具有可变孔隙率的电池隔膜
2020-01-11

具有可变孔隙率的电池隔膜

提供了一种多孔聚合物蓄电池隔膜,其沿其长度包括可变的孔隙率。这种蓄电池隔膜能够在端子端附近比相反端附近通常经受更高电流密度和更高温度的蓄电池的电池中增加电流密度的均匀性。通过将可变孔隙率的隔膜放置在电化学电池的电极之间,使得其端子端比其相反端具有更低的孔隙率,离子(例如锂离子)通过该隔膜的传输可以在通常高电流区域中受到限制,而在通常低电流区域中更少受到限制,由此增加该蓄电池的电池中电流密度的整体均匀性。可变孔隙率蓄电池隔膜可以通过改进的溶剂交换工艺制备。该工艺可以包括形成具有不均匀厚度的包含聚合物的膜,选择性致密化该膜使得其具有不均匀的聚合物浓度和在该膜中引入可变孔隙率。

d)从所述膜以与所述正极和负极电极的形状相对应的形状得到薄聚合物隔膜,从而使得所述多孔结构包括孔,所述孔可以定制尺寸并被配置在电池中以使在远离电极上的电接头的位置允许更高的离子电流流过所述隔膜,从而在隔膜的整个面区域上更均匀地分配离子电流流过隔膜。

这里公开的主题的发明人已经认识到,通过沿各个电极的相同边缘对多个电极设置电连接,例如如在图1的蓄电池10中显示和描述的,在蓄电池的工作过程中沿着各个电极的表面可以导致可变的电流密度。即使没有使用多个电池也是这种情况。例如,在单个电化学蓄电池的电池(其具有正极和负极电极和设置在它们之间的电解质)的情况下,将电池电连接至电负载的理想位置理论上会在各个电极的中心,因为负载可以在所有方向上从电极的表面引出相等的电流。通过沿电极的一个边缘将电极彼此相连,连接至电负载,或连接至外加电源,从各个电池引出和流入的电流会沿着电极不均匀地分布。例如,如在一些类型蓄电池中的常规配置,当在蓄电池组件中将电极沿它们的上边缘彼此相连时,通过电解质在电极的顶部附近的电途径比在底部的电途径更短,导致在电极顶部末端附近的电流量密度增加,而在底部附近的电流密度较低。

在预调理工艺后,会进行膜34’的机械加工。可以驱动膜34’和任选的基材50通过一对或多对辊64,以使膜34’在其宽度方向上具有均匀厚度。类似于之前描述的优先蒸发工艺,膜34’在第一末端30’(较厚末端)处致密化的程度大于在第二末端32’处的致密化程度。以这种方式优先压实模34’由此不仅使膜在其宽度方向上的厚度均匀,而且增加了在更大压实的区域(之前较厚区域)中的聚合物浓度或膜密度。和优先蒸发工艺一样,膜34’被致密化,从而在该膜的宽度方向上得到不均匀的聚合物浓度。然而,在这种情况下,还得到了均匀的膜厚度,并且其是优选的。因为对该膜进行预调理使其变成凝胶状形状,在随后的溶剂交换步骤中的收缩比用如结合图5描述的非预调理膜更均匀。其他已知的机械加工技术也可以使用来使膜34’致密化。

1.一种制备薄聚合物隔膜的方法,所述聚合物隔膜具有开放的多孔结构,当放置在电化学电池中的正极电极和负极电极之间并与正极电极和负极电极成面接触且用电解质溶液填充时,允许电池中的离子从一个电极通过所述隔膜流至另一电极,每个电极都具有平面形状和电接头,所述方法包括:

8.如项目I所述的方法,其中,所述聚合物包含聚酰亚胺或芳族聚合物,并在其重复单元中还包含硫原子或氮原子。

这种基于聚合物的膜具有可控的、可变的孔隙率,其可以在蓄电池领域中另外找到其他的应用,并且当然不仅限于用作蓄电池隔膜层,因为受控孔隙率可以用于除了控制电极之间的离子输运之外的其他蓄电池应用。可控的可变孔隙率膜甚至可以在蓄电池领域之外找到有用的应用,例如在燃料电池,或在流体过滤应用中。

根据液体电解质蓄电池的具体应用,可以将任何数目的独立蓄电池的电池以串联、并联、或它们的各种组合的方式进行配置,以满足该应用的功率要求。例如,给定蓄电池的电池通常能够产生已知的电压(主要取决于所使用的材料),并具有特定的电流容量(主要取决于材料的类型、部件(例如电极)的尺寸和电极与电解质接触的表面积)。为了由蓄电池得到所需的电压,将足够数目的单个电池串联连接,例如,将六个两伏特电池串联设置从而得到十二伏特的蓄电池。为了由蓄电池得到所需的电流容量,可以将多个这样的电池组并联连接,或者可以将多个并联连接的电池组串联连接。当然,其它配置也是可能的。

