Membrana microporosa y procedimiento para su preparación.

Membrana porosa que comprende fibras de celulosa,

en la que

un área de superficie determinada mediante tinción de rojo Congo de fibras de celulosa redispersadas obtenidas tras la redispersión de las fibras de celulosa de la membrana porosa según un procedimiento de redispersión para muestras de papel normal según JIS P 8120,

está comprendida entre 100 y 300 m2/g, y

se prepara dicha membrana porosa a partir de una suspensión que contiene materia prima de fibras de celulosa, un formador de poro hidrófilo y un ligante polimérico hidrófilo en una cantidad comprendida entre 3 y 80 partes en peso respecto a 100 partes en peso de dicha materia prima de fibras de celulosa.

Membrana microporosa y procedimiento para su preparación.

Campo técnico

La presente invención se refiere a una membrana porosa y a un procedimiento para la preparación de la misma. En particular, la presente invención se refiere a una membrana porosa formada a partir de celulosa, que resulta adecuada para un separador destinado a un dispositivo electroquímico y a un procedimiento para la preparación de la misma.

En la memoria de la presente solicitud, un dispositivo electroquímico se refiere a un dispositivo electroquímico dotado de un electrodo positivo, un electrodo negativo y un separador. A título de ejemplos del mismo, pueden mencionarse, por ejemplo, diversos tipos de batería secundaria, tales como una bacteria secundaria de ión litio y una batería de polímero de litio, diversos tipos de condensadores tales como un condensador electrolítico de aluminio, un condensador de doble capa eléctrica y un condensador de ión litio, y similares.

Antecedentes de la técnica Recientemente se ha incrementado la utilización de electricidad como fuente de energía para resolver problemas medioambientales relacionados con la reducción del CO2, el agotamiento de los recursos de combustibles fósiles y similares. Por lo tanto, por ejemplo los vehículos eléctricos que utilizan baterías secundarias se están desarrollando activamente en la industria automovilística. Además, las baterías secundarias también se consideran en vista de la utilización eficiente de la energía natural, tal como la energía solar o la energía eólica.

En general, las baterías secundarias de ión litio se utilizan actualmente como las baterías secundarias para impulsar los vehículos eléctricos, debido de la relación entre potencia y densidad de energía. Por otra parte, diversas compañías se han centrado en el desarrollo de baterías de nueva generación en vista de la mayor densidad y salida de energía, la seguridad y similares. Las baterías de nueva generación se utilizan en campos con previsión de elevado crecimiento comercial.

Por otra parte, en baterías secundarias aparte de las baterías secundarias de ión litio, baterías primarias, condensadores y similares, se utilizan separadores formados con papel, tejidos no tejidos, películas porosas o similares. El rendimiento requerido para los separadores es, en general, la protección frente a cortocircuitos entre los electrodos positivo y negativo, la estabilidad química con respecto a las soluciones electrolíticas, una resistividad interna baja y similares. Los rendimientos requeridos anteriormente indicados son universalmente necesarios en los separadores, con independencia del tipo, aunque difieren en el grado según el dispositivo.

Los separadores de prácticamente todas las baterías secundarias de ión litio utilizan membranas porosas formadas de un compuesto orgánico polimérico, tal como polipropileno, polietileno o similar. Las membranas porosas anteriormente indicadas presentan algunas características adecuadas para las baterías secundarias de ión litio. Por ejemplo, pueden indicarse las características siguientes:

(1) estabilidad química con respecto a las soluciones electrolíticas, sin averías fatales debidas a los separadores.

(2) El grosor de un separador puede diseñarse libremente y por ello pueden proporcionarse separadores que responden a diversas demandas.

(3) El diámetro de los poros puede diseñarse para ser pequeño y por ello se muestran propiedades superiores de protección del litio y prácticamente no se produce ningún cortocircuito causado por dendrita de litio.

(4) En el caso de que se produzca la fuga térmica de las baterías secundarias de ión litio, la fuga térmica inicial puede controlarse fundiendo polipropileno o polietileno, estrechando de esta manera los poros.

Sin embargo, la investigación convencional para las baterías secundarias de ión litio no puede identificar una causa subyacente de incidencia de fuga térmica. Diversas compañías han estudiado y propuesto medios para evitar los riesgos de la fuga térmica de diversos materiales utilizados en baterías secundarias por medios empíricos, en la situación actual. Los desarrollos de materiales adecuados para los vehículos con una mayor seguridad se han considerado mediante la clarificación del principio de fuga térmica y el establecimiento de un método de evaluación común de la misma posteriormente en la presente memoria. Los problemas relacionados con la seguridad se esperan que sean resueltos.

Por otra parte, el segundo problema de las baterías secundarias para la utilización en los vehículos es el coste. Un separador es un material que constituye el 20% del coste de la batería y se requiere una reducción adicional del coste en la situación actual.

Por ejemplo, en el campo de las unidades de transporte recargables, tales como los vehículos eléctricos, y en el campo de los terminales electrónicos portátiles, tales como los teléfonos móviles, se requiere un dispositivo de almacenamiento de la energía eléctrica para ser operativo durante un periodo de tiempo prolongado, incluso con un volumen reducido. A título de ejemplo del dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica anteriormente indicado, puede hacerse mención de un condensador de doble capa eléctrica en el que un electrolito disuelto en una solución electrolítica es adsorbido por un electrodo, una energía eléctrica es almacenada en la interfaz (doble capa eléctrica) formada entre el electrolito y el electrodo.

