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CN111640903A - 包括被热活化的离子流动控制层的隔板和结合其的电化学装置 - Google Patents

包括被热活化的离子流动控制层的隔板和结合其的电化学装置 Download PDF

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CN111640903A
CN111640903A CN202010137203.0A CN202010137203A CN111640903A CN 111640903 A CN111640903 A CN 111640903A CN 202010137203 A CN202010137203 A CN 202010137203A CN 111640903 A CN111640903 A CN 111640903A
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S·纳格斯瓦瑞
M·金
R·格雷夫斯
胡启朝
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Massachusetts Guneng Holdings Ltd
SES Holdings Pte Ltd
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Massachusetts Guneng Holdings Ltd
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Abstract

本发明涉及包括被热活化的离子流动控制层的隔板和结合其的电化学装置。隔板，用于在电化学装置中使用，每个包括多孔主体和至少一个离子流动控制层，至少一个离子流动控制层包含至少一个共聚物共混物，至少一个共聚物共混物经微调以在设计温度下熔融，使得当被熔融时共聚物共混物阻挡电解质的离子穿过多孔隔板的流动。离子流动控制层可以与多孔隔板主体分离地或与多孔隔板主体一体地被提供。还公开了包括离子流动控制层的电化学装置。

Description

包括被热活化的离子流动控制层的隔板和结合其的电化学 装置
相关申请信息
本申请要求于2019年3月1日提交的名称为“THERMALLY ACTIVATED SHUTDOWNSEPARATOR FOR LI METAL BATTERY”的美国临时专利申请第62/812,347号、于2019年4月8日提交的名称为“THERMALLY ACTIVATED SHUTDOWN SEPARATOR FOR LI METAL BATTERY”的美国临时专利申请第62/830,608号和于2019年4月11日提交的名称为“THERMALLYACTIVATED SHUTDOWN SEPARATOR FOR LI METAL BATTERY”的美国临时专利申请第62/832,656号的优先权的权益，其中的每个以其整体通过引用并入本文。
技术领域
本发明大体上涉及电化学装置的领域。具体地，本发明涉及包括被热活化的离子流动控制层的隔板和结合其的电化学装置。
背景技术
在各种和通常不可避免的环境下，例如内部短路、击穿或过度充电，各种类型的电化学装置，例如锂离子和锂金属电池，可能经历热散逸，热散逸可能使它们着火和/或分解，如果其被允许过热的话。锂基电池是在社会上流行的，它们正在用于移动计算装置，例如智能手表、移动电话、平板电脑和膝上型计算机，用于诸如无绳的手工工具例如割草机的工具，并且用于交通工具的不断增长的列表，包括汽车、卡车和无人机等。因此，锂基电池的操作安全性是非常重要的。
热散逸是锂基电池的熟知的安全性问题。由于热散逸的相对低的温度和放热性质，热散逸需要被关断以防止其继续并且尤其是防止达到锂的熔点(179℃)和/或导致电解质溶剂的快速的汽化，在该点由热散逸引起的火灾和/或爆炸可能是灾难性的。随着越来越多地将锂基电池用于高功率应用以及随着电存储容量的增加，这种担忧变得越来越严重。
发明内容
在一个实施方式中，本公开内容涉及一种用于利用含有离子的电解质的电解装置的隔板。隔板包括多孔主体，具有第一侧部和与第一侧部间隔开的第二侧部，多孔主体配置为当隔板被浸入在电解装置中的电解质中时允许离子穿过多孔主体的运动；以及离子流动控制层，其相对于多孔主体功能性地定位，其中离子流动控制层包括第一多个颗粒，每个包含第一共聚物共混物，第一共聚物共混物在组成上经微调以在第一设计熔融温度下熔融，其中当离子流动控制层尚未经受第一设计熔融温度并且隔板被浸入在电解质中时，离子流动控制层具有允许离子穿过离子流动控制层的运动并且允许离子流动穿过隔板的孔隙度；并且当离子流动控制层已经经受第一设计熔融温度或更大并且隔板被浸入在电解质中时，第一多个颗粒熔融从而减少离子流动控制层的孔隙度并且由此抑制离子穿过隔板的流动。
在隔板的一个或更多个实施方式中，多孔主体包含具有大于第一设计熔融温度的熔融温度的多孔聚合物。
在隔板的一个或更多个实施方式中，多孔主体包含多孔聚合物和包覆至聚合物上的陶瓷材料。
在隔板的一个或更多个实施方式中，多孔聚合物实质上由聚丙烯组成。
在隔板的一个或更多个实施方式中，多孔聚合物实质上由聚乙烯组成。
在隔板的一个或更多个实施方式中，多孔主体包含陶瓷材料。
在隔板的一个或更多个实施方式中，离子流动控制层是施用至多孔主体的覆层。
在隔板的一个或更多个实施方式中，第一共聚物共混物包含较长链聚合物和较短链聚合物。
在隔板的一个或更多个实施方式中，长链聚合物包括聚乙烯并且较软聚合物包括醋酸乙烯酯。
在隔板的一个或更多个实施方式中，第一共聚物共混物包含至少三个共聚物的共混物。
在隔板的一个或更多个实施方式中，第一多个颗粒的平均尺寸在约1微米至约10微米的范围内。
在隔板的一个或更多个实施方式中，第一多个颗粒中的毗邻的颗粒之间的平均间距在约2微米至约5微米的范围内。
在隔板的一个或更多个实施方式中，第一多个颗粒中的毗邻的颗粒之间的平均间距在约4微米至约8微米的范围内。
在隔板的一个或更多个实施方式中，第一多个颗粒中的每个在形状上基本上是球形的。
在隔板的一个或更多个实施方式中，第一多个颗粒中的每个在形状上基本上是立方形的。
在隔板的一个或更多个实施方式中，微粒层包含粘结剂。
在隔板的一个或更多个实施方式中，多孔隔板具有功能区域，并且功能区域的至少80％被微粒层覆盖。
在隔板的一个或更多个实施方式中，离子流动控制层由第一多个颗粒的单一的层组成。
在隔板的一个或更多个实施方式中，第一设计熔融温度在约60℃至约100℃的范围内。
在隔板的一个或更多个实施方式中，第一设计熔融温度在约90℃至约120℃的范围内。
在隔板的一个或更多个实施方式中，离子流动控制层配置为当离子流动控制层的温度达到高于第一设计熔融温度的第二设计熔融温度时进一步减少离子穿过隔板的流动，离子流动控制层包括第二多个颗粒，每个包含第二共聚物共混物，第二共聚物共混物在组成上经微调以基本上在第二设计熔融温度下熔融，从而进一步减少离子流动控制层的孔隙度并且由此进一步抑制离子穿过隔板的流动。
在隔板的一个或更多个实施方式中，第二多个颗粒分布遍及离子流动控制层内的第一多个颗粒。
在隔板的一个或更多个实施方式中，离子流动控制层具有与彼此不同的第一区和第二区，并且第一多个颗粒在第一区中与彼此聚簇并且第二多个颗粒在第二区中与彼此聚簇。
在隔板的一个或更多个实施方式中，第一区和第二区位于毗邻于彼此从而界定边界，并且第一多个颗粒具有在边界的向第二多个颗粒的突然转变。
