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公開番号2025118713
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-08-13
出願番号2025073540,2023003745
出願日2025-04-25,2017-07-21
発明の名称改良されたコーティング、被覆セパレータ、電池、および関連する方法
出願人セルガードエルエルシー
代理人個人,個人,個人,個人,個人
主分類C09D 201/00 20060101AFI20250805BHJP(染料;ペイント;つや出し剤;天然樹脂;接着剤;他に分類されない組成物;他に分類されない材料の応用)
要約【課題】少なくとも改善された安全性および性能を示す二次リチウムイオン電池を得るためのコーティング組成物およびセパレータを提供する。
【解決手段】溶媒としての水、水性溶媒、または非水性溶媒を含む高分子結合剤と、耐熱性粒子と、架橋剤、低温シャットダウン剤、接着剤、増粘剤、摩擦低減剤、および高温シャットダウン剤からなる群から選択される少なくとも1つの成分と、を含むコーティング組成物である。前記高分子結合剤が、ポリラクタムポリマー、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリアクリル酸(PAA)、ポリ酢酸ビニル(PVAc)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、イソブチレンポリマー、アクリル樹脂、およびラテックスからなる群から選択される少なくとも1つを含むことが好ましい。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
溶媒としての水、水性溶媒、または非水性溶媒を含む高分子結合剤と、
耐熱性粒子と、
架橋剤、低温シャットダウン剤、接着剤、増粘剤、摩擦低減剤、および高温シャットダウン剤からなる群から選択される少なくとも１つの成分と、
を含むコーティング組成物。
続きを表示（約 1,700 文字）【請求項２】
前記高分子結合剤が、ポリラクタムポリマー、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、ポリ酢酸ビニル（ＰＶＡｃ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、イソブチレンポリマー、アクリル樹脂、およびラテックスからなる群から選択される少なくとも１つを含む、請求項１に記載のコーティング組成物。
【請求項３】
前記高分子結合剤が、ラクタムに由来するホモポリマー、コポリマー、ブロックポリマーまたはブロックコポリマーである、ポリラクタムポリマーを含む、請求項２に記載のコーティング組成物。
【請求項４】
前記高分子結合剤が、式（１）：
TIFF
2025118713000009.tif
40
137
式中、Ｒ
１
、Ｒ
２
、Ｒ
３
、およびＲ
４
はアルキル、または芳香族置換基、およびＲ
５
はアルキル、アリール、または縮合環；および
式中、前記好ましいポリラクタムが、ホモポリマーまたはコポリマーであることができ、コポリマー基Ｘが、ビニル、置換または非置換アルキルビニル、ビニルアルコール、酢酸ビニル、アクリル酸、アクリル酸アルキル、アクリロニトリル、無水マレイン酸、マレイン酸イミド、スチレン、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリビニルバレロラクタム、ポリビニルカプロラクタム（ＰＶＣａｐ）、ポリアミド、またはポリイミドに由来することができ、
式中、ｍは１～１０、好ましくは２～４の整数であり得、ｌとｎの比が０≦ｌ：ｎ≦１０または０≦ｌ：ｎ≦１となる、
で表されるポリラクタムを含む、請求項３に記載のコーティング組成物。
【請求項５】
前記ラクタムに由来するホモポリマーまたはコポリマーが、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリビニルカプロラクタム（ＰＶＣａｐ）、およびポリビニルバレロラクタムからなる群から選択される少なくとも１つである、請求項３に記載のコーティング組成物。
【請求項６】
前記ポリマーコーティングが、式（２）によるポリラクタム；
TIFF
2025118713000010.tif
39
137
式中、Ｒ
１
、Ｒ
２
、Ｒ
３
、およびＲ
４
はアルキルまたは芳香族置換基；
Ｒ
５
は、アルキル、アリール、または縮合環；
ｍは、１～１０、好ましくは２～４の整数、
および式中、ｌとｎの比が０≦ｌ：ｎ≦１０または０≦ｌ：ｎ≦１となり、
およびＸがエポキシドまたはアルキルアミンである、
と触媒を含む、請求項３に記載のコーティング組成物。
【請求項７】
Ｘが、エポキシドで、前記触媒が、アルルキアミンまたはエポキシドを含む、請求項６に記載のコーティング組成物。
【請求項８】
