(57)【要約】【課題】火災の原因とならないセパレータを提供する。【解決手段】受電式電池のためのイオン伝導性の複合セパレータおよびその製造方法が提供される。セパレータは、陽極側および陰極側とそれらの間を延びる厚みとを有するバルク材と、このバルク材を厚み方向に横切って延びる整列粒子の領域とを備えている。整列粒子は、粒子の鎖として形成さえ得、粒子は、固体電解質材料で形成され得る。イオン伝導性セパレータは、複数の粒子をバルク材内に提供し、バルク材が液相である間にＡＣ電界を粒子およびバルク材に印加することにより形成され得る。これにより、粒子が、バルク材内で少なくとも１つのイオン伝導性の整列粒子領域に整列する。【選択図】図１
2016076474.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電式電池のためのイオン伝導性の複合セパレータであって、
陽極側および陰極側と、上記陽極側および上記陰極側の間を延びる厚みとを有するバルク材と、
上記バルク材の厚みを横切って延びる整列粒子の領域とを備えている
ことを特徴とする複合セパレータ。
【請求項２】
請求項１において、
上記整列粒子は、整列粒子鎖である
ことを特徴とする複合セパレータ。
【請求項３】
請求項１において、
上記整列粒子の領域における粒子の容積分率は、少なくとも８５％である
ことを特徴とする複合セパレータ。
【請求項４】
請求項１において、
上記バルク材の厚みを横切って延びる複数の整列粒子の領域をさらに備えている
ことを特徴とする複合セパレータ。
【請求項５】
請求項１において、
上記整列粒子は、固体電解質の粒子を含んでいる
ことを特徴とする複合セパレータ。
【請求項６】
請求項１において、
上記整列粒子の領域は、実質的に直線状である
ことを特徴とする複合セパレータ。
【請求項７】
請求項１において、
上記複合セパレータにおける粒子の容積分率は、０．１〜２０％である
ことを特徴とする複合セパレータ。
【請求項８】
請求項１において、
上記バルク材は、ポリエチレン・オキシド（ＰＥＯ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリメチル・メタクリレート（ＰＭＭＡ）、またはポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を含んでいる
ことを特徴とする複合セパレータ。
【請求項９】
請求項１において、
上記整列粒子は、ＬＬＺＯ、ＬｉＰＯＮ、ＬＩＳＩＣＯＮ、チオＬＩＳＩＣＯＮ、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ−Ａｌ−Ｇｅ−ＰＯ４、Ｌｉ−Ｔｉ−Ａｌ−ＰＯ４、Ｌｉ−Ｖ−Ｓｉ−Ｏ、ＬｉＢＳｉＯ、ＬｉＢＯＮ、リチウムランタンチタネート、またはＮＡＳＩＣＯＮを含んでいる
ことを特徴とする複合セパレータ。
【請求項１０】
請求項１において、
上記整列粒子は、誘電体を含んでいる
ことを特徴とする複合セパレータ。
【請求項１１】
請求項１において、
上記整列粒子の領域は、粒子１〜５つ分の幅を有している
ことを特徴とする複合セパレータ。
【請求項１２】
陽極および陰極と、
上記陽極と上記陰極との間に配置されたイオン伝導性のセパレータとを備え、
上記セパレータは、
上記セパレータの陽極側から陰極側へ延びる厚みを有するバルク材と、
上記バルク材の厚みを横切って延びる整列粒子の領域とを有している
ことを特徴とする充電式電池。
【請求項１３】
充電式電池のためのイオン伝導性の複合セパレータの製造方法であって、
バルクセパレータ材料内に複数の粒子を提供するステップと、
上記バルクセパレータ材料内で少なくとも１つのイオン伝導性の整列粒子の領域に上記粒子を整列させるために、上記バルクセパレータ材料が液相である間に、上記粒子および上記バルクセパレータ材料にＡＣ電界を印加するステップとを含んでいる
ことを特徴とする複合セパレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改善されたイオン伝導率のために整列された粒子を有するセパレータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
充電式の電池（例えば、リチウムイオン電池）は、一般にセパレータを備えている。このセパレータは、イオン伝導を許容する一方、電極同士を機械的および電気的に分離する。ある一般的なセパレータは、液体電解質に浸された多孔質ポリマーフィルムである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、多くの電池（例えば、リチウムイオン電池）のための一般的な液体電解質は、可燃性であるかも知れず、そして深刻な事故において火災の一因となり得る。もしもリチウムイオン電池の過充電が生じたら、リチウムデンドライトが負極で成長して多孔質膜を貫通し、内部短絡を起こすかも知れない。もしも２つの電極が電気的に接触したら、電池はその短絡を通じて自己放電を始め得、それにより熱暴走が生じるかも知れない。そして、熱暴走は火災の原因となる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
