JP2023080287A - 熱伝導率を高めたナノ多孔質複合セパレータ - Google Patents
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Abstract
Description
多孔質セパレータは、アノードとカソードの物理的な接触の防止しながら必要に応じて電気化学エネルギー供給のためのイオン輸送を促進することを含む、電池設計の重要な役割を担う。大型リチウムイオン電池は、平均温度20度から70度で動作しうる。しかしながら、電池充電および/または放電におけるスパイクは、そのような電池の短期温度を110度以上に押し上げる可能性がある。リチウムイオン電池に使用されるセパレータは、一般的に、そのような高温においてはとりわけ化学分解のために縮みうるおよび/または溶けうるポリプロピレンまたはポリエチレンなどの、ポリオレフィンのセパレータである。これらのプラスチックセパレータは、電池の電極を互いから絶縁するのに必要な導電性が低いが、プラスチックセパレータはまた、熱伝導率も非常に低く、したがって、電池内の熱を放熱するのが遅く、効率が悪い。リチウムイオン電池は、電気および/またはハイブリット自動車のような高容量のアプリケーションにますます利用されており、これらの電池は大型でパワーレートが高いので、安全性の向上の必要性は非常に高まっている。場合によっては、電池セパレータは、電池性能および安全性を確保するために、200度以上の温度で寸法安定性(すなわちセパレータ材料の収縮率が5.0%より少ない)を維持することが求められうる。ポリオレフィンセパレータをセラミック基材料で被覆すること、および/または高融点のポリマー基材料(ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリフッ化ビニリデンなど)を選択することは、熱安定性/電池故障温度を幾分上げうるが、そのような技術はコストを上げ、セル全体への速く、効率的で、均一な熱伝導という基本的なセパレータ設計事項に取り組み損ねる。
図1、図2は、赤外線カメラ(FLIRモデル8300)を用いて作製された、高分子セパレータおよび本開示の実施形態によって作製されたベーマイト基セパレータのサーモグラムを示す。図1は、加熱したステンレス鋼基板にさらした際のポリエチレンセパレータフィルムのサーモグラムである。一方、図2は、加熱したステンレス鋼基板に同様にさらした同じ厚さのベーマイト基セパレータフィルムのサーモグラムである。図1の明るいパッチ101は、熱集中が増加した領域に相当する。一方、暗いパッチ103は、熱集中が減少した領域に相当する。図2のベーマイト基セパレータで観察される均一な熱分布は、プラスチックセパレータに見られるムラのある熱分布と比べて明らかである。
Claims (38)
- 可撓性多孔質複合電池セパレータであって、
第1の無機粒子グループ及び第2の無機粒子グループであって、前記第1の無機粒子グループは、第1の粒子サイズを有するボーマイト粒子を含み、前記第2の無機粒子グループは、前記第1の粒子サイズとは異なる第2の粒子サイズを有するボーマイト粒子を含む、第1の無機粒子グループ及び第2の無機粒子グループと、
高分子バインダーと、を備え、
前記第1の無機粒子グループ及び前記第2の無機粒子グループが前記高分子バインダー内に分散されて、前記可撓性多孔質複合電池セパレータを形成し、
前記可撓性多孔質複合電池セパレータは、追加のポリマーセパレータ層を含まず、
前記可撓性多孔質複合電池セパレータは、200℃の温度で1時間さらされた場合に1%未満の収縮率を呈する、
可撓性多孔質複合電池セパレータ。 - 前記可撓性多孔質複合電池セパレータの50℃での熱伝導率は、25℃での熱伝導率よりも高い、
請求項1の可撓性多孔質複合電池セパレータ。 - 前記第1の無機粒子グループ及び前記第2の無機粒子グループと前記高分子バインダーとの比率(重量/重量)は、約4.5:1である、
請求項1の可撓性多孔質複合電池セパレータ。 - 前記第1の粒子サイズを有するボーマイト粒子は、第1のモードの周りにグループ化されており、前記第2の粒子サイズを有するボーマイト粒子は、前記第1のモードとは異なる第2のモードの周りにグループ化されている、
請求項1の可撓性多孔質複合電池セパレータ。 - 前記第1のモードは、100nmから200nmの間である、
請求項4の可撓性多孔質複合電池セパレータ。 - 前記可撓性多孔質複合電池セパレータの多孔率は、35%から50%の間である、
請求項1の可撓性多孔質複合電池セパレータ。 - 前記高分子バインダーは、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)及び/又はそのコポリマーを含む、
請求項1の可撓性多孔質複合電池セパレータ。 - 前記高分子バインダーは、高分子量グレードのPVdF及び/又はそのコポリマーを含む、
請求項7の可撓性多孔質複合電池セパレータ。 - 前記高分子バインダーは、ポリビニルエーテル、ウレタン、アクリル、セルロース、スチレン-ブタジエンコポリマー、天然ゴム、キトサン、ニトリルゴム、シリコーンエラストマー、ポリエチレンオキシド又はポリエチレンオキシドコポリマー、及び、ポリホスファゼンから選択されるポリマーを含む、
請求項1の可撓性多孔質複合電池セパレータ。 - 前記高分子バインダーは、コモノマーをさらに含む、