前記高分子結合剤が、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、ポリ酢酸ビニル（ＰＶＡｃ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、イソブチレンポリマー、アクリル樹脂、および／またはラテックスを含む、請求項１に記載のコーティング組成物。
【請求項９】
前記耐熱性粒子が、有機材料または有機材料と無機材料の混合物、前記有機材料が、ポリイミド樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリジビニルベンゼン（ＰＤＶＢ）樹脂、カーボンブラック、およびグラファイトからなる群から選択される少なくとも１つを含む、請求項１に記載のコーティング組成物。
【請求項１０】
前記コーティング組成物中の前記耐熱性粒子と結合剤の比が、５０：５０～９９：１である、請求項９に記載のコーティング組成物。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
関連する出願への相互参照
本出願は、２０１６年７月２２日に出願された米国仮特許出願シリアル番号６２／３６５，７８０の優先権および利益を主張し、参照により本明細書に完全に組み込まれる。
続きを表示（約 3,800 文字）【０００２】
本出願は、電池セパレータまたはセパレータ膜を含む多孔質基材、および／または被覆電池セパレータを含む被覆多孔質基材、および／またはそのようなコーティングもしくは被覆セパレータを含む電池またはセルのための新規のおよび／または改良されたコーティング、および／またはその製造方法および／または使用方法を含む関連する方法に関する。少なくとも特定の態様によれば、本出願は、追加の添加剤、材料または成分を含むかまたは含まない、少なくとも高分子結合剤および耐熱性粒子を含む電池セパレータを含む多孔質基材用の新規のまたは改良されたコーティング、および／または電池セパレータを含む新規のまたは改良された被覆多孔質基材で、前記被覆は、追加の添加剤、材料または成分を含むか、または含まない、少なくとも高分子結合剤および耐熱性粒子を含むものに関する。少なくとも特定の態様によれば、本出願は、電池セパレータを含む多孔質基材用の新規のまたは改良されたコーティング、および電池セパレータを含む新規のおよび／または改良された被覆多孔質基材に、より特に、電池セパレータを含む新規のまたは改良された多孔質基材用コーティングで、少なくとも（ｉ）高分子結合剤、（ｉｉ）耐熱性粒子、および（ｉｉｉ）架橋剤、低温シャットダウン剤、接着剤、および増粘剤からなる群から選択される少なくとも１つの成分を含み、および／または電池セパレータを含む新規のおよび／または改良された被覆多孔質基材で、前記被覆が少なくとも（ｉ）高分子結合剤、（ｉｉ）耐熱性粒子、および（ｉｉｉ）架橋剤、低温シャットダウン剤、接着剤、増粘剤、摩擦低減剤、高温シャットダウン剤からなる群から選択される少なくとも１つの成分を含むものに関する。
【背景技術】
【０００３】
技術的要求が高まるにつれて、セパレータの性能、品質、および製造に対する要求も高まる。リチウム電池におけるセパレータとして使用される膜または多孔質基材の性能特性を改善するためにさまざまな技術が開発されてきた。
【０００４】
ポリマーコーティングおよびセラミック含有ポリマーコーティングの適用は、リチウム電池における微多孔電池セパレータ膜の熱安全性能を改善するための既知の方法である。そのようなコーティングは、高温安定性を促進し、微多孔電池セパレータ膜のセパレータ－カソード界面での酸化を制御し、リチウムイオン充電式（または二次）電池システムなどのさまざまな電池システムにおける微多孔電池セパレータ膜の安全性能を改善するために、微多孔電池セパレータ膜の片面または両面へのコーティングまたは層として適用され得る。参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、米国特許第６，４３２，５８６号は、さまざまなセラミック被覆セパレータを開示している。さらに、その全体が参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願公開第２０１４／００４５０３３号は、安全性、電池サイクル寿命、および高温性能の改善をもたらすことができる、微多孔電池セパレータ膜用のさまざまなセラミック粒子含有ポリマーコーティングを開示する。このようなコーティングは、１つ以上の高分子結合剤、１つ以上の種類の無機セラミック粒子および水性溶媒、非水性溶媒、または水を含み得る。そのようなコーティングは、限定されないが、ディップコーティング、ナイフ、グラビア、カーテン、スプレーなどのさまざまな技術を使用して適用することができる。さらに、さまざまな既知のセラミック粒子含有ポリマーコーティングは、微多孔電池セパレータ膜の片面または両面に、例えば２～６ミクロンの厚さなどさまざまな厚さで適用することができる。
【０００５】
性能基準、安全基準、製造上の要求、および／または環境への関心が高まるにつれて、電池セパレータ用の新規のおよび／または改良されたコーティング組成物の開発が望まれている。
【０００６】
