CN104081558A - 碱性电池用隔膜及碱性电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够抑制保存后的碱性电池的特性降低的碱性电池用隔膜。构成一种碱性电池用隔膜,所述隔膜夹设于碱性电池的正极与负极之间,用于将两极的活性物质隔离,隔膜中包含20质量%~90质量%的纤维素纤维,剩余部分由耐碱性合成纤维构成,纤维素纤维中包含溶解纸浆。

Description

碱性电池用隔膜及碱性电池
技术领域
本发明涉及碱性锰电池、氧化银电池、锌空气电池等碱性电池中使用的碱性电池用隔膜及使用了该隔膜的碱性电池。
背景技术
一直以来,作为碱性电池中的用于隔离正极活性物质与负极活性物质的隔膜的特性,要求具有下述耐久性以及可长时间保持对产电反应而言足够量的电解液,不妨碍离子传导,所述耐久性为:防止因正极活性物质与负极活性物质的接触导致的内部短路;防止导电性的锌氧化物等枝晶导致的内部短路;和不会相对于氢氧化钾电解液或二氧化锰、羟基氧化镍、氧化银等正极活性物质发生收缩及变质。
作为具备这样的特性的碱性电池用隔膜,使用了合成纤维与纤维素纤维的混抄纸,该混抄纸以耐碱性合成纤维的维纶纤维或尼龙纤维为主体,并向其中混配了耐碱性优异的丝光化纸浆或人造丝纤维、富强纤维、有机溶剂系纤维素纤维等再生纤维素纤维,并且作为粘结剂进一步添加有于60℃~90℃溶解于水的易溶性聚乙烯醇纤维。
在隔膜的制造时,丝光化纸浆、富强纤维、有机溶剂系纤维素纤维等能够原纤化的纤维素纤维可以根据需要进行打浆处理,作为原纤化的纤维进行使用。通过混配原纤化的纤维素纤维,可赋予隔膜致密性,能够防止枝晶导致的内部短路的发生。
在这些纤维素纤维中,丝光化纸浆可以利用在将纸浆浸渍于高浓度的碱性水溶液中后除去碱性液的简单工艺进行制造。丝光化纸浆的制造中不需要在人造丝、有机溶剂系纤维素纤维等再生纤维素纤维的制造中所需要的溶解纤维素纸浆的工序、由溶解液向再生纤维素纤维的纺丝工序、溶剂的回收工序等复杂的工序。因此,丝光化纸浆价格低。
广泛使用了丝光化纸浆中混配了维纶纤维等耐碱性合成纤维与作为粘结剂的易溶性聚乙烯醇纤维并抄纸而得到的碱性电池用隔膜(例如参照专利文献1、专利文献2)。或者,广泛使用了除这些丝光化纸浆、合成纤维和易溶性聚乙烯醇纤维外还混配了再生纤维素纤维并抄纸而得到的碱性电池用隔膜(例如参照专利文献3)。
专利文献1中提供了一种碱性干电池用隔膜,其是将丝光化牛皮木浆单独抄纸而得到的,或者,对丝光化牛皮木浆为50质量%以上并向其中添加了选自由合成纤维、合成树脂纸浆、耐碱性树脂组成的组中的至少一种而成的混合物进行混抄而得到的。
另外,在专利文献2中,伴随着碱性电池的无汞化要求提出了一种碱性电池用隔膜,其是使用聚乙烯醇纤维等粘结剂对丝光化纸浆或富强纤维等能够打浆的耐碱性纤维素纤维与合成纤维进行混抄,从而使其粘结而得到的。该碱性电池用隔膜以10质量%~50质量%的范围含有耐碱性纤维素纤维,并且使耐碱性纤维素纤维的打浆程度以CSF的值计为500ml~0ml的范围。
此外,在专利文献3中涉及丝光化纸浆与再生纤维素纤维的合用,提出了一种碱性电池用隔膜,其特征在于,其含有耐碱性合成纤维、打浆程度以CSF的值计为10ml~550ml的有机溶剂系纤维素纤维的原纤化物、和打浆程度以CSF的值计为450ml以上的丝光化纸浆,各自的比例以质量比计为30%~60%:5%~20%:35%~50%。
需要说明的是,作为专利文献3中记载的隔膜中所使用的有机溶剂系纤维素纤维,已知有例如Lyocell(注册商标)或Tencel(注册商标)等再生纤维素纤维。另外,有机溶剂系纤维素纤维在JIS标准和ISO标准中规定的纤维用语中以天丝的名称来进行规定,下面,将有机溶剂系纤维素纤维记为天丝纤维。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开昭54-87824号公报
专利文献2:日本特开平2-119049号公报
专利文献3:日本特开2006-236808号公报
发明内容
发明要解决的问题
上述碱性电池用隔膜中使用的丝光化纸浆,α-纤维素含量高,可溶于碱性电解液的成分少。并且,其是在碱性电解液中的尺寸收缩小、适合于碱性电池用隔膜的纤维素纤维。此外,若对隔膜混配进行了打浆处理而原纤化的丝光化纸浆,则可廉价地得到两极活性物质的遮蔽性优异的致密的隔膜,因此被广泛地用作碱性电池用隔膜。
但是,若使用混配了丝光化纸浆的隔膜,则存在作为碱性电池的负极活性物质的锌合金粉末的腐蚀增加的问题。因此,碱性电池的气体产生量的增加和保存后的特性的降低成为问题。
为了解决上述问题,本发明中提供一种气体产生量少、能够抑制保存后的碱性电池的特性降低的碱性电池用隔膜以及具备该隔膜的碱性电池。
用于解决问题的方案
本发明的碱性电池用隔膜的特征在于,所述隔膜夹设于碱性电池的正极与负极之间,用于将两极的活性物质隔离,隔膜中包含20质量%~90质量%的纤维素纤维,剩余部分由耐碱性合成纤维构成,纤维素纤维中包含溶解纸浆。