請求項1の可撓性多孔質複合電池セパレータ。 - 前記可撓性多孔質複合電池セパレータの寸法安定性は、50℃から250℃の温度で一定である、
請求項1の可撓性多孔質複合電池セパレータ。 - 前記第1の無機粒子グループ及び前記第2の無機粒子グループは、少なくとも90重量%のベーマイトを含む、
請求項1の可撓性多孔質複合電池セパレータ。 - 前記第1の無機粒子グループ及び前記第2の無機粒子グループは、少なくとも95重量%のベーマイトを含む、
請求項1の可撓性多孔質複合電池セパレータ。 - 前記第1の無機粒子グループ及び前記第2の無機粒子グループは、少なくとも99重量%のベーマイトを含む、
請求項1の可撓性多孔質複合電池セパレータ。 - 前記可撓性多孔質複合電池セパレータの2%伸率での引張応力が1500psi以上である、
請求項1の可撓性多孔質複合電池セパレータ。 - 前記可撓性多孔質複合電池セパレータの0.5%伸率での引張応力が1000psi以上である、
請求項1の可撓性多孔質複合電池セパレータ。 - 平均孔径が10nmから50nmの細孔を有する、
請求項1の可撓性多孔質複合電池セパレータ。 - 前記可撓性多孔質複合電池セパレータの細孔の90%以上は、100nm未満の孔径を有する細孔を含む、
請求項1の可撓性多孔質複合電池セパレータ。 - 前記第1の無機粒子グループ及び前記第2の無機粒子グループは、ベーマイトのみを含む、
請求項1の可撓性多孔質複合電池セパレータ。 - 電気化学セルであって、
アノードと、
カソードと、
リチウム塩を含む有機電解質と、
可撓性多孔質複合電池セパレータと、を備え、
前記可撓性多孔質複合電池セパレータは、
第1の無機粒子グループ及び第2の無機粒子グループであって、前記第1の無機粒子グループは、第1の粒子サイズを有するボーマイト粒子を含み、前記第2の無機粒子グループは、前記第1の粒子サイズとは異なる第2の粒子サイズを有するボーマイト粒子を含む、第1の無機粒子グループ及び第2の無機粒子グループと、
高分子バインダーと、を備え、
前記可撓性多孔質複合電池セパレータは、200℃の温度で1時間さらされた場合に1%未満の収縮率を呈し、
前記第1の無機粒子グループ及び前記第2の無機粒子グループが前記高分子バインダー内に分散されて、前記可撓性多孔質複合電池セパレータを形成し、
前記可撓性多孔質複合電池セパレータは、追加のポリマーセパレータ層を含まない、
電気化学セル。 - 前記可撓性多孔質複合電池セパレータの50℃での熱伝導率は、25℃での熱伝導率よりも高い、
請求項20の電気化学セル。 - 前記第1の無機粒子グループ及び前記第2の無機粒子グループと前記高分子バインダーとの比率(重量/重量)は、約4.5:1である、
請求項20の電気化学セル。 - 前記第1の粒子サイズを有するボーマイト粒子は、第1のモードの周りにグループ化されており、前記第2の粒子サイズを有するボーマイト粒子は、前記第1のモードとは異なる第2のモードの周りにグループ化されている、
請求項20の電気化学セル。 - 前記第1のモードは、100nmから200nmの間である、
請求項23の電気化学セル。 - 前記可撓性多孔質複合電池セパレータの多孔率は、35%から50%の間である、
請求項20の電気化学セル。 - 前記高分子バインダーは、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)及び/又はそのコポリマーを含む、
請求項20の電気化学セル。 - 前記高分子バインダーは、高分子量グレードのPVdF及び/又はそのコポリマーを含む、
請求項26の電気化学セル。 - 前記高分子バインダーは、ポリビニルエーテル、ウレタン、アクリル、セルロース、スチレン-ブタジエンコポリマー、天然ゴム、キトサン、ニトリルゴム、シリコーンエラストマー、ポリエチレンオキシド又はポリエチレンオキシドコポリマー、及び、ポリホスファゼンから選択されるポリマーを含む、
請求項20の電気化学セル。 - 前記高分子バインダーは、コモノマーをさらに含む、
請求項20の電気化学セル。 - 前記可撓性多孔質複合電池セパレータの寸法安定性は、50℃から250℃の温度で一定である、
請求項20の電気化学セル。 - 前記第1の無機粒子グループ及び前記第2の無機粒子グループは、少なくとも90重量%のベーマイトを含む、
請求項20の電気化学セル。 - 前記第1の無機粒子グループ及び前記第2の無機粒子グループは、少なくとも95重量%のベーマイトを含む、
請求項20の電気化学セル。 - 前記第1の無機粒子グループ及び前記第2の無機粒子グループは、少なくとも99重量%のベーマイトを含む、
請求項20の電気化学セル。 - 前記可撓性多孔質複合電池セパレータの2%伸率での引張応力が1500psi以上である、
請求項20の電気化学セル。 - 前記可撓性多孔質複合電池セパレータの0.5%伸率での引張応力が1000psi以上である、
請求項20の電気化学セル。 - 平均孔径が10nmから50nmの細孔を有する、
請求項20の電気化学セル。 - 前記可撓性多孔質複合電池セパレータの細孔の90%以上は、100nm未満の孔径を有する細孔を含む、
請求項20の電気化学セル。 - 前記第1の無機粒子グループ及び前記第2の無機粒子グループは、ベーマイトのみを含む、
請求項20の電気化学セル。
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