特開 2024-98479 アルミニウムバッテリーセパレータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024098479

(43)【公開日】2024-07-23

(54)【発明の名称】アルミニウムバッテリーセパレータ

(51)【国際特許分類】

   H01M 50/489 20210101AFI20240716BHJP

   H01M 50/44 20210101ALI20240716BHJP

   H01M 50/429 20210101ALI20240716BHJP

   H01M 50/42 20210101ALI20240716BHJP

   H01M 50/423 20210101ALI20240716BHJP

   H01M 50/414 20210101ALI20240716BHJP

【ＦＩ】

H01M50/489

H01M50/44

H01M50/429

H01M50/42

H01M50/423

H01M50/414

【審査請求】有

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023119617

(22)【出願日】2023-07-24

(31)【優先権主張番号】112100958

(32)【優先日】2023-01-10

(33)【優先権主張国・地域又は機関】TW

(71)【出願人】

【識別番号】522466326

【氏名又は名称】亞福儲能股▲分▼有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＡＰｈ ｅＰｏｗｅｒ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．

(74)【代理人】

【識別番号】100204490

【弁理士】

【氏名又は名称】三上 葉子

(72)【発明者】

【氏名】呉 瑞軒

(72)【発明者】

【氏名】蔡 施柏達

(72)【発明者】

【氏名】楊 竣傑

【テーマコード（参考）】

5H021

【Ｆターム（参考）】

5H021CC02

5H021EE05

5H021EE06

5H021EE07

5H021EE11

5H021HH00

5H021HH02

5H021HH03

(57)【要約】      （修正有）

【課題】好ましい耐薬品性を有し、電解液を効果的に浸透させながら金属の堆積を減少させることができ、それによってアルミニウムバッテリの性能を向上させ、アルミニウムバッテリの耐用年数を延ばすことができるアルミニウムバッテリーセパレータを提供する。
【解決手段】通気性材料を含むアルミニウムバッテリーセパレータが提供される。通気性材料の通気度は０．１秒／１００ｍｌ～５０秒／１００ｍｌであり、通気性材料は、ガラス繊維以外の繊維材料を含む。
【選択図】なし

【特許請求の範囲】

【請求項1】

通気性が０．１秒／１００ｍｌ～５０秒／１００ｍｌ以下であり、かつ、ガラス繊維以外の繊維材料を含む通気性材料を含む、
アルミニウムバッテリーセパレータ。

【請求項2】

前記繊維材料は、繊維不織布材料又は繊維織物材料を含む、請求項１に記載のアルミニウムバッテリーセパレータ。

【請求項3】

前記通気性材料が、セルロース、ポリアクリロニトリル、酢酸セルロース、アラミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリビニルアルコールジメチルホルマールを含む、請求項１に記載のアルミニウムバッテリーセパレータ。

【請求項4】

前記通気性材料が複合フィルムではなく単一材料からなる、請求項１に記載のアルミニウムバッテリーセパレータ。

【請求項5】

前記単一材料がセルロース又はポリアクリロニトリルである、請求項４に記載のアルミニウムバッテリーセパレータ。

【請求項6】

前記通気性材料の繊維径が０．１μｍ～２０μｍである、請求項１に記載のアルミニウム製電池用セパレータ。

【請求項7】

前記通気性材料の面密度が０．１ｇ／ｍ^２～３０ｇ／ｇ／ｍ^２である、請求項１に記載のアルミニウムバッテリーセパレータ。

【請求項8】

前記通気性材料が、孔形成材ではない、請求項１に記載のアルミニウムバッテリーセパレータ。

【請求項9】

前記通気性材料の接触角が、９０度以下である、請求項１に記載のアルミニウムバッテリーセパレータ。

【請求項10】

前記通気性材料が、ポリエチレン又はポリプロピレンを含まない、請求項１に記載のアルミニウムバッテリーセパレータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はバッテリーセパレータに関し、特にアルミニウムバッテリーセパレータに関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、アルミニウムバッテリの充放電メカニズムに基づいて、セパレータに電解液が完全に浸透していない場合、充放電プロセス中に電解液中の活物質が効果的に移動できず、アルミニウムバッテリの過度の内部抵抗を引き起こし、性能に影響を与える。したがって、電解液を効果的に浸透させてアルミニウムバッテリの性能を向上させることができるアルミニウムバッテリーセパレータをどのように設計するかが大きな課題となっている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

アルミニウムバッテリの充放電メカニズムに基づいて、セパレータに電解液が完全に浸透していない場合、充放電プロセス中に電解液中の活物質が効果的に移動できず、アルミニウムバッテリの過度の内部抵抗を引き起こし、性能に影響を与える。