少なくとも１つの実施形態では、充電式の電池のためのイオン伝導性複合セパレータが提供される。このイオン伝導性複合セパレータは、陽極側および陰極側とそれらの間を延びる厚みとを有するバルク材と、このバルク材を厚み方向に横切って延びる整列粒子の領域とを備えている。整列粒子は、整列粒子鎖であってもよい。
【０００５】
ある実施形態では、整列粒子の領域における粒子の容積分率は、少なくとも８５％であり得る。別の実施形態では、セパレータにおける粒子の容積分率は、０．１〜２０％であり得る。セパレータは、バルク材の厚みを横切るように延びる複数の整列粒子の領域を備えていてもよい。整列粒子は、固体電解質の粒子を含んでいてもよい。ある実施形態では、整列粒子の領域は、実質的に直線状であってもよい。
【０００６】
バルク材は、ポリエチレン・オキシド（ＰＥＯ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリメチル・メタクリレート（ＰＭＭＡ）、またはポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を含んでいてもよい。整列粒子は、ＬＬＺＯ、ＬｉＰＯＮ、ＬＩＳＩＣＯＮ、チオＬＩＳＩＣＯＮ、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ−Ａｌ−Ｇｅ−ＰＯ４、Ｌｉ−Ｔｉ−Ａｌ−ＰＯ４、Ｌｉ−Ｖ−Ｓｉ−Ｏ、ＬｉＢＳｉＯ、ＬｉＢＯＮ、リチウムランタンチタネート、またはＮＡＳＩＣＯＮを含んでいてもよい。ある実施形態では、整列粒子は、誘電体を含んでいる。整列粒子の領域は、１〜５粒子の幅を有していてもよい。
【０００７】
少なくとも１つの実施形態では、充電式の電池は、陽極と、陰極と、陽極および陰極の間に配置されたイオン伝導性のセパレータとを備えている。セパレータは、セパレータの陽極側から陰極側へ延びる厚みを有するバルク材と、このバルク材の厚みを横切るように延びる整列粒子の領域とを有している。
【０００８】
ある実施形態では、整列粒子は、整列粒子鎖である。整列粒子の領域における粒子の容積分率は、少なくとも８５％であり得る。セパレータは、バルク材の厚みを横切って延びる複数の整列粒子の領域を有していてもよい。ある実施形態では、セパレータにおける粒子の容積分率は、０．１〜２０％である。
【０００９】
少なくとも１つの実施形態では、充電式の電池のためのイオン伝導性複合セパレータを形成する方法が提供される。この方法は、バルクセパレータ材料内に複数の粒子を提供することと、バルクセパレータ材料が液相である間に、バルクセパレータ材料において少なくとも１つのイオン伝導性整列粒子領域へと粒子を整列させるために、粒子およびバルクセパレータ材料に交流電界を印加することとを含んでいる。
【００１０】
ある実施形態では、交流電界は、１００〜２，０００Ｖ／ｍｍの強度および１０Ｈｚ〜１０ｋＨｚの周波数を有している。電界は、１秒〜１時間にわたって印加され得る。方法は、電界を印加するステップの前にバルク材が液相になるように、バルク材を加熱することを含んでいてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、実施形態に係る整列粒子を有する複合セパレータの概略断面図である。
【図２】図２は、実施形態に係る粒子整列プロセスの概略図である。
【図３】図３は、実施形態に係る複合セパレータの形成および整列プロセスの概略図である。
【図４】図４は、実施形態に係る再溶融整列プロセスの概略図である。
【図５Ａ】図５Ａは、外部電界なしで形成されたＢａＴｉＯ３粒子を含むエポキシフィルムの断面のＳＥＭ画像である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、外部電界ありで形成されたＢａＴｉＯ３粒子を含むエポキシフィルムの断面のＳＥＭ画像である。
【図６Ａ】図６Ａは、外部電界なしで形成されたＬＬＺＯ粒子を含むエポキシフィルムの断面のＳＥＭ画像である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、外部電界ありで形成されたＬＬＺＯ粒子を含むエポキシフィルムの断面のＳＥＭ画像である。
【図７】図７は、均一に分散された粒子を有するセパレータと、開示される整列粒子を有するセパレータとのイオン伝導率の計算値を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
