用于电化学元件的尺寸稳定的分离器制造技术

本发明专利技术示出了用于电化学元件的分离器，其中分离器的质量的至少50％由原纤化再生纤维素纤维形成，其中包括原纤化再生纤维素纤维，分离器的质量的至少70％且至多100％由纤维素纤维形成，并且其中分离器被压延，并且其中根据ISO 1924

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电化学元件的尺寸稳定的分离器


[0001]本专利技术涉及一种用于电化学元件的分离器，该分离器基本上由纤维素纤维形成，并通过特定的生产工艺而具有高尺寸稳定性。

技术介绍

[0002]电化学元件通常至少包括正电极、负电极、电解质、分离器、外壳和集电器。分离器用电解质浸渍，并用于电隔离两个电极。在这一点上，分离器还应该尽可能地允许离子在电极之间不受阻碍地流动，使得电化学元件具有有利的特性，特别是快速充电和吸引高电流的选择。
[0003]对分离器的这些要求意味着分离器应该尽可能薄，使得从一个电极通过分离器的孔到另一个电极的离子路径较短，并且可实现电化学元件的高体积能量密度，并且分离器应该具有高孔隙率。特别地，如果电化学元件是蓄电池，则孔隙度不应由几个大孔形成，而应由多个小孔形成，因为小孔可抑制晶体在电极处的生长，特别是枝晶。这些晶体会使蓄电池短路，从而降低蓄电池的寿命和性能。另外，在分离器的整个表面上，孔隙度应尽可能地恒定。
[0004]分离器相对于电解质应该是化学稳定的，因为电化学元件可进行多次再充电，并且通常使用若干年。因此，分离器在氧化或还原环境中也应该是稳定的。
[0005]出于安全原因，分离器应该具有良好的热稳定性，以便在电化学元件损坏的情况下限制火灾的风险。
[0006]然而，在电化学元件的生产过程中，有时会出现性能参数变化的问题，这可追溯到分离器的质量变化。
[0007]因而，本领域的具有能够制造高质量和均匀质量的电化学元件的分离器是有兴趣的。

技术实现思路
<br/>[0008]本专利技术的目的是提供一种用于电化学元件的分离器，该分离器能够以高生产率制造具有良好性能参数的电化学元件
[0009]该目的通过以下所列来实现：根据权利要求1所述的用于电化学元件的分离器；包括根据权利要求40所述的该分离器的电化学元件；以及用于制造根据权利要求41所述的用于电化学元件的分离器的方法。在从属权利要求中提供了其它有利的实施方式。
[0010]专利技术人已经发现，电化学元件的性能行为的变化实际上不仅是由制造过程中的变化引起的，而且特别地，同样由制造这种电化学元件的过程中分离器上的机械负载引起的。在本文中，不仅分离器的拉伸强度很重要，而且分离器必须尺寸稳定，即，在电化学元件制造过程中出现的负载下，分离器不会发生塑性变形，即不会发生不可逆变形。这种塑性变形能够以负方式改变分离器的孔结构，并且能够导致电化学元件的较差的性能参数，或者能够增加电化学元件的生产过程中的浪费。
[0011]本专利技术人已发现所述目的可通过用于电化学元件的分离器来实现，其中至少50％的质量由原纤化再生纤维素纤维形成，并且其中，包括原纤化再生纤维素纤维，分离器的至少70％且至多100％的质量由纤维素纤维形成，其中另外，对分离器进行压延，根据ISO 1924
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2:2008在机器方向上的拉伸载荷下，分离器在伸长率不小于0.5％且不大于2.0％时达到其0.1％屈服点。
[0012]在这方面，在0.5％或更高的伸长率下实现0.1％屈服点的事实是所述尺寸稳定性的量度，被认为是实现目标所必需的。
[0013]根据本专利技术人的发现，原纤化再生纤维素纤维使得分离器具有均匀的孔结构和高孔隙率。与纤维素纤维相比，原纤化再生纤维素纤维在其几何形状上变化较小，因此产生均匀的孔结构，但与纤维素纤维相比，对分离器的强度贡献较小。原纤化再生纤维素纤维的化学纯度是优于纤维素纤维的另一个优点。
[0014]尽管本专利技术人理解，已经可获得比例为50％的原纤化再生纤维素纤维的有利的分离器，但纤维素纤维，即包括再生纤维素纤维的纤维素纤维的总比例应当为至少70％，各自相对于分离器的质量，以便为分离器提供适当的机械强度。另外，纤维素纤维在防火安全性、热稳定性和生态方面提供了优于塑料膜的优点。