【課題を解決するための手段】

【0004】

本発明は、好ましい耐薬品性を有し、電解液を効果的に浸透させながら金属の堆積を減少させることができ、それによってアルミニウムバッテリの性能を向上させ、アルミニウムバッテリの耐用年数を延ばすことができるアルミニウムバッテリーセパレータを提供する。

【0005】

本発明のアルミニウムバッテリーセパレータは、通気性材料を含む。通気性材料の通気度は０．１秒／１００ｍｌ～５０秒／１００ｍｌであり、通気性材料は、ガラス繊維以外の繊維材料を含む。

【0006】

本発明の一実施形態では、繊維材料は、繊維不織材料又は繊維織物材料を含む。

【0007】

本発明の一実施形態では、通気性材料は、セルロース、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、酢酸セルロース、アラミド、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、及びポリビニルアルコールジメチルホルマールを含む。

【0008】

本発明の一実施形態では、通気性材料は複合フィルムではなく単一材料で構成される。

【0009】

本発明の一実施形態では、単一材料はセルロース又はポリアクリロニトリルである。

【0010】

本発明の一実施形態では、通気性材料の繊維径は０．１μｍ～２０μｍである。

【0011】

本発明の一実施形態では、通気性材料の面密度は０．１ｇ／ｍ^２～３０ｇ／ｍ^２である。

【0012】

本発明の一実施形態では、通気性材料は孔形成材ではない。

【0013】

本発明の一実施形態では、通気性材料の接触角は９０度以下である。

【0014】

本発明の一実施形態では、通気性材料はポリエチレン（ＰＥ）又はポリプロピレン（ＰＰ）を含まない。

【発明の効果】

【0015】

上記に基づいて、本発明のアルミニウムバッテリーセパレータは、材料の選択により、通気度が０．１秒／１００ｍｌ～５０秒／１００ｍｌの通気性材料と、ガラス繊維以外の繊維材料とからなる。アルミニウムバッテリーセパレータは、好ましい耐薬品性を有し、電解液を効果的に浸透させながら金属の堆積を低減することができるため、アルミニウムバッテリの性能を向上させ、アルミニウムバッテリの耐用年数を延ばすことができる。

【0016】

本発明の特徴及び利点をより理解しやすくするために、以下の特定の実施形態を図面と併せて詳細に説明する。

【発明を実施するための形態】

【0017】

本発明の内容を理解しやすくするために、以下に本発明を実際に実施することができる具体的な実施形態を例示する。明確に説明するために、多くの実際的な詳細が以下の説明で説明される。しかしながら、実際的な詳細は本発明を限定するために使用されるべきではないことを理解されたい。換言すれば、本発明の一部の実施形態では、実際的な詳細は不必要である。

【0018】

別段の定義がない限り、本明細書で使用されるすべての用語（技術用語及び科学用語を含む）は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。

【0019】

特に明記しない限り、値の範囲を定義するために本明細書で使用される「間」という用語は、記載された終点値に等しい範囲及びそれらの間の範囲を包含することを意図している。たとえば、第１値と第２値の間のサイズ範囲は、サイズ範囲が第１値、第２値、及び第１値と第２値の間の任意の値を包含し得ることを意味している。

【0020】

以下の詳細な説明では、限定ではなく例示を目的として、本発明のさまざまな原理の完全な理解を提供するために、特定の詳細を開示する例示的な実施形態を説明する。しかしながら、本発明の利点を生かして、本明細書に開示された特定の詳細から離れた他の実施形態において本発明が実施され得ることは、当業者には明らかである。さらに、従来の装置、方法、及び材料の説明は、本発明のさまざまな原理の説明を曖昧にしないために省略される場合がある。

【0021】

本実施形態のアルミニウムバッテリーセパレータは、通気性材料を含む。また、本実施形態のアルミニウムバッテリーセパレータは、材料の選択により、透気度が０．１秒／１００ｍｌ～５０秒／１００ｍｌの通気性材料と、ガラス繊維以外の繊維材料とからなる。アルミニウムバッテリーセパレータは、好ましい耐薬品性を有し、電解液を効果的に浸透させながら金属の堆積を減少させることができ、それによってアルミニウムバッテリの性能を向上させ、アルミニウムバッテリの耐用年数を延ばすことができる。ここで、電解質は、アルミニウムバッテリに適用され得る任意の適切なイオン液体（例えば、ＥＭＩＣ、ＢＭＩＣなど）であってもよく、本発明はこれに限定されない。通気性は、ガーレ値（Ｇｕｒｌｅｙ ｖａｌｕｅ）で表され、透気度試験機（ガーレー）またはＡＳＴＭ Ｄ７２６法により測定することができる。具体的には、透気度試験機（ガーレー）において、アルミニウムバッテリーセパレータに一定の圧力を加え、一定の体積のガスがアルミニウムバッテリーセパレータを通過する時間を計算することにより、アルミニウム電池セパレータの透気度を測定することができる。