另外,本发明的碱性电池的特征在于,具备上述碱性电池用隔膜,作为将正极活性物质与负极活性物质隔离的隔膜。
发明的效果
根据本发明,可以提供一种能够抑制保存后的特性降低的碱性电池用隔膜及碱性电池。
附图说明
图1是使用了本发明的碱性电池用隔膜的碱性电池的中央纵向剖面图。
具体实施方式
在说明本发明的具体实施方式之前,对本发明的概要进行说明。
本发明提供一种碱性电池,其碱性电池用隔膜降低了锌合金粉末的腐蚀,保存特性优异。
以往碱性电池用隔膜所使用的纤维素纤维中,丝光化纸浆是指将主要利用硫酸盐法蒸解得到的制纸用化学纸浆在18质量%以上的高浓度氢氧化钠水溶液中进行了浸渍处理(丝光化处理)的纸浆。
通过丝光化处理,从制纸用化学纸浆中除去低分子量的纤维素或半纤维素等可溶于碱的成分,得到α-纤维素含量为97%以上的高纯度的纸浆。另外,通过丝光化处理,化学纸浆的纤维素I的晶体结构全部变化为纤维素II的晶体结构。因此,可得到碱性电解液中的尺寸收缩减少、适合于碱性电池用隔膜的耐碱性优异的纸浆。
丝光化纸浆可以利用如上所述将制纸用化学纸浆浸渍于高浓度的碱性水溶液中后除去碱性液的简单工艺进行制造。因此,丝光化纸浆基本上不存在其制造时的纤维素分子链的切断,与再生纤维素纤维相比由高聚合度的纤维素构成。因此,难以溶解于碱性电解液中,与再生纤维素纤维相比耐碱性优异。
但是,近年来,据报道在使用混配了丝光化纸浆的隔膜的情况下,作为碱性电池的负极活性物质的锌合金粉末发生腐蚀。锌合金粉末的腐蚀是指下述现象:锌合金粉末和电解液与电池的产电反应无关地发生反应,作为反应产物而生成氢气和锌氧化物或锌氢氧化物。
若锌合金粉末的腐蚀导致的气体产生量急剧增加,则电池内部的压力升高、电解液漏液的可能性增加。另外,即便不发生漏液,在长时间保存电池的情况下,在负极的锌合金粉末的周围也会因腐蚀析出锌氧化物或锌氢氧化物,锌合金粉末间的电子传导降低。因此,电池的内阻增加。此外,也消耗负极活性物质。因此,在使用混配了丝光化纸浆的隔膜的碱性电池中,会因长时间保存而使电池容量降低。
在过去的碱性电池中,使用了向锌粉末中添加汞而将锌表面汞合金化的负极。若进行汞合金化,则锌粉末的氢超电势变得足够高,难以发生腐蚀。因此,在使用混配了丝光化纸浆的隔膜的情况下,也难以发生负极活性物质的腐蚀,对氢气的产生量和电池性能基本上没有影响。
但是,从之后的防止环境污染的观点来看要求无汞化,汞合金化的锌负极除了在纽扣型碱性电池中残留若干外,在其它碱性电池中已经消失。现在,作为碱性电池的负极活性物质,正在使用代替添加汞而在锌中添加了铝、铋和铟等金属而提高了耐腐蚀性的锌合金粉末。
然而,若在将未添加汞的锌合金粉末作为负极活性物质的碱性电池中使用混配了丝光化纸浆的隔膜,则上述的负极的腐蚀被促进,氢气产生量的增加和电池保存后的性能降低成为问题。
需要说明的是,已知若使用增加了上述铟的添加率的锌合金粉末则负极活性物质的耐腐蚀性提高。但是,铟也被用于平板显示器的透明导电膜中,因而非常昂贵。因此,从锌合金粉末的低成本化的观点来看,倾向于尽可能减少铟等稀有金属的添加量。也由于这种倾向。近年来,混配了丝光化纸浆的隔膜导致的锌合金粉末的腐蚀尤其成为问题。
针对上述问题,本发明人等就锌合金粉末的腐蚀进行了研究,结果发现:仅仅用18质量%以上的高浓度NaOH水溶液对制纸用纸浆进行处理所得到的丝光化纸浆的情况下,锌合金粉末的腐蚀大,气体产生量大;与此相对,在溶解纸浆的情况下气体产生量降低。
由该研究结果发现,通过将溶解纸浆代替现有的丝光化纸浆混配于隔膜中,可抑制碱性电池负极的锌合金粉末的腐蚀,得到气体产生量少的隔膜。
根据本发明人的研究结果,通过丝光化处理,包含于木材等制纸用化学纸浆中的半纤维素大多被除去,可得到α-纤维素含量高的纸浆。但是,对于现有的丝光化纸浆而言,即使α-纤维素含量为97%以上,难溶于碱性水溶液的半纤维素也会残留于纸浆中。因此,在含有现有的丝光化纸浆的隔膜的情况下,残留于丝光化纸浆中的半纤维素会慢慢地溶出到由30质量%~40质量%的氢氧化钾(KOH)水溶液构成的碱性电解液中。并且,溶出到该电解液中的半纤维素会引起锌合金粉末的腐蚀,因此气体产生量大,电池的保存特性降低。
需要说明的是,半纤维素是指包含于木浆及非木浆中的纤维素以外的多糖类的统称。纸浆的主要成分为纤维素,纤维素是仅由葡萄糖以直链状聚合而成的结晶质的多糖类。另一方面,半纤维素是包括木糖、甘露糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖醛酸及半乳糖醛酸等单糖类的具有支链的多糖类。半纤维素是与纤维素相比低分子量且非晶质的多糖类。作为代表性的半纤维素,已知例如木聚糖、阿拉伯木聚糖、甘露聚糖、葡甘露聚糖、葡糖醛酸木聚糖等多糖类。
即,为了解决上述课题,本发明主要是提供一种隔膜,其特征在于,所述隔膜夹设于碱性电池的正极与负极之间,用于将两极的活性物质隔离,该隔膜含有溶解纸浆。该隔膜含有20质量%~90质量%的纤维素纤维,剩余部分为耐碱性合成纤维。并且,作为纤维素纤维含有溶解纸浆。