在隔板的一个或更多个实施方式中，第一区和第二区位于毗邻于彼此从而界定边界，并且第一多个颗粒具有在边界的向第二多个颗粒的阶梯的过渡。
在隔板的一个或更多个实施方式中，第一区和第二区二者都位于多孔主体的第一侧部上。
在隔板的一个或更多个实施方式中，第一区在多孔主体的第一侧部上并且第二区在多孔主体的第二侧部上。
在隔板的一个或更多个实施方式中，第一设计熔融温度在约65℃至约100℃的范围内并且第二设计熔融温度在约90℃至约120℃的范围内。
在隔板的一个或更多个实施方式中，离子流动控制层位于多孔主体的仅第一侧部上。
在隔板的一个或更多个实施方式中，离子流动控制层位于多孔主体的第一侧部和第二侧部中的每个。
在某些方面，本公开内容涉及一种能量储存装置，包括负极；正极；与负极和正极离子连通的电解质；以及离子流动控制(IFC)结构，用于当隔板的温度达到第一设计熔融温度时减少离子的在负极和正极之间在电解质中的流动，隔板包括：多孔主体，具有第一侧部、与第一侧部间隔开的第二侧部以及被提供用于允许离子穿过多孔主体的运动的孔隙；以及微粒层，其相对于多孔主体功能性地定位，其中微粒层包括第一多个颗粒，每个至少部分地由第一共聚物共混物组成，第一共聚物共混物经微调以基本上在第一设计熔融温度下熔融，其中当第一多个颗粒在基本上第一设计熔融温度下熔融以形成第一熔融物时，第一熔融物阻挡穿过孔隙的第一部分的离子流动。
在能量储存装置的一个或更多个实施方式中，第一共聚物共混物包含长链聚合物和较软聚合物。
在能量储存装置的一个或更多个实施方式中，长链聚合物包括聚乙烯并且较软聚合物包括醋酸乙烯酯。
在能量储存装置的一个或更多个实施方式中，第一共聚物共混物包含至少三个共聚物的共混物。
在能量储存装置的一个或更多个实施方式中，第一多个颗粒的平均尺寸在约1微米至约10微米的范围内。
在能量储存装置的一个或更多个实施方式中，第一多个颗粒中的毗邻的颗粒之间的平均间距在约2微米至约5微米的范围内。
在能量储存装置的一个或更多个实施方式中，第一多个颗粒中的毗邻的颗粒之间的平均间距在约4微米至约8微米的范围内。
在能量储存装置的一个或更多个实施方式中，第一多个颗粒中的每个在形状上基本上是球形的。
在能量储存装置的一个或更多个实施方式中，第一多个颗粒中的每个在形状上基本上是立方形的。
在能量储存装置的一个或更多个实施方式中，微粒层包含粘结剂。
在能量储存装置的一个或更多个实施方式中，多孔隔板具有功能区域，并且功能区域的至少80％被微粒层覆盖。
在能量储存装置的一个或更多个实施方式中，微粒层由第一多个颗粒的单一的层组成。
在能量储存装置的一个或更多个实施方式中，第一设计熔融温度在约60℃至约100℃的范围内。
在能量储存装置的一个或更多个实施方式中，第一设计熔融温度在约90℃至约120℃的范围内。
在能量储存装置的一个或更多个实施方式中，隔板用于当隔板的温度达到高于第一设计熔融温度的第二设计熔融温度时进一步减少离子的流动，并且微粒层包括第二多个颗粒，每个至少部分地由第二共聚物共混物组成，第二共聚物共混物经微调以基本上在第二设计熔融温度下熔融，其中当第二多个颗粒在基本上第二设计熔融温度下熔融以形成第二熔融物时，第二熔融物阻挡穿过与孔隙的第一部分不同的孔隙的第二部分的离子流动。
在能量储存装置的一个或更多个实施方式中，多孔主体具有与彼此不同的第一区和第二区，并且第一多个颗粒排他地位于第一区中并且第二多个颗粒排他地位于第二区中。
在能量储存装置的一个或更多个实施方式中，第一区和第二区在多孔主体的第一侧部上。
在能量储存装置的一个或更多个实施方式中，第一区在多孔主体的第一侧部上并且第二区在多孔主体的第二侧部上。
在能量储存装置的一个或更多个实施方式中，第一设计熔融温度在约60℃至约100℃的范围内并且第二设计熔融温度在约90℃至约120℃的范围内。
在能量储存装置的一个或更多个实施方式中，微粒层位于多孔主体的仅第一侧部上。
在能量储存装置的一个或更多个实施方式中，微粒层位于多孔主体的第一侧部和第二侧部中的每个。
在能量储存装置的一个或更多个实施方式中，多孔主体包括电隔板。
在能量储存装置的一个或更多个实施方式中，多孔主体包含具有大于第一设计熔融温度的熔融温度的多孔聚合物。
在能量储存装置的一个或更多个实施方式中，多孔聚合物被陶瓷材料包覆，并且微粒层被施用至陶瓷材料。
在能量储存装置的一个或更多个实施方式中，多孔聚合物实质上由聚丙烯组成。
在能量储存装置的一个或更多个实施方式中，多孔聚合物实质上由聚乙烯组成。
在能量储存装置的一个或更多个实施方式中，第一设计熔融温度被选择以抑制热散逸。
在能量储存装置的一个或更多个实施方式中，电解质包括碱金属双氟磺酰亚胺(FSI)盐，并且第一设计熔融温度在约65℃至约100℃的范围内。
在能量储存装置的一个或更多个实施方式中，共聚物共混物包括聚乙烯和醋酸乙烯酯的共混物。
在能量储存装置的一个或更多个实施方式中，电解质包括锂FSI盐。
在能量储存装置的一个或更多个实施方式中，微粒层包括两个或更多个多个颗粒，并且多个颗粒中的每个中的颗粒经微调以具有不同于多个颗粒的彼此的设计熔融温度的设计熔融温度。
在能量储存装置的一个或更多个实施方式中，多个颗粒中的第一个中的颗粒具有第一设计熔融温度并且多个颗粒中的第二个中的颗粒具有不同于第一设计熔融温度的第二设计熔融温度。
在能量储存装置的一个或更多个实施方式中，第一设计熔融温度和第二设计熔融温度中的每个被选择以抑制能量储存装置内的热散逸。
在某些方面，本公开内容涉及一种制造离子流动控制(IFC)结构的方法，离子流动控制(IFC)结构用于减少电解质的离子穿过隔板的作为第一设计熔融温度的函数的流动，在第一设计熔融温度下期望的是隔板激活以开始减少离子的流动，方法包括：提供多孔主体，具有第一侧部、与第一侧部间隔开的第二侧部以及被提供用于允许离子穿过多孔主体的运动的孔隙；提供具有基本上等于第一设计熔融温度的第一熔融温度的第一共聚物共混物的第一颗粒；以及将第一颗粒沉积至多孔主体上使得，当第一颗粒熔融以形成第一熔融物时，第一熔融物阻挡孔隙的至少第一部分从而防止离子穿过其的流动。
在方法的一个或更多个实施方式中，隔板用于能量储存装置，并且第一设计熔融温度被选择以抑制能量储存装置的热散逸。
在方法的一个或更多个实施方式中，提供第一共聚物共混物的第一颗粒包括提供具有在直径上约1微米至约10微米的直径的第一颗粒。
在方法的一个或更多个实施方式中，提供第一共聚物共混物的第一颗粒包括选择较长链聚合物和较软聚合物并且调整较长链聚合物和较软聚合物之间的比率使得第一共聚物共混物基本上在第一设计熔融温度下熔融。
在方法的一个或更多个实施方式中，提供第一共聚物共混物的第一颗粒包含提供包含聚乙烯和醋酸乙烯酯的第一共聚物共混物。
在方法的一个或更多个实施方式中，在将第一颗粒沉积至多孔主体上之前将第一颗粒与粘结剂混合以形成混合物，其中将第一颗粒沉积至基材上包括将混合物沉积至多孔主体上。
在方法的一个或更多个实施方式中，将第一颗粒沉积至多孔主体上包括将第一颗粒沉积在多孔主体的第一侧部和第二侧部中的仅一个上。
在方法的一个或更多个实施方式中，将第一颗粒沉积至多孔主体上包括将第一颗粒沉积在多孔主体的第一侧部和第二侧部中的每个上。
在方法的一个或更多个实施方式中，隔板具有不同于第一设计熔融温度的第二设计熔融温度，并且方法还包括提供具有基本上等于第二设计熔融温度的第二熔融温度的第二共聚物共混物的第二颗粒；以及将第一颗粒沉积至多孔主体上使得，当第二颗粒熔融以形成第二熔融物时，第二熔融物阻挡与孔隙的第一部分不同的孔隙的至少第二部分从而防止离子穿过其的流动。
在方法的一个或更多个实施方式中，将第一颗粒沉积至多孔主体上包括将第一颗粒沉积在第一区中，方法还包括将第二颗粒沉积在与第一区不同的第二区中。
