Lámina de membrana monocapa para baterías con función de desconexión.

Lámina separadora orientada biaxialmente, monocapa y microporosa con función de desconexión para baterías o acumuladores de homopolímero de propileno y copolímero en bloque de propileno I y agente de nucleación ß,

caracterizada porque la capa contiene de 50 a 90% en peso de homopolímero de propileno, de 10 a 50% en peso de copolímero en bloque de propileno I y de 50 ppm a 5% en peso de agente de nucleación ß, siendo el contenido en comonómero de etileno del copolímero en bloque de propileno I de entre un 10 y un 25% y comenzando la zona de fusión del copolímero en bloque de propileno I a una temperatura en la gama de 50 a 120ºC.

La presente invención se refiere a una lámina microporosa y a su utilización como separador en baterías.

Los aparatos modernos precisan de una fuente de energía, como baterías o acumuladores, que permiten una utilización independiente del lugar. Las baterías tienen el inconveniente de que luego hay que deshacerse de ellas ecológicamente. Por ello se utilizan cada vez más acumuladores (baterías secundarias) , que pueden cargarse una y otra vez desde la red con ayuda de cargadores. Los acumuladores de níquel-cadmio (acumuladores NiCd) pueden por ejemplo alcanzar unos 1000 ciclos de carga si su utilización es adecuada.

Las baterías y acumuladores están compuestos siempre por dos electrodos, que se sumergen en una solución de electrolito y un separador, que separa ánodo y cátodo. Los distintos tipos de acumuladores se diferencian en el material utilizado para los electrodos, el electrolito y el separador utilizado. Al cargar, se hace fluir una corriente a través del acumulador. El flujo de corriente inicia la reacción electroquímica en los electrodos. Cuando está cargado el acumulador, puede tomarse corriente del mismo hasta que finaliza la reacción química inversa a la del proceso de carga.

Un separador de batería tiene la misión de separar espacialmente cátodo y ánodo en baterías, o bien electrodo negativo y positivo en acumuladores. El separador debe ser una barrera que aísla eléctricamente ambos electrodos entre sí, para evitar cortocircuitos internos. Pero a la vez debe ser el separador permeable a los iones, para que puedan transcurrir en la celda las reacciones electroquímicas.

Un separador de batería debe ser delgado, para que la resistencia interna sea lo más baja posible y pueda lograrse una elevada compacidad. Sólo así son posibles buenos datos de potencia y elevadas capacidades. Adicionalmente es necesario que los separadores absorban el electrolito y que cuando las celdas están llenas, garanticen el intercambio de iones. Mientras hace tiempo se utilizaron entre otros tejidos, se utilizan hoy en día predominantemente materiales de poros finos, como velos sin tejer y membranas.

Al igual que hay distintos sistemas de baterías, deben ser diferentes también los separadores allí utilizados, por ejemplo en cuanto a los electrolitos a los que están sometidos en el curso de su vida útil. Otro criterio para elegir los separadores es el precio. Los separadores que son estables a lo largo de muchos ciclos de carga-descarga están fabricados a partir de materiales más valiosos que los que se utilizan en baterías desechables económicas.

En particular en baterías de litio es un problema la aparición de cortocircuitos. Con la carga térmica puede llegarse en las baterías de iones de litio a que se funda el separador de la batería y con ello a un cortocircuito con consecuencias desastrosas. Similares peligros existen cuando las baterías de litio se dañan mecánicamente o se sobrecargan debido a una electrónica defectuosa de los cargadores.

Para aumentar la seguridad de las baterías de iones de litio, se desarrollaron en el pasado separadores de desconexión (membranas shut down) . Estos separadores especiales cierran sus poros en un tiempo muy corto a una determinada temperatura, claramente inferior al punto de fusión o al punto de inflamación del litio. Con ello se evitan en gran medida las consecuencias catastróficas de un cortocircuito en las baterías de litio.