要求に応じて、以下に本発明の詳細な実施形態を開示する。しかしながら、開示される実施形態は、種々のおよび代替的な形態で具体化され得る本発明の単なる例示である。図面は必ずしも正しい縮尺ではなく、いくつかの特徴は、特定の構成要素の詳細を示すために強調されるかあるいは小さく見せられている。したがって、以下で開示される構造的あるいは機能的な細部は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明をさまざまな用途に適用することを当業者に教えるための代表的な基本原理として単に解釈されるべきである。
【００１３】
従来の多孔質ポリマーセパレータに影響を与えることが知られている問題に対処するために、代替的なセパレータの材料、および／または、構成が有益であり得る。固体電解質（ＳＥ）の高濃度なシートから形成されたセパレータは、潜在的に可燃性の問題およびデンドライト形成の問題の両方に対処し得る。しかしながら、高濃度のＳＥシートは、一般に、フレキシブルなセパレータを必要とする現在の製造技術では使用できない。非多孔質のイオン伝導性を有する高分子膜は、潜在的に魅力的な別の解決策かもしれないが、現行のポリマーは何らかの用途（例えば、自動車用途）において有用なほど十分な伝導性を有していない。ポリマーと無作為に分散されたＳＥ粒子との複合は、両選択肢のいくつかの有利な点を結合するかもしれない。しかしながら、高い固体配合では、膜は伝導性が高くかつもろく、一方、低い配合では、膜は低い伝導性を有するがフレキシブルである。したがって、中程度の配合で高レベルの性能を提供するためにＳＥ粒子をより効果的に使用できる代替的なアプローチが、従来のセパレータの既知の問題および潜在的な選択肢の欠点に対処できるだろう。
【００１４】
図１には、負極（陽極）１２、正極（陰極）１４、および複合セパレータ１６を備えた充電式の電池１０（例えば、リチウムイオン電池）の概略断面図が示されている。セパレータ１６の大部分は、複数の粒子１８である。粒子１８は、例えばセパレータ１６の厚みを横切って（例えば、陽極側から陰極側へ）延びる糸または鎖２０のような、１つ以上の整列したグループに配置されていてもよい。糸または鎖２０は連続していてもよいが、しかしながら、それらはまたいくらかの間隙または切れ目を有していてもよい。鎖２０は、直線状または実質的に直線状であってもよく、セパレータ１６の厚みを横切る直線を形成していてもよい。ある実施形態では、鎖２０は直線状でなくてもよいが、高い伝導経路を形成するためにセパレータの厚みを横切るように延びている。ある実施形態では、鎖２０は、厚み方向に対して平行に（すなわち、陽極および陰極に対して垂直に）向けられている。鎖は、１つの粒子あるいは数個の粒子（例えば、５つまたは１０個の粒子まで）の厚みを有していてもよい。図１に示すように、鎖２０は、互いに接触する粒子１８により形成されているか、あるいは、粒子は密に近接しているが物理的に接触していない。ある実施形態では、鎖２０は、セパレータ１６の厚み全体を横切るように連続して延びていてもよい。別の実施形態では、鎖２０は、セパレータ１６の厚み全体を横切るように実質的に連続して延び、鎖２０内に小さな間隙があってもよい。鎖２０は、また、セパレータ１６の厚みの大部分を横切るように、または少なくとも厚みの一定の割合にわたって延びていてもよい。例えば、鎖２０は、セパレータ１６の厚みの少なくとも５０，６０，７０，８０，９０，または９５％を横切るように延びていてもよい。
【００１５】
図１では粒子１８が断面図において円形に示されているが、粒子１８はどのような形状を有していてもよい。例えば、粒子１８は、球状、板状、円板状、尖った、円筒状、でこぼこ、薄片状、立方体、とがった、針状、ラス状、または他の既知の粒子形状であってもよい。図１では鎖２０は１つの粒子１８分の幅を有するように示されているが、しかしながら、鎖２０は、１つの粒子分の幅よりも広くてもよく、例えば、３つ、５つ、または１０個の粒子分の幅を有していてもよい。粒子１８は、任意の適当な大きさまたは径を有していてもよく、例えば、３ｎｍ〜１００μｍ、または例えば５０ｎｍ〜５０μｍや５００ｎｍ〜３０μｍのような任意の下位の範囲が考えられる。最大粒子の大きさは、セパレータの厚みによって制限され得る。ある実施形態では、粒子１８は、セパレータ１６の厚みの半分にあたる最大粒子サイズ／径を有していてもよい。粒子１８の大きさは、例えば界面抵抗、機械的強度、およびイオン伝導性のような因子に基づいて選択されまたは調整されてもよい。粒子がイオン伝導性を有していない場合、粒子の大きさは、最終的な複合セパレータ１６の機械的またはイオン伝導性の特性を含む因子に基づいていてもよい。
【００１６】