在方法的一个或更多个实施方式中，第一区和第二区在多孔主体的第一侧部和第二侧部中的仅一个。
在方法的一个或更多个实施方式中，第一区和第二区是多孔主体的第一侧部和第二侧部中的不同的侧部。
在方法的一个或更多个实施方式中，第一设计熔融温度在约60℃至约100℃的范围内并且第二设计熔融温度在约90℃至约120℃的范围内。
在方法的一个或更多个实施方式中，第一共聚物共混物和第二共聚物共混物由相同的成分材料但是以相对于彼此的不同的比率组成。
在方法的一个或更多个实施方式中，成分材料包括聚乙烯和醋酸乙烯酯。
附图说明
为了图示本发明的目的，附图示出了本发明的一个或更多个实施方式的方面。然而，应当理解，本发明不限于附图中示出的精确的方法和装置，在附图中：
图1A是包括本公开内容的至少一个离子流动控制(IFC)层的电化学装置的图解的截面图；
图1B是隔板和两个IFC层的局部放大图，且两个IFC层每个包括由一个或更多个聚合物共混物组成的颗粒；
图1C是在两个IFC层中的第一个已经熔融之后的图1B的局部放大图；
图1D是在两个IFC层中的第二个已经熔融之后的图1B和1C的局部放大图；
图2A是示例性的IFC结构的平面图，图示了不同的设计熔融温度的IFC区的示例性的排列；
图2B是另一个示例性的IFC结构的平面图，图示了不同的设计熔融温度的IFC区的另一个示例性的排列；
图2C是另一个示例性的IFC结构的平面图，图示了具有设计熔融温度的渐变的IFC层；
图3A是具有具有不同的设计熔融温度的不同的聚合物共混物的区的条纹状排列的示例性的IFC层的平面图；并且
图3B是具有具有不同的设计熔融温度的不同的聚合物共混物的颗粒的混合物的另一个示例性的IFC层的平面图。
具体实施方式
在某些方面，本公开内容涉及用于在电化学装置中使用的离子流动控制(IFC)结构和IFC层，例如电池、电容器和超级电容器，在其中期望的是控制电化学装置内的电解质的离子的作为温度的函数的流动。能够受益于本公开内容的IFC技术的电化学装置的实施例包括但不限于锂基电池，例如锂离子电池和锂金属电池等。如在上文在背景技术部分中描述的，锂基电池中的热散逸的现象是熟知的。许多技术已知用于关断锂基电池内的离子的流动。这些技术中的一个使用包括聚乙烯层的隔板，聚乙烯层在设计温度熔融以形成阻挡电解质中的离子穿过隔板的流动的熔融物。
本发明的发明人已经意识到，虽然聚乙烯或甚至另一个商业的成品的类型的聚合物的使用是有益的，但是这些材料的熔点不是始终对于具体的应用理想的。因此，在某些实施方式中，本公开内容的IFC层包含一个或更多个聚合物共混物，其中的每个包含两个或更多个聚合物的共聚物共混物，其中聚合物和它们的在聚合物共混物中的相关的量被选择，使得聚合物共混物在或近似地在经微调以适应被考虑的具体的应用的特定的设计温度熔融。为了本公开内容和所附的权利要求，术语“在……熔融”或类似的，当与“设计熔融温度”、“设计温度”、“温度”或类似的共同使用时，应该在某些实施方式中意指在有关的温度值的+/-10℃内，在某些实施方式中意指在有关的温度值的+/-8℃内，在某些实施方式中意指在有关的温度值的+/-5℃内，并且在某些实施方式中意指在有关的温度值的+/-2℃内。在在设计熔融温度熔融之前，本公开内容的IFC层或其的相应的区含有允许电解质的离子穿过IFC层的流动的通路，例如颗粒间空间、开口和/或孔隙。示例性的IFC层在下文描述。
如上文提到的，一个或更多个IFC层可以被结合入各种电化学装置中的任何中以控制相应的电化学装置的电解质内的离子流动。例如，一个或更多个IFC层可以与位于电化学装置的正极和负极之间的隔板一体。如本领域的技术人员理解的，隔板是在正常操作期间物理地分离电化学装置的负极和正极同时在放电和充电循环期间允许合适的电解质的离子运动穿过在负极和正极之间的隔板的介电结构。典型地，被考虑的电解质是液体或凝胶型电解质，虽然一个或更多个IFC层也可以与固体电解质共同使用。为了方便性，任何在本文中被描述为允许液体电解质或凝胶电解质内的离子穿过该结构的结构(例如隔板、支撑结构、IFC层等等)被表示为“多孔的”结构。然而，将理解，结构的孔隙度不需要被孔隙提供。而是，孔隙度可以被其他的离子流动通路提供，例如孔、通道、颗粒间空间和/或开口等。
为了例证，图1A示出了示例性的电化学装置100，包括隔板104，隔板104包括多孔主体104A和至少一个IFC层，在此是位于多孔主体的一个侧部的第一IFC层108和位于多孔主体的相反的侧部的可选择的第二IFC层112。在本实施例中，第一IFC层和第二IFC层108和112中的每个分别地具有相应的最小设计熔融温度TM最小108和TM最小112，其是相应的IFC层被设计为在其熔融的最低的温度，和相应的最大设计熔融温度TM最大108和TM最大112，其是相应的IFC层被设计为在其熔融的最高的温度。如下文讨论的，根据本公开内容制造的IFC层，例如第一IFC层和第二IFC层108和112，可以具有多于一个设计熔融温度，并且因此使用最小设计熔融温度和最大设计熔融温度。第一IFC层和第二IFC层108和112中的任一个或二者的整体被设计为在仅一个温度TM最小＝TM最大熔融，并且设计熔融温度可以被简单地表达为TM，例如在此对于第一IFC层和第二IFC层108和112分别地TM108和TM112。
在本实施例中，多孔主体104A和第一IFC层和第二IFC层108和112位于电化学装置100的负极116和正极120之间，并且被浸入在电化学装置内的电解质124中。在某些实施方式中，电解质124可以是液体电解质或凝胶电解质，或其的组合。如本领域熟知的并且因此不需要详细说明的，电解质可以包含任何一个或更多个类型的盐、任何一个或更多个类型的溶剂和任何一个或更多个类型的添加剂并且可以还包含一个或更多个其他的组分，例如在凝胶电解质的情况下至少一个聚合物。根本上，不具有对电解质124的组成的限制；其仅需要提供在负极116和正极120之间流动的工作离子(未示出)。注意到，电解质124在图1A中被示出为延伸入负极116和正极120二者中。其是为了表达在电化学装置的某些实施方式中负极116和正极120中的一个、另一个或二者可以是多孔的的事实。
负极116和正极120中的每个可以由任何合适的材料制造，其中用于每个的材料的选择是基于电化学装置100的类型。例如，如果负极116是锂离子型负极，那么其可以由一个或更多个被设计为插层电解质124中的锂离子的材料制造，正极120也可以由一个或更多个被设计为插层电解质124中的锂离子的材料制造。作为另一个实施例，如果负极116是锂金属型负极，那么其可以由一个或更多个被设计为被电解质124中的锂离子镀的材料制造，并且正极120可以由任何一个或更多个合适的材料制造，例如一个或更多个被设计为用于插层电解质中的锂离子的材料。注意到，锂化学物仅是适合于电化学装置100的化学物的一个实施例并且其他的化学物，例如钠化学物、镁化学物和铝化学物等，能够受益于本文公开的IFC层技术。对于电化学装置100的任何给定的类型被考虑的具体的化学物与本公开内容相关至以下的程度，即化学物使得温度偏移是可能的并且；其是控制这样的偏移和导致该偏移的底层的化学过程所期望的或必需的。本领域的技术人员将容易地意识到何时以及如何实施本文公开的IFC层技术，取决于所选择的化学物。注意到，图1A图示了用于负极116、正极120和隔板104中的每个的仅单一的层。这仅为简单起见被进行。本领域的技术人员将容易地意识到，电化学装置100的实际的实例化将更典型地包括这样的层的堆叠物或盘绕物。