另外,提供含有溶解纸浆和再生纤维素纤维的碱性电池用隔膜。另外,提供再生纤维素纤维为天丝纤维的碱性电池用隔膜。此外,提供具备含有这些纤维素纤维的碱性电池用隔膜的碱性电池。
[实施方式]
下面,对本发明的实施方式进行说明。
(溶解纸浆)
本实施方式的碱性电池用隔膜中包含溶解纸浆。该溶解纸浆是经漂白的高纯度的化学纸浆。
通常的制纸用纸浆的α-纤维素含量低、耐碱性差,不适合于碱性电池用隔膜。另外,一直以来用于碱性电池用隔膜的丝光化纸浆的α-纤维素含量高、耐碱性优异。但是,由于只是将制纸用纸浆丝光化所得到的纸浆,因此残留有难溶于碱性液的半纤维素,负极的腐蚀导致的气体产生量多。因此,作为用于碱性电池用隔膜的纤维素纤维是不优选的。
对于本实施方式的隔膜而言,半纤维素的含量少、α-纤维素含量为92%以上的高纯度的溶解纸浆是合适的。
混配于本实施方式的碱性电池用隔膜中的溶解纸浆与在木材或非木材的小片中加入Na2S、NaOH等试剂并进行蒸解的通常的制纸用纸浆的制造方法、制造工序不同。本实施方式的隔膜中使用的溶解纸浆在蒸解前用高温蒸气对木材或非木材的小片进行蒸煮处理,在酸性条件下将小片中包含的半纤维素水解。并且,在蒸煮处理后,进行蒸解而纸浆化。此外,利用2质量%~10质量%左右的氢氧化钠等碱性水溶液对蒸解后的纸浆进行处理,将纸浆中残留的半纤维素提取、除去。
溶解纸浆的蒸解方法可以利用亚硫酸盐法、硫酸盐法、碱法。需要说明的是,蒸解方法为亚硫酸盐法的情况下,可以利用酸性或中性~碱性的亚硫酸盐蒸解法。特别是,酸性亚硫酸盐蒸解在蒸解时成为酸性,不需要上述蒸解前的酸性条件下进行小片的蒸煮处理,因此优选。另外,在这些蒸解法中,硫酸盐法以高纯度(半纤维素少)得到α-纤维素含量高的溶解纸浆。因此,特别优选基于硫酸盐法得到的溶解纸浆。
需要说明的是,关于溶解纸浆,在JIS P 2701中规定了种类和标准,对本实施方式的隔膜而言优选JIS P 2701所规定的亚硫酸盐法纸浆及硫酸盐法纸浆的溶解纸浆中特别是半纤维素少的、α-纤维素含量大的溶解纸浆。
本实施方式的隔膜中,通过混配溶解纸浆,可以实现能够充分减少负极的锌合金粉末的腐蚀的碱性电池。
(晶体结构)
本实施方式的隔膜中混配的溶解纸浆的晶体结构优选具有纤维素II的晶体结构。通过具有纤维素II的晶体结构,能够减少隔膜的尺寸收缩。
市售的溶解纸浆基本上为纤维素I的晶体结构的纸浆。若大量含有该纤维素I的晶体结构的纸浆,则隔膜在碱性电解液中的尺寸收缩增大。因此,在使隔膜中的溶解纸浆的含量为70质量%以上的高含量的情况下,优选使用具有纤维素II的晶体结构的溶解纸浆。
具有纤维素II的晶体结构的溶解纸浆通过用10质量%~18质量%浓度的氢氧化钠水溶液对纤维素I的晶体结构的溶解纸浆进行碱处理而得到。通过该处理,纤维素I的晶体结构的一部分或全部转换为纤维素II的晶体结构。由此,可得到碱性电解液中的收缩少、且负极的腐蚀导致的气体产生少的溶解纸浆。
需要说明的是,溶解纸浆除去了半纤维素,因而纸浆中的非晶质部分减少。因此,碱性电解液向溶解纸浆的纤维中的渗透被抑制。因此,溶解纸浆的纤维的溶胀减少。
其结果,即使在溶解纸浆由仅为纤维素I的晶体结构构成的情况下,与通常的制纸用纸浆相比在电解液中的尺寸收缩也显著较小。另外,含有纤维素I和纤维素II的晶体结构混杂的溶解纸浆的隔膜可以与使用了现有的丝光化纸浆的隔膜相同程度地减小尺寸的收缩率。
需要说明的是,仅为纤维素I的晶体结构的溶解纸浆具有在碱性电解液中的收缩大的倾向。因此,通过混配隔膜质量的30质量%以上的维纶纤维等在碱性电解液中尺寸变化少的合成纤维,能够将隔膜在电解液中的尺寸收缩抑制到实际使用上没有问题的2.0%以下。因此,即使是仅为纤维素I的晶体结构的溶解纸浆也可以充分适用于本实施方式的隔膜。
(材料种类)
作为混配于本实施方式的隔膜中的溶解纸浆,可以使用由针叶树或阔叶树的木材得到的溶解纸浆、以及由非木材得到的溶解纸浆。
作为针叶树,可以使用由辐射松、湿地松、南方松、云杉、花旗松、铁杉等得到的溶解纸浆。另外,作为阔叶树,可以使用由山毛榉、楢、桦木、桉树、橡木、白杨、桤木等得到的溶解纸浆。
由针叶树得到的溶解纸浆的平均纤维长长至2mm左右,打浆处理比较容易,因此适合于CSF值为100ml以下的高打浆。因此,特别适合于得到气密度高、枝晶的遮蔽性优异的隔膜。
另一方面,由阔叶树得到的溶解纸浆的平均纤维长为0.7mm左右,不适合于CSF值为100ml以下的高打浆。但是,平均纤维径细至15μm左右,即使是轻度的打浆也可得到均质的隔膜。
另外,作为非木材的溶解纸浆,可以使用由棉、短绒、木棉等种子纤维,马尼拉麻、剑麻等叶脉纤维,亚麻、黄麻、红麻、大麻等韧皮纤维,竹、茅草、甘蔗渣等禾本科植物及椰子等果实纤维得到的溶解纸浆。与木浆相比,非木浆存在纤维径细至10μm左右、并且纤维长长至3mm~7mm左右的纤维的纸浆。因此,通过使用非木材的溶解纸浆,可得到与木材的溶解纸浆相比低密度、电阻低,且致密、遮蔽性优异的隔膜。
需要说明的是,作为以往混配于碱性电池用隔膜中的纤维素纤维,已知丝光化纸浆等α-纤维素含量高的纸浆是合适的。