ある実施形態では、鎖２０は、５ｎｍ〜３００μｍの幅、あるいは任意の下位の範囲の幅を有していてもよい。例えば、鎖２０は、５ｎｍ〜２００μｍ、５ｍ〜１００μｍ、５０ｎｍ〜１００μｍ、１００ｎｍ〜１００μｍ、１００ｎｍ〜５０μｍ、１００ｎｍ〜３０μｍ、１００ｎｍ〜１０μｍ、または１００ｎｍ〜１μｍの幅を有していてもよい。鎖２０は、セパレータ１６の厚み全体を横切るように延びていてもよく、当該厚みは５〜１００μｍ、または任意の下位の範囲である。例えば、セパレータ１６は、５〜３０μｍ、５〜２５μｍ、５〜２０μｍ、５〜１５μｍ、または５〜１０μｍの厚みを有していてもよい。
【００１７】
セパレータ１６は、電池に要求される十分なイオン伝導性を提供するのであれば、任意の量の粒子１８を有していてもよい。粒子１８を整列させることは、粒子を無作為に分散させた場合に比べて、一定のレベルのイオン伝導性を獲得するために必要とされる粒子１８の数を減らす。したがって、複合セパレータ１６における粒子１８の容積分率は、イオン伝導性を増大させつつセパレータ１６の良好な柔軟性を維持するために減らされ得る。ある実施形態では、セパレータ１６は、粒子１８を容積で０．１〜４０％、または任意の下位の範囲だけ含んでいてもよい。別の実施形態では、セパレータ１６は、粒子１８を容積で０．１〜２０％含んでいる。別の実施形態では、セパレータ１６は、粒子１８を容積で０．１〜１５％含んでいる。別の実施形態では、セパレータ１６は、粒子１８を容積で０．１〜１０％含んでいる。別の実施形態では、セパレータ１６は、粒子１８を容積で０．１〜５％含んでいる。粒子１８の容積比率は、例えば粒子の形状、粒子の大きさ、粒子のイオン伝導性、または粒子、および／または、複合セパレータの他の特性に基づいて調節され得る。
【００１８】
少なくとも１つの実施形態では、粒子１８は、固体電解質（ＳＥ）粒子（高速イオン伝導体として知られている）を含んでいる。これらの粒子は、電気的に絶縁されているかもしれないが、イオン伝導性を有している。非限定的な例の固体電解質材料は、リチウムランタンジルコニウム酸化物（ＬＬＺＯ、例えばＬｉ７Ｌａ３Ｚｒ２Ｏ１２）、リン酸リチウムオキシナイトライド（ＬｉＰＯＮ、例えばＬｉ３．３ＰＯ３．８Ｎ０．２４〜Ｌｉ３．６ＰＯ３．３Ｎ０．６９）、ＬＩＳＩＣＯＮまたはチオＬＩＳＩＣＯＮ（リチウム超イオン伝導体、例えばＬｉ３．２５Ｇｅ０．２５Ｐ０．７５Ｓ４）、ＬＩ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ−Ａｌ−Ｇｅ−ＰＯ４、Ｌｉ−Ｔｉ−Ａｌ−ＰＯ４、Ｌｉ−Ｖ−Ｓｉ−Ｏ、ＬｉＢＳｉＯ、ＬｉＢＯＮ、チタン酸リチウムランタン、およびＮＡＳＩＣＯＮを含んでいる。
【００１９】
粒子１８は、また、イオン伝導性をほとんどあるいは全く有しない誘電体またはセラミックの粒子を含んでいてもよい。非限定的な例のそのような粒子は、チタン酸バリウム（例えば、ＢａＴｉＯ３）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）、セリア（ＣｅＯ２）、および酸化チタン（ＴｉＯ２）を含み得る。高表面積のセラミック粒子は、それ自体がイオン伝導性を有していなくても、それを取り囲むポリマーのイオン伝導率を高めることが知られている。何らかの特定の理論に支えられることなく、この効果は、粒子の表面近くのポリマー鎖がより大きい自由体積を有していて、そのためにより高いイオン拡散係数をもたらすという表面の相互作用によるものと信じられている。これらの粒子を鎖２０に整列させることは、これらのより大きい自由体積の領域をセパレータ１６に広がる鎖に接続または整列させることにより、複合セパレータ１６のイオン伝導率をさらに高め得る。
【００２０】
粒子１８は、また、異方性の誘電性の特性、および／または、形状を有する粒子を含んでいてもよい。異方性の形状を有する粒子１８は、尖った形状の粒子またはプレートを含んでいてもよい。粒子１８の長軸は、鎖２０を形成するために互いに整列し得る。代わりに、ある実施形態では、長軸は、粒子が先端同士でつながるよりむしろ隣り合って並ぶように、鎖２０の方向に対して垂直に整列し得る。
【００２１】
複合セパレータ１６は、セパレータ１６の大部分を形成しかつ粒子１８の鎖２０を取り囲みまたは包むバルクまたはマトリックス材２２を有している。バルク材２２はポリマーであってもよく、このポリマーはイオン伝導体であってもなくてもよい。非限定的な例の適当なイオン伝導性ポリマーは、ポリエチレン・オキシド（ＰＥＯ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリメチル・メタクリレート（ＰＭＭＡ）、およびポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を含んでいる。非限定的な例の適当な非イオン伝導性ポリマーは、エポキシ、ポリプロピレン（ＰＰ）、およびポリエチレン（ＰＥ）を含んでいる。
【００２２】