在某些实施方式中，多孔主体104A可以由任何一个或更多个合适的材料制造，使得多孔主体在第一IFC层和第二IFC层108和112的二者的最大设计熔融温度不熔融或以其他方式失去稳定性。在这些实施方式中，这允许多孔主体104A在熔融之前和/或在熔融之后提供对第一IFC层和第二IFC层108和112中的一个或二者的支撑。在某些实施方式中，多孔主体104A借助于第一IFC层和第二IFC层在制造期间即在经历熔融之前被施用或以其他方式固定至隔板提供对第一IFC层和第二IFC层108和112中的一个或二者的支撑。如同在熔融之前第一IFC层和第二IFC层108和112中的每个，多孔主体104A配置为具有允许来自电解质124的离子(未示出)在负极116和正极120之间从隔板的一个侧部至另一个运动穿过多孔主体的通路。在一个实施例中，隔板104由一个或更多个聚合物制造，例如聚丙烯、聚乙烯或聚偏二氟乙烯等，或其的任何组合。在一个实施例中，多孔主体104A包括一个或更多个覆层，例如陶瓷覆层104B、聚合物覆层和/或复合覆层等，以提供任何期望的效果，例如改进润湿和抑制收缩。其他的隔板构造是可能的。本领域的技术人员理解隔板设计和构造的一般性并且因此能够设计和构建适合于用于本公开内容的一个或更多个IFC层的多孔主体。
第一IFC层和第二IFC层108和112中的每个可以采取各种形式中的任何。例如并且如上文提到的，在熔融之前，第一IFC层和第二IFC层108和112中的每个包括允许电解质124的离子流动穿过IFC层的通路(即是如上文定义的“多孔的”)，并且这些通路可以例如通过以下提供：当IFC层包括用于制造IFC层的一个或更多个聚合物共混物的颗粒时的颗粒间空间，在一个或更多个聚合物共混物的以其他方式的固体层内的孔隙，和在一个或更多个聚合物共混物的以其他方式的固体层中形成的孔，和其的任何组合。
当第一IFC层和第二IFC层108和112中的一个或另一个或二者包括颗粒108A、112A时(图1B，为了方便仅几个被标记)，颗粒可以被以任何合适的方式施用至多孔主体104A。在一个实施例中，粘结剂(未示出)，例如聚偏二氟乙烯(PVDF)、苯乙烯丁二烯(SBR)或聚丙烯腈(PAN)等，被用于将颗粒108A、112A固定至多孔主体104A。如果第一IFC层和第二IFC层108、112中的每个被作为多孔的(例如有孔的或有孔隙的)膜提供，那么其可以以合适的方式附接至多孔主体，例如使用粘合剂(未示出)。在某些实施方式中，第一IFC层和第二IFC层108和112中的每个或二者可以不附接至多孔主体104A。在这样的实施方式中，第一IFC层和第二IFC层108、112可以被当IFC层108、112在已组装的电化学装置100内位于原位时存在的压缩力保持就位。
参考图1B，在图示的实施例中，第一IFC层108是颗粒108A的单层，并且颗粒是在形状上基本上球形的并且是在尺寸上相对于彼此大体上均一的，使得即使当颗粒被在单层中紧密地塞满时，它们形成允许来自电解质124的离子流动穿过IFC层的空间。注意到，颗粒108A不需要是球形的并且不需要是在尺寸上均一的。大体上，可以使用任何形状，只要足够的颗粒间空间被提供用于离子流动。相似地，颗粒108A的尺寸不需要是均一的，只要它们在任何熔融之前提供穿过IFC层108的必需的/期望的离子流动。
在某些实施方式中，所有的颗粒108A可以包含相同的聚合物共混物，使得整个IFC层108具有均一的设计熔融温度。在某些实施方式中，颗粒108A中的不同的可以由两个或更多个不同的聚合物共混物组成从而具有不同的设计熔融温度。提供一个或更多个IFC层或部分层(即不覆盖隔板或其他的支撑结构的整个流动区域的层)，例如第一IFC层和第二IFC层108和112，可以由于各种原因中的任何一个或更多个是有益的。例如，在热散逸的情况下，热散逸可以被控制，同时仍然允许电化学装置100(图1A)起作用，虽然以减少的容量。这可以是在电化学装置100的某些应用中极端地重要的(图1A)，例如当电化学装置正在向在其中功率的完全的失去将是危急生命的的载人飞行器或应急无线电发射机提供功率时。
在具有两个或更多个设计熔融温度的第一IFC层108的一个实施例中，具有一个设计熔融温度的颗粒108A之一可以被与彼此排他地分组从而形成在多孔主体104A的表面104C上的不同的区，使得不同的区具有均一地不同的设计熔融温度。作为另一个实施例，当颗粒108A由在设计熔融温度上不同的颗粒组成时，颗粒可以根据它们的设计熔融温度以分级的方式组合从而提供具有从IFC层的一个区至另一个逐渐地改变的多重的设计熔融温度的第一IFC层108。用于具有单一的设计熔融温度和多重的设计熔融温度的IFC层的示例性的配置在下文参考图2A至2C描述。
图1B的实施例示出了第二IFC层112作为使其的颗粒112A被以除了单层的方式提供，在此在两个层112A(1)和112A(2)中。注意到，虽然两个层112A(1)和112A(2)被示出，但是更多的层可以被提供以适合具体的设计。此外，取决于颗粒112A的尺寸，颗粒可以不被组织在离散的层中。与颗粒112A的非单层组装的结构无关，上文关于IFC层108描述的关于不同的设计熔融温度的区的区域排列和逐渐的设计熔融温度的一般原理可以被应用于IFC层112。
在图1B中具体地图示的实施例中，第一IFC层108的所有的颗粒108A可以由相同的聚合物共混物制造，使得整个第一IFC层具有单一的设计熔融温度TM低，并且第一IFC层被示出为具有在其中没有颗粒108A存在的开口108B。继续本实施例，第二IFC层112的所有的颗粒112A可以由相同的聚合物共混物制造，使得整个第二IFC层具有高于第一IFC层108的TM低的单一的设计熔融温度TM高。当隔板104的温度低于TM低时，离子流动可以在IFC结构的整体上发生，如通过流动箭头128(1)至128(3)指示的。在该点，电化学装置能够以完全的能力操作。
当隔板104的温度满足或超过第一IFC层108的TM低但是保持低于第二IFC层112的TM高时，第一IFC层熔融，如在图1C中图示的，其中熔融的颗粒108A(图1B)形成第一阻挡层108C(图1C)，第一阻挡层108C阻挡在相应的区中的离子流动，如终止于第一阻挡层流动箭头128(1)和128(3)图示的。然而，开口108B保留，允许离子流动在第一IFC层108的该区继续，如仍然穿过隔板104的流动箭头128(2)图示的。该减少的离子流动允许电化学装置100继续操作，虽然以减少的能力。如果隔板104的温度增加至或超过第二IFC层112的TM高，那么第二IFC层中的颗粒112A熔融以形成相应的第二阻挡层112B(图1D)。在该点，在第一IFC层108熔融之后离子流动仍然发生的部分(见流动箭头128(2))现在被第二阻挡层112B阻挡从而停止所有的穿过隔板104的离子流动，有效地关断电化学装置的操作。
图2A图示了示例性的IFC结构200，包括第一IFC层204，第一IFC层204由五个区204(1)至204(5)组成，在此表现为条纹状排列。区的数目可以在其他的实施方式中是更大的或更少的。此外，区的形状可以是在不同的实施方式中不同的，并且排列可以是不同的。关于下文以及在图示的条纹状的区204(1)至204(5)的上下文中，条纹的方向可以被与示出的取向不同地取向，例如垂直于示出的排列或相对于示出的IFC结构的矩形的形状对角地。取决于具体的设计的离子流动控制要求/期望，不同的区204(1)至204(5)可以被提供不同的设计熔融温度，例如使用在上文描述的并且在下文示例的利用经微调为不同的设计熔融温度的聚合物共混物的IFC层技术中的任何。下文的表格I图示了第一IFC层204的九个不同的配置，两个配置用于单一的设计熔融温度(TM)(配置1A和1B)，两个配置用于两个设计熔融温度(配置2A和2B)，并且五个配置用于三个设计熔融温度(配置3A至3E)。注意到，这些示例性的配置不是穷尽的而是例证性的。
