单电池中装备的复合隔膜及其制造方法与流程

本申请基于2014年11月13日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2014-0157929号并要求其优先权权益，其公开内容全部引入本文以供参考。

技术领域

本发明涉及用于单电池的复合隔膜(separator)及其制造方法。特别地，该复合隔膜可以装备在单电池中，以防止在锂离子单电池被过充时发生的燃烧和爆炸风险，并且对锂离子单电池提供安全保障特性。

背景技术：

已使用单电池中的隔膜来通过切断阴极与阳极之间的物理接触以防止单电池在阴极和阳极接触时出现的热生成引起的燃烧和爆炸风险。

已被用于传统单电池的隔膜可以由聚乙烯材料制成。例如，由于聚乙烯可能在单电池被过充时的高温条件下熔融，隔膜的孔可以闭合且电流可以被切断，从而防止过充并保障单电池的安全性。

然而，当聚乙烯熔融时，孔可以闭合但隔膜可能热收缩。结果，阴极可能与阳极接触并因此可能发生进一步的过充，使得可能因过充而发生燃烧和爆炸。这将在以下更具体地描述。

图1说明现有的由聚乙烯材料制成的传统隔膜1。聚乙烯材料的隔膜1已被广泛用作商用隔膜材料，且隔膜1可以在约130℃的温度开始熔融。由于聚乙烯材料的隔膜1的孔可以在升高的温度例如约135℃下闭合，因在过充期间单电池的温度升高，隔膜1可以使电流切断以防止过充。然而，聚乙烯材料的隔膜1在例如约135℃或更高的高温下可能热收缩，因此隔膜1的形状可能改变。在此情况下，阴极可能与阳极接触且因此该电池可能被点燃和爆炸。

最近，已经开发出通过以陶瓷涂覆聚乙烯材料隔膜1的表面而具有改善的热收缩的产品。然而，聚乙烯材料隔膜1的热收缩可能无法 完全得到控制，因此聚乙烯材料隔膜1可能在单电池被过充时的高温条件下收缩，因此，隔膜1的形状可能改变。

同时，已报道使用电纺法制造细纤维形式的改善的耐热聚合物材料并将其成型为隔膜2(参见图2)的方法。该耐热聚合物材料可以是具有约260℃或更高的熔点的聚对苯二甲酸乙二醇酯。因此，在单电池过充期间的高温条件下可不发生隔膜2的热收缩。然而，由于材料的高耐热性，孔在这样的条件下可能不闭合。结果，当发生过充时可能无法适当地切断电流，因此继续充电，导致单电池的燃烧、爆炸等等。

作为相关技术记载的事项仅供于帮助理解本发明的背景，且不应被认为是相应于本领域技术人员已知的相关技术。

技术实现要素：

在优选的方面，本发明提供用于单电池的复合隔膜以解决相关技术中出现的上述问题。

在一方面，本发明提供单电池中装备的复合隔膜及其制造方法，从而当单电池被过充时增强单电池的稳定性和安全特性。特别地，复合隔膜可以提供为不具有孔闭合功能的高耐热聚合物材料以及具有孔闭合功能的热变形材料的复合材料。

根据本发明的示例性实施方式，用于单电池的复合隔膜可以包括：包括耐热聚合物纤维的无纺隔膜。特别地，该耐热聚合物纤维可以包括在高耐热聚合物纤维的耐热聚合物材料上的热变形材料。例如，热变形材料可以涂覆或层压在高耐热聚合物材料上。

耐热聚合物材料可以是，但不限于，聚对苯二甲酸乙二醇酯。

热变形材料可以在约130℃或更高的温度下熔融。示例性的热变形材料可以是，但不限于，聚乙烯。

根据本发明的另一示例性实施方式，用于制造单电池的复合隔膜的方法可以包括：制备耐热聚合物纤维；将耐热聚合物纤维加工成膜形式；通过将热变形材料溶解在溶剂中而制备涂覆溶液；以及将加工成膜形式的耐热聚合物纤维浸渍于涂覆溶液中。

耐热聚合物纤维可以通过对耐热聚合物材料进行电纺而制备。

该方法还可以包括：将耐热聚合物纤维从涂覆溶液中取出并将耐 热聚合物纤维干燥以蒸发溶剂。

用在涂覆溶液中的溶剂可以是极性溶剂，且示例性的溶剂可以是，但不限于，四氢呋喃。

涂覆溶液中包括的热变形材料的量可以基于涂覆溶液的总重量在合适的范围内，例如，约1-50wt％。

涂覆溶液的温度可以在约25-45℃的范围内。

进一步提供了包括本文所述的复合隔膜的单电池。

在下面公开本发明的其它方面。

附图说明

本发明的以上和其他目的、特征和优点根据以下与附图的结合的详述将更加显而易见。

图1是相关技术中传统聚乙烯隔膜的显微图；

图2是传统高耐热聚合物隔膜的显微图；

图3显示根据本发明示例性实施方式的单电池中装备的复合隔膜中包括的示例性耐热聚合物材料，并示出示例性复合隔膜的主要部件；

图4A示出图3的复合隔膜被过充之前的状态；

图4B示出图3的复合隔膜被过充之后的状态；

图5A是示出图3的复合隔膜被过充之前状态的截面图；

图5B是示出图3的复合隔膜被过充之后状态的截面图；且

图6是根据本发明示例性实施方式的用于制造单电池的复合隔膜的方法的流程图。

附图中每个元件的附图标记

100：无纺隔膜；110：耐热聚合物材料；120：热变形材料。

具体实施方式

本文所用术语仅是出于描述特定示例性实施方式的目的，并不意味着限制本发明。如本文所用，单数形式的“一”、“一个”和“该”意味着也包括复数形式，除非上下文另有清楚的说明。应进一步理解到，当用于本说明书时，术语“包括”和/或“包含”说明存在有所述的特征、整数、步骤、操作、元素和/或部件，但并不排除存在或添加 一种或多种其他的特征、整数、步骤、操作、元素、部件和/或其组合。如本文所用，术语“和/或”包括一种或多种所列关联项的任何和全部组合。