α-纤维素含量高的纸浆合适的理由基于下述见解和推测:越是高纯度的纸浆,碱性电解液中的溶解成分越少,电解液中的溶解和电解液中的尺寸变化越少,耐碱性越优异。
另一方面,关于隔膜中的纸浆或再生纤维素纤维对碱性电池的锌合金粉末的腐蚀的影响,至今尚不清楚。
(再生纤维素纤维)
作为混配于本实施方式的隔膜中的纤维素纤维,除了上述溶解纸浆外还可以混配再生纤维素纤维。通过添加再生纤维素纤维作为纤维素纤维,隔膜的密度变得更低,隔膜的电解液保液量增加。因此,隔膜的电阻降低,保液量增加,因而能够提高碱性电池的重负载放电特性。
另一方面,使混配于隔膜中的纤维素纤维仅为溶解纸浆的情况下,能够制作两极间的遮蔽性优异的薄的隔膜。通过减薄隔膜,能够增加电池内的活性物质量,因此能够增加电池的容量。
作为混配于本实施方式的隔膜中的再生纤维素纤维,可以利用人造丝纤维、莫代尔纤维、富强纤维、铜氨纤维、天丝纤维等。所使用的再生纤维素纤维的纤维径例如优选0.5dtex.~3.3dtex.的纤度,纤维长优选2mm~7mm。
在这些再生纤维素纤维中,富强纤维、铜氨纤维、天丝纤维能够通过打浆处理进行原纤化。
作为纤维素纤维,在混配上述能够原纤化的再生纤维素纤维的情况下,根据隔膜所要求的遮蔽性的程度对溶解纸浆及再生纤维素纤维进行打浆处理,使其原纤化。并且,若向其中混配合成纤维而对隔膜进行抄纸,则能够赋予隔膜所需要的遮蔽性。需要说明的是,为了调整隔膜的物性,也可以仅对溶解纸浆或再生纤维素纤维中的一者进行打浆处理而用于隔膜。
在对溶解纸浆和再生纤维素纤维进行打浆的情况下,在以混合的状态打浆时原纤维能够更充分地混合。若对充分混合后的原料进行抄纸,则可得到均质的隔膜,因而特别优选。需要说明的是,也可以将溶解纸浆和再生纤维素纤维分别单独打浆后再进行混合。
需要说明的是,再生纤维素纤维的纤维素的聚合度低至300~500左右。因此,再生纤维素纤维与本实施方式的溶解纸浆相比易于溶解于碱性电解液中,耐碱性差。
(混配比)
作为本实施方式的隔膜的纤维素纤维的含量,优选20质量%~90质量%的范围。隔膜中的纤维素纤维的含量小于20质量%时,隔膜的电解液的保液率降低,电池的所有放电性能特别是重负载放电特性降低。
另一方面,若隔膜的纤维素纤维的含量大,则必然地隔膜中的耐碱性合成纤维减少。因此,电解液中的隔膜的尺寸收缩变大,隔膜的湿润强度降低。其结果,隔膜容易破损,容易发生电池的内部短路。因此,优选使隔膜中的纤维素纤维的含量为90质量%以内。
另外,作为隔膜的纤维素纤维,在使用溶解纸浆和再生纤维素纤维的情况下,只要溶解纸浆和再生纤维素纤维总计含有20质量%以上即可。需要说明的是,若含有超过60质量%的再生纤维素纤维,则隔膜的保液率变得过大。因此,特别是在单3或单4型的小型碱性锰电池的情况下,隔膜在电解液中溶胀,在电池内部隔膜所占的容积变大。该情况下,需要减少电池的活性物质量,因此难以提高电池性能。
(耐碱性合成纤维)
混配于隔膜中的耐碱性合成纤维选择在电解液中不引起溶解和收缩的材料。例如,除了维纶纤维、聚乙烯醇纤维等聚乙烯醇系纤维外,优选尼龙-6纤维、尼龙-6,6纤维等聚酰胺纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯(芯)/聚乙烯(鞘)复合纤维、以及聚乙烯合成纸浆等聚烯烃纤维等。另外,作为合成纤维的纤维径优选0.1dtex.~3.3dtex.的纤度,优选纤维长为2mm~7mm的纤维。
在这些耐碱性合成纤维中,特别优选维纶纤维。维纶纤维是使纺丝得到的聚乙烯醇纤维与甲醛等反应而缩醛化的聚乙烯醇纤维。维纶纤维基本上不溶解于碱性电解液中,在电解液中几乎没有尺寸变化。因此,若混配于隔膜中则能够减小电解液中的隔膜的尺寸收缩。
聚乙烯醇纤维是由聚乙烯醇树脂溶液纺丝得到的纤维。聚乙烯醇纤维可以通过加热拉伸将水中溶解温度从60℃左右提高到100℃以上。
需要说明的是,作为用于将混配于隔膜中的纤维素纤维和合成纤维粘结的粘结剂,以往在碱性电池用隔膜中使用了水中溶解温度为60℃~90℃的易溶性聚乙烯醇纤维。本实施方式的耐碱性合成纤维中也包含上述作为粘结剂使用的易溶性聚乙烯醇纤维。
隔膜中使用作为粘结剂的易溶性聚乙烯醇纤维的情况下,隔膜中的易溶性聚乙烯醇纤维的含量优选为5质量%~20质量%的范围。
另外,尽管易溶性聚乙烯醇纤维的含量为前述的5质量%~20质量%的含量范围,隔膜的湿润强度更优选设定为5N/15mm~20N/15mm的范围。湿润强度小于5N/15mm时,隔膜容易破裂,电池容易因碱性电池的运输或下降时的冲击引起内部短路。另一方面,湿润强度超过20N/15mm的隔膜的粘结剂效果过大,因而隔膜在电解液中的溶胀被抑制。因此,由于隔膜的保液率的降低或电阻的上升,碱性电池的重负载放电特性容易降低。
对于本实施方式的隔膜,使用上述材料,通过使用了倾斜短网抄纸机、圆网抄纸机、或长网抄纸机等的常用抄纸法进行抄纸。另外,也可以使用将这些抄纸机的抄纸网部分组合而成的组合抄纸机来制造将纤维配比或密度、致密性不同的纸层层叠而成的隔膜。此外,虽为相同的抄纸原料,但若使用具有多个抄纸网部分的组合抄纸机来制成层叠隔膜,则可得到与单层隔膜相比孔更小、难以发生由枝晶导致的电池的内部短路的隔膜。
