用于微孔膜的处理和胶粘剂的制作方法

专利名称：用于微孔膜的处理和胶粘剂的制作方法
用于微孔膜的处理和胶粘剂背景微孔膜被用于诸如超级电容和电池组的不同电化学设备和能量储存设备中以分隔电极。电池组或超级电容可以通过使阳极和阴极之间的微孔分隔物分层来构造，继而用电解液浸透设备。为了方便，除非以其他方式注明，贯穿本文档的术语“电化学电池”将指任何类型的能量储存电池。在很多情况下，微孔膜可以使用PVDF或其他聚合物制造。因为微孔性质，膜可能是非常易碎的。膜中的孔和裂缝可能导致电极之间短路，致使电池组电池或者整个电化学设备不可使用。膜内的堵塞物可以通过不允许电解液中的离子从一个电极传递到另一个降低性能。一些电池组被构造为多层电极和分隔物。电池组可以缠绕成圆柱体，围绕平板缠 绕，或者被构造成多个层的平夹层。概述电化学电池可以具有可以被胶接到电极的PVDF微孔膜。胶粘剂可以是溶剂和非溶剂的混合物，该混合物可以导致PVDF膜变得发粘并粘附到电极而不坍塌。胶接的电池可以使用多层胶接的膜和电极构造。在一些实施方案中，胶粘剂溶液可以被用作胶料(sizing)以准备粘合电极。本概述用于以简化的形式介绍概念的选择，该概念在以下的详细描述中进一步描述。本概述并非意图确定所要求的主题的关键特征或基本特征，也不意图用来限制所要求的主题的范围。附图
简述在附图中，图I是示出电化学电池的横截面视图的实施方案的图解说明。图2是示出用于构造电化学电池的方法的实施方案的流程图说明。图3是示出用于组装电化学电池的子组件的方法的实施方案的流程图说明。详细描述电化学电池可以由使用胶粘剂粘合到电极的PVDF微孔分隔物构造，该胶粘剂包括能够溶解PVDF的溶剂但具有足够的非溶剂以防破坏微孔分隔物。胶粘剂可以导致PVDF分隔物在湿的时候变得发粘并且在固化之后粘附到电极。电化学电池，诸如电池组、电容或超级电容，可以具有通过分隔薄膜分隔的阳极电极和阴极电极。总的来说，电极被间隔得越接近，电池的性能越高。然而，当电极与彼此接触时，它们可能短路。短路可以致使电池不可操作以及在短路发生、同时电池通电时导致火灾或者其他破坏。PVDF(聚偏二氟乙烯)是可以使用不同方法形成微孔膜的聚合物。在一种方法中，PVDF可以被溶解到溶剂中并且与第二液体混合，该第二液体可以是非溶剂且比溶剂具有更高的表面张力和更高的沸点。这种溶液可以通过以下过程加工，即升高温度直到溶剂开始蒸发，导致聚合物变得浓稠，在此之后可以升高温度直到第二液体可以被除去。在第二种制造方法中，PVDF可以被溶解到溶剂中并继而在浸没在水浴槽中的同时铸造。聚合物可以在铸造过程期间变得浓稠。在生成电化学电池时，电极层和分隔物层可以粘合在一起以防止层分离或者用于电池扩展。在一些实施方案中，套管或容器可以在层之间通过机械压缩或通过向电池内部施加真空施加一些压缩力。胶粘剂，特别在包含聚合物时，可以适合于修补由相同的聚合物组成的微孔膜中的小孔。胶粘剂可以通过滴管或者其他涂抹器施加并且可以允许在留下聚合物保护层的同时修补膜。这样的罐作用(can effect)在胶粘剂可以被用作胶料填充任何空隙或者修正电极上的表面瑕疵时也可以是有用的。贯穿本说明书，同样的参考数字表示贯穿图的描述的相同的元件。当元件被称为被“连接”或“耦合”时，元件能够直接连接或耦合在一起或者也可 能存在一个或多个介入元件。相反，当元件被称为被“直接连接”或“直接耦合”时，不存在介入元件。