少なくとも１つの実施形態では、粒子１８は、１つ以上のイオン伝導性整列粒子領域２４内に整列されていてもよい。整列粒子領域は、複合セパレータ１６のマトリックス材２２の厚みを陽極側から陰極側へ横切って延びる三次元領域であってもよい。領域２４は、上述した粒子鎖２０を包みまたは取り囲んでいてもよい。例えば、領域２４は、円柱状または角柱状のような規定された形状であってもよく、あるいはでこぼこであってもよい。領域２４は、各々が鎖２０を取り囲んでいてもよい。各領域２４は、セパレータの厚み全体を横切って（例えば、陽極側から陰極側へ）延びていてもよい。領域２４は、鎖２０の最も幅広な部分の幅と同じ幅または径を有していてもよく、または領域２４は、鎖２０の長さ方向に沿ってこの鎖と同じ幅を有するものとして規定されていてもよい（例えば、領域２４の幅は、鎖の長さ方向に沿って鎖の幅と一致する）。整列粒子領域は、マトリックス材２２に比べて、粒子１８の高い容積分率を有していてもよい。ある実施形態では、領域２４における粒子１８の容積分率は少なくとも７５％である。別の実施形態では、領域２４における粒子１８の容積分率は少なくとも８０％である。別の実施形態では、領域２４における粒子１８の容積分率は少なくとも８５％である。別の実施形態では、領域２４における粒子１８の容積分率は少なくとも９０％である。別の実施形態では、領域２４における粒子１８の容積分率は少なくとも９５％である。
【００２３】
粒子１８は、任意の適当な方法を用いて、マトリックス材２２において鎖２０へと整列されてもよい。少なくとも１つの実施形態では、粒子１８は、図２に示すように、誘電泳動配向により鎖２０へと整列される。誘電泳動配向は、マトリックス材２２（例えば、ポリマー）が液相である間に、電源２８を用いて複合セパレータ１６の表面に垂直な電界２６を印加することを含んでいてもよい。ある実施形態では、電界２６は、交流電界（ＡＣ電界）である。しかしながら、ＤＣ電界を用いることも可能である。ＡＣ電界２６は、粒子１８に、電界の方向に沿った双極子の整列と、局所的な電界が隣接する粒子により強められた領域へのセパレータ１６の平面（例えば、陽極および陰極面に平行な平面）における流動とを一般に促進する振動双極子モーメント、電気力およびトルクを生じさせる。この作用により、粒子１８は、図１および図２に示すように、セパレータ１６の厚みの少なくとも一部に広がる鎖２０へと自己組織化し得る。ひとたび粒子１８に鎖を形成するために十分な時間が与えられれば、マトリックス材２２は固化することを許され、それにより鎖２０を所定位置に固定する。
【００２４】
誘電泳動配向は、粒子１８とマトリックス材２２の材質において比誘電率の違いがあるという条件下で、マトリックス材２２における任意のタイプの粒子１８の整列に用いられ得る。ＡＣ電界により粒子１８に適用される力は、粒子１８およびマトリックス材２２の特性により異なり得る。例えば、力の強さは、粒子１８およびマトリックス材２２の電気的特性、粒子の形状や大きさ、および電界の強度、および／または、周波数に依存し得る。マトリックス材２２における粒子１８の鎖２０への整列は、上述したように、例えば粒子１８およびマトリックス材２２の分極率、粒子１８の大きさ、および／または、形状、および液相のマトリックス材２２の粘性のような特性により影響を受け得る。
【００２５】
電界２６は、粒子１８に力を適用しかつそれらの整列を促進するための任意の適当な周波数を有するＡＣ電界であってもよい。少なくとも１つの実施形態では、ＡＣ電界の周波数は、１０Ｈｚ〜１０，０００Ｈｚ（１０ｋＨｚ）、またはその任意の下位の範囲である。例えば、ＡＣ電界２６は、１００〜８，０００Ｈｚ、５００〜７，０００Ｈｚ、１，０００〜６，０００Ｈｚ、または３，０００〜５，０００Ｈｚの周波数を有していてもよい。ある粒子マトリックス材システムでは、使用される周波数は、鎖２０内における粒子１８の向きに影響を与える。例えば、一定の周波数帯域を超えると、長軸を有する粒子１８（例えば、尖ったまたはプレート状の粒子）は、それらの長軸が電界の方向に対して平行になるよりむしろ垂直になるように鎖２０を形成し得る。したがって、ＡＣ電界２６の周波数は、鎖２０における粒子１８の向きを調節するために制御され得る。ＡＣ電界２６の周波数は、誘電泳動配向の間を通して一定であってもよいし、または粒子１８の整列、および／または、向きを制御するために配向の間に調節されてもよい（例えば、動的に調節されてもよい）。
【００２６】
