電池分離膜用微多孔性膜製造裝置、使用其的制膜方法
2023-05-25 03:55:11 1
電池分離膜用微多孔性膜製造裝置、使用其的制膜方法
【專利摘要】本發明涉及用作充電電池分離膜的微多孔性膜製造裝置及方法。本發明的微多孔性膜製造裝置包括：T形模（20），通過噴嘴前端部對經熔融的部分結晶性樹脂的熔融樹脂進行壓制以成型前驅膜；導輥（50），布置在所述T形模（20）的壓制方向的下遊側，對前驅膜（F1）進行移動引導以拉伸至一定牽伸比；前驅膜冷卻裝置（40），通過在所述前驅膜的正面/背面或者兩側面分別提供沿著前驅膜的移動方向流動的冷卻氣體流以對前驅膜進行冷卻；以及膜延伸裝置，對經所述前驅膜冷卻裝置（40）冷卻的膜施加單軸方向或雙軸方向的拉伸力。
【專利說明】電池分離膜用微多孔性膜製造裝置、使用其的制膜方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及用於製造微多孔性膜(microporous film)的裝置及其方法。尤其是，本發明涉及微多孔性膜製造方法，該方法通過T形擠型模對部分結晶性樹脂進行壓制以成型前驅膜，並對該前驅膜進行熱處理(annealing)並延伸以適合於電池的微多孔性分離膜。
【背景技術】
[0002]最近，隨著諸如可攜式通信設備、可攜式筆記本電腦等的電子設備的普及和使用的劇增，要求作為電子設備電池的充電電池具有輕量化、高電流密度化以及自放電小的特性。
[0003]隨著這種趨勢,用於充電電池的分離膜(separator)被廣泛採用形成有多個微孔的微多孔性膜，以確保電極間良好的離子滲透性。電池分離膜用微多孔性膜需要具有與電池特性相關的多種所需特性，其中尤其要求其具有高強度、高氣孔率。分離膜的高強度化可減少隨著薄膜化而發生的內部短路的缺陷，由此可以使得電池的超薄化變得可能。此外，分離膜的氣孔率通過改善離子滲透性而對充放電特性起到影響。
[0004]製造這種微多孔性膜的方法包括乾式法和溼式法。基於乾式法的制膜方法中，如圖1所示，通過「T」型模(T_die)2對從壓製機I供給的熔融樹脂進行壓制以壓製成型前驅膜F1，將該前驅膜Fl接觸到相對低溫(80-120°C)的鑄造輥(冷卻輥)3並進行冷卻固化以在前驅膜Fl上形成層狀結晶，並對由此獲得的前驅膜Fl進行包含低溫延伸和高溫延伸的一系列延伸工序以對前驅膜進行延伸，從而製造微多孔性膜。
[0005]通過所述現有的乾式法製造的微多孔性膜中，在冷卻由部分結晶性(semicrystalline)樹脂熔融壓制而成的前驅膜Fl的過程中將形成層狀(lamella)結晶，接著在低溫延伸過程中隨著相對脆弱的非晶部分(amorphous region)破裂而形成氣孔,其中非晶部分存在於形成在前驅膜Fl的層狀結構的結晶之間，並且在高溫延伸工序中隨著該氣孔被擴張而在膜上形成微多孔性結構。
[0006]前驅膜的層狀結晶結構的生成將受到熔融壓製成型的前驅膜的冷卻速度的直接且決定性的影響。根據通常已知的信息，前驅膜的冷卻速度的加快將促進層狀結晶形成，但是在前驅膜的冷卻速度過快時則對作為層狀生長階段的二次結晶化造成不利影響。因此，需要適當地調節壓製成型的前驅膜的冷卻速度以使得微多孔性膜根據其用途具有適當的氣孔度。
[0007]但是，根據所述現有的前驅膜製造方法，因為移動中的前驅膜是通過與旋轉中的冷卻輥接觸而進行冷卻，所以不僅會導致難以進行均勻冷卻，而且還難以調節冷卻速度。由此將導致難以調節微多孔性膜的氣孔大小或氣孔度，進而導致了在改善膜的氣孔度和多孔性方面的技術局限性。
【發明內容】
[0008]本發明為了解決所述現有的微多孔性膜製造方法所具有的問題，其目的在於提供微多孔性膜製造方法及製造裝置，通過使用冷卻氣體的冷卻方式替代冷卻輥接觸方式，改善前驅膜的冷卻方法，從而容易調節膜的氣孔大小和氣孔度。