图I是实施方案100的图解，示出电化学电池102的横截面。电池102可以是电池组或超级电容的典型构造。电池102可以是锂离子电池组、锂聚合物电池组、铅酸电池组或其他类型的电化学电池。阳极电流收集器104可以是可以从阳极106传导正电荷的导电薄膜。在典型的构造中，阳极106可以是活性材料，诸如在传统的锂离子电池组化学中的碳。微孔分隔物108可以将阳极106与阴极110分隔。阴极110可以是第二活性材料，诸如在传统的锂离子电池组化学中的金属氧化物。分隔物108可以由PVDF使用产生微孔薄膜的不同方法构造。薄膜可以具有小孔，该小孔可以被互相连接以允许电解液渗透分隔物108。在电解液内，离子可以在充电和放电活动期间在阳极和阴极之间传递。电解液可以包含有机溶剂中的锂盐。分隔物108可以具有25到50微米级的厚度并且具有60%到85%的孔隙度。在分隔物108内，2到4微米厚的小网可以形成微孔材料的结构。因为分隔物108可以具有非常小的结构壁，胶粘剂的选择对分隔物的性能可以很敏感。如果分隔物实质上溶解了，分隔物内的聚合物可能坍塌并且约束电极之间的离子传导。胶粘剂可以包含溶剂和非溶剂。溶剂可以是可以与非溶剂进一步稀释的强溶剂或弱溶剂。溶剂可以部分地将PVDF材料溶解到变得发粘的程度但不到坍塌的程度。粘性可以足以使PVDF分隔物有效地粘合到电极。合适的溶剂的实施例可以包括甲酸甲酯、丙酮(二甲基甲酮)、醋酸甲酯、四氢呋喃、醋酸乙酯、甲乙酮(二丁酮)、乙腈、碳酸二甲酯、1，2_ 二恶烷、甲苯、丙酮和甲基异丁基酮。尤其，丙酮作为室温胶粘剂可以是有效的。丙酮在较高温度诸如55摄氏度下是非常有效的PVDF溶剂，但是在室温下仅是弱溶剂。胶粘剂或者胶粘剂的变体可以在胶接前被用作电极上的胶料。在应用胶粘剂时，胶料可以提高电极和分隔物之间的粘合。胶料可以应用于电极并允许干燥或固化。在固化之后，可以实施胶接过程。
在一些实施方案中，胶粘剂可以包含重量高达6%的与分隔物相同的聚合物。图2是示出制造电化学电池的方法的实施方案200的流程图说明。其他实施方案可以使用不同的顺序、附加的或更少的步骤，以及不同的命名或术语实现相似的功能。在一些实施方案中，可以平行于其他操作以同步的或异步的方式实施不同操作或操作的组合。选择这里选定的步骤以简化的形式说明一些操作原则。实施方案200说明了用于组装电化学电池的简化的方法。虽然实施方案200说明了用于生成单个电池的方法，但是相同的概念和步骤可以被扩展以包括具有多个电池的电化学设备。在块202中可以制造电极。在很多实施方案中，电极可以在铝、铜或其他金属薄膜上制造，其中金属薄膜可以是电池的电流收集器。 在块204中胶料可以应用于电极并在块206中被固化。胶料可以是与用于使分隔物粘合到电极的胶粘剂相同的或相似的配方。在块208中胶粘剂可以应用于电极并且在块210中电极可以粘合到分隔物。在块212中胶粘剂可以被固化，在块214中被放置到包装或容器中，并且在块216中填充电解液。在块218中组件可以被施加真空以除去任何空气并允许电解液完全渗透分隔物。粘合操作可以以很多不同的方式实施。在一些情况下，胶粘剂可以应用于电极并且继而分隔物可以被配对到电极。可以通过喷雾、浸溃、浇注、擦拭或任何其他方法应用胶粘剂。在一些实施方案中，可以应用胶粘剂涂覆电极的整个表面或者至少大部分表面。在其他实施方案中，胶粘剂可以被选择性地应用于电极。例如，可以以覆盖50%或更少的电极表面区域的一系列点或斑点(spot)应用胶粘齐U。