表格I
Figure BDA0002397754030000141
说明：
S＝单一设计温度聚合物共混物
N＝没有聚合物共混物(没有流动阻挡)
L＝低设计温度聚合物共混物
M＝中设计温度聚合物共混物
H＝高设计温度聚合物共混物
注意：“低”、“中”和“高”指定是相对于彼此
如能够在上文的表格I中大体上看到的，对于第一IFC层204的单一的设计熔融温度配置1A和1B，第一IFC层具有在聚合物共混物S的熔融时的仅在区204(1)至204(5)中的某一个中的阻挡能力。这使区204(1)至204(5)中的其他的在熔融之后保留对离子流动开放。因此，相应的电化学装置(未示出，但是可以与图1A的电化学装置100相似)可以在聚合物共混物S已经熔融之后继续操作，虽然以减少的输出。在某些实施方式中，可以是期望的是将在熔融之后保持开放的离子流动区域(在法向于第一IFC层204的方向)的量限制为不多于在聚合物共混物S的熔融之前的最初的离子流动区域的约80％。
继续参考上文的表格I，对于图2A的第一IFC层204的两个设计熔融温度配置2A和2B，低设计熔融温度聚合物共混物L经微调以在比高设计熔融温度聚合物共混物H低的温度熔融。在偏移期间，当第一IFC层204的温度达到聚合物共混物L的设计熔融温度时，聚合物共混物L熔融，并且电化学装置(未示出，但是可以与图1A的电化学装置100相似)可以由于在区204(1)至204(5)中的在其中聚合物L已经熔融的一个中的离子流动的堵塞继续在减少的离子流动操作。这种减少流操作能够继续，只要第一IFC层204的温度保持低于高设计熔融温度聚合物共混物H的熔融温度。在图示的两个配置2A和2B中，一旦第一IFC层204的温度达到或超过聚合物共混物H的熔融温度，那么在区204(1)至204(5)中的相应的一个中的聚合物共混物H熔融从而阻挡离子(未示出)的穿过这些区的流动。在该点，因为低和高设计熔融温度聚合物共混物L和H二者都已经熔融并且因为区204(1)至204(5)覆盖第一IFC层204的整个最初的流动区域，所以离子穿过第一IFC层的流动被完全地停止。注意到，虽然未示出，但是如果在聚合物共混物H的较高的设计熔融温度已经被达到之后穿过第一IFC层204的离子流动的某些非零的量是期望的，那么区204(1)至204(5)中的一个或更多个可以不被提供任何聚合物共混物，由此使这样的区保留对离子流动开放。
上文的表格I图示了当三个不同的聚合物共混物L、M和H被使用并且聚合物共混物具有三个不同的设计熔融温度时的图2A的第一IFC层204的五个示例性的设计熔融温度配置3A至3E。这些配置3A至3E中的每个的功能是与配置2A和2B大体上相似的，因为其提供随着增加的温度的离子流动的累进的阻挡。然而，因为包含具有在聚合物共混物L和H的设计熔融温度之间的设计熔融温度的聚合物共混物M，第一IFC层204的离子流动阻挡能力的改变是比当仅两个聚合物共混物L和H被使用时更逐渐的。注意到，虽然未示出，但是如果在聚合物共混物H的最高的设计熔融温度已经被达到之后穿过第一IFC层204的离子流动的某些非零的量是期望的，那么区204(1)至204(5)中的一个或更多个可以不被提供任何聚合物共混物，由此使这样的区保留对离子流动开放。
图2A的IFC结构200可以可选择地包括用于支撑第一IFC层204的支撑结构208。支撑结构208是足够多孔的或以其他方式对电解质的离子(未示出)的从IFC结构200的一个侧部至另一个，在此相对于图2A向页面中或从页面出来的流动开放。支撑结构208也是足够坚固的，以承受至少第一IFC层204被设计以在其操作的最高的设计熔融温度而不损失其的支撑第一IFC层204的能力。支撑结构208当被提供时典型地是提供电化学装置的负极和正极之间的电分离的隔板，例如，如上文关于图1A和1B讨论的。本领域的技术人员将理解如何构建或提供合适的多孔的支撑结构208。
图2A的IFC结构200可以可选择地包括第二IFC层212，例如在支撑结构208的与第一IFC层204在其上的侧部相反的侧部。如果存在，那么第二IFC层212可以在区的数目、地点和尺寸的方面以与第一IFC层204相同的方式被配置。在示出的实施例中，在这种情况下第二IFC层212将具有匹配第一IFC层204的区204(1)至204(5)但是位于支撑结构208的相反的侧部的五个区212(1)至212(5)。在其中第二IFC层212的区212(1)至212(5)匹配第一IFC层204的区204(1)至204(5)的实施方式中，分别的区可以具有与在支撑结构208的相反的侧部的相应的分别的区204(1)至204(5)相同的或不同的聚合物共混物，或一个没有。在某些实施方式中，第二IFC层212可以与第一IFC层204的配置不同地配置。例如，第二IFC层212的整体可以由具有IFC结构200的所有的聚合物共混物的最高的设计熔融温度的单一的聚合物共混物组成，使得其通过当其已经达到被设置为低于临界温度的最大温度时完全地关断离子穿过IFC结构的流动提供具有安全保障操作的IFC结构。本领域的技术人员将容易地理解，用于第二IFC层212的其他的配置是可能的，当其被提供时。
注意到，在图2A中可选择的支撑结构208和第二IFC层212被示出为延伸超过第一IFC层204的边界。这仅为了图示在本平面图中进行。在一个物理实例化中，各种层具有被视为适合于具体的设计的任何区域尺寸。
图2B图示了示例性的IFC结构240，包括第一IFC层244，第一IFC层244由七个区组成，即六个内部区244A(1)至244A(6)和一个围绕区244B。注意到，虽然六个内部区244A(1)至244A(6)被图示，但是内部区的数目可以是大于或少于六个，如为了适合特定的设计期望的。此外，虽然示出内部区244A(1)至244A(6)在形状上是圆形的，但是它们可以是任何期望的形状，并且它们的形状不需要全部是相同的，内部区的尺寸也不需要与彼此相同。在本实施例中，整个围绕区244B可以被提供具有单一的设计熔融温度的聚合物共混物，并且内部区244A(1)至244A(6)中的每个可以不被提供聚合物共混物(没有离子流动阻挡能力)或被提供具有高于或低于围绕区244B的设计熔融温度的聚合物共混物。在一个实施例中，内部区244A(1)至244A(6)的全部六个可以不具有任何聚合物共混物并且没有阻挡能力。在这种情况下，一旦IFC结构240的温度达到或超过围绕区244B中的聚合物共混物的设计熔融温度，那么围绕区将阻挡离子流动但是全部六个内部区244(1)至244A(6)将继续允许离子(未示出)流动穿过IFC结构240。在另一个实施例中，内部区244A(1)至244A(6)中的一个、某些或全部可以包含相应的分别的聚合物共混物，每个具有不同于围绕区244B中的设计熔融温度并且与内部区244A(1)至244A(6)中的一个或更多个其他的的设计熔融温度相同或不同的设计熔融温度。本领域的技术人员将容易地意识到，存在用于具有一个或更多个内部区和围绕区的IFC层例如图2B的第一IFC层244的许多可能的配置。
图2B的IFC结构240可以可选择地包括用于支撑第一IFC层244的支撑结构248。支撑结构248是足够多孔的或以其他方式对电解质的离子(未示出)的从IFC结构240的一个侧部至另一个，在此相对于图2B向页面中或从页面出来的流动开放。支撑结构248也是足够坚固的，以承受至少第一IFC层244被设计以在其操作的最高的设计熔融温度而不损失其的支撑第一IFC层244的能力。支撑结构248当被提供时典型地是提供电化学装置的负极和正极之间的电分离的隔板，例如，如上文关于图1A和1B讨论的。本领域的技术人员将理解如何构建或提供合适的支撑结构248。