No obstante a la vez se desea que los separadores tengan también una elevada resistencia mecánica, que queda asegurada utilizando materiales con elevada temperatura de fusión. Así son ventajosas por ejemplo membranas de polipropileno debido a su buena resistencia a la perforación, pero el punto de fusión del polipropileno, a unos 164ºC, se encuentra muy próximo al punto de inflamación del litio (170ºC) .

Se conoce según el estado de la técnica la combinación de membranas de polipropileno con otras capas, constituidas por materiales con un punto de fusión inferior, por ejemplo de polietileno. Tales modificaciones de los separadores no deberían, naturalmente, influir perjudicialmente sobre las demás características, como por ejemplo la porosidad, y no deberían impedir la migración de los iones. No obstante, la inclusión de capas de polietileno influye sobre la permeabilidad y la resistencia mecánica del separador en su conjunto muy negativamente. Además la adherencia de las capas de polietileno sobre el polipropileno es problemática, con lo que sólo pueden coextrusionarse polímeros especialmente elegidos de ambas clases.

La tarea de la presente invención consistía en proporcionar un separador para baterías que presente una función de desconexión y una resistencia mecánica sobresaliente. Además debe ser posible fabricar la membrana mediante procedimientos sencillos y económicos.

La tarea que sirve de base a la invención se resuelve mediante una lámina separadora orientada biaxialmente, monocapa y microporosa con función de desconexión para baterías o acumuladores de homopolímero de propileno y copolímero en bloque de propileno I y agente de nucleación β, conteniendo la capa de 50 a 90% en peso de homopolímero de propileno, de 10 a 50% en peso de copolímero en bloque de propileno I y de 50 ppm a 5% en peso de agente de nucleación β, siendo el contenido en comonómero de etileno del copolímero en bloque de propileno I de entre un 10 y un 25% y comenzando la zona de fusión del copolímero en bloque de propileno a una temperatura en la gama de 50 a 120ºC.

Sorprendentemente presenta la lámina correspondiente a la invención, cuando se utiliza como separador, tanto una resistencia mecánica muy buena como también la función de desconexión deseada. La permeabilidad al gas de la lámina se reduce significativamente cuando la lámina se somete a una temperatura más elevada. Por ejemplo aumenta el índice de Gurley en al menos un 30% (referido al valor inicial) , preferiblemente en un 40 a 80% después de un tratamiento térmico durante un minuto a 130 ºC. En general presenta la lámina correspondiente a la invención tras este tratamiento de temperatura (1min@130ºC) un índice de Gurley de al menos 6000 s, preferiblemente de 10.000 a 500.000 s, en particular de 15.000 a 100.000 s. Así puede impedir la lámina con efectividad, cuando se utiliza según la invención como separador en baterías, las consecuencias de un cortocircuito. Si como consecuencia de un cortocircuito resultan temperaturas elevadas en el interior de la batería, se cierran los poros del separador debido a la adición del copolímero en bloque especial I en poco tiempo tal que se impide que continúen pasando los iones y se interrumpe la reacción en cadena.

La lámina contiene como componentes principales un homopolímero de propileno y un copolímero en bloque de propileno I y al menos un agente de nucleación β, así como dado el caso otras poliolefinas en pequeñas cantidades, tal que no influyen negativamente sobre la porosidad y otras características esenciales y dado el caso aditivos usuales, por ejemplo estabilizadores, neutralizantes y/o partículas incompatibles, en cantidades efectivas en cada caso.

En el marco de la invención contiene la capa de un 50 a un 90%, preferiblemente de un 50 a un 80%, en particular de 55 a 75% de homopolímeros de propileno y de 10 a 50% en peso de copolímeros en bloque de propileno I, preferiblemente de 20 a 50% en peso, en particular de 25 a 45% en peso y de 50 ppm a 5% en peso, preferiblemente entre 50-10.000 ppm de al menos un agente de nucleación β, referido al peso de la capa. En el caso de que la capa contenga otras poliolefinas, se reduce correspondientemente la proporción de homopolímeros de propileno. En general la cantidad de polímeros adicionales será de 0 a <30% en peso, preferiblemente de 0 a 20% en peso, en particular de 0, 5 a 5% en peso, cuando los mismos estén incluidos adicionalmente. De la misma manera es válido reducir la citada proporción de homopolímeros de propileno cuando se utilizan cantidades mayores de hasta un 5% en peso de agentes de nucleación.