[0015]具有这些部件的分离器原则上可通过本领域已知的造纸工艺来生产，但是如果在生产过程中没有实现尺寸稳定性的具体措施，它就不会具有期望的性能。如果本领域已知的分离器在拉伸测试中进行拉伸，则变形首先是线性弹性变形。这意味着变形与所施加的力成比例，并且在去除载荷之后是完全可逆的。当在拉伸测试中进一步拉伸时，存在具有非线性弹性变形的小过渡区，其中所施加的力因此不再与伸长成比例，但是在去除载荷之后，变形仍然是完全可逆的。在甚至更高的伸长率下，发生塑性变形，即不可逆变形，塑性变形在除去载荷之后不再消失。不希望出现这种不可逆的变形，因为这种变形以不利的方式改变分离器的孔结构，并可能产生微观的断裂，因此使由其制造的电化学元件的性能变差。另外，在电化学元件的制造过程中的浪费可能增加。
[0016]然而，在电化学元件的制造过程中，可能会出现负载，这会在分离器中留下不可逆的变形。例如，如果在电化学元件的制造过程中，例如在圆柱形电池的制造过程中，分离器暴露于震动、高加速度或速度差，则会发生这种情况。因为不可逆变形可能在实际上远远低于分离器的拉伸强度的载荷下发生，因而通常不会注意到这种变形，但是通常会使电化学元件的性能变差。
[0017]分离器的弹性和塑性行为可在拉伸测试中确定。这种拉伸试验可根据ISO 1924
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2:2008进行。在该试验中，以20mm/min的恒定速度拉伸15mm宽的样品条，直至其断裂。在拉伸期间，记录伸长率和力，并由此计算应力
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应变图。
[0018]图1以举例的方式示出了根据本专利技术的分离器的应力
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应变图。应力
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应变曲线1在这里显示为一个图表，其中水平轴2显示伸长率，而垂直轴3显示拉伸应力。从几乎无应力和应变的状态4开始，伸长率以20mm/min的恒定速率增加，直到样品条在伸长率5和相应的拉伸应力6处断裂。最初，这里出现线性弹性变形，由虚线7表示。该线7的斜率是杨氏模量，杨氏模量也可根据ISO1924
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2：2008由拉伸测试确定。通常从应力
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应变曲线1以及线性弹性行为线7确定0.1％屈服点。然后，线7沿着水平轴2平行移动，直到它以0.1％的伸长率与水平轴2相交，从而获得平行线8。该偏置线8和应力
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应变曲线1之间的交点9显示出0.1％屈服
点，其特征在于相应的伸长率10和拉伸应力11。通常，假定在高于交叉点9的伸长率时，将发生不可逆的变形，而在较小的伸长率时，该行为仍然主要是弹性的。
[0019]在本专利技术的上下文中，0.1％屈服点应该始终被理解为由相应的伸长率10和拉伸强度11组成的上述点9。用于根据ISO 1924
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2:2008测试拉伸强度的设备通常能够自动确定0.1％屈服点。
[0020]拉伸强度以相对于横截面积的每单位面积的力(MPa)给出，但拉伸强度也可乘以分离器的厚度，使得拉伸强度仅与宽度相关，然后以kN/m给出。
[0021]为了从分离器制造电化学元件，首先，分离器在机器方向上的机械性能很重要。这里的机器方向是纤维网在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于电化学元件的分离器，其中，所述分离器的质量的至少50％由原纤化再生纤维素纤维形成，其中，包括所述原纤化再生纤维素纤维，所述分离器的质量的至少70％且至多100％由纤维素纤维形成，其中，所述分离器被压延，并且其中，根据ISO 1924
