隔膜、电极元件、电能存储装置和用于制造隔膜的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种具有包含无机材料的衬底的隔膜以及使用该隔膜的电子元件和 电能存储装置。本发明还涉及一种用于制造隔膜的方法。
【背景技术】
[0002] 随着笔记本个人计算机、蜂窝电话、电动车辆等的市场的迅速扩张，例如电容器和 二次电池的电能存储装置被积极研宄。其中，锂离子二次电池由于能够存储较大量的能量 而具有吸引力。当前，需要具有更高能量密度的电池，且作为符合这些需要的候选者，提出 使用例如锡和硅的金属或这些金属的合金和氧化物作为负电极活性材料。然而，具有较高 能量密度的电池的可释放能量较大，且因此需要更深入地考虑到安全性。
[0003] 举例来说，在例如锂离子二次电池的电能存储装置中，隔膜防止正电极板与负电 极板之间的短路，且起有效地迀移锂离子的作用。迄今为止，主要使用由聚丙烯材料或聚乙 烯材料制成的基于聚烯烃的微孔隔膜。这是因为这些材料所拥有的关闭效应（shut-down effect)在电池发热时有助于安全性。然而，将聚乙烯材料用于高能量密度的电池导致隔膜 在获得关闭效应之前熔融，且可能导致发生大面积的电极之间的短路。
[0004] 已研宄将由无机材料制成的衬底，具体来说，由机织织物制成的衬底，且更具体来 说，玻璃布，用作热阻高且强度高的隔膜衬底。玻璃布的强度高，且用于电子板的材料的无 碱玻璃（E玻璃）的熔点高达800°C或更高。玻璃布不具有基于聚烯烃的微孔隔膜所拥有的 关闭效应，但与有机聚合物相比，熔点显著较高，且因此有时安全性相当优良。
[0005] 玻璃布是通过机织通过使玻璃纤维成束来制备的纱而获得的产品，且因此玻璃布 的切割处理有时使始于切割部分的纹理塌陷被磨损，或玻璃布有时在电能存储装置的组装 步骤中变形。当玻璃布经受垂直于玻璃布的表面的力时，纹理张开，而导致有可能正电极板 和负电极板相互短路。因此，为了增强玻璃布，已研宄由玻璃布和有机聚合物材料（具体来 说，热塑性聚合物材料）构成的复合材料。
[0006] 专利文献1(JPH10-12211A)公开一种用于电池隔膜的复合膜，该复合膜是通过在 由具有特定高分子量的聚烯烃制成的聚烯烃微孔膜上层叠由具有特定物理特性的玻璃纤 维制成的机织织物或非机织织物而制备的。层叠处理是通过常规压延处理来执行的。
[0007] 专利文献2(JP4831937)描述一种隔膜，其中玻璃布用作衬底，且由有机聚合物 制成的层作为粘合剂而与衬底的前侧和后侧集成。作为有机聚合物，例如列举聚偏氟乙烯、 聚偏氟乙烯共聚物或聚偏氟乙烯作为实例。以这种方式，赋予了增强和防过充功能。
[0008] 专利文献3(JP2004-269579A)公开一种玻璃纤维织物增强的聚烯烃微孔膜作为 适用于锂电池的隔膜的微孔膜，该玻璃纤维织物增强的聚烯烃微孔膜是通过如下工艺而获 得的：将由聚烯烃和溶剂构成的组合物所形成的膜层叠加在玻璃纤维织物上且压制到玻璃 纤维织物，以使玻璃纤维织物浸渍有组合物，且随后使所浸渍的玻璃纤维织物冷却，且接着 从相关织物移除溶剂，而产生预期的微孔膜。
[0009] 而且对于铅蓄电池来说，还已经从机械强度的观点研宄了包含玻璃纤维织物的隔 膜。在铅蓄电池的隔膜中，玻璃纤维织物用作支撑材料来支撑吸收和固定电解物质（电解 质）的纤维层。作为密闭型铅蓄电池的隔膜，专利文献4(JP2005-503652A)公开玻璃纤维 作为吸收和固定电解物质（电解质）的纤维层，且还公开玻璃纤维织物作为纤维层的支撑 层。
[0010] 现有技术参考
[0011] 专利文献
[0012]专利文献1:JPH10-12211A
[0013]专利文献2:JP 4831937
[0014]专利文献3:JP 2004-269579A
[0015]专利文献4:JP 2005-503652A
【发明内容】
[0016] 技术问题
[0017] 在基于聚烯烃的微孔隔膜中，聚丙烯或聚乙烯材料自身不具有离子电导率，且因 此需要使隔膜的空隙和孔的大小较大以便提高锂离子电导率。聚丙烯或聚乙烯材料的熔点 是180°C或更低，且已指出在高温时发生热收缩，且可能发生短路。
[0018] 如专利文献1到专利文献3中所描述，通过组合有机聚合物膜和例如玻璃的无机 材料的机织织物而产生的复合材料使隔膜整体的形状由无机材料维持，且因此对热收缩的 抗性增大。无机材料的机织织物的纱线被固定到有机聚合物膜，且因此从切割部分开始的 磨损未被引起。