在一些情况下，胶粘剂可以应用于少于25%、20%、15%、10%、5%、2%或1%的电极的粘合区域。在一些实施方案中，胶粘剂可以应用于分隔物。胶粘剂可以被喷雾或以其他方式应用于分隔物的粘合表面。在一些情况下，分隔物可以用胶粘剂浸没或完全地浸透。在胶粘剂应用于分隔物时，胶粘剂可以选择性地应用于分隔物并且可以覆盖分隔物表面区域的一部分。胶粘剂可以通过应用加热、真空或其他过程被固化。在一些情况下，在电极和分隔物堆叠形成之后，胶粘剂可以通过应用额外的胶粘剂被重新活化。电化学电池的包装可以在不同应用中不同。在一些实施方案中，包装可以是可以被施加真空的柔性的袋子。其他实施方案可以使用不同形状的包括圆柱形的、矩形的或其他形状的金属罐。在一些实施方案中，包装可以向电化学电池施加机械压力以使电极层和分隔物层压紧。图3是示出电极和分隔物子组件的简化的组装过程的实施方案300的图解说明。实施方案300示出了传送器302，在传送器上可以制造电极子组件。实施方案300是简单的生产线的示意图说明，其中电极子组件可以以连续的方式制造。在组装过程的第一阶段，电极304可以被放置在传送器302上。电极可以用可以外露为电流收集器片306的电流收集器构造。电极304的剩余的表面可以包含与电化学电池的阳极或阴极相对应的活性电极材料。
在很多实施方案中，电极和分隔物可以是可以被分层以生成电化学电池的片状物品(sheet goods)。电池的每个部件可以具有可粘合或接触另一部件的表面。片状物品可以使用片状加工机构加工，并且片状物品可以是卷状物品或者单片材料。在一些实施方案中，片状物品可以使用很多重复的层堆叠分层以在单个设备中生成多个电池。层可以相继形成，诸如缠绕成圆柱体，缠绕到平芯轴上，或者以其他方式折叠或缠绕。在其他实施方案中，层可以被堆叠和组装并在平构型中使用。胶粘剂喷雾308可以从贮液器310中分注(dispense)胶粘剂以形成具有应用的胶粘剂的电极312。在一些情况下，胶粘剂喷雾308可以在电极的活性部分上应用胶粘剂，但是不可以在电极的电流收集器片上应用胶粘剂。胶粘剂喷雾308示出一种方法，通过该方法可以用胶粘剂涂覆电极的全部表面。其他方法可以包括浸溃、烧注、压延(calendaring)及其他。在一些实施方案中，可以用不覆盖电极的全部表面的方法应用胶粘剂。例如，可以 使用一种应用模式使得50%或更少的可用的电极的粘合表面区域可以应用胶粘剂。不同机构可以被用于以选择性的方式应用胶粘剂。这样的方法可以包括网版印刷(screen printing)、使用喷雾的选择性的应用或其他方法。在电极应用胶粘剂之后，微孔分隔物供给机构314可以提供片状形式的微孔分隔物。分隔物可以经过滚轴316和318之间向电极应用分隔物以生成粘合到电极的分隔物320。分隔物可以被切割使得废料322可以被除去，产生电极/分隔物子组件324。为了制造电化学电池，若干电极子组件324可以被堆叠在一起，在阳极和阴极之间交替。电流收集器片可以被连接在一起，添加电解液，并且电化学设备可以被包装使用。在以下详细的若干实验中，评估了不同的胶粘剂配方。总的来说，用弱溶剂与非溶剂结合获得了有利的结果，其中非溶剂具有高于溶剂的表面能量。在一些实施方案中，非溶剂可以由两种液体形成，其中之一是高表面能量液体且另一个是较低表面能量液体。在一些实验中，重量高达6 %的聚合物被添加到胶粘剂。一些实施方案可以包含重量低至0%的聚合物并且可以包含重量高达1%、2%、4%、8%或10%的聚合物。表A和表B分别示出用于产生胶粘剂的不同溶剂和非溶剂。表A和表B包括给定液体的沸点和表面能量参数。
