用于涂覆电池组的隔离件的方法与流程

用于涂覆电池组的隔离件的方法
1.政府合同本技术在政府支持下根据由能源部（department of energy）授予的合同号de-ee008230提出。政府对本发明享有某些权利。
技术领域
2.本公开大体上涉及一种用于涂覆电池组的隔离件的方法。


背景技术：

3.电动车辆和混合动力车辆采用电池组设备来储存电能。车载电池组，如锂离子电池组，包括阳极、阴极和隔离件，该隔离件在实现离子穿过隔离件的交换的同时在阳极与阴极之间提供物理屏障。


技术实现要素：

4.公开了一种用于涂覆电池组的隔离件的方法。所述方法包括生成静电场并将基底材料布置在所述静电场内。所述方法进一步包括在存在所述静电场的情况下将涂层材料施加到所述基底材料并将所述涂层材料干燥在所述基底材料上。
5.在一些实施方案中，生成所述静电场包括在金属尖端上生成正电荷和在金属片上生成负电荷。在一些实施方案中，将所述基底布置在所述静电场内包括将所述基底材料置于所述金属尖端和所述金属片之间。
6.在一些实施方案中，施加所述涂层材料包括将所述涂层材料喷涂在所述基底材料上。
7.在一些实施方案中，施加所述涂层材料包括将所述基底材料浸在前体材料池中。
8.在一些实施方案中，所述基底材料包括聚烯烃片材。
9.在一些实施方案中，所述聚烯烃片材包括聚丙烯单层片材、聚乙烯单层片材或聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯片材中的一种。
10.在一些实施方案中，所述涂层材料包含二氧化钛和炭黑混合物。
11.根据一个可替代实施方案，公开了一种用于涂覆电池组的隔离件的方法。所述方法包括从供给卷筒供应柔性基底材料流、使所述柔性基底材料流围绕施加器辊行进、以及将液体前体池布置为与所述施加器辊接触。所述方法进一步包括通过在所述液体前体池的金属容器上生成正电荷和通过在所述施加器辊上生成负电荷来生成静电场，并且将围绕所述施加器辊行进的所述柔性基底材料流浸在所述液体前体池内以在存在所述静电场的情况下将涂层材料施加在所述基底材料上。所述方法进一步包括将所述涂层材料干燥在所述基底材料上并将所述基底材料卷绕在最终产品卷筒上。
12.在一些实施方案中，所述方法进一步包括在所述施加器辊和所述最终产品卷筒之间向所述柔性基底材料流施加第二静电场。
13.在一些实施方案中，所述方法进一步包括在所述施加器辊和所述最终产品卷筒之
间在所述柔性基底材料流上采用干燥单元。
14.在一些实施方案中，所述方法进一步包括在所述施加器辊和所述最终产品卷筒之间在所述柔性基底材料流上采用干燥单元。
15.在一些实施方案中，所述柔性基底材料包含柔性聚烯烃，其包括聚丙烯单层、聚乙烯单层和聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯三层体中的一种。
16.在一些实施方案中，所述柔性基底材料进一步包括铝箔背衬。
17.在一些实施方案中，所述涂层材料包含二氧化钛和炭黑混合物。
18.根据一个可替代实施方案，一种用于在电池组的隔离件上施加涂层的设备配置包括提供柔性基底材料流的供给卷筒，和接收所述柔性基底材料流并与其接触的施加器辊。所述施加器辊包括负电荷。所述设备配置进一步包括被布置为与所述施加器辊接触的液体前体池和容纳所述液体前体池的金属容器。所述金属容器包括正电荷。所述设备配置进一步包括从所述施加器辊接收所述柔性基底材料流并卷绕所述柔性基底材料的最终产品卷筒。包括所述负电荷的所述施加器辊和包括所述正电荷的所述金属容器在其间生成静电场。所述柔性基底材料流在与所述施加器辊接触的同时被浸在所述液体前体池内并在所述液体前体池内接收涂层。所述涂层在所述施加器辊和所述最终产品卷筒之间被干燥。
19.在一些实施方案中，所述正电荷包括第一正电荷且所述负电荷包括第一负电荷。在一些实施方案中，所述静电场包括第一静电场。在一些实施方案中，所述设备配置进一步包括具有第二正电荷的金属尖端和生成第二负电荷的金属片。所述金属尖端和所述金属片被布置为在所述施加器辊和所述最终产品卷筒之间生成第二静电场。