[0009]此外，本發明的另一目的在於提供微多孔性膜製造裝置，通過不使用諸如冷卻輥或真空吸入裝置的附帶裝置，使結構變得簡單且設備成本變得相對較低。
[0010]為了實現所述目的，本發明的微多孔性膜製造方法包括:
[0011]通過T形模對經熔融的部分結晶性樹脂的熔融樹脂壓制以成型前驅膜的步驟；以及
[0012]通過使相對低溫的冷卻氣體與所述前驅膜進行接觸以對前驅膜進行冷卻的冷卻步驟。
[0013]此外，本發明的微多孔性膜製造方法還包括:在比所述部分結晶性樹脂的熔點低的溫度下，沿著單軸方向或雙軸方向對通過與所述冷卻氣體接觸而經冷卻的前驅膜進行延伸從而在膜上形成微氣孔的延伸步驟。
[0014]所述延伸步驟包括:在比所述部分結晶性樹脂的熔點低的溫度下，對所述前驅膜進行熱處理的步驟；在比所述部分結晶性樹脂的熔點低的溫度下，對經熱處理的前驅膜進行延伸的低溫延伸步驟；在相對比所述低溫延伸步驟中的工序溫度高且比所述膜的部分結晶性樹脂的熔點低的溫度下，對在所述低溫延伸步驟中經延伸的膜進行延伸的高溫延伸步驟；在比熔點低的溫度下，對在高溫延伸步驟中經延伸的膜進行熱處理以進行熱固定的步驟。
[0015]在所述延伸步驟中低溫延伸步驟和高溫延伸步驟包括:使用多個輥的單軸延伸和使用延伸機的雙軸延伸。
[0016]所述前驅膜冷卻步驟的特徵在於，通過流入口使冷卻氣體流入，並且使得流入的冷卻氣體沿著所述前驅膜的壓制方向在所述前驅膜的正面/背面中至少一側進行流動並與所述前驅膜進行接觸，從而對前驅膜進行冷卻，其中流入口被布置成沿著壓制方向與所述T形模的噴嘴前端部距離一定間隔。
[0017]所述冷卻氣體只要是以氣體狀態存在於常溫中的氣體即可，優選為空氣、氮氣、氦氣中的任一種，並且被控制成維持在O至80°C的範圍。冷卻氣體尤其優選為經過濾的空氣，並且維持在20至40°C的範圍。
[0018]在所述冷卻步驟中冷卻氣體優選為以0.1至100 I /分鐘的流量流過冷卻氣體通路。
[0019]用於所述壓製成型的部分結晶性樹脂為選自由聚烯烴、聚四氟乙烯、聚醛樹脂、聚酯、聚醯胺、聚(4-甲基-1-丁烯)構成的群中的任一種樹脂或者一種以上的混合物或者共聚物。
[0020]根據本發明的微多孔性膜製造裝置包括:
[0021]T形模，通過噴嘴前端部對經熔融的部分結晶性樹脂的熔融樹脂進行壓制以成型前驅膜；前驅膜冷卻裝置，通過提供沿著所述前驅膜的壓制方向流動的冷卻氣體流，以通過該冷卻氣體對前驅膜進行冷卻；導輥，布置在所述T形模的壓制方向的下遊側，對經壓制的前驅膜進行引導以拉伸至預定牽伸比；以及膜延伸裝置，在比部分結晶性樹脂的熔點低的溫度下，對通過所述前驅膜冷卻裝置並由冷卻氣體進行冷卻的膜進行延伸。
[0022]所述膜延伸裝置包括:低溫延伸裝置，在比所述部分結晶性樹脂的熔點低的溫度下進行延伸；高溫延伸裝置，在相對比所述低溫延伸步驟中的工序溫度高且所述膜的部分結晶性樹脂的熔點低的溫度下，對在所述低溫延伸中經延伸的膜進行延伸；以及熱固定裝置，在比熔點低的溫度下，對在所述高溫延伸步驟中經延伸的膜進行熱處理以進行熱固定。
[0023]所述延伸裝置可以是多個延伸輥(未圖示)或者是通常的雙軸延伸機，其中多個延伸輥以可傳送的方式支承膜並且根據各自的轉速差對所支承的膜施加沿著單軸方向(膜的長度方向)的拉伸力以沿著單軸方向進行延伸，而通常的雙軸延伸機沿著雙軸方向(膜的長度方向或寬度方向)對膜進行延伸。
[0024]所述前驅膜冷卻裝置的特徵在於，包括:冷卻氣體通路，向著正面或背面中至少一側提供沿著所述前驅膜的壓制方向流動的冷卻氣體流；以及流入口，布置成與T形模的噴嘴前端相隔一定距離以使得所述冷卻氣體流入至所述冷卻氣體通路的內部。