Los homopolímeros de propileno adecuados contienen de 98 a 100% en peso, preferiblemente de 99 a 100% en peso de unidades de propileno y poseen un punto de fusión (DSC) de 150ºC o superior, preferiblemente de 150 a 170ºC y en general un índice de fluidez en caliente de 0, 5 a 10 g/10 min, preferiblemente de 2 a 8 g/10 min a 230ºC y una fuerza de 2, 16 kg (DIN 53735) . Los homopolímeros de propileno isotácticos con una componente soluble de n-heptano inferior al 15% en peso, preferiblemente de 1 a 10% en peso, son homopolímeros de propileno preferentes para la capa. Ventajosamente pueden utilizarse también homopolímeros... [Seguir leyendo]

1. Lámina separadora orientada biaxialmente, monocapa y microporosa con función de desconexión para baterías o acumuladores de homopolímero de propileno y copolímero en bloque de propileno I y agente de nucleación β, caracterizada porque la capa contiene de 50 a 90% en peso de homopolímero de propileno, de 10 a 50% en peso de copolímero en bloque de propileno I y de 50 ppm a 5% en peso de agente de nucleación β, siendo el contenido en comonómero de etileno del copolímero en bloque de propileno I de entre un 10 y un 25% y comenzando la zona de fusión del copolímero en bloque de propileno I a una temperatura en la gama de 50 a 120ºC.

2. Lámina según la reivindicación 1, caracterizada porque el copolímero en bloque de propileno I presenta un punto de fusión inferior a 150°C.

3. Lámina según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque el copolímero en bloque de propileno I presenta un índice de fluidez en caliente de 0, 1 a 10g/10 min (para 2, 16 kg y 230ºC) .

4. Lámina según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque adicionalmente se incluye otro copolímero en bloque de propileno II que presenta un punto de fusión de 150 a 170ºC y cuya zona de fusión comienza a una temperatura superior a 120ºC.

5. Lámina según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque el otro copolímero en bloque de propileno II presenta un contenido en etileno o butileno de 1 a 20% en peso y un índice de fluidez en caliente de 1 a 20 g/10 min (a 2, 16 kg y 230ºC) .

6. Lámina según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque la capa contiene de un 50 a 80% en peso de homopolímero de propileno, de un 20 a 50% en peso de copolímero en bloque de propileno I y de 50 a 10.000 ppm de agente de nucleación β.

7. Lámina según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque el homopolímero de propileno es un polipropileno muy isotáctico con una isotacticidad de cadena (13C-NMR) de 95 a 98%.

8. Lámina según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque el agente de nucleación es una sal de calcio del ácido pimélico o del ácido subérico o bien una carboxamida.

9. Lámina según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque la densidad de la lámina se encuentra en una gama de 0, 2 a 0, 6 g/cm3.

10. Lámina según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizada porque la lámina presenta un índice de Gurley de 100 a 5.000 s/100 cm3.

11. Lámina según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizada porque la lámina presenta un espesor de 15 a 100 μm.

12. Procedimiento para fabricar una lámina según una o varias de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque la lámina está fabricada según el procedimiento del rame o marco tensor y la temperatura del cilindro de estiraje se encuentra en una gama de 60 a 130ºC.

13. Procedimiento según la reivindicación 12, caracterizado porque la lámina previa no estirada presenta un contenido en cristalitas β del 40 al 95%.

14. Procedimiento según la reivindicación 12 ó 13, caracterizado porque la lámina se estira en dirección longitudinal y transversal a una temperatura que se encuentra por debajo del comienzo de la zona de fusión del copolímero de bloque de propileno.

15. Utilización de una lámina según una de las reivindicaciones 1 a 11 como separador en baterías o acumuladores.