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2:2008在机器方向上的拉伸载荷下，在伸长率不小于0.5％且不大于2.0％时，所述分离器达到其0.1％屈服点。2.根据权利要求1所述的分离器，其中，所述原纤化再生纤维素纤维的比例为所述分离器的质量的至少55％且至多100％，优选至少60％且至多95％。3.根据权利要求1或2所述的分离器，其中，所述原纤化再生纤维素纤维由溶剂纺丝再生纤维素纤维形成，优选由纤维形成。4.根据前述权利要求中的任一项所述的分离器，其中，所述原纤化再生纤维素纤维在原纤化之前的平均线密度为至少0.8g/10000m(0.8dtex)且至多3.0g/10000m(3.0dtex)，优选至少1.0g/10000m(1.0dtex)且至多2.5g/10000m(2.5dtex)。5.根据前述权利要求中的任一项所述的分离器，其中，所述原纤化再生纤维素纤维在原纤化之前的平均长度为至少2mm且至多8mm，优选至少3mm且至多6mm。6.根据前述权利要求中的任一项所述的分离器，其中，包括所述原纤化再生纤维素纤维的纤维素纤维的比例相对于所述分离器的质量为至少75％且至多95％。7.根据前述权利要求中的任一项所述的分离器，其中，除了所述原纤化再生纤维素纤维之外，所述纤维素纤维还包括非原纤化再生纤维素纤维、纸浆纤维或其混合物。8.根据权利要求7所述的分离器，其中，所述纸浆纤维来源于针叶木、落叶木、大麻、亚麻、黄麻、苎麻、洋麻、木棉、椰子、马尼拉麻蕉、剑麻、竹子、棉或灰绿针草，或来自再生纸，或由来自这些来源中的一种或多种的纸浆纤维的混合物形成。9.根据权利要求7或8所述的分离器，其中，所述纤维素纤维是再生纤维素纤维或纸浆纤维的混合物，其中，在所有情况下，所述再生纤维素纤维均包括原纤化再生纤维素纤维和可选的非原纤化再生纤维素纤维，并且其中，在所述分离器的质量的至少50％由原纤化再生纤维素纤维形成、并且所述分离器中的纤维素纤维总共构成所述分离器的质量的至少70％并且至多100％的条件下，所述再生纤维素纤维与纸浆纤维的质量的比率为至少1:1且至多30:1，优选至少2:1且至多20:1。10.根据前述权利要求中的任一项所述的分离器，其中，所述纸浆纤维至少部分地为微纤化纸浆纤维、纳米纤化纸浆纤维或纸浆纤维，其中所述微纤化纸浆纤维、所述纳米纤化纸浆纤维或所述纸浆纤维的长度加权平均长度为至多0.2mm，优选为至多0.15mm。11.根据前述权利要求中的任一项所述的分离器，其中，除了所述纤维素纤维之外，所述分离器还包括来自纤维素衍生物、玻璃纤维或塑料纤维的纤维，其中，所述塑料纤维优选由下列形成：聚烯烃，特别是聚乙烯或聚丙烯；聚酯，特别是聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚乳酸；聚芳酯，特别是聚(4
‑
羟基苯甲酸
‑
共
‑6‑
羟基
‑2‑
萘甲酸(4
‑
hydroxybenzoic acid
‑
co
‑6‑
hydroxy
‑2‑
naphthoic acid))；聚醚、聚砜、聚氨酯、聚酰胺、芳族聚酰胺，特别是聚(对苯二甲酰对苯二胺(p
‑
phenylene terephthalamide))；聚酰亚胺、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯，特别是聚丙烯腈或聚(丙烯腈
‑
共
‑
丙烯酸甲酯(acrylonitrile
‑
co
‑
methyl acrylate))；聚苯硫醚或聚(乙烯
‑
共
‑
乙酸乙烯酯(ethylene
‑
co
‑
vinyl acetate))。12.根据权利要求11的分离器，其中，除纤维素纤维之外，纤维的总比例为所述分离器