電界２６は、粒子１８に力を適用してそれらの整列を促進するための任意の適当な強度を有していてもよい。少なくとも１つの実施形態では、電界２６の強度は、１００Ｖ／ｍｍ〜２，０００Ｖ／ｍｍ、またはその任意の下位の範囲である。例えば、電界２６は、２００〜１，５００Ｖ／ｍｍ、２５０〜１，２００Ｖ／ｍｍ、３００〜１，０００Ｖ／ｍｍ、３５０〜７５０Ｖ／ｍｍ、または４００〜６００Ｖ／ｍｍの強度を有していてもよい。電界２６の強度は、誘電泳動配向の間を通して一定であってもよいし、または鎖２０の整列を制御するために配向の間に調節されてもよい（例えば、動的に調節されてもよい）。電界２６は、粒子１８の鎖２０への整列を促進するために、任意の適当な時間長にわたって粒子１８および液相のマトリックス材２２に印加されてもよい。少なくとも１つの実施形態では、電界２６は、１秒〜３時間、またはその任意の下位の範囲にわたって印加される。例えば、電界は、１秒〜１時間、１秒〜３０分、１秒〜１５分、１秒〜５分、１秒〜１分、１〜４５秒、５〜４５秒、５〜３０秒、または１０〜３０秒にわたって印加されてもよい。一般に、粒子１８は、電界２６が長く印加されるほどより整列するだろう。したがって、電界の強度または周波数から独立して、誘電泳動配向の時間を増やすことは、粒子１８の鎖２０へのより揃った整列（例えば、粒子の長軸からの横方向へのずれがより少ない整列）を許容し得る。しかしながら、より長い配向時間は、また、粒子の凝集の可能性を増やし得る。
【００２７】
マトリックス材２２における粒子１８の整列は、マトリックス材２２が液相である間に実現され得る。非限定的な例の液相のマトリックス材２２は、ポリマー溶融物、除去可能な溶媒を含む溶液、および液体の反応性の混合物（例えば、エポキシ）を含んでいる。ある実施形態では、セパレータ１６の粒子１８は、図３に示すように、セパレータが形成されるときに整列させられ得る。粒子１８は、マトリックス材が液相である間に、マトリックス材２２に混ぜられまたは追加され得る。粒子１８は、まず、無作為に分散されるか、またはいかなる所定の整列もなく分散される。マトリックス材がまだ液相である間に、鎖２０およびイオン伝導性の整列粒子領域２４を形成するために、例えば誘電泳動配向のような配向プロセスが実行され得る。
【００２８】
図３を参照すると、実施形態に係る、セパレータの初期成形の間に粒子１８を整列させるための配向システム１００が示されている。容器１０２は、その内部に粒子１８およびマトリックス材２２を有するポリマー溶融物１０４を保持していてもよい。容器１０２は、動いているコンベヤ１０６上に溶融物１０４を注ぐ。コンベヤ１０６は、セパレータ１６（図示せず）のためのスプレッダを有していてもよい。電源１０８は、コンベヤ１０６と電極１１０との間に電界を作り出すために、コンベヤ１０６および電極１１０に接続されていてもよい。図３では、電極１１０は、コンベヤ１０６の上方に配置されているが、しかしながら、溶融物１０４に電界を提供するために任意の適当な構成が使用され得る。溶融物１０４が電界を通り抜けるとき、上述したように、粒子１８は、誘電泳動配向によって鎖２０へと整列し得る。
【００２９】
ヒータ１１２は、溶融物１０４が液相状態にとどまりかつ粒子１８の整列の完了の前に固化しないことを確実にするために、システム１００に含まれていてもよい。ヒータ１１２は、マトリックス材２２の温度を上昇させるための任意の適当な装置であってもよい。非限定的な例では、熱風加熱器、赤外線エネルギー、マイクロ波エネルギー等を含み得る。溶融物１０４をその融点まで冷却するのを手助けするために、冷却プレート１１４が、配置されかつ溶融物を固化させて粒子１８をその整列した構成で固定するために溶融物１０４を冷却するように構成されていてもよい。冷却プレート以外の冷却方法、例えば冷却空気、冷却ドラム等も使用され得る。電極１１０は、マトリックス材が固化するまで電界が維持されるように、冷却領域まで延びていてもよい。冷却領域まで電極を延ばすことにより、マトリックス材２２が固化するときに粒子１８が非整列状態になるのが防止される。マトリックス材２２が固化した後、新しく形成されかつ整列されたセパレータ１１６がコンベヤ１０６から取り出され得る。整列したセパレータ１１６は、後の使用のために巻上ロール１１８に巻かれるか、または直ちにさらに加工される（例えば、所定の大きさに切られる）。
【００３０】
粒子１８の整列の度合いは、電界の強度、および／または、周波数により（上述したように）、および／または、マトリックス材２２が液相である間に電界にさらされた時間の長さにより制御され得る。電界にさらすために費やされる時間の長さは、コンベヤ１０６の速度、および／または、コンベヤ１０６または電極１１０の長さを調節することにより制御され得る。もしもより長い電界にさらすための時間が要求されるなら、コンベヤの速度が遅くされ、および／または、コンベヤ１０６または電極１１０の長さが増大される。もしもより短い電界にさらすための時間が要求されるなら、そのときは上記と逆の調節がなされ得る（例えば、コンベヤの速度がより速くなるか、またはコンベヤあるいは電極がより小さくなる）。上述したように、粒子の整列は、セパレータが液相である間に実施される。ポリマー溶融物に加えて、図３に示して述べるように、他の非限定的な例の液相材料は、また、除去可能な溶媒を含む溶液、または反応性の混合物を含んでいてもよい。当業者であれば、図３のシステム１００が、他の液相材料のマトリックス材において粒子１８が整列するように変更され得ることを認識するだろう。