需要说明的是,本实施方式的隔膜中使用的溶解纸浆或天丝纤维等纤维素纤维的打浆处理可以使用盘式磨浆机、打浆机、高速粉碎机等各种打浆机来实施。
实施例
下面,对于本发明的碱性电池用隔膜及使用了该隔膜的碱性电池的具体实施例进行说明。需要说明的是,本申请发明不限定于这些实施例的记载内容。
[溶解纸浆的气体产生量试验]
首先,在具体的实施例之前,关于碱性电池用隔膜中使用的溶解纸浆的特性,与以往使用的丝光化纸浆及制纸用纸浆进行比较而说明。
表1中,对于实施例及比较例中使用的溶解纸浆及丝光化纸浆等化学纸浆,示出了纸浆材料种类与α-纤维素含量、晶体结构、面积收缩率及气体产生量的测定结果。
[表1]
需要说明的是,表1中记载的各纸浆的测定值是利用下述方法测定的。
(1)α-纤维素含量
根据TAPPI(Technical Association of the Pulp and Paper Industry,美国纸浆与造纸工业技术协会)标准法T203中规定的“纸浆中的α,β和γ-纤维素”的测定方法来测定α-纤维素的含量。
(2)晶体结构
将纸浆片固定于X射线衍射装置的试样架,使用Cu靶的X射线管(X-raytube)测定X射线衍射图案。由所测定的X射线衍射图案确认归属于纤维素I或纤维素II的衍射峰,将纸浆的晶体结构判定为纤维素I、纤维素II、或它们的混合物(I+II)。
(3)面积收缩率
纸浆的面积收缩率的测定中,在试样中混配以质量比计为10%的易溶性聚乙烯醇纤维(溶解温度70℃),制作定量(basis weight)为30g/m2的手抄片。将该片切割成固定尺寸(100mm×100mm)并测定面积。接下来,在70℃的40%KOH水溶液中浸渍8小时,以在KOH水溶液中润湿的状态测定浸渍后的试验片的面积,通过下式求出面积收缩率。
面积收缩率(%)={(A1-A2)/A1}×100
A1=浸渍前的面积
A2=浸渍后的面积
(4)氢气产生量
向市售的添加了铝(Al)、铋(Bi)及铟(In)的碱性锰电池负极用的锌合金粉末中加入纸浆和KOH电解液(溶解氧化锌),在70℃下放置10天并测定所产生的氢气量(相对于1g锌产生的氢气的体积μl)。需要说明的是,在各纸浆的测定时,按照以质量比计为1:0.05:1称取一定量的锌合金粉末:纸浆:KOH电解液,使用类似日本特开2008-171767号公报中公开的图2的装置来测定气体产生量。
表1中,纸浆A~纸浆E为由木材得到的市售的溶解纸浆。
另外,纸浆F和纸浆G是将作为针叶树的溶解纸浆的纸浆A用12质量%和17.5质量%的NaOH水溶液进行碱处理所得到的纸浆。同样地,纸浆H是将作为阔叶树的溶解纸浆的纸浆E用浓度为17.5质量%的NaOH水溶液进行碱处理所得到的纸浆。
纸浆A、B、C是由南方松、辐射松、湿地松得到的针叶树的基于硫酸盐法的溶解纸浆(DKP),纸浆D是由辐射松得到的针叶树的基于酸性亚硫酸盐法的溶解纸浆(DSP)。另外,纸浆E是由桉树得到的阔叶树的溶解纸浆(DKP)。
纸浆I~L是由非木材得到的溶解纸浆。纸浆I是棉短绒的基于碱法的溶解纸浆(DAP)。纸浆J是剑麻的基于碱法的溶解纸浆(DAP)。纸浆K是红麻的基于碱法的溶解纸浆(DAP)。另外,纸浆L是竹的基于硫酸盐法的溶解纸浆(DKP)。
纸浆M是美国Rayonier Inc.公司的Porosanier纸浆,是将南方松的针叶树纸浆丝光化的纸浆。
另外,纸浆N是将非木材的制纸用黄麻纸浆用20质量%的NaOH水溶液处理得到的丝光化纸浆。此外,纸浆O是以云杉为主体的制纸用的针叶树纸浆(NBKP)。
由表1可知,作为制纸用纸浆的纸浆O中,α-纤维素含量低至88.1%,气体产生量也大至300μl/g,此外面积收缩率也大,因此作为碱性电池隔膜的纤维素纤维不合适。
另外可知,市售的作为丝光化纸浆的纸浆M中,α-纤维素含量高至97.5%,面积收缩率也小至3.0%,因此耐碱性优异。但是,气体产生量大至190μl/g。
同样地,将黄麻纸浆丝光化的纸浆N中,α-纤维素含量也高至97.0%,面积收缩率也小至3.2%,但气体产生量大至180μl/g。这是因为,纸浆M和纸浆N是由通过普通的方法蒸解得到的作为制纸用纸浆的纸浆所形成的。即,认为:即使进行了丝光化处理,木材或非木材中含有的半纤维素也大量残留于纸浆中,气体产生量大。
另一方面,纸浆A~E为针叶树和阔叶树的木材溶解纸浆。α-纤维素含量方面,为从纸浆E的97.6%至纸浆D的92.2%的范围。这些溶解纸浆的气体产生量方面,纸浆A和E为118μl/g。并且,α-纤维素含量为92.2%的纸浆D为145μl/g。这样,伴随着α-纤维素含量的降低,溶解纸浆中包含的半纤维素增加,因此气体产生量增加。
纸浆F和纸浆G是将作为针叶树的溶解纸浆的纸浆A用12质量%和17.5质量%的NaOH水溶液处理得到的纸浆。面积收缩率方面,纸浆A为12.3%,与此相对纸浆F减少至3.2%、纸浆G减少至2.8%。另外,纸浆H是将作为阔叶树的溶解纸浆的纸浆E用17.5质量%的NaOH水溶液处理得到的纸浆。通过该处理,面积收缩率从纸浆E的13.0%减少为纸浆H的2.8%。因此可知:溶解纸浆通过用NaOH水溶液进行处理,晶体结构由纤维素I变化为纤维素II,从而碱性电解液中的收缩减少。