的质量的至多30％，优选至多20％。13.根据前述权利要求中的任一项所述的分离器，还包括以下物质或组分中的一种或多种：聚乙烯醇；聚乙二醇；聚偏二氟乙烯；半乳甘露聚糖；淀粉；羧甲基纤维素；甲基纤维素；二醛，特别是乙二醛；或一种或多种无机填料，特别是高岭土、二氧化钛(TiO2)、二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、二氧化锆(ZrO2)或碳酸钙(CaCO3)。14.根据权利要求13所述的分离器，其中，所述无机填料的量为所述分离器的质量的至多30％，优选为至多20％，特别优选为至多15％。15.根据前述权利要求中的任一项所述的分离器，在根据ISO 1924
‑
2:2008的机器方向上的拉伸载荷下，所述分离器在伸长率不小于0.55％且不大于2.0％且优选不小于0.6％且不大于1.0％时达到其0.1％屈服点。16.根据前述权利要求中的任一项所述的分离器，在根据ISO 1924
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2:2008的机器方向上的拉伸载荷下，所述分离器在至少0.1kN/m且至多2.0kN/m、优选至少0.15kN/m且至多1.6kN/m的宽度相关拉伸应力下达到其0.1％屈服点。17.根据前述权利要求中的任一项所述的分离器，在根据ISO 1924
‑
2:2008在机器方向上的拉伸载荷下，所述分离器在至少15MPa且至多30MPa、优选至少18MPa且至多28MPa的相对于横截面积的拉伸应力下达到其0.1％屈服点。18.根据前述权利要求中的任一项所述的分离器，所述分离器具有根据ISO 1924
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2:2008的在机器方向上至少1GPa且至多8GPa、优选至少2GPa且至多6GPa的杨氏模量。19.根据前述权利要求中的任一项所述的分离器，所述分离器具有至少0.05J/m2且至多0.80J/m2、优选至少0.10J/m2且至多0.60J/m2的关于机器方向上的相对于面积的弹性能量吸收。20.根据前述权利要求中的任一项所述的分离器，所述分离器具有至少4kJ/m3且至多15kJ/m3、优选至少5kJ/m3且至多13kJ/m3的在机器方向上的相对于体积的弹性能量吸收。21.根据前述权利要求中的任一项所述的分离器，所述分离器具有根据ISO 1924
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2:2008在机器方向上的至少0.3kN/m且至多2.0kN/m、优选至少0.5kN/m且至多1.5kN/m的宽度相关拉伸强度。22.根据前述权利要求中的任一项所述的分离器，所述分离器具有根据ISO 1924
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2:2008的至少20MPa且至多60MPa、优选至少30MPa且至多50MPa的在机器方向上相对于横截面积的拉伸强度。23.根据前述权利要求中的任一项所述的分离器，所述分离器具有根据ISO 1924
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2:2008在机器方向上至少0.5％且至多5.0％、优选至少1.0％且至多4.0％的断裂伸长率。24.根据前述权利要求中的任一项所述的分离器，在根据ISO 1924
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2:2008的横向方向上的拉伸载荷下，所述分离器在伸长率不小于0.4％且不大于2.0％、特别优选不小于0.45％且不大于1.0％时达到其0.1％屈服点。25.根据前述权利要求中的任一项所述的分离器，在根据ISO 1924
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2:2008的横向方向上的向拉伸载荷下，所述分离器在至少0.1kN/m且至多0.8kN/m、优选至少0.15kN/m且至多0.6kN/m的宽度相关拉伸应力下达到其0.1％屈服点。26.根据前述权利要求中的任一项所述的分离器，在根据ISO 1924
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【专利技术属性】
技术研发人员：斯文，
申请(专利权)人：德尔福特集团有限公司，
类型：发明
国别省市：