20.在一些实施方案中，所述设备配置进一步包括被布置在所述施加器辊和所述最终产品卷筒之间的干燥单元。
21.在一些实施方案中，所述柔性基底材料包含柔性聚烯烃，其包括聚丙烯单层、聚乙烯单层或聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯三层体中的一种。在一些实施方案中，所述柔性基底材料进一步包括铝箔背衬。
22.在一些实施方案中，所述液体前体池包含二氧化钛和炭黑混合物的浆料。
23.本发明公开了以下实施方案。
24.1. 一种用于涂覆电池组的隔离件的方法，包括：生成静电场；将基底材料布置在所述静电场内；在存在静电场的情况下将涂层材料施加到所述基底材料；和将所述涂层材料干燥在所述基底材料上。
25.2. 根据实施方案1所述的方法，其中生成所述静电场包括在金属尖端上生成正电荷和在金属片上生成负电荷；和其中将所述基底材料布置在所述静电场内包括将所述基底材料置于所述金属尖端和所述金属片之间。
26.3. 根据实施方案1所述的方法，其中施加所述涂层材料包括将所述涂层材料喷涂在所述基底材料上。
27.4. 根据实施方案1所述的方法，其中施加所述涂层材料包括将所述基底材料浸在前体材料池中。
28.5. 根据实施方案1所述的方法，其中所述基底材料包括聚烯烃片材。
29.6. 根据实施方案5所述的方法，其中所述聚烯烃片材包括聚丙烯单层片材、聚乙烯单层片材或聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯片材中的一种。
30.7. 根据实施方案1所述的方法，其中所述涂层材料包含二氧化钛和炭黑混合物。
31.8. 一种用于涂覆电池组的隔离件的方法，包括：从供给卷筒供给柔性基底材料流；使所述柔性基底材料流围绕施加器辊行进；将液体前体池布置为与所述施加器辊接触；通过在所述液体前体池的金属容器上生成正电荷和通过在所述施加器辊上生成负电荷来生成静电场；将围绕所述施加器辊行进的所述柔性基底材料流浸在所述液体前体池内以在存在所述静电场的情况下将涂层材料施加到所述柔性基底材料流上；将所述涂层材料干燥在所述柔性基底材料流上；和将所述柔性基底材料流卷绕在最终产品卷筒上。
32.9. 根据实施方案8所述的方法，进一步包括在所述施加器辊和所述最终产品卷筒之间向所述柔性基底材料流施加第二静电场。
33.10. 根据实施方案9所述的方法，进一步包括在所述施加器辊和所述最终产品卷筒之间在所述柔性基底材料流上采用干燥单元。
34.11. 根据实施方案8所述的方法，进一步包括在所述施加器辊和所述最终产品卷筒之间在所述柔性基底材料流上采用干燥单元。
35.12. 根据实施方案8所述的方法，其中所述柔性基底材料流包含柔性聚烯烃，其包括聚丙烯单层、聚乙烯单层和聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯三层体中的一种。
36.13. 根据实施方案12所述的方法，其中所述柔性基底材料流进一步包括铝箔背衬。
37.14. 根据实施方案8所述的方法，其中所述涂层材料包含二氧化钛和炭黑混合物。
38.15. 一种用于在电池组的隔离件上施加涂层的设备配置，包括：供给卷筒，其提供柔性基底材料流；施加器辊，其接收所述柔性基底材料流并与其接触，其中所述施加器辊包括负电荷；液体前体池，其被布置为与所述施加器辊接触；金属容器，其容纳所述液体前体池，其中所述金属容器包括正电荷；最终产品卷筒，其从所述施加器辊接收所述柔性基底材料流并卷绕柔性基底材料流；和其中包括所述负电荷的所述施加器辊和包括所述正电荷的所述金属容器在其间生成静电场；其中所述柔性基底材料流在与所述施加器辊接触的同时被浸在所述液体前体池内并在所述液体前体池内接收涂层；和其中所述涂层在所述施加器辊和所述最终产品卷筒之间被干燥。
39.16. 根据实施方案15所述的设备配置，