图2B的IFC结构240可以可选择地包括第二IFC层252，例如在支撑结构248的与第一IFC层244在其上的侧部相反的侧部。如果存在，那么第二IFC层252可以在区的数目、地点和尺寸的方面以与第一IFC层244相同的方式被配置。在示出的实施例中，在这种情况下第二IFC层252将具有匹配第一IFC层244的内部区244A(1)至244A(6)的六个内部区252A(1)至252A(6)和匹配围绕区244B但是位于支撑结构248的相反的侧部的一个围绕区252B。在其中第二IFC层252的区252A(1)至252A(6)和252B匹配第一IFC层244的区244A(1)至244A(6)和围绕区244B的实施方式中，分别的区可以具有与在支撑结构248的相反的侧部的相应的分别的区244A(1)至244A(6)和244B相同的或不同的聚合物共混物，或一个没有。在一个实施例中，如果第一IFC层244的所有的内部区244A(1)至244A(6)不具有任何聚合物共混物，并且因此没有离子流动阻挡能力，那么相应的内部区252A(1)至252A(6)可以具有在一个或更多个高于第一IFC层244的围绕区244B中的聚合物共混物的温度熔融的一个或更多个聚合物共混物以提供内部区252A(1)至252A(6)中的期望的离子流动阻挡能力。在某些实施方式中，第二IFC层252可以被与第一IFC层244的配置不同地配置。例如，第二IFC层252的整体可以由具有IFC结构240的所有的聚合物共混物的最高的设计熔融温度的单一的聚合物共混物组成，使得其通过当其已经达到被设置为低于临界温度的最大温度时完全地关断离子穿过IFC结构的流动提供具有安全保障操作的IFC结构。本领域的技术人员将容易地理解，当其被提供时，用于第二IFC层252的其他的配置是可能的。
注意到，在图2B中可选择的支撑结构248和第二IFC层252被示出为延伸超过第一IFC层244的边界。这仅为了图示在本平面图中进行。在一个物理实例化中，各种层具有被视为适合于具体的设计的任何区域尺寸。
图2C图示了示例性的IFC结构280，IFC结构280包括第一IFC层284，第一IFC层284在任何熔融发生之前允许离子经过其的整个面积流动穿过(在垂直于容纳图2C的页面的方向)。在本实施例中，第一IFC层284通常具有设计熔融温度的一个或更多个连续的梯度，从一个或更多个容纳具有最小设计熔融温度TM最小的聚合物共混物的地点，例如在第一IFC层284的边缘284(1)至284(4)的近端，如在图2C中图示的，至一个或更多个容纳具有最大设计熔融温度TM最大的聚合物共混物的地点，例如在第一IFC层284的几何中心284A。如通过温度梯度线288(1)至288(4)图示的，第一IFC层284的从边缘284(1)至284(4)至中心284A的设计熔融温度以从TM最小至TM最大的梯度增加。在本实施例中，当第一IFC层284的温度继续从TM最小朝向TM最大增加时，第一IFC层的熔融的面积以及因此被阻挡的面积增加，直到TM最大被达到或超过，在该点整个第一IFC层已经熔融并且阻挡全部离子流动。在其中第一IFC层284从颗粒制造的一个实施方式(未示出)中，具有不同的熔融温度的不同的聚合物共混物的颗粒可以被策略性地放置并且与彼此团聚从而提供熔融温度梯度。虽然未示出，但是第一IFC层284的一个或更多个区，例如围绕中心284A的区，可以不具有任何聚合物共混物从而在第一IFC层已经达到最大设计熔融温度TM最大之后保持不被阻挡。所图示的TM最小和TM最大的地点仅是实施例，温度梯度(线288)的方向也仅是实施例；许多其他的配置使用温度梯度技术是可能的。在图2C的实施例中，温度梯度线288(3)和288(4)是虚线以指示，在其他的实施方式中，在这些方向没有梯度，使得梯度仅在边缘284(2)和几何中心284A之间以及在边缘284(4)和几何中心之间存在。在一个实施例中，在第一IFC层284的左侧的梯度线(仅一个(288(1))被示出)全部平行于彼此，在第一IFC层的右侧的梯度线(仅一个(288(2))被示出)也平行于彼此，使得两个梯度沿着延伸经过第一IFC层的几何中心284A的竖直(相对于图2C的页面)线(未图示)汇合。
图2C的IFC结构280可以可选择地包括用于支撑第一IFC层284的支撑结构292。支撑结构292是足够多孔的或以其他方式对电解质的离子(未示出)的从IFC结构280的一个侧部至另一个，在此相对于图2C向页面中或从页面出来的流动开放。支撑结构292也是足够坚固的，以承受至少第一IFC层284被设计以在其操作的最高的设计熔融温度而不损失其的支撑第一IFC层的能力。支撑结构292当被提供时典型地是提供电化学装置的负极和正极之间的电分离的隔板，例如，如上文关于图1A和1B讨论的。本领域的技术人员将理解如何构建或提供合适的支撑结构284。图2C的IFC结构280可以可选择地包括第二IFC层296，例如在支撑结构292的与第一IFC层284在其上的侧部相反的侧部。如果存在，那么第二IFC层296可以被以与第一IFC层284相同的方式配置。
注意到，在图2C中可选择的支撑结构292和第二IFC层296被示出为延伸超过第一IFC层284的边界。这仅为了图示在本平面图中进行。在一个物理实例化中，各种层具有被视为适合于具体的设计的任何区域尺寸。
聚合物共混物和熔融温度微调的实施例
如上文描述的，热安全性在电化学装置例如锂金属电池中是最重要的。常规的锂离子电池典型地使用由被夹在两个聚丙烯(PP)的层之间的聚乙烯(PE)的层组成的三层隔板作为关断隔板。一旦锂金属电池的内部温度升高至PE的熔点，那么PE层软化并且熔融以封闭隔板的孔隙，从而防止离子运动。这种类型的隔板在实际应用中经常地失去对热散逸的控制，因为PE和PP的熔点之间的差是仅30℃。在关断之后的热惯性能够容易地使电池单元温度保持增加，直到PP的熔点，导致隔板的收缩以及然后内部短路。此外，PE和PP的熔点非常接近于锂的熔点，锂的熔点是180℃。对于锂金属电池，关断功能，例如在100℃，是期望的。在某些实施方式中，将关断功能性与被陶瓷包覆的隔板组合将允许改进的对收缩的控制。
在某些实施例中，本公开内容的方法可以包括普通的可商购获得的树脂的使用，例如聚乙烯-共-醋酸乙烯酯(PEVA)等。当本公开内容的IFC层由颗粒制造时，树脂可以被有机溶剂稀释，例如氯仿等，并且然后被沉淀入表面活性剂浴中，表面活性剂浴修改表面张力以允许微米尺寸的球的容易的形成。在一个实施例中，PEVA微球使用溶剂蒸发技术被合成。PEVA是聚乙烯和醋酸乙烯酯的共聚物共混物，并且改变两个聚合物在聚合物共混物中的比率导致聚合物共混物的熔点的改变。因此，熔点/曲线能够被精确地微调。
在某些实施方式中，微球形态可以是期望的，由于高的表面积导致支撑结构例如隔板的增加的覆盖度，以及PEVA聚合物共混物IFC层的较低的质量负载。微球的密度是非常低的，并且因此非常薄的覆层可以被施用在IFC层，而不显著地影响在其中IFC层被使用的电化学电池单元的重量的和体积的能量密度。微球显示非常高的表面积(SA)与体积(V)比率的颗粒(SA:V＝3/r，其中r是颗粒的半径)。微球形态还防止支撑结构的离子流动通路的在熔融之前的堵塞。微球的尺寸可以被微调使得它们远大于支撑结构的通路尺寸。这确保在IFC层正在被施用的同时微球不进入通路。此外，因为微球自然地创造颗粒间空间，所以具有用于穿过支撑结构的通路的离子运动的空间。在某些实施例中，微球的尺寸可以是在0.5微米至10微米的范围内，在2微米至5微米的范围内，在0.5微米至2微米的范围内，或在4微米至8微米的范围内等。微球的尺寸可以被调整，例如通过使用不同的表面活性剂和/或改变工艺参数。本领域的技术人员理解微球和其他的微形状可以如何从聚合物共混物制造。在某些实施方式中，本公开内容的IFC层例如IFC层108、112、204、244和284中的任何一个的厚度可以是在0.5微米至20微米的范围内，在1微米至2微米的范围内，在1微米至10微米的范围内，或在1微米至5微米的范围内等。在某些实施方式中，形成本公开内容的IFC层例如IFC层108、112、204、244和284中的任何一个的覆层可以是在2g/cm2至20g/cm2的范围内，在2g/cm2至10g/cm2的范围内，或在2g/cm2至5g/cm2的范围内等。