需要说明的是,通过对溶解纸浆进行碱处理,可以进一步减少溶解纸浆的半纤维素含量,可以进一步减少气体产生量。例如,α-纤维素含量方面,纸浆A为97.4%,与此相对纸浆F增加至98.1%、纸浆G增加至98.5%。同样地,气体产生量方面,纸浆A为118μl/g,与此相对纸浆F减少至114μl/g、纸浆G减少至112μl/g。这样,由于半纤维素含量的降低,对纸浆A进行了碱处理得到的纸浆F和纸浆G的气体产生量降低。
测定纸浆A、纸浆F及纸浆G的X射线衍射图案。
处理前的纸浆A为纤维素I的衍射图案。
用12质量%的NaOH水溶液进行了处理的纸浆F表现出纤维素I与纤维素II的混合的衍射图案。另外,纸浆G基本上表现出纤维素II的X射线衍射图案。
由以上结果可知,如表1所示,通过用NaOH水溶液等对纤维素I的晶体结构的溶解纸浆进行碱处理,变化为纤维素II的晶体结构,从而面积收缩率进一步减少。这样,若在隔膜中混配具有纤维素II的晶体结构的溶解纸浆,则上述气体产生量降低,并且能够降低隔膜在电解液中的尺寸收缩。
纸浆I~L为非木材的溶解纸浆。纸浆I是在酸性条件下用约150℃的蒸气对棉短绒进行蒸煮处理后进行碱法蒸解所制造的溶解纸浆。纸浆I的α-纤维素含量高至99.2%。普通的棉短绒纸浆的α-纤维素含量为98%左右,因而推测纸浆I基本上不存在半纤维素。
另外,纸浆J是利用同样的方法由剑麻制造的溶解纸浆,纸浆K是利用同样的方法由红麻制造的溶解纸浆。此外,纸浆L是以竹为原料、利用与木材溶解纸浆同样的硫酸盐法所制造的竹溶解纸浆。
需要说明的是,表1中虽未示出,但是除了上述化学纸浆外还对作为半纤维素物质的阿拉伯木聚糖和葡甘露聚糖也同样测定了氢气产生量。但是,这些半纤维素物质的氢气产生量为上述溶解纸浆的50倍以上,气体产生量过大,因此难以测定。由该结果认为,纸浆中包含的半纤维素使锌合金粉末的腐蚀增大。
[隔膜的物性和气体产生量试验]
接下来,作为混配于碱性电池隔膜中的纤维素纤维,使用表1中记载的纸浆A~N,制作了以下所示的实施例和比较例的碱性电池隔膜。需要说明的是,纸浆O为制纸用的普通纸浆,耐碱性显著变差,气体产生量也异常大,不适合于碱性电池用隔膜。因此,没能制作使用了纸浆O的隔膜。
(实施例1)
将表1中记载的纸浆G(对由针叶树得到的溶解纸浆A进行碱处理所得到的纸浆、α-纤维素含量为98.5%)50质量%打浆处理至CSF值为350ml。向该打浆后的纸浆中混合维纶纤维(纤度0.6dtex.纤维长3mm:Unitika Limited.制造的FFN纤维)40质量%和聚乙烯醇纤维(纤度1.1dtex.纤维长3mm:UnitikaLimited.制造的SML纤维)10质量%。利用倾斜短网抄纸机对该混合原料进行抄纸,得到厚度96.5μm、定量33.4g/m2、密度0.346g/cm3的隔膜。
(实施例2)
将纸浆G变更为纸浆F(对溶解纸浆A进行碱处理所得到的纸浆、α-纤维素含量为98.1%),除此以外与实施例1同样地进行,得到厚度95.3μm、定量32.9g/m2、密度0.345g/cm3的隔膜。
(实施例3)
将纸浆G变更为纸浆B(针叶树的溶解纸浆、α-纤维素含量为96.0%),除此以外与实施例1同样地进行,得到厚度91.0μm、定量33.0g/m2、密度0.363g/cm3的隔膜。
(实施例4)
将纸浆G变更为纸浆C(针叶树的溶解纸浆、α-纤维素含量为94.7%),除此以外与实施例1同样地进行,得到厚度90.1μm、定量33.2g/m2、密度0.368g/cm3的隔膜。
(实施例5)
将纸浆G变更为纸浆D(针叶树的溶解纸浆、α-纤维素含量为92.2%),除此以外与实施例1同样地进行,得到厚度89.8μm、定量33.1g/m2、密度0.369g/cm3的隔膜。
(比较例1)
将纸浆G变更为纸浆M(市售的针叶树的丝光化纸浆、α-纤维素含量为97.5%),除此以外与实施例1同样地进行,得到厚度87.3μm、定量32.9g/m2、密度0.377g/cm3的隔膜。
(实施例6)
将纸浆E(阔叶树的溶解纸浆、α-纤维素含量为97.6%)20质量%打浆处理至CSF值为500ml。向该打浆后的纸浆中混合维纶纤维(纤度0.6dtex.纤维长3mm:Unitika Limited.制造的FFN纤维)70质量%和聚乙烯醇纤维(纤度1.1dtex.纤维长3mm:Unitika Limited.制造的SML纤维)10质量%。利用圆网抄纸机对该混合原料进行抄纸,得到厚度100.7μm、定量33.1g/m2、密度0.329g/cm3的隔膜。
(实施例7)
使纸浆E为70质量%、维纶纤维为20质量%,除此以外与实施例6同样地进行,得到厚度93.2μm、定量33.2g/m2、密度0.356g/cm3的隔膜。
(实施例8)