【００３１】
別の実施形態では、図４に示す例のように、セパレータ１６は配向プロセスの前に形成れて固化されていて、配向のために液相に戻されてもよい。粒子１８は、まず、マトリックス材２２に無作為に分散されるか、またはいかなる所定の整列もなく分散される。その後、マトリックス材２２の一部または全部が、液相、例えば溶融物に戻される。電極は、上述したように、誘電泳動配向により粒子１８を鎖２０へと整列させるために、液相のマトリックス材２２の領域に電界を作り出すように構成されていてもよい。ひとたび所定量の整列が生じれば、マトリックス材２２は固化することを許容され、それにより粒子１８をそれらの整列した構成に固定する。マトリックス材２２は、例えば、冷却プレート、冷却空気、もしくは他の方法を用いて積極的に冷却されてもよく、または、周囲条件下でその融点まで受動的に冷却されてもよい。
【００３２】
図４を参照すると、実施形態に係る、再溶融または再処理システム２００が示されている。供給ロール２０２は、マトリックス材内に分散された粒子１８を有する非整列のセパレータ２０４が詰め込まれている。粒子１８は、無作為に分散されているかまたは所定の態様で整列されていない。非整列のセパレータ２０４は、回転ドラム２０６上に展開される。例えば加熱プレートのようなヒータ２０８は、配置されかつセパレータ２０４のマトリックス材２２の少なくとも一部が溶けるようセパレータ２０４を加熱するように構成されていてもよい。電源２１０は、ドラム２０６と電極２１２との間に電界を作り出すために、ドラム２０６および電極２１２に接続されていてもよい。ある実施形態では、電極は、ドラム２０６の外面形状に追随する形状を有しており、そのため電界はセパレータの表面に対して垂直となる（例えば、厚み方向に平行となる）。マトリックス材２２の溶けた部分が電界を通り抜けるとき、粒子１８は、上述したように、誘電泳動配向により鎖２０へと整列し得る。
【００３３】
整列の度合いは、電界の強度、および／または、周波数により（上述したように）、および／または、マトリックス材２２が液相である間に電界にさらされた時間の長さにより制御され得る。電界にさらすために費やされる時間の長さは、ドラム２０６の回転速度、および／または、ドラム２０６または電極２１２の大きさや径を調節することにより制御され得る。もしもより長い電界にさらすための時間が要求されるなら、ドラムの速度が遅くされ、および／または、ドラム２０６のサイズまたは電極２１２のサイズが大きくされる。もしもより短い電界にさらすための時間が要求されるなら、そのときは上記と逆の調節がなされ得る（例えば、ドラムの速度がより速くなるか、またはドラムあるいは電極がより小さくなる）。液相のマトリックス材をその融点まで冷却するのを手助けするために、冷却プレート２１４が、配置されかつセパレータを固化させて粒子１８をその整列した構成で固定するためにセパレータ２０４を冷却するように構成されていてもよい。冷却プレート以外の冷却方法、例えば冷却空気、冷却ドラム等も使用され得る。電極２１２は、マトリックス材が固化するまで電界が維持されるように冷却領域まで延びていてもよい。冷却領域まで電極を延ばすことにより、マトリックス材２２が固化するときに粒子１８が非整列状態になるのが防止される。マトリックス材２２が固化した後、整列したセパレータ２１６は、ドラム２０６から、例えばピーリングにより、取り出されてもよい。整列したセパレータは、後の使用のために巻上ロール２１８に巻かれるか、または直ちにさらに加工される（例えば、所定の大きさに切られる）。
【００３４】
図４が円筒状のドラム２０６を使用するシステム２００を示している一方、他の構成が利用されてもよい。例えば、非整列のセパレータ２０４は、平坦な輸送システム（例えば、コンベヤベルト）上に展開されまたは配置されて、ヒータ２０８および電界を通るように動かされてもよい。ヒータ２０８は、マトリックス材２２の温度を上昇させるための任意の適当な装置であってもよい。非限定的な例では、熱風加熱器、赤外線エネルギー、マイクロ波エネルギー等を含み得る。加えて、マトリックス材２２は、冷却に加えてまたは冷却の代わりの方法を用いて固化されてもよい。例えば、ポリマー溶融物は、紫外線ライトにさらすことにより、または硬化剤（例えば、触媒）を加えることにより硬化されてもよい。電界は、冷却プレートに関して上述したことと似たように、これらの代替的な固化プロセスの間にわたって維持されてもよい。
【実施例】
【００３５】