其中所述正电荷包括第一正电荷；其中所述负电荷包括第一负电荷；其中所述静电场包括第一静电场；和进一步包括具有第二正电荷的金属尖端和生成第二负电荷的金属片，其中所述金属尖端和所述金属片被布置为在所述施加器辊和所述最终产品卷筒之间生成第二静电场。
40.17. 根据实施方案15所述的设备配置，进一步包括干燥单元，其被布置在所述施加器辊和所述最终产品卷筒之间。
41.18. 根据实施方案15所述的设备配置，其中所述柔性基底材料流包含柔性聚烯烃，其包括聚丙烯单层、聚乙烯单层或聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯三层体中的一种；和其中所述柔性基底材料流进一步包括铝箔背衬。
42.19. 根据实施方案15所述的设备配置，其中所述液体前体池包含二氧化钛和炭黑混合物的浆料。
43.当结合附图考虑时，本公开的上述特征和优点以及其它特征和优点通过用于实施本公开的最佳模式的以下详细描述而容易显而易见。
附图说明
44.图1示意性图示根据本公开的示例性设备配置5，其可操作地采用用于涂覆电池组应用的隔离件的方法；图2以放大比例示意性图示根据本公开的图1的带负电荷的片材30和隔离件基底；图3图示根据本公开的示例性设备配置100，其可操作地采用在卷对卷操作中用于涂覆电池组应用的隔离件的方法；图4图示根据本公开的用于涂覆电池组应用的隔离件的方法；图5图示根据本公开的在卷对卷操作中用于涂覆电池组应用的隔离件的方法；图6示意性图示根据本公开的设备配置的一部分，该设备配置可操作地采用在卷对卷操作中用于涂覆电池组应用的隔离件的方法；图7图示根据本公开的在卷对卷操作中用于涂覆电池组应用的隔离件的可替代方法；图8以图形图示根据本公开的来自现有技术电池组系统的试验结果；和图9以图形图示根据本公开的来自采用根据所公开方法生成的隔离件的电池组系统的试验结果。
具体实施方式
45.提供了一种涂覆方法，其用于使用静电力产生在电池组隔离件上的金属粒子、金属氧化物粒子、导电碳粒子和/或它们的混合物的均匀的且薄的涂层。根据一个实施方案，该方法可在卷对卷涂覆工艺中实施。经涂覆的隔离件可改进高能量密度电池组的性能和鲁棒性。
46.本领域中用于涂覆膜的方法可包括将膜传送（transitioning）经过浴并使浴的液体干燥在膜上。但是，通过本领域中的方法生成的涂层导致涂层发脆或涂层很可能从基底剥离或涂层很可能翘曲或弯曲。所公开方法生成了在干燥过程中没有涂层翘曲或弯曲的经
涂覆的膜。在一个实施方案中，初始可建立静电场，然后可在存在所建立的静电场的情况下施加涂层。在另一实施方案中，可首先向基底材料施加涂层，然后可随后建立静电场，并且将基底和液体涂层材料布置或移动到静电场中。
47.所公开方法采用静电力以将隔离件保持在基底上。静电力的使用也能够在保持在金属基底上的隔离件上形成可控的、薄的和均匀的涂层。所公开工艺操作简易且快速并可以以低成本容易扩大产能。静电力可用于将隔离件保持在金属基底上而不会在干燥过程中翘曲/弯曲。
48.在所公开工艺中采用的涂层可包含各种涂层源材料，包括碳、金属、氧化物和/或它们的混合物。在一个实施方案中，涂层包含二氧化钛/炭黑混合物。静电力用于将聚丙烯膜或类似膜附着到薄膜金属基底（例如铝）上。基底可包括聚烯烃（如聚丙烯（pp）单层、聚乙烯（pe）单层和聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯（pp/pe/pp）三层）片材。静电力可用于将涂层材料均匀喷涂到隔离件上并增强附着力。均匀的涂层使能制造可用于li-s电池组、li离子电池组和燃料电池的离子选择性膜。所公开工艺可包括薄膜（thin film membranes）的快速干燥，例如通过使热空气通过膜，由此允许卷对卷涂覆。所公开涂层可以是薄的或微观的，例如作为纳米粒子被提供在隔离件上。