在一个实施例中，在干燥之后PEVA微球可以然后使用少量的例如高分子量PVDF作为粘结剂被包覆在支撑结构(例如隔板)的一个表面上以创造用于支撑结构的覆层。另一个粘结剂可以被使用。覆层可以例如使用N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)用作溶剂的溶液铸膜法等被施用。如本领域的技术人员将意识到的，本公开内容的基于颗粒的实施方式不限于使用PEVA。许多聚合物共混物可以被加工为微球、立方体或其他的形状，并且被施用以创造熔融曲线以应对热散逸通常在其发生的高速度。以下是可以被用于制造本公开内容的IFC层的聚合物共混物的某些另外的实施例，例如上文描述的IFC层108、112、204、244和284中的任何。
通常，适合于在本公开内容的IFC层例如IFC层108、112、204、244和248中的任何中使用的熔融温度经微调的聚合物共混物可以由作为共聚物的两个或更多个聚合物组成。在某些实施方式中，可以选择聚合物之一以提供机械强度，并且另外的聚合物中的每个可以选择基于具有高的熔体指数(例如大于5)并且是软的从而创造具有熔点和熔体流动指数的期望的组合的聚合物共混物。在下文在表格II中图示的实施例的组中，聚乙烯被选择作为用于提供机械强度的聚合物，并且聚乙烯被与至少一个如在表格II中指示的其他的聚合物共混。如在表格II中看到的，每个聚合物共混物被一般命名“聚(乙烯-共(B)-(C)”指出，其中B和C的实施例在表格II中出现。
表格II
Figure BDA0002397754030000201
Figure BDA0002397754030000211
如在表格II中看到的，各种聚合物共混物能够提供设计熔融温度的70℃至120℃的范围和熔体流动指数的2.5至25的范围。作为来自上文的表格的一个具体的实施例，聚合物共混物聚(乙烯-共-醋酸乙烯酯-共-甲基丙烯酸甲酯)(MMA)可以由74％聚乙烯、25％醋酸乙烯酯和1％MMA组成。许多其他的特定的聚合物共混物可以使用表格II中的聚合物共混物中的任何一个和相应的成分聚合物的相应的特定的百分数量被制造。本领域的技术人员将容易地意识到，表格II的实施例是非限制性的并且其他的聚合物可以被用作力学强度聚合物以及用作较软聚合物。
图3A和3B分别地图示了示例性的使用上文的表格II的聚合物共混物制造的IFC层300和320。与图2A相似，图3A是在其中不同的聚合物共混物的不同的区300(1)至300(10)被以条纹状排列提供的实施例。在本实施例中，区300(1)至300(10)中的不同的聚合物共混物被它们的设计熔融温度表示，如在图3A中示出的。如能够在图3A中看到的，条纹状的IFC层300具有具有六个不同的设计熔融温度70℃、80℃、85℃、90℃、95℃和100℃的十个区300(1)至300(10)。这允许IFC层300当IFC层的温度从70℃升高至100℃和更多时提供离子流动的逐渐的阻挡。当十个区300(1)至300(10)的面积是全部相同的时，能够在图3A中看到，当IFC层300的温度是在95℃和100℃之间时，IFC层的40％保留对离子流动开放。
现在参考图3B，本实施例的IFC层320利用七个类型的颗粒320(1)至320(7)(仅在图例中标记以避免混乱)，其中每个颗粒类型具有经微调以具有特定的设计熔融温度的唯一的聚合物共混物。在本实施例中，七个设计熔融温度是60℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃和100℃，并且相应的分别的聚合物共混物可以使用在上文的表格II中指出的聚合物共混物被制造。在一个实施例中，所有的颗粒类型320(1)至320(7)中的颗粒320A(仅几个被标记以避免混乱)被制造为具有相同的尺寸和形状。在一个实施例中，颗粒类型320(1)至320(7)中的一个或更多个中的颗粒320A具有相对于其它的颗粒类型中的一个或更多个中的颗粒不同的尺寸和/或形状。在一个实施例中，颗粒类型320(1)至320(7)中的任何一个或更多个内的颗粒320A可以具有不同的尺寸和/或形状。如能够在图3B中看到的，颗粒320A可以被与彼此间隔开或接触彼此，如为了适合特定的设计期望的。在一个非限制性的实施例中，不同的颗粒类型320(1)至320(7)可以被以下文的表格III的百分数提供至IFC层320，其中示出的百分数是相对于被提供至IFC层的颗粒320A的混合物。
表格III
Figure BDA0002397754030000221
如能够从上文的表格III看到的，当IFC层320的温度升高至并且然后高于60℃时，不同的颗粒类型320(1)至320(7)越来越熔融并且提供离子流动堵塞的高至仅低于100℃的相对小的量。一旦IFC层320的温度达到100℃，那么IFC层的剩余的75％熔融以阻挡离子流动穿过IFC层。
上文已经是本发明的例证性的实施方式的详细描述。注意到，在说明书和所附的权利要求中，连接词语言，例如在短语“X、Y和Z中的至少一个”和“X、Y和Z中的一个或更多个”中使用的，除非另有具体地声明或指示，应该被视为意指连接词列表中的每个项目可以以排除列表中的每隔一个项目的任何数目或以与连接词列表中的任何或所有的其他的项目组合的任何数目存在，其中的每个可以也以任何数目存在。应用该一般规则，上文的例子中的在其中连接词列表由X、Y和Z组成的连接词短语应该每个涵盖：X中的一个或更多个；Y中的一个或更多个；Z中的一个或更多个；X中的一个或更多个和Y中的一个或更多个；Y中的一个或更多个和Z中的一个或更多个；X中的一个或更多个和Z中的一个或更多个；以及X中的一个或更多个、Y中的一个或更多个和Z中的一个或更多个。
可以作出各种修改和加入，而不偏离本发明的精神和范围。上文描述的各种实施方式中的每个的特征可以如合适的被与其他的所描述的实施方式的特征组合以提供在相关联的新的实施方式中的多种特征组合。此外，虽然上文描述了许多分离的实施方式，但是本文已经描述的内容仅是本发明的原理的应用的例证。此外，虽然本文的具体的方法可以被图示和/或描述为被以特定的顺序进行，但是顺序是在一般常识内高度地可变的以实现本公开内容的方面。据此，本描述意图仅以例子的方式，并且不以其他方式限制本发明的范围。
示例性的实施方式已经在上文公开并且在附图中图示。本领域的技术人员将理解，对本文具体地公开的内容的各种改变、省略和加入可以作出，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种用于利用含有离子的电解质的电解装置的隔板，所述隔板包括：
多孔主体，具有第一侧部和与所述第一侧部间隔开的第二侧部，所述多孔主体配置为当所述隔板被浸入在所述电解装置中的所述电解质中时允许所述离子穿过所述多孔主体的运动；以及
离子流动控制层，被相对于所述多孔主体功能性地定位，其中所述离子流动控制层包括第一多个颗粒，每个包含第一共聚物共混物，所述第一共聚物共混物在组成上经微调以在第一设计熔融温度下熔融，其中：