【0022】

いくつかの実施形態では、繊維材料は、繊維不織材料又は繊維織物材料を含む。例えば、通気性材料は、セルロース、ポリアクリロニトリル、酢酸セルロース、アラミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリビニルアルコールジメチルホルマールを含むが、本発明はこれに限定されない。空気透過性が０．１秒／１００ｍｌ～５０秒／１００ｍｌである限り、任意の適切な通気性材料が本発明の保護範囲に属する。

【0023】

さらに、アルミニウムバッテリーセパレータの材料としてガラス繊維が使用されている場合、連続的な充放電プロセス中に、電解液は酸化還元により負極及びセパレータ上に金属の堆積を生成する。このように、ひどい場合には正極と負極を導通させるために金属樹が形成され、セパレータの破損を引き起こし、アルミニウムバッテリの性能や耐用年数に影響を及ぼす。したがって、本実施形態では、金属樹の穿刺を効果的に遅らせ、金属の堆積を減少させるため、ガラス繊維の使用を明示的に除外し、それによって正極と負極の導通を防止して、アルミニウムバッテリセルの耐用年数と性能を向上させる。

【0024】

いくつかの実施形態では、疎水性の特性により、ポリエチレン又はポリプロピレン材料は、アルミニウムバッテリで使用される場合、効果的に浸透することができない。セパレータが完全に浸透していないと、アルミニウムバッテリの充放電時に電解液中の活性物質が効果的に移動できず、バッテリの内部抵抗が大きくなり、アルミニウムバッテリの性能に影響を与えることになる。したがって、リチウムバッテリ産業に一般的に適用されるポリエチレン又はポリプロピレン材料のセパレータを含まないアルミニウムバッテリーセパレータは、アルミニウムバッテリの性能をより効果的に向上させることができる。さらに、リチウムバッテリ産業に一般的に適用されるポリエチレン又はポリプロピレン材料のセパレータを含まないアルミニウムバッテリーセパレータは、前記材質のセパレータがアルミニウムバッテリの電解質（例えば、イオン液体）によって溶解するのも防ぐことができるが、本発明はこれに限定されない。

【0025】

いくつかの実施形態では、アルミニウムバッテリシステムの電解質は通常、イオン液体であり、イオン液体の粘度は比較的高い。ポリマー細孔形成薄膜をセパレータとして使用する場合、セパレータも完全に浸透せず、アルミニウムバッテリの内部抵抗が増加し、アルミニウムバッテリの性能に影響を与える。したがって、通気性物質は、アルミニウムバッテリの性能をより効果的に向上させるための細孔形成物質でなくてもよいが、本発明はこれに限定されない。

【0026】

さらに、通気性材料は複合フィルムではなく単一材料で構成され、単一材料は浸透能力及び耐薬品性をより良くするためにセルロース又はポリアクリロニトリルである。詳細は、以下の表１及び表２に記載されている。

【0027】

表１において、セパレータの浸透能力は、接触角の測定と液滴吸収速度の分析を通じて知ることができる。表１からわかるように、セルロース又はポリアクリロニトリル材料のセパレータは液滴を瞬時に吸収してしまうため、接触角を測定することができない。したがって、セルロース又はポリアクリロニトリル材料は、電解質の浸透を促進する親水性材料と見なすことができる。しかし、ポリエチレン又はポリプロピレン材料の場合、接触角は９０度超であるため、ポリエチレン又はポリプロピレン材料は疎水性材料であり、電解質の浸透を助けない。したがって、本発明の通気性材料の接触角は９０度以下である。また、表１から、繊維状セパレータはいずれも液滴吸収速度が速く、また、細孔形成薄膜材料を用いたセパレータよりも浸透能力が優れていることが分かる。

【0028】

【表1】

【0029】

表２では、異なる材質のセパレータを長さ５ｃｍ、幅１ｃｍのシートに切断し、イオン液体電解質（ＥＭＩＣ）に浸し、それぞれ室温 （２５°Ｃ）及び高温（８０°Ｃ）環境に放置し、イオン液体電解質中のポリマーの耐薬品性を観察した。表２からわかるように、ポリエチレン又はポリプロピレン材料は、室温で４日以内に電解液に溶解し、イオン液体電解質システムには適していないが、セルロース又はポリアクリロニトリル材料は室温で電解液に不溶であるので、セルロース又はポリアクリロニトリル材料は、アルミニウムバッテリーセパレータに適用する利点がある。