49.图1示意性图示示例性设备配置5，其可操作地采用用于涂覆电池组应用的隔离件的方法。设备配置5被图示为包括带正电荷的尖端20和带负电荷的片材30。带正电荷的尖端20可包括具有三角形横截面的导电金属部件。带正电荷的尖端20和带负电荷的片材30之间的静电荷差异生成在带正电荷的尖端20和带负电荷的片材30之间延伸的静电场40。隔离件基底10作为示例性基底在存在静电场40的情况下被提供。通过在存在静电场40的情况下被施加到隔离件基底10，例如通过喷涂施加的涂层粒子静电附着到基底。图2以放大比例示意性图示图1的带负电荷的片材30和隔离件基底10。带负电荷的片材30被图示为包括第一表面32。包括第一表面32的整个带负电荷的片材30包括负电荷，其可通过将带负电荷的片材30连接到直流电源的负极端子而感生。隔离件基底10被图示并存在于图1的静电场40内。因此，跨隔离件基底10存在负电荷/正电荷分离，其中负电荷存在于隔离件基底10的第一表面12上且正电荷存在于隔离件基底10的第二表面14上。第一表面12上的负电荷吸引涂层粒子并将涂层粒子静电吸附在隔离件基底10的第一表面12上。隔离件基底10可由许多不同材料构成。在一个实施方案中，隔离件基底10可以是聚丙烯隔离件。
50.图3图示示例性设备配置100，其可操作地采用在卷对卷操作中用于涂覆电池组应用的隔离件的方法。设备配置100包括供给卷筒120、施加器辊130和最终产品卷筒140。供给卷筒120、施加器辊130和最终产品卷筒140共同可操作地将柔性基底材料110的供给从供给卷筒120经过施加器辊130并传送到最终产品卷筒140上。在一个实施方案中，柔性基底材料110可以是聚丙烯片材。在一个实施方案中，聚丙烯片材可提供在铝箔背衬上。当柔性基底材料110从供给卷筒120传送到施加器辊130时，柔性基底材料110符合施加器辊130的外形并移动经过容纳在容器150内的液体前体池160。液体前体池160可包含意欲作为涂层被提供在柔性基底材料110上的粒子。在一个实施方案中，液体前体池160可包含二氧化钛（tio2）。
51.容器150可由导电金属材料构成并可带正电荷。施加器辊130可以是金属或可含有金属部分，施加器辊130可带负电荷。通过在容器150上生成正电荷和在施加器辊130上生成
负电荷，可在容器150和施加器辊130之间生成静电场。当柔性基底材料110移动经过液体前体池160时，在存在由容器150的正电荷和施加器辊130的负电荷生成的静电场的情况下，来自液体前体池160的粒子附着到柔性基底材料110。因此，涂层112被提供在柔性基底材料110上。包括涂层112的柔性基底材料110行进到最终产品卷筒140，在此将其卷绕在最终产品卷筒140上以供储存。
52.图4图示用于涂覆电池组应用的隔离件的方法200。方法200始于步骤202。在步骤204，生成静电场，将基底材料布置在静电场内。在步骤206，在存在静电场的情况下将涂层材料施加到基底材料。涂层材料的施加可包括在基底上喷涂或刷涂涂层材料、将基底材料浸渍或浸在涂层材料池中或其它类似施加工艺。在步骤208，将涂层材料干燥在基底材料上。在步骤210，方法200结束。许多附加的或可替代的步骤是可预见的，且本公开并不意在局限于本文提供的示例性方法步骤。
53.图5图示在卷对卷操作中用于涂覆电池组应用的隔离件的方法300。方法300始于步骤302。在步骤304，提供柔性基底材料的供给卷筒以供给柔性基底材料流。在步骤306，在施加器辊和金属前体池容器之间生成静电场。在步骤308，移动柔性基底材料流经过金属前体池容器内的液体前体材料池，使得柔性基底材料在存在静电场的情况下浸在液体前体材料中，这致使柔性基底材料被液体前体材料涂覆。液体前体材料池可包含二氧化钛或二氧化钛和炭黑材料的浆料。在步骤310，将柔性基底材料流卷绕在最终产品卷筒上。在柔性基底材料经过施加器辊和最终产品卷筒之间时，柔性基底材料上的液体前体材料干燥在柔性基底材料上。在步骤312，方法300结束。许多附加的或可替代的步骤是可预见的，且本公开并不意在局限于本文提供的示例性方法步骤。