[0019] 然而，由有机聚合物膜和例如玻璃的无机材料的机织织物构成的复合膜的离子电 导率几乎不受控制。通常，无机材料的机织织物的开口的大小大，因此，当在电极表面上存 在异常突起时，经由开口而发生电极之间的短路，或外力使电极变形，且因此有机聚合物膜 被组合以防止短路。然而，即使在使用对电解质具有膨胀特性的有机聚合物膜时，电解质的 离子电导率仍小于lms/cm，且电池的内阻的增大被引起。可替选地，当电池例如偶然暴露到 高温时，有机聚合物膜收缩，且因此无法覆盖无机材料的机织织物的开口，且因此电极之间 的短路可能被引起。
[0020] 另一方面，专利文献4中所描述的隔膜（用于密闭型蓄电池，其中纤维层及其支撑 层是由玻璃纤维构成）不包含有机聚合物膜，且因此可预期具有高热阻。然而，纤维层具有 吸收且保留电解质的功能，且因此需要具有200ym或更大的厚度。因此，正电极和负电极 广泛地相互分开，且电池的内阻变得大。使用厚隔膜的电池的每单位体积和单位重量的可 充电能量密度低。
[0021] 本发明的目标是提供用于电池的各种重要性能（例如，电极之间的短路的减少和 令人满意的离子电导率，这是基于使用无机材料以便不会在高温时发生热收缩）优良的隔 膜，和提供电极元件以及电能存储装置。本发明的另一目标是提供用于制造如上所述的该 隔膜的方法。
[0022] 技术方案
[0023] 本发明人进行深入研宄以便实现上述目标，且因此已发现，至少通过层叠通过使 用无机材料而形成的层以及由无机纤维构成的层，获得了具有令人满意的离子电导率的隔 膜，同时还防止了电极之间的短路。
[0024] 为了实现上述目标，本发明的隔膜是一种用于电极元件的隔膜，该电极元件具有 设置为彼此面对的正电极和负电极，该隔膜具有：衬底，至少包含通过使用无机材料而形成 的以便具有多个开口的层；以及无机纤维层，以一种方式层叠在衬底的一个表面或两个表 面上，以使得无机纤维层覆盖开口而不阻塞开口，其中整个隔膜的厚度为l〇〇ym或更小。 作为由无机材料形成的层，优选使用由无机纤维制成的机织织物或针织织物，具体来说，玻 璃布，且无机纤维层优选包含玻璃纤维。
[0025] 本发明的电极元件具有本发明的隔膜，以及设置为彼此面对的正电极和负电极， 其中隔膜介于正电极与负电极之间。
[0026] 本发明的电能存储装置具有本发明的电极元件、电解质以及包括电极元件和电解 质的外封装。
[0027] 本发明还提供用于制造隔膜的方法。本发明的用于制造隔膜的方法是用于制造 用于电极元件的隔膜的方法，该电极元件具有设置为彼此面对的正电极和负电极，该制造 方法包含：准备衬底，该衬底至少包含通过使用无机材料而形成的以便具有多个开口的层； 以及将无机纤维层层叠在衬底的一个表面或两个表面上，其中衬底的厚度和无机纤维层的 厚度被选择成使整个隔膜的厚度为100ym或更小。
[0028] 有益效果
[0029] 根据本发明，能够提供各种性能优良的隔膜、电极元件和电能存储装置，以使得离 子电导率令人满意，且电极元件和电能存储装置中的电极之间的短路的发生被大幅减少。 在制造过程中，成品率提高，且处置容易，且因此电极元件和电能存储装置的生产率可提 尚。
【附图说明】
[0030] 图1是二次电池的分解的斜向透视图，该二次电池是根据本发明的实施例的电能 存储装置。
[0031] 图2是图1所示的电极元件的示意性分解图。
[0032] 图3是图2所示的正电极和负电极的一组示意性截面图。
[0033] 图4是图2所示的隔膜的实例的示意性截面图。
【具体实施方式】
[0034] 本发明的实施例涉及一种用于电极元件的隔膜，该电极元件具有设置为彼此面对 的正电极和负电极，该隔膜包含：衬底，至少包含通过使用无机材料而形成的以便具有多个 开口的层；以及无机纤维层，其层叠在衬底的一个表面或两个表面上，以便覆盖开口而不阻 塞开口，其中整个隔膜的厚度为100ym或更小。本发明的另一实施例涉及具有隔膜的电极 元件和电能存储装置。本发明的又一实施例涉及一种用于制造用于电极元件的隔膜的方 法，该电极元件具有设置为彼此面对的正电极和负电极，该制造方法包含：准备衬底，该衬 底至少包含通过使用无机材料而形成的以便具有多个开口的层；以及将无机纤维层层叠在 衬底的一个表面或两个表面上，其中衬底的厚度和无机纤维层的厚度被选择成使整个隔膜 的厚度为100ym或更小。
[0035] 下文中，描述上述个别构成构件和构成材料。
[0036] 〈隔膜〉
[0037] 隔膜具有衬底，该衬底至少包含通过使用无机材料而形成的层。隔膜与电解质一 起存在于正电极与负电极之间，且被构成为在防止正电极与负电极之间的短路的同时具有 离子电导率。衬底中所包含的由无机材料形成的层不具有电导率，而隔膜自身具有离子电 导率。隔膜优选几乎不受电解质影响。隔膜所需的强度和形状保