将纸浆H(对溶解纸浆E进行碱处理所得到的纸浆、α-纤维素含量为98.3%)90质量%打浆处理至CSF值为500ml。向该打浆后的纸浆中混合维纶纤维(纤度0.6dtex.纤维长3mm:Unitika Limited.制造的FFN纤维)5质量%和聚乙烯醇纤维(纤度1.1dtex.纤维长3mm:Unitika Limited.制造的SML纤维)5质量%。利用圆网抄纸机对该混合原料进行抄纸,得到厚度84.6μm、定量32.5g/m2、密度0.384g/cm3的隔膜。
(比较例2)
使纸浆E为15质量%、维纶纤维为75质量%,除此以外与实施例6同样地进行,得到厚度111.4μm、定量33.4g/m2、密度0.300g/cm3的隔膜。
(比较例3)
将纸浆H 97质量%打浆处理至CSF值为500ml,混合聚乙烯醇纤维(纤度1.1dtex.纤维长3mm:Unitika Limited.制造的SML纤维)3质量%。利用圆网抄纸机对该混合原料进行抄纸,得到厚度82.5μm、定量32.8g/m2、密度0.398g/cm3的隔膜。
(实施例9)
将纸浆A(由针叶树得到的溶解纸浆、α-纤维素含量为97.4%)10质量%和天丝纤维(纤度1.7dtex.纤维长3mm:Lenzing Fibers Limited.的TENCEL纤维)10质量%混合后,打浆处理至CSF值为350ml。向该打浆后的原料中混合维纶纤维(纤度0.6dtex.纤维长3mm:Unitika Limited.制造的FFN纤维)70质量%和聚乙烯醇纤维(纤度1.1dtex.纤维长3mm:Unitika Limited.制造的SML纤维)10质量%。利用圆网抄纸机对该混合原料进行抄纸,得到厚度105.4μm、定量33.6g/m2、密度0.319g/cm3的隔膜。
(实施例10)
使纸浆A为30质量%、天丝纤维为20质量%、维纶纤维为40质量%,除此以外与实施例9同样地进行,得到厚度100.2μm、定量32.9g/m2、密度0.328g/cm3的隔膜。
(实施例11)
使纸浆A为30质量%、天丝纤维为40质量%、维纶纤维为20质量%,除此以外与实施例9同样地进行,得到厚度99.8μm、定量33.0g/m2、密度0.331g/cm3的隔膜。
(比较例4)
将纸浆A变更为纸浆M,除此以外与实施例10同样地进行,得到厚度93.6μm、定量33.2g/m2、密度0.355g/cm3的隔膜。
(实施例12)
将纸浆E 30质量%、人造丝纤维(纤度1.1dtex.纤维长4mm)30质量%、聚乙烯/聚丙烯复合纤维(纤度2.2dtex.纤维长5mm:Daiwabo Polytec Co.,ltd制造NBF(H)纤维)10质量%、维纶纤维(纤度1.1dtex.纤维长3mm:UnitikaLimited.制造的FGN纤维)20质量%、和聚乙烯醇纤维(纤度1.1dtex.纤维长3mm:Unitika Limited.制造的SMM纤维)10质量%混合。利用倾斜短网抄纸机对该混合原料进行抄纸,得到厚度321.0μm、定量71.5g/m2、密度0.223g/cm3的隔膜。
需要说明的是,纸浆E以未打浆的状态使用,其CSF值为730ml。实施例12的隔膜的厚度大,并且定量也大,因此是适合用于单1或单2型的大型碱性锰电池的隔膜。
(实施例13)
将纸浆F 75质量%打浆处理至CSF值为0ml。向该打浆原料中混合聚乙烯合成纸浆(三井化学株式会社制造的SWP EST-8)5质量%和聚乙烯醇纤维(纤度1.1dtex.纤维长2mm:Unitika Limited.制造的AH纤维)20质量%。利用长网抄纸机对该混合原料进行抄纸,得到厚度55.2μm、定量32.2g/m2、密度0.583g/cm3的隔膜。
(实施例14)
将天丝纤维(纤度1.7dtex.纤维长3mm:Lenzing Fibers Limited.的TENCEL纤维)30质量%打浆处理至CSF值为0ml。向该打浆后的原料中混合未打浆的纸浆E30质量%、维纶纤维(纤度0.6dtex.纤维长3mm:UnitikaLimited.制造的FFN纤维)30质量%和聚乙烯醇纤维(纤度1.1dtex.纤维长3mm:Unitika Limited.制造的SML纤维)10质量%。利用圆网-倾斜短网组合抄纸机对该混合原料进行抄纸,得到由2层层叠而成的厚度85.4μm、定量31.2g/m2、密度0.365g/cm3的隔膜。
(实施例15)
将纸浆I(非木材的棉短绒溶解纸浆)40质量%打浆处理至CSF值为200ml,混合人造丝纤维(纤度1.1dtex.纤维长3mm)20质量%、维纶纤维(纤度0.6dtex.纤维长2mm:Unitika Limited.制造的FFN纤维)30质量%、以及聚乙烯醇纤维(纤度1.1dtex.纤维长3mm:Unitika Limited.制造的SML纤维)10质量%。利用圆网抄纸机对该混合原料进行抄纸,得到厚度103.5μm、定量33.2g/m2、密度0.321g/cm3的隔膜。
(实施例16)