54.图6示意性图示设备配置100’的部分，该设备配置100’可操作地采用在卷对卷操作中用于涂覆电池组应用的隔离件的方法。设备配置100’类似于图3的设备配置100，并且包括施加器辊130、液体前体池160、柔性基底材料110和最终产品卷筒140。涂层112被图示在从施加器辊130传送到最终产品卷筒140的柔性基底材料110上。带正电荷的尖端170和带负电荷的板180被图示为生成静电场190。因为涂层112的液体前体材料是液体形式，所以静电场190可使涂层112的液体前体材料静电附着到柔性基底材料110。在一个实施方案中，静电场190可替代图3中关于容器150和施加器辊130描述的静电场而施加。在另一实施方案中，在图6的配置中可施加图3中描述的静电场，且静电场190可以是辅助或第二静电场。干燥单元192被图示为在柔性基底材料110上提供热空气流194以干燥涂层112。在另一实施方案中，干燥单元192可以可替代地包括加热灯或类似设备以加热和干燥涂层112。
55.图7图示在卷对卷操作中用于涂覆电池组应用的隔离件的可替代方法400。方法400始于步骤402。在步骤404，提供柔性基底材料的供给卷筒以供给柔性基底材料流。在步骤406，在施加器辊和金属前体池容器之间生成静电场。在步骤408，移动柔性基底材料流经过金属前体池容器内的液体前体材料池，使得柔性基底材料在存在静电场的情况下浸在液体前体材料中，这致使柔性基底材料涂覆有液体前体材料。在步骤410，在施加器辊和最终产品卷筒之间生成辅助或第二静电场，并移动柔性基底材料流经过第二静电场。在步骤412，使用干燥单元以将涂层干燥在柔性基底材料流上。在步骤414，将柔性基底材料流卷绕在最终产品卷筒上。在步骤416，方法400结束。许多附加的或可替代的步骤是可预见的，且本公开并不意在局限于本文提供的示例性方法步骤。
56.作为实例，所公开方法可用于在聚丙烯（pp）隔离件上涂覆二氧化钛（tio2）纳米粒子和炭黑混合物，所述隔离件可用于锂硫电池组以改进它们的容量和电池循环寿命。图8以图形图示来自锂硫电池组系统的试验结果。纵轴502代表电势volts（li/li

）。横轴504代表重量容量（gravimetric capacity）（mah g-1
），其描述每单位质量的硫阴极的电池组容量。试验数据是在0.05 c倍率下的第1次化成循环之后在0.1 c放电/充电倍率下生成的。试验数据中的电势与比容量的曲线对应于具有未涂覆聚丙烯隔离件的硫阴极。曲线510代表第1次充电循环。曲线520代表第5次充电循环。曲线530代表第15次充电循环。曲线512代表第1次放电循环。曲线522代表第5次放电循环。曲线532代表第15次放电循环。图9以图形图示来自锂硫电池组系统的试验结果，该锂硫电池组系统采用使用所公开方法生成的具有10 um厚度的tio2/碳（90:10质量比）层的隔离件。纵轴602代表电势volts（li/li

）。横轴604代表重量容量（mah g-1
）。试验数据是在0.05 c倍率下的第1次化成循环之后在0.1 c放电/充电倍率下生成的。试验数据中的电势与比容量的曲线对应于具有涂覆聚丙烯隔离件的硫阴极。曲线610代表第1次充电循环。曲线620代表第5次充电循环。曲线630代表第15次充电循环。曲线612代表第1次放电循环。曲线622代表第5次放电循环。曲线632代表第15次放电循环。在图8中，观察到第1次循环重量容量在0.05 c放电/充电倍率下为约1200 mah g-1
。当从第2次循环开始将放电倍率提高到0.1 c时，比容量降低到约800 mah g-1
。图9示出了具有tio2/碳涂覆的隔离件的锂硫电池组的第1次循环的重量容量为950 mah g-1
，这低于采用未涂覆pp隔离件的初始容量。但从第1次循环往后，观察到在0.1c下的~1100 mah g-1
的更高的稳定的重量容量。将图8的曲线与图9的曲线相比较，具有带有功能涂层的隔离件的锂硫电池组的重量容量的改进是显而易见的。这证实通过所公开方法的在隔离件上的tio2/碳涂层可吸附和再利用放电过程中从硫阴极溶解到电解质中的多硫化物，由此减轻锂硫电池组的显著容量损失。
57.尽管已经详细描述了用于实施本公开的最佳模式，但本公开所涉领域的技术人员将认识到用于实践本公开的各种可替代的设计和实施方案落在所附权利要求的范围内。