表A
溶剂液体正常沸点，摄氏度表面能量，达因/厘米曱酸曱酯31.724.4
丙酮(二曱基曱酮)__56__2^5_
醋酸曱酯56.924.权利要求
1.一种方法，包括 接收用于电化学电池的第一电极； 接收包括PVDF的微孔薄膜； 使用胶粘剂使所述微孔分隔物粘合到所述第一电极以形成第一子组件，所述胶粘剂包括 溶剂，其能够溶解所述微孔分隔物的所述PVDF ； 非溶剂，其具有低于所述溶剂的表面能量的表面能量； 使所述第一子组件组装到第二电极以形成所述电化学电池。
2.如权利要求I所述的方法，所述胶粘剂还包括PVDF。
3.如权利要求2所述的方法，所述胶粘剂还包括丙酮。
4.如权利要求I所述的方法，所述胶粘剂通过喷雾被应用。
5.如权利要求4所述的方法，所述喷雾被应用于所述电极。
6.如权利要求I所述的方法，所述胶粘剂以不连续的方式被应用于所述第一电极和所述微孔薄膜之间的界面区域。
7.如权利要求6所述的方法，所述不连续的方式包括点模式。
8.如权利要求6所述的方法，所述不连续的方式覆盖少于50%的所述界面区域。
9.如权利要求8所述的方法，所述不连续的方式覆盖少于2%的所述界面区域。
10.如权利要求I所述的方法，还包括 将液体电解液添加到所述电化学电池。
11.如权利要求10所述的方法，所述液体电解液包括所述非溶剂。
12.如权利要求I所述的方法，还包括 向所述电化学电池施加真空。
13.如权利要求I所述的方法，还包括在所述粘合之前实施的以下步骤 向所述第一电极应用所述胶粘剂；以及 允许干燥所述胶粘剂。
14.如权利要求I所述的方法，通过使用所述胶粘剂将所述第一子组件组装到所述第二电极。
15.如权利要求14所述的方法，在干燥用于形成所述第一子组件的所述胶粘剂之前将所述第一子组件组装到所述第二电极。
16.一种电化学电池，包括 第一电极； 用PVDF制造并且使用胶粘剂胶接到所述第一电极的微孔膜，所述胶粘剂包括 溶剂，其能够溶解所述微孔分隔物的所述PVDF ； 非溶剂，其具有低于所述溶剂的表面能量的表面能量； 第二电极。
17.如权利要求16所述的电化学电池，所述第二电极被使用所述胶粘剂胶接到所述微孔膜。
18.一种用于粘合微孔PVDF膜的胶粘剂，所述胶粘剂包括 溶解于溶剂的PVDF聚合物，所述溶剂具有第一表面能量；非溶剂，所述非溶剂包括具有低于所述第一表面能量的第二表面能量的第一液体非溶剂。
19.如权利要求18所述的胶粘剂，所述第一溶剂是丙酮。
20.如权利要求19所述的胶粘剂，还包括 液体成分，其具有重量百分比高于82%的丙酮并具有所述第二液体，该第二液体包括具有至少60%的异丙醇乙醇的混合物； 聚合物含量，其包括至少2% PVDF。
全文摘要
电化学电池可以具有可以被胶接到电极的PVDF微孔膜。胶粘剂可以是溶剂和非溶剂的混合物，该混合物可以导致PVDF膜变得发粘并粘附到电极而不坍塌。胶接的电池可以使用多层胶接的膜和电极构造。在一些实施方案中，胶粘剂溶液可以被用作胶料以准备粘合电极。
文档编号H01G4/002GK102804297SQ201080032768
公开日2012年11月28日 申请日期2010年5月20日 优先权日2009年5月20日
发明者柯尔比·W·比尔德 申请人:多孔渗透电力技术公司