【0030】

【表2】

【0031】

いくつかの実施形態では、通気性材料の繊維直径は０．１μｍ～２０μｍであり、通気性材料の面密度は０．１ｇ／ｍ^２から３０．０ｇ／ｍ^２であるが、本発明はこれに限定されない。ここで、繊維直径は走査型電子顕微鏡法（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、ＳＥＭ）によって測定することができ、面密度は適切な技術によって測定することができる。

【0032】

以下、実施例１及び比較例１を参照して、本発明のアルミニウムバッテリーセパレータをアルミニウムバッテリに適用した場合の効果をより具体的に説明する。なお、以下に実施例１を説明するが、使用する材料、プロセス等の詳細等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であり、本発明は以下の実施例に限定して解釈されるものではない。

【0033】

＜比較例１＞

【0034】

まず、アルミニウム箔を用いて切り出し、負極（厚み０．０５ｍｍ、大きさ８８ｍｍ×１４８ｍｍ）を作製し、ニッケル箔（厚み０．０３ｍｍ、サイズ８５ｍｍ×１４５ｍｍ）上に黒鉛スラリーを塗布し、正極を得た。次に、ガラス繊維ろ紙（立豊実業有限公司製、商品名：ＹＦ１００、透気度４．３秒／１００ｍｌ）を切断して、セパレータを準備した。次に、負極、セパレータ、正極をこの順に配置した。アルミニウムプラスチックフィルムを置き、電解液（塩化アルミニウム／塩化１－エチル－３－メチルイミダゾリウム、モル比１．８：１）を注入して封止した。比較例１のアルミニウムバッテリを得た。

【0035】

＜比較例２＞

【0036】

比較例１のアルミニウムバッテリの作製方法を用い、セパレータをポリプロピレン材料を有するセパレータ（フォーサイトエナジーテクノロジーズ株式会社製、商品名：多層複合材料セパレータ、通気度２１０秒／１００ｍｌ）に置き換えた点が異なる。比較例２のアルミニウムバッテリを得た。

【0037】

＜比較例３＞

【0038】

比較例１のアルミニウムバッテリの作製方法を用い、セパレータをポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）材質のセパレータ（帝人株式会社製、商品名：０１２ＴＨ－１０、透気度：０．０５秒／１００ｍｌ）に置き換えた点が異なる。比較例３のアルミニウムバッテリを得た。

【0039】

＜実施例１＞

【0040】

比較例１のアルミニウムバッテリの作製方法を用い、セパレータをセルロース製セパレータ（ニッポン高度紙工業株式会社製、商品名：ＴＦ４８５０、透気度２０秒／１００ｍｌ）に置き換えた点が異なる。実施例１のアルミニウムバッテリを得た。

【0041】

実施例１及び比較例１のクーロン効率を試験し、クーロン効率が８０％未満となるサイクル数を計算した。ＢｉｏＬｏｇｉｃ社の電気化学ワークステーション（ＢｉｏＬｏｇｉｃ ＢＣＳ－８１５）を用いて、実施例１、比較例１、比較例２で得られたアルミニウムバッテリの充放電試験を行った。最大放電容量を充放電率４Ｃで測定した。結果を表３に示す。表３の結果から次の結論が導き出される。実施例１と比較例１を比較すると、サイクル寿命は実質的に約６倍に延びるが、比較例２は電解液が浸透できないため正常に充放電できない。また、比較例３は、充放電は可能であるものの、セパレータの細孔径が大きすぎて透気度値が低い（０．１秒／１００ｍｌ未満）ため、正負極間のインピーダンスが低くなりすぎてしまい、クーロン効率が８０％に達しない。

【0042】

【表3】

【0043】

なお、上記の内容において、アルミニウムバッテリの他の不特定の組成及び仕様は、添付の特許請求の範囲に含まれる精神及び範囲をカバーする任意の内容に従って、本発明の当業者によって取得されることができ、セパレータがアルミニウムバッテリの正極と負極の間に配置されている限り、それは本発明の保護範囲内にあることに留意されたい。

【0044】

まとめると、本発明のアルミニウムバッテリーセパレータは、材料の選択により、０．１秒／１００ｍｌ～５０秒／１００ｍｌの通気性を有する通気性材料と、ガラス繊維以外の繊維材料とで作製される。アルミニウムバッテリーセパレータは、好ましい耐薬品性を有し、電解液を効果的に浸透させながら金属の堆積を低減することができるため、アルミニウムバッテリの性能を向上させ、耐用年数を延ばすことができる。

【0045】

本発明は上記の実施形態に開示されているが、これらの実施形態は本発明を限定することを意図したものではない。当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、いくつかの変更及び修正を行うことができる。したがって、本発明の保護範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められるものとする。

【産業上の利用可能性】

【0046】

本発明のアルミニウムバッテリーセパレータは、アルミニウムバッテリに適用することができる。

【外国語明細書】