除非明确说明或从上下文很明显，如本文所用，术语“约”理解成在本领域的正常容许范围内，例如，在平均值的2标准偏差内。“约”可以理解成在所述数值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非另外由上下文很明显，本文提供的所有数值均由术语“约”修饰。

下面将详细地参照本发明的各个示例性实施方式，其实施例图示在所附附图中，并在下文加以描述。尽管将结合示例性实施方式描述本发明，但应当理解，本说明书无意于将本发明局限于这些示例性实施方式。相反，本发明不仅要涵盖这些示例性实施方式，还要涵盖由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的各种替代形式、修改、等效形式和其它实施方式。

将参考附图详细说明本发明的示例性实施方式。

如图3至图5B所示，根据本发明一示例性实施方式的单电池中装备的复合隔膜可以是由耐热聚合物纤维形成的无纺隔膜100。特别地，耐热聚合物纤维可以包括用热变形材料120涂覆的耐热聚合物材料110。

示例性耐热聚合物材料110可以是，但不限于，聚对苯二甲酸乙二醇酯。热变形材料120可以在约130℃或更高的温度下熔融，且示例性热变形材料120可以是，但不限于，聚乙烯。

如本文所用，“热变形”可以表示由升高的内部温度或热引起的物理或化学变化。例如，热变形可以是施热之后或材料温度为约130℃或更高之后发生的材料的物理或化学变化。进一步，热变形可能引起材料的物理或化学结构或外观的变化。示例性的热变形可以是熔融、膨胀、收缩、开裂等等。例如，当其内部温度达到约130℃或更高或者当施热将材料的温度升高至约130℃或更高时，热变形可以引起热变形材料的熔融。在另一实例中，即使在130℃或更高的温度下耐热聚合物纤维中也可以不发生热变形。而且，在另一情况下，当可以施加额外的热应力时，材料的热变形可以是收缩。例如，当施热时，非耐热纤维可能发生例如收缩的热变形。

如图6中所示，根据本发明的示例性实施方式，用于制造单电池中装备的复合隔膜的方法可以包括：制备耐热聚合物纤维(S100)；将耐热聚合物纤维加工成膜形式(S200)；通过将热变形材料120溶解在溶剂中而制备涂覆溶液(S300)；以及将加工成膜形式的耐热聚合物纤维浸渍于涂覆溶液中(S400)。

本文所用“加工”可以是裁制或修改材料例如耐热聚合物纤维的形状、尺寸和结构以提供合适的形式，例如膜形式。

此外，用于制造复合隔膜的方法还可以包括：将耐热聚合物纤维从涂覆溶液中取出；以及将耐热聚合物纤维干燥以蒸发溶剂(S500)。

可以通过对耐热聚合物材料110进行电纺来制备耐热聚合物纤维。涂覆溶液可以通过将热变形材料120溶解在溶剂中而制备，溶剂特别地为极性溶剂例如四氢呋喃。

涂覆溶液中包括的热变形材料120的量基于涂覆溶液的总重量可以在约1-50wt％的范围内。而且，热变形材料120的涂覆溶液的温度可以保持在约25℃-45℃。

如图5A-5B所示，在上述根据本发明示例性实施方式的复合隔膜中，虽然单电池被过充且因高电压下电解质分解反应等引起单电池温度升高至约130℃或更高，但是复合隔膜中的耐热聚合物材料110可以不熔融或变形，因此可以不发生热变形或收缩，使得无纺隔膜100的形状可以得到保持。

而且，由于无纺隔膜100的变形或收缩由于耐热聚合物材料得到抑制，因此阴极与阳极之间的短路(short occurrence)得到防止，使得可以防止单电池的爆炸。

同时，热变形材料120可以在约130℃或更高下熔融，因此在耐热聚合物材料110中形成的孔130可以闭合，使得单电池中的离子移动通道140可以被阻塞。

当离子移动通道140被去除时，可以切断充电电流，因此过充可能无法继续且单电池的温度可能不会进一步升高并开始降低。

如上所述，根据本发明的示例性实施方式，单电池中装备的复合隔膜及其制造方法可以在单电池被过充时的高温条件下抑制隔膜热收缩，因此可以防止隔膜形状的改变。

而且，隔膜的孔可以在过充期间的高温条件下闭合，电流可以被切断，以防止进一步的过充。

在相关技术中，当电池被过充时，可能无法同时防止过充和隔膜形状的改变，但根据本发明的示例性实施方式，即使在出现过充时的高温条件下，也可以同时防止过充和隔膜形状的改变。结果是，在过充的同时可以获得锂离子单电池的安全保障特性。

在上文中，虽然已参考示例性实施方式和附图描述了本发明，但本发明可以不限于此，而可以由本领域技术人员在不偏离权利要求中要求保护的本发明的主旨和范围的情况下进行多种修改和改变。