Las funciones principales de los separadores en los condenadores de doble capa eléctrica son la protección frente a los cortocircuitos de los electrodos (separabilidad) , el movimiento sin bloqueos de los iones en la solución electrolítica (resistividad interna baja) y similares. Sin embargo, las membranas porosas anteriormente indicadas presentan una densidad elevada y por este motivo la resistividad interna tiende a incrementarse. Por otra parte, es conocido que los tejidos no tejidos se utilizan como separador de un condensador, aunque existe el problema de que, al reducir el diámetro de fibra o incrementar la densidad de fibra con el fin de mantener la separabilidad, se incrementa la resistividad interna. Por este motivo resulta deseable el desarrollo de un separador con una resistividad interna reducida.

Existen dos procedimientos principales para preparar membranas porosas de polímero de polipropileno, polietileno o similar, es decir un procedimiento húmedo y un procedimiento seco. Los procedimientos de preparación anteriormente indicados presentan sus propias características. En el procedimiento húmedo, se añade un plastificador a un polímero, tal como polietileno, para formar una película. A continuación la película se estira biaxialmente, se elimina el plastificador mediante limpieza con un solvente y, de esta manera, se proporcionan poros. En este procedimiento existen las ventajas de que el tamaño de poro o el grosor de la película pueden ajustarse de manera superior y puede responderse a diversas demandas para todos los tipos individuales de batería. Por otra parte, existe el problema de que el procedimiento de preparación es complicado, por lo que se incrementa el coste. En contraste, en el procedimiento seco, se disuelve un polímero tal como poliolefina; se extruye el polímero sobre una película; la película con el polímero se somete a recocido; la película recocida se estira a una temperatura baja para formar poros en la etapa inicial y a continuación se lleva a cabo un estirado a alta temperatura para formar un producto poroso. En este procedimiento existen las ventajas de que pueden laminarse polímeros que presentan diferentes puntos de fusión y el procedimiento resulta sencillo, y por ello, el producto puede producirse a un coste razonable. Por otra parte, existe el problema de que no puede llevarse a cabo un ajuste sensible de los poros o del grosor.

También se ha propuesto un separador que utiliza tejidos no tejidos formados de fibras sintéticas, fibras inorgánicas o similares, diferente de las películas porosas de polímero. Entre los tejidos no tejidos convencionales se incluyen los tipos secos de tejido no tejido y los tipos húmedos de tejidos no tejidos, y ambos han sido utilizados también como separadores. Se cree que los tipos secos de tejidos no tejidos con los que no puede obtenerse una distribución uniforme de las fibras presentan un efecto bajo de aislamiento de los electrodos y por este motivo no pueden utilizarse para las baterías secundarios de ión litio. Por otra parte, los tipos húmedos de tejidos no tejidos presentan la característica de que la distribución de las fibras es uniforme comparado con los tipos secos de tejidos no tejidos. Además, puede ajustarse... [Seguir leyendo]

1. Membrana porosa que comprende fibras de celulosa, en la que un área de superficie determinada mediante tinción de rojo Congo de fibras de celulosa redispersadas obtenidas tras la redispersión de las fibras de celulosa de la membrana porosa según un procedimiento de redispersión para muestras de papel normal según JIS P 8120, está comprendida entre 100 y 300 m2/g, y se prepara dicha membrana porosa a partir de una suspensión que contiene materia prima de fibras de celulosa, un formador de poro hidrófilo y un ligante polimérico hidrófilo en una cantidad comprendida entre 3 y 80 partes en peso respecto a 100 partes en peso de dicha materia prima de fibras de celulosa.

2. Membrana porosa según la reivindicación 1, en la que dicha materia prima de fibras de celulosa presenta un área de superficie determinada mediante tinción de rojo Congo comprendida entre 200 y 500 m2/g.

3. Membrana porosa según la reivindicación 1 o 2, que presenta una resistencia a la tracción que es de 50 N·m/g o superior. 20

4. Membrana porosa según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que presenta una porosidad comprendida entre 30 y 70%.

5. Membrana porosa según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en la que la solubilidad de dicho formador de 25 poro hidrófilo respecto al agua es de 10% en peso o superior.

6. Membrana porosa según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en la que dicho formador de poro hidrófilo es un éter de glicol.

7. Membrana porosa según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, que presenta una resistividad volumétrica de 1.500 ·cm o inferior determinada mediante corriente alterna con una frecuencia de 20 kHz en la que la membrana porosa se encuentra impregnada con una solución de 1 mol/LiPF6/carbonato de propileno.

8. Separador para un dispositivo electroquímico que comprende la membrana porosa según cualquiera de las 35 reivindicaciones 1 a 7.

9. Dispositivo electroquímico que comprende el separador para un dispositivo electroquímico según la reivindicación 8.

10. Dispositivo electroquímico según la reivindicación 9, que es uno de entre una batería y un condensador.

11. Procedimiento para la preparación de una membrana porosa de celulosa, que comprende las etapas de:

aplicar una suspensión que incluye por lo menos un formador de poro hidrófilo, materia prima de fibras de 45 celulosa que presenta un áera de superficie determinada mediante tinción de rojo Congo comprendida entre 200 y 500 m2/g y un ligante polimérico hidrófilo en una cantidad comprendida entre 3 y 80 partes en peso respecto a 100 partes en peso de dicha materia prima de fibras de celulosa, sobre un sustrato;

secar dicha suspensión para formar una lámina sobre el sustrato; y 50 separar dicha lámina de dicho sustrato para obtener una membrana porosa de celulosa formada a partir de dicha lámina.

12. Procedimiento para la preparación de la membrana porosa de celulosa según la reivindicación 11, que 55 comprende además una etapa de limpieza de dicha lámina o membrana porosa con un solvente orgánico.