具有平面形状的正极电极;

具体实施方式

可以通过这个或其他示例性工艺制备的具有可变孔隙率的隔膜层34能够帮助缓解在电化学蓄电池的电池内部由于不均匀电流密度导致的先前描述的一些可能不期望的结果。这些具有可变孔隙率的隔膜层通过帮助消除导致这些结果的实际原因(即,沿给定的电极和在其相应的蓄电池的电池内部不均匀的电流密度),从而能够帮助减轻这些可能不期望的结果。例如,图1中的隔膜18可以被构造成包含根据上述示例性工艺制备的隔膜层34。这种隔膜18可以被设置在示例性蓄电池10的电极14、16之间。由于各个隔膜的端子端30具有比其相应的相反端32更低的孔隙率,当蓄电池10在工作时在电池中所得的电流分布就更均匀。这种更均匀的电流分布是因为在蓄电池10的底部附近的隔膜18的更高孔隙率部分允许在电极之间进行更高水平的离子传输,而在蓄电池10的顶部附近的隔膜18的更低孔隙率部分更限制电极之间的离子传输,由此平衡了电极的顶部由于他们接近共用端子22、26导致的经受更高电流密度的趋势。在蓄电池的电池中均匀分布电流密度由此缓解了在蓄电池的电池内部不一致的温度分布和电极的一些部分相对于其他部分存在的不一致或优先使用和循环。

7.如项目5所述的方法,其中,步骤c)包括将所述膜浸入含有非溶剂的凝聚浴(coagulat1nbath)中,以及在所述溶剂交换完成之前在凝聚浴中进行机械加工的步骤。

可以通过这个或其他示例性工艺制备的具有可变孔隙率的隔膜层34能够帮助缓解在电化学蓄电池的电池内部由于不均匀电流密度导致的先前描述的一些可能不期望的结果。这些具有可变孔隙率的隔膜层通过帮助消除导致这些结果的实际原因(即,沿给定的电极和在其相应的蓄电池的电池内部不均匀的电流密度),从而能够帮助减轻这些可能不期望的结果。例如,图1中的隔膜18可以被构造成包含根据上述示例性工艺制备的隔膜层34。这种隔膜18可以被设置在示例性蓄电池10的电极14、16之间。由于各个隔膜的端子端30具有比其相应的相反端32更低的孔隙率,当蓄电池10在工作时在电池中所得的电流分布就更均匀。这种更均匀的电流分布是因为在蓄电池10的底部附近的隔膜18的更高孔隙率部分允许在电极之间进行更高水平的离子传输,而在蓄电池10的顶部附近的隔膜18的更低孔隙率部分更限制电极之间的离子传输,由此平衡了电极的顶部由于他们接近共用端子22、26导致的经受更高电流密度的趋势。在蓄电池的电池中均匀分布电流密度由此缓解了在蓄电池的电池内部不一致的温度分布和电极的一些部分相对于其他部分存在的不一致或优先使用和循环。

步骤46通常包括在膜中引入多孔性,并且优选经由溶剂交换工艺(也称为相转化工艺)来实现。简单而言,溶剂交换工艺包括将含有聚合物的膜浸入包含非溶剂(作为非限制性实例,例如水或乙醇)的浴中。所述浴也可以包含聚合物溶剂和非溶剂的混合物,除了别的以外,所述非溶剂会影响溶剂交换工艺的动力学。典型地,将膜(例如示例性膜34’)浸入包括选定的非溶剂的凝聚浴中。如之前所指出的,为了使交换工艺有效工作,所述非溶剂应当与聚合物溶剂可混溶。在其各自基材上的各个膜可以被置入凝聚浴中,或所述浴可以被配置成使得连续移动膜和基材能够通过该浴。在溶剂交换工艺中,聚合物溶剂(其可以与其浸入的浴的非溶剂混溶)开始离开膜34’以与非溶剂浴混合,在膜34’中被非溶剂连续地代替。因为这种聚合物溶剂与非溶剂的交换发生在膜内部,在膜内部的溶剂在组成上由纯聚合物溶剂变成聚合物溶剂和非溶剂的混合物,同时非溶剂的百分比不断增加。因此,不利地影响了聚合物的溶解度,并且当非溶剂构成膜34’中溶剂的足够高百分比时,聚合物开始从溶液中沉淀出来。最终,非溶剂基本上代替了膜内的所有聚合物溶剂,并得到在非溶剂中饱和的聚合物的多孔膜。

还值得注意的是,上述工艺、术语以及工艺步骤的顺序可以进行不同的描述,但是均保持在这里展示的教导的范围内。例如,描述之前所述的预调理工艺的另一种方式是将其包括为溶剂交换工艺的一部分,因为预调理工艺包括有限的溶剂交换。例如,预调理,然后机械加工,然后溶剂交换可以被视为中间被机械加工打断的单一溶剂交换工艺,或者视为其中包括膜的机械加工的溶剂交换工艺。