リチウムイオン電池の１つの主要な安全上の問題は熱暴走である。例えば、過充電、過放電、および内部短絡などの悪用条件は、電池製造業者が彼らの電池の使用を意図した温度よりはるかに高い電池温度につながる可能性がある。熱暴走の場合には、例えばアノードとカソードとの間などのセパレータを横切るイオン流の停止などの電池のシャットダウンは、熱暴走を防止するために使用される安全機構である。
【０００７】
リチウムイオン電池のもう１つの安全上の問題は、電極同士が接触したときに起こるショート（ハードまたはソフト）である。電極が互いに直接接触するとハードショートが起こる可能性があり、またアノードから成長する多数（おそらく１００個）または非常に大きなリチウム樹枝状結晶がカソードと接触すると起こる可能性もある。結果は、熱暴走であり得る。アノードから成長する小さいまたは単一の（または５などの少数の）リチウム樹枝状結晶がカソードと接触すると、ソフトショートが発生する可能性がある。ソフトショートは電池のサイクル効率を低下させる可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
リチウムイオン電池におけるセパレータは、機械的特性を維持しながら、上記熱暴走が発生する温度より少なくともわずかに低い温度でシャットダウンする能力を提供する必要がある。例えばユーザーまたは装置がシステムをオフにするのにより長い時間を持てるように、より低い温度でより長い期間にわたってより迅速なシャットダウンが大いに望まれる。
過去のセラミック被覆セパレータは、ハードおよびソフトショートを防止するのに優れているが、セパレータのこの機能を改良することが常に望まれている。例えば、ますます薄いコーティングでこの機能を維持することが望ましい。したがって、過去のコーティング組成物および被覆された電池セパレータの少なくとも性能、安全性、製造などにおける改善の必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
少なくとも選択された態様によれば、本明細書または本明細書によってカバーされる本出願、開示または発明は、以前の問題、必要性もしくは問題に対処し、および／または提供し、または電池セパレータまたはセパレータ膜を含む多孔質基材、および／または被覆電池セパレータを含む被覆多孔質基材、および／またはそのようなコーティングもしくは被覆セパレータを含む電池またはセルのための新規のおよび／または改良されたコーティング、および／またはその製造方法および／または使用方法を含む関連する方法に関する。少なくとも特定の態様によれば、本明細書または本明細書によってカバーされる本出願、開示または発明は、追加の添加剤、材料または成分を含むかまたは含まない、少なくとも高分子結合剤および耐熱性粒子を含む電池セパレータを含む多孔質基材用の新規のまたは改良されたコーティング、および／または電池セパレータを含む新規のまたは改良された被覆多孔質基材で、前記被覆は、追加の添加剤、材料または成分を含むか、または含まない、少なくとも高分子結合剤および耐熱性粒子を含むものに関する。少なくとも特定の態様によれば、本出願は、電池セパレータを含む多孔質基材用の新規のまたは改良されたコーティング、および電池セパレータを含む新規のおよび／または改良された被覆多孔質基材に、より特に、電池セパレータを含む新規のまたは改良された多孔質基材用コーティングで、少なくとも（ｉ）高分子結合剤、（ｉｉ）耐熱性粒子、および（ｉｉｉ）架橋剤、低温シャットダウン剤、接着剤、および増粘剤からなる群から選択される少なくとも１
つの成分を含み、および／または電池セパレータを含む新規のおよび／または改良された被覆多孔質基材で、前記被覆が少なくとも（ｉ）高分子結合剤、（ｉｉ）耐熱性粒子、および（ｉｉｉ）架橋剤、低温シャットダウン剤、接着剤、増粘剤、摩擦低減剤、高温シャットダウン剤からなる群から選択される少なくとも１つの成分を含むものに関する。
【００１０】
一側面において、コーティング組成物、例えば電池セパレータなどの多孔質基材の少なくとも片面に使用するためのコーティング組成物が本明細書に記載されている。コーティングはまた、電池セパレータへのその適用に関して以下でさらに詳細に議論されるその特性がそれを適切なコーティングの選択肢にする他の目的にも適しているかもしれない。コーティング組成物は、（ｉ）高分子結合剤、（ｉｉ）耐熱性粒子、および（ｉｉｉ）（ａ）架橋剤、（ｂ）低温シャットダウン剤、（ｃ）接着剤、（ｄ）増粘剤、（ｅ）摩擦低減剤、および（ｆ）高温シャットダウン剤からなる群から選択される少なくとも１つの追加の成分を含む。いくつかの態様において、結合剤は、唯一の溶媒としての水、水性溶媒、または非水性溶媒をさらに含む。いくつかの態様において、コーティング組成物はまた、界面活性剤、酸化防止剤、充填剤、着色剤、安定化剤、消泡剤、脱泡剤、増粘剤、乳化剤、ｐＨ緩衝剤、乳化剤、界面活性剤、沈降防止剤、レベリング剤、レオロジー調整剤、および湿潤剤からなる群から選択される少なくとも１つを含み得る。
（【００１１】以降は省略されています）

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