元放电期间自发地发生。在电池单元放电期间，氧化作用在负电极自发地发生且还原作用在正电极发生。逆反应在电池单元充电阶段强制进行，其中氧化作用发生在正电极且还原作用发生在负电极。电池单元放电期间产生的电流可用于至少部分地为电负载供电，而一旦电池单元的电流容量已经降至不期望的水平，外部电源施加的电压可用于为电池单元充电或者重新供电。

例如，锂离子电化学电池单元被用于很多二次液态电解质电池。在锂离子电池单元的一个实例中，电解质包括合适的锂化合物，如LiPF₆，其溶解于非水性有机液体中。阳极可以包括合适地结合到薄金属集电器条上的石墨薄层。锂在电池单元充电期间被插入石墨层中。并且阴极包括合适的锂化合物薄层，其也结合到薄金属集电器条上，用于接收在电池单元放电期间通过电解质从阳极传送至阴极的锂离子。薄多孔聚合物分隔件隔膜放置在阳极层和阴极层之间。

分隔件通过在两个电极之间提供多孔且电绝缘的机械支撑屏障而便于进行电化学电池单元操作。分隔件一般具有多孔性，其足以包含液态电解质(其能在电极之间传送离子种类)，并且其是热、化学和机械稳定的足以在很多放电／充电电池单元循环的进程中将接近隔开的相对的正电极和负电极分开，从而防止短路。多种材料，单独地或者彼此组合地，已经被利用或者被研究以用于构成分隔件，目的在于对不同工作环境内的分隔件赋予长期操作可靠性。当今最普遍使用的分隔件由单个平的热塑性聚烯烃隔膜片或者若干平的聚烯烃隔膜片的层压物制成。通常采用的具体热塑生聚烯烃是从诸如聚丙烯和聚乙烯的简单的低碳烯烃中衍生出来的。

为了与电负载和外部电源相互作用，电化学电池单元被配置为连接到外部电路上，该电路在电化学电池单元外部的正电极和负电极之间提供电流路径。例如，正电极和负电极中的每个通常与金属集电器相关联，其帮助分配通过外部电路到达电极的所有电化学活性区域的电流或从电极的所有电化学活性区域通过外部电路的电流。连接特征(如连接器耳片)可被包括在每个金属集电器上。连接特征可远离电化学电池单元突起以操作地与外部电路建立电连接。这通常通过将与负电极和正电极相关联的突起连接特征分别连接到负端子和正端子上而完成，其与其他电化学电池单元相关联的连接特征成串联或者并联关系。然而，如果二次液态电解质电池仅包括一个电化学电池单元，那么可不需要负端子和正端子。

例如，在汽车应用中，许多锂离子电化学电池单元可以串联和并联电路连接方式相互连接，以形成二次电池，该二次电池能够以相对高的电压将大量电力传输至牵引马达以用于驱动车辆。电池在车辆环境下经受环境加热和冷却。并且每个电池单元的薄电极和分隔件元件由于大量的电力负荷需求也要经历加热，并且经受很多反复的放电和再充电循环。车辆具有用于将电池温度控制在具体的操作温度范围内的冷却系统。但是车辆电池在不正常使用条件下会经历显著加热，其中电池可能被物理损坏。例如，薄聚烯烃分隔件可暴露于高温下，高温将它们软化并降低它们在保持接近地隔开的阳极层和阴极层合适地分开的有效性。在高温下聚烯烃分隔件经历的收缩也会增加电池短路的风险。这就需要考虑能够形成坚固的、耐高温的以及电化学有效的分隔件隔膜或薄层的其他材料。

发明内容