[0025]本發明的微多孔性膜製造裝置的特徵在於，還包括:空調機，用於從流入至所述冷卻氣體通路內部的冷卻氣體中過濾雜質並且對冷卻氣體的溫度進行調節。所述冷卻氣體為空氣，空調機將空氣調節至20至40°C的範圍。
[0026]如上所述的本發明，因為是通過冷卻氣體與前驅膜進行接觸而對前驅膜進行冷卻固化，所以無需使用諸如冷卻輥或真空吸入裝置的附帶裝置，從而使結構變得簡單且設備成本變得相對較低。
[0027]此外，根據本發明，只需對冷卻氣體的溫度和流量進行調節即可簡單地對前驅膜的冷卻速度進行調節，因此可以輕易調節膜的氣孔度或氣孔大小，由此可以穩定地製造具有均勻氣孔度的高品質微多孔性膜。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1是現有的微多孔性膜製造裝置的示意圖。
[0029]圖2是根據本發明的微多孔性膜製造裝置的示意圖。
【具體實施方式】
[0030]下面，將參照附圖對本發明的優選實施例進行詳細說明。
[0031]若參照圖2先對根據本發明的微多孔性膜製造裝置進行說明時，根據本發明的微多孔性膜製造裝置包括:T形模20，通過噴嘴前端部21以恆定壓力對在壓製機10中經熔融的部分結晶性樹脂進行壓制以成型前驅膜Fl ;導輥50，布置在所述T形模的壓制方向的下遊側並且對前驅膜進行引導以拉伸至預定牽伸比；前驅膜冷卻裝置40，在所述前驅膜Fl的正面/背面中任一側或者在兩面上分別沿著前驅膜Fl的移動方向提供冷卻氣體流以對前驅膜進行冷卻；以及膜延伸裝置，在比所述部分結晶性樹脂的熔點低的溫度下，對所述經冷卻的膜進行延伸從而在膜上形成微氣孔。
[0032]用於製造本發明的微多孔性的所述部分結晶性樹脂可以是選自由聚烯烴、聚四氟乙烯、聚醛樹脂、聚酯、聚醯胺、聚(4-甲基-1-丁烯)構成的群中的任一種樹脂或者其一種以上的混合物或者其共聚物。
[0033]通過T形模20對所述部分結晶性熔融樹脂進行壓制以成型未形成氣孔的前驅膜F1，並且使由此成型的前驅膜Fl通過前驅膜冷卻裝置40並通過由前驅膜冷卻裝置40提供的冷卻氣體對前驅膜Fl進行冷卻，其中該前驅膜冷卻裝置40被布置在T形模的噴嘴前端部下方。
[0034]用於前驅膜冷卻的冷卻氣體是選自空氣、氮氣、氦氣中的任一種，並且維持在O至80°C的範圍。在本發明中，用作冷卻氣體的氣體不限於上述所列的氣體，只要是以氣體狀態存在於常溫中的氣體，任意氣體都可以被用作冷卻氣體。然而，冷卻氣體優選為空氣，並且在送風機30中生成並在空調機31過濾雜質，而後溫度調節至20至40°C的範圍後被提供至所述膜冷卻裝置40。
[0035]貫穿本說明書全文，為了說明的便利，將圖2的前驅膜Fl的右側面稱為「正面」，而將前驅膜的左側面稱為「背面」。
[0036]在所述前驅膜冷卻裝置40中，分別在所述前驅膜Fl的正面和背面布置塊40a和塊40b並使得相對的內側面以一定間隔S相隔，從而在塊40a與塊40b之間形成冷卻氣體通路43，其中所述各個塊40a、40b具有冷卻氣體引導通路41 a、42b，該冷卻氣體引導通路41a、42b用於將從空調機31供給的冷卻氣體引導至所述冷卻氣體通路43，並且所述引導通路41a、42b的前端部具有流入口 42a、42b，該流入口 42a、42b使得引導通路的冷卻氣體朝著膜移動方向進行流入。
[0037]所述流入口 42a、42b位於與T形模的噴嘴前端部21距離5至200mm的下方，優選為位於距離2至60mm的下方。因為所述流入口 42a、42b的設置位置將決定前驅膜的冷卻起始點，所以將對用於膜的氣孔形成的結晶形成起到重要的作用。