当所述离子流动控制层尚未经受所述第一设计熔融温度并且所述隔板被浸入在所述电解质中时，所述离子流动控制层具有允许所述离子穿过所述离子流动控制层的运动并且允许所述离子流动穿过所述隔板的孔隙度；并且
当所述离子流动控制层已经经受所述第一设计熔融温度或更大并且所述隔板被浸入在所述电解质中时，所述第一多个颗粒熔融从而减少所述离子流动控制层的所述孔隙度并且由此抑制所述离子穿过所述隔板的流动。
2.根据权利要求1所述的隔板，其中所述多孔主体包含具有大于所述第一设计熔融温度的熔融温度的多孔聚合物。
3.根据权利要求1所述的隔板，其中所述多孔主体包含多孔聚合物和包覆至所述聚合物上的陶瓷材料。
4.根据权利要求1所述的隔板，其中所述多孔主体包含陶瓷材料。
5.根据权利要求1所述的隔板，其中所述第一共聚物共混物包含较长链聚合物和较短链聚合物。
6.根据权利要求5所述的隔板，其中所述长链聚合物包括聚乙烯并且较软聚合物包括醋酸乙烯酯。
7.根据权利要求1所述的隔板，其中所述第一多个颗粒的平均尺寸在约1微米至约10微米的范围内。
8.根据权利要求1所述的隔板，其中所述第一多个颗粒中的毗邻的颗粒之间的平均间距在约2微米至约5微米的范围内。
9.根据权利要求1所述的隔板，其中所述第一多个颗粒中的每个在形状上基本上是球形的。
10.根据权利要求1所述的隔板，其中所述第一多个颗粒中的每个在形状上基本上是立方形的。
11.根据权利要求1所述的隔板，其中所述多孔隔板具有功能区域，并且所述功能区域的至少80％被微粒层覆盖。
12.根据权利要求1所述的隔板，其中所述第一设计熔融温度在约60℃至约100℃的范围内。
13.根据权利要求1所述的隔板，其中所述第一设计熔融温度在约90℃至约120℃的范围内。
14.根据权利要求1所述的隔板，其中所述离子流动控制层配置为当所述离子流动控制层的所述温度达到高于所述第一设计熔融温度的第二设计熔融温度时进一步减少所述离子穿过所述隔板的流动，所述离子流动控制层包括第二多个颗粒，每个包含第二共聚物共混物，所述第二共聚物共混物在组成上经微调以基本上在所述第二设计熔融温度下熔融，从而进一步减少所述离子流动控制层的所述孔隙度并且由此进一步抑制所述离子穿过所述隔板的流动。
15.根据权利要求14所述的隔板，其中所述第二多个颗粒分布遍及所述离子流动控制层内的所述第一多个颗粒。
16.根据权利要求14所述的隔板，其中所述离子流动控制层具有与彼此不同的第一区和第二区，并且所述第一多个颗粒在所述第一区中与彼此聚簇并且所述第二多个颗粒在所述第二区中与彼此聚簇。
17.根据权利要求16所述的隔板，其中所述第一区和所述第二区二者都位于所述多孔主体的所述第一侧部。
18.根据权利要求16所述的隔板，其中所述第一区在所述多孔主体的所述第一侧部并且所述第二区在所述多孔主体的所述第二侧部。
19.根据权利要求14所述的隔板，其中所述第一设计熔融温度在约65℃至约100℃的范围内并且所述第二设计熔融温度在约90℃至约120℃的范围内。
20.根据权利要求1所述的隔板，其中所述离子流动控制层位于所述多孔主体的所述第一侧部和所述第二侧部中的每个。
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11288702A (ja) * 1998-03-31 1999-10-19 Japan Vilene Co Ltd アルカリ電池用セパレータ
JP2000215876A (ja) * 1998-11-16 2000-08-04 Daiwabo Co Ltd 電池用セパレ―タおよびこれを用いた電池
US20060147804A1 (en) * 2003-01-23 2006-07-06 Daiwabo Co., Ltd. Separator material and method of producing the same, and alkali secondary battery separator
JP2012171668A (ja) * 2011-02-23 2012-09-10 Showa Denko Packaging Co Ltd 包装用ヒートシール容器
CN105609689A (zh) * 2014-11-19 2016-05-25 三星Sdi株式会社 用于可再充电锂电池的隔板和包括其的可再充电锂电池
JP2016181326A (ja) * 2013-09-30 2016-10-13 日立マクセル株式会社 リチウムイオン二次電池用セパレータ
US20190067661A1 (en) * 2017-08-31 2019-02-28 Industrial Technology Research Institute Composite film and manufacturing method for the same and battery comprising composite film

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110217585A1 (en) * 2010-03-02 2011-09-08 Applied Materials, Inc. Integrated composite separator for lithium-ion batteries
KR20150057481A (ko) * 2013-11-19 2015-05-28 삼성에스디아이 주식회사 리튬 전지용 세퍼레이터, 이를 포함하는 리튬 전지, 및 상기 리튬 전지의 제조방법
JP6765439B2 (ja) * 2016-04-01 2020-10-07 エルジー・ケム・リミテッド 接着層を含む電気化学素子用分離膜及び該分離膜を含む電極組立体

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11288702A (ja) * 1998-03-31 1999-10-19 Japan Vilene Co Ltd アルカリ電池用セパレータ
JP2000215876A (ja) * 1998-11-16 2000-08-04 Daiwabo Co Ltd 電池用セパレ―タおよびこれを用いた電池
US20060147804A1 (en) * 2003-01-23 2006-07-06 Daiwabo Co., Ltd. Separator material and method of producing the same, and alkali secondary battery separator
JP2012171668A (ja) * 2011-02-23 2012-09-10 Showa Denko Packaging Co Ltd 包装用ヒートシール容器
JP2016181326A (ja) * 2013-09-30 2016-10-13 日立マクセル株式会社 リチウムイオン二次電池用セパレータ
CN105609689A (zh) * 2014-11-19 2016-05-25 三星Sdi株式会社 用于可再充电锂电池的隔板和包括其的可再充电锂电池
US20190067661A1 (en) * 2017-08-31 2019-02-28 Industrial Technology Research Institute Composite film and manufacturing method for the same and battery comprising composite film

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