図５Ａおよび図５Ｂを参照すると、サンプルの複合セパレータが、誘電泳動配向を伴わずに処理したものと伴って処理したものとについてそれぞれ示されている。両セパレータは、エポキシの未硬化フィルムに分散されたチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）粒子を伴って処理された。図５Ａのセパレータは、外部電界を印加することなく、温度を室温から８０℃まで連続的に上昇させることにより硬化された。図５Ｂのセパレータは、同様の態様で硬化されたが、５００Ｖ／ｍｍのＡＣ電界が４，０００Ｈｚの周波数で硬化が完了するまで印加された。サンプルは、その後、走査型電子顕微鏡を使用して断面図を生成するために割られた。図５Ａに示すように、外部電界の印加なしで硬化されたサンプルは、ＢａＴｉＯ３の無作為な分散を有していて、粒子の整列はない。対照的に、図５Ｂに示すように、電界中で硬化されたサンプルは、セパレータの断面を横切る複数のＢａＴｉＯ３粒子の鎖を有している。粒子は、約粒子１つ分の幅の鎖に整列していて、セパレータの厚み全体を横切るように延びている。
【００３６】
図６Ａおよび図６Ｂを参照すると、サンプルの複合セパレータが、誘電泳動配向を伴わずに処理したものと伴って処理したものとについてそれぞれ示されている。両セパレータは、エポキシの未硬化フィルムに分散されたリチウムランタンジルコニウム酸化物（ＬＬＺＯ）の固体電解質粒子を伴って処理された。図６Ａのセパレータは、外部電界を印加することなく、温度を室温から８０℃まで連続的に上昇させることにより硬化された。図６Ｂのセパレータは、同様の態様で硬化されたが、５００Ｖ／ｍｍのＡＣ電界が４，０００Ｈｚの周波数で硬化が完了するまで印加された。サンプルは、その後、走査型電子顕微鏡を使用して断面図を生成するために割られた。図６Ａに示すように、外部電界の印加なしで硬化されたサンプル中のＬＬＺＯ粒子は、セパレータの片側に局所化していて、いかなる整列した鎖も形成していない。対照的に、図６Ｂに示すように、電界中で硬化されたサンプルは、セパレータの断面を横切る複数のＬＬＺＯ粒子の鎖を有している。粒子は、約粒子１つ分の幅の鎖に整列していて、セパレータの厚み全体を横切るように延びている。
【００３７】
図７を参照すると、均一に分散された粒子を有するセパレータと、整列粒子を有するセパレータとのイオン伝導率の計算値のグラフが示されている。均一に分散された粒子を有するセパレータのイオン伝導率の値は、次のマクスウェル方程式を用いて計算した。
【００３８】
【数１】
2016076474.tif 000003
ここで、σ，σmおよびσdは、それぞれ複合セパレータ、マトリックス材、粒子のイオン電気伝導率であり、φは、粒子の容積分率である。
【００３９】
整列粒子を伴うセパレータのために、整列粒子の鎖は、個々の粒子としてではなく固体の柱として近似した。イオン伝導率の値は、次の方程式を用いて計算した。
【００４０】
【数２】
2016076474.tif 000004
ここで、σ，σｍおよびσｄは、上記と同様であり、ｆは、粒子の容積分率である。
【００４１】
図７のグラフを作るための計算は、ＬＬＺＯを粒子材料として、またＰＥＯをバルクマトリックス材として用いて実施した。ＬＬＺＯは、４×１０−４Ｓ／ｃｍのイオン伝導率を有しており、ＰＥＯは、１×１０−８Ｓ／ｃｍのイオン伝導率を有している。図７に示すように、整列粒子を伴う複合セパレータのイオン伝導率は、所与の粒子容積分率において、均一に分散された粒子を伴うセパレータに比べて数桁高い値を示している。この大きく増大された粒子容積当たりのイオン伝導率は、セパレータにおいて粒子の数を減らすことを許容し、それによりセパレータの所望の機械的特性、例えば柔軟性を維持することを許容する。
【００４２】
代表的な実施形態を上述したが、これらの実施形態が本発明の全ての可能な形態を記載している訳ではない。むしろ、明細書において使用される単語は、制限的なものではなく、そして、さまざまな変形例が本発明の技術的範囲から外れることなく作られ得ることを理解されたい。加えて、さまざまな実施形態の特徴が、本発明の別の実施形態を構成するために組み合わせられ得る。
【符号の説明】
【００４３】
１０      電池
１６      複合セパレータ
１８      粒子
２０      鎖
２２      マトリックス材（バルク材）
２４      整列粒子領域（整列粒子の領域）
【図１】
2016076474.tif 000005
【図２】
2016076474.tif 000006
【図３】
2016076474.tif 000007
【図４】
2016076474.tif 000008
【図５Ａ】
2016076474.tif 000009
【図５Ｂ】
2016076474.tif 000010
【図６Ａ】
2016076474.tif 000011
【図６Ｂ】
2016076474.tif 000012
【図７】
2016076474.tif 000013