[0038]當將冷卻氣體供給至所述前驅膜冷卻裝置40的冷卻氣體引導通路內時，則該冷卻氣體通過流入口 42a、42b流入至冷卻氣體通路43從而沿著前驅膜的移動方向進行流動並與前驅膜接觸以進行冷卻。此時，冷卻氣體通過對前驅膜進行冷卻，促進前驅膜上層狀結構的結晶的形成。
[0039]此處，冷卻氣體在所述冷卻氣體通路43中優選為以0.1至100 i, /分鐘的流量進行流動。
[0040]布置於所述冷卻裝置40下方的導輥50通過支承前驅膜的下端以進行把持，從而使得通過膜冷卻裝置40的冷卻氣體通路43的前驅膜不會因冷卻氣體的流動而晃動。並且通過調節用於旋轉驅動導輥50的旋轉電機(未圖示)的速度，調節導輥50的轉速，由此將經壓制的前驅膜Fl以預定牽伸比進行引導。因此，所述導輥50優選為布置在前驅膜的壓制方向(豎直方向)的下遊側。
[0041]本發明的制膜裝置包括:延伸裝置，在比部分結晶性樹脂的熔點低的溫度下，沿著單軸方向或雙軸方向對經所述冷卻裝置40冷卻的膜進行延伸從而在膜上形成微氣孔。
[0042]所述延伸裝置包括:低溫延伸裝置，在比所述部分結晶性樹脂的熔點低的溫度下進行延伸；高溫延伸裝置，在相對比所述低溫延伸步驟中的工序溫度高且比所述膜的部分結晶性樹脂的熔點低的溫度下，對在所述低溫延伸中經延伸的膜進行延伸；以及熱固定裝置，在比熔點低的溫度下，對在高溫延伸步驟中經延伸的膜進行熱處理以進行熱固定。
[0043]所述延伸裝置可以是多個延伸輥(未圖示)或者是通常的雙軸延伸機，其中多個延伸輥以可傳送的方式支承膜並且根據各自的轉速差對所支承的膜施加沿著單軸方向(膜的長度方向)的拉伸力以沿著單軸方向進行延伸，而通常的雙軸延伸機沿著雙軸方向(膜的長度方向或寬度方向)對膜進行延伸。
[0044]通過上述微多孔性膜製造裝置製造微多孔性膜的過程如下。[0045]1、前驅膜壓製成型步驟
[0046]使由經熔融的部分結晶性樹脂而成的熔融體通過T形模20，並被壓製成型從而成型為前驅膜。
[0047]所述前驅膜Fl以捲曲在導輥50的外周面上的狀態得到支承，其中該導輥50被布置在壓制方向(豎直方向)的下方並進行旋轉。導輥50以恆定速度進行旋轉並對膜進行引導以拉伸至一定的牽伸比。此時，通過改變導輥50的轉速即可調節膜的壓制牽伸比(Draftratio)。
[0048]2、前驅膜的冷卻步驟
[0049]使所述前驅膜通過冷卻裝置40的冷卻氣體通路43，並通過與冷卻氣體接觸而對膜進行冷卻。
[0050]用於膜冷卻步驟的冷卻氣體只要是以氣體狀態存在於常溫中的氣體即可，優選為空氣、氮氣、氦氣中的任一種，並且被控制成維持在O至80°C的範圍。冷卻氣體尤其優選為經過濾的空氣，並且維持在20至40°C的範圍。此外，在膜冷卻過程中冷卻氣體優選為以0.1至100 &/分鐘的流量流過冷卻氣體通路。
[0051]3、膜的延伸步驟
[0052]通過與所述冷卻氣體接觸而經冷卻的膜將經過一系列延伸工序而均勻地形成微細的氣孔。
[0053]所述延伸步驟包括:在比所述部分結晶性樹脂的熔點低的溫度下，對經所述冷卻過程冷卻的膜進行熱處理的步驟；在比所述部分結晶性樹脂的熔點低的溫度下，對經熱處理的前驅膜進行延伸的低溫延伸步驟；在相對比所述低溫延伸步驟中的工序溫度高且比所述膜的部分結晶性樹脂的熔點低的溫度下，對在所述低溫延伸步驟中經延伸的膜進行延伸的高溫延伸步驟；以及在比熔點低的溫度下，對在高溫延伸步驟中經延伸的膜進行熱處理以進行熱固定的步驟。
[0054]在所述低溫延伸步驟中，根據施加到膜的長度方向或寬度方向的拉伸力，非結晶部分被破裂從而沿著延伸方向形成氣孔，其中該非結晶部分位於形成在膜上的層狀結晶之間。
[0055]在所述高溫延伸步驟中，通過高溫延伸，在所述低溫延伸過程中形成於膜上的氣孔被擴張從而形成為多孔性氣孔。
[0056]以上對在T形模沿著豎直向下方向壓製成型的微多孔性膜進行了說明，但是本發明也可以適用於沿著豎直向上方向壓製成型膜的情況。
[0057]根據以上的根據本發明的微多孔性膜製造方法，只需對冷卻氣體的溫度和流量進行調節即可對前驅膜的冷卻速度進行調節，因此可以輕易調節膜的氣孔度或氣孔大小並且使氣孔度變得均勻，由此可以穩定地製造高品質的微多孔性膜。
【權利要求】
1.一種微多孔性膜製造方法，其特徵在於，包括: 通過T形模對部分結晶性樹脂的熔融體進行壓製成型以成型前驅膜的步驟； 通過使溫度低於所述部分結晶性樹脂的熔點的冷卻氣體與前驅膜進行接觸以對前驅膜進行冷卻的冷卻步驟；以及 在比所述部分結晶性樹脂的熔點低的溫度下，沿著單軸方向或雙軸方向對所述經冷卻的膜進行延伸從而在膜上形成微氣孔的延伸步驟。
2.如權利要求1所述的微多孔性膜製造方法，其特徵在於， 在所述前驅膜冷卻步驟中，通過提供沿著所述前驅膜的壓制方向在所述前驅膜的正面和背面中至少一側流動的冷卻氣體流，以通過冷卻氣體與前驅膜的接觸對前驅膜進行冷卻。
3.如權利要求1所述的微多孔性膜製造方法，其特徵在於， 所述冷卻氣體為選自空氣、氮氣、氦氣中的任一種，並且被維持在O至80°C的範圍。
4.如權利要求3所述的微多孔性膜製造方法，其特徵在於， 所述冷卻氣體為空氣，並且被維持在20至40°C的範圍。
5.如權利要求1所述的微多孔性膜製造方法，其特徵在於， 所述部分結晶性樹脂為選自由聚烯烴、聚四氟乙烯、聚醛樹脂、聚酯、聚醯胺、聚(4-甲基-1- 丁烯)構成的群中的任一種 樹脂或者一種以上的混合物或者共聚物。
6.如權利要求1所述的微多孔性膜製造方法，其特徵在於，所述延伸步驟包括: 在比所述部分結晶性樹脂的熔點低的溫度下，對所述前驅膜進行熱處理的步驟； 在比所述部分結晶性樹脂的熔點低的溫度下，對經熱處理的前驅膜進行延伸的低溫延伸步驟； 在相對比所述低溫延伸步驟中的工序溫度高且比所述膜的部分結晶性樹脂的熔點低的溫度下，對在所述低溫延伸步驟中經延伸的膜進行延伸的高溫延伸步驟；以及 在比熔點低的溫度下，對在高溫延伸步驟中經延伸的膜進行熱處理以進行熱固定的步驟。
7.一種充電電池分離膜，所述充電電池分離膜由根據權利要求1至6中任一項所製造的微多孔性膜構成。
8.一種微多孔性膜製造裝置，其特徵在於，包括: T形模，通過噴嘴前端部對經熔融的部分結晶性樹脂的熔融樹脂進行壓制以成型前驅膜； 前驅膜冷卻裝置，通過提供沿著所述前驅膜的壓制方向在所述前驅膜的正面和背面中至少一側流動的冷卻氣體流，以通過所述冷卻氣體對前驅膜進行冷卻； 一個以上的導輥，布置在所述T形模的壓制方向的下遊側，對經壓制的前驅膜進行引導以拉伸至預定牽伸比；以及 膜延伸裝置，在比所述部分結晶性樹脂的熔點低的溫度下，沿著單軸方向或雙軸方向對在所述冷卻裝置中經冷卻而獲得的膜進行延伸從而在膜上形成微氣孔。
9.如權利要求8所述的微多孔性膜製造裝置，其特徵在於，所述前驅膜冷卻裝置包括: 冷卻氣體通路，用於提供沿著所述前驅膜的壓制方向流動的所述冷卻氣體流；以及 流入口，以與T形模的噴嘴前端相隔一定距離的方式形成以使得所述冷卻氣體流入至所述冷卻氣體通路的內部。
10.如權利要求8所述的微多孔性膜製造裝置，其特徵在於， 所述冷卻氣體為空氣，並且所述冷卻氣體通路還包括:空調機，用於對流入至所述冷卻氣體通路內部的冷卻氣體的雜質進行過濾並 且對冷卻氣體的溫度進行調節。
【文檔編號】H01M10/02GK103563127SQ201280025310
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2012年6月8日 優先權日:2011年6月17日
【發明者】樸鉉彩 申請人:伊賽爾科技有限公司