将纸浆J(非木材的剑麻溶解纸浆)40质量%打浆处理至CSF值为400ml,混合维纶纤维(纤度0.6dtex.纤维长2mm:Unitika Limited.制造的FFN纤维)50质量%和聚乙烯醇纤维(纤度1.1dtex.纤维长3mm:Unitika Limited.制造的SML纤维)10质量%。利用圆网抄纸机对该混合原料进行抄纸,得到厚度102.6μm、定量33.5g/m2、密度0.327g/cm3的隔膜。
(实施例17)
将纸浆K(非木材的红麻溶解纸浆)40质量%打浆处理至CSF值为300ml,混合维纶纤维(纤度0.6dtex.纤维长2mm:Unitika Limited.制造的FFN纤维)50质量%和聚乙烯醇纤维(纤度1.1dtex.纤维长3mm:Unitika Limited.制造的SML纤维)10质量%。利用圆网抄纸机对该混合原料进行抄纸,得到厚度96.8μm、定量32.6g/m2、密度0.337g/cm3的隔膜。
(实施例18)
将纸浆L(非木材的竹溶解纸浆)30质量%打浆处理至CSF值为180ml,混合维纶纤维(纤度0.6dtex.纤维长2mm:Unitika Limited.制造的FFN纤维)40质量%、未打浆的天丝纤维(纤度1.7dtex.纤维长3mm:Lenzing Fibers Limited.的TENCEL纤维)20质量%、以及聚乙烯醇纤维(纤度1.1dtex.纤维长3mm:Unitika Limited.制造的SML纤维)10质量%。利用圆网抄纸机对该混合原料进行抄纸,得到厚度110.0μm、定量32.8g/m2、密度0.298g/cm3的隔膜。
(比较例5)
将纸浆N(丝光化黄麻纸浆)40质量%打浆处理至CSF值为300ml,混合维纶纤维(纤度0.6dtex.纤维长2mm:Unitika Limited.制造的FFN纤维)50质量%和聚乙烯醇纤维(纤度1.1dtex.纤维长3mm:Unitika Limited.制造的SML纤维)10质量%。利用圆网抄纸机对该混合原料进行抄纸,得到厚度97.5μm、定量32.4g/m2、密度0.332g/cm3的隔膜。
将上述实施例1~实施例18及比较例1~比较例5的隔膜的各种测定数据示于表2。
上述各实施例和比较例的隔膜的各测定值利用以下方法进行测定。
(1)按照CSF(加拿大标准游离度、Canadian Standard Freeness)JIS P 8121中规定的加拿大标准型的方法进行测定。
(2)厚度
将两张隔膜重叠在一起,使用刻度盘式测厚仪以均等的间隔测定厚度,求出其1/2作为每一张的厚度,进而以测定处的平均值作为隔膜的厚度。
(3)定量
测定隔膜的面积和质量,求出隔膜的每(m2)的质量(g)。
(4)湿润强度
从隔膜上沿纵向截取宽15mm的试验片,将试验片浸渍于40%KOH水溶液中后,用滤纸等吸干附着于试验片上的多余的40%KOH水溶液。按照JIS P 8113中规定的方法测定该用40%KOH水溶液湿润后的试验片的拉伸强度,作为隔膜的湿润强度。
(5)保液率
将隔膜切割成50mm×50mm的正方形并测定干燥后的质量,之后在40%KOH水溶液中浸渍10分钟。将该试验片直接贴附于以45度的角度倾斜的玻璃板上并固定3分钟,使过剩的40%KOH水溶液流下而除去,以该状态测定保液后的试验片的质量,通过下式计算出保液率。
保液率(%)=(W2-W1)/W1×100
W1=浸渍前的质量
W2=浸渍后的质量
(6)尺寸变化率和面积收缩率
沿着纵向(MD)、横向(CD)正确地将隔膜切割成100mm×100mm的正方形,正确地测定纵向和横向的长度后,在40%KOH水溶液中浸渍30分钟。浸渍后,正确地测定隔膜的纵向和横向的长度,根据下式求出隔膜的纵向和横向的尺寸变化率。
尺寸变化率(%)={(A1-A2)/A1}×100
A1=浸渍前的长度
A2=浸渍后的长度
需要说明的是,在尺寸变化率的测定值为正的情况下,表示隔膜的收缩率。另外,隔膜的面积收缩率是纵向与横向的尺寸收缩率之和的值。
(7)气密度
在JIS P 8117(纸和板纸的透气度试验方法)的B型测定器的试验片安装部分安装直径6mm的孔径的节流孔,测定100ml空气通过隔膜的直径6mm的面积(28.26mm2)的部分所需要的时间(秒/100ml)。
(8)电阻
在浸渍于40%KOH水溶液中的以约2mm间隔平行的铂电极(镀铂黑的直径20mm的圆板形电极)之间插入隔膜,将伴随该插入而在电极间增加的电阻作为隔膜的电阻。需要说明的是,电极间的电阻使用LCR测量仪以1000Hz的频率进行测定。本测定方法被称为电阻,但是为测定电解液(40%KOH水溶液)中的隔膜的离子电阻的方法。
(9)氢气产生量
向市售的添加了铝(Al)、铋(Bi)及铟(In)的碱性锰电池负极用的锌合金粉末中加入隔膜和KOH电解液(溶解氧化锌),在70℃下放置10天并测定所产生的氢气量(相对于1g锌产生的氢气的容积μl)。需要说明的是,各纸浆测定时,按照以质量比计为1:0.05:1称取一定量的锌合金粉末:隔膜:KOH电解液,使用类似日本特开2008-171767号公报中公开的图2的装置来测定气体产生量。
[表2]
接下来,对上述实施例和比较例的隔膜进行研究。
(α-纤维素含量)
如表2所示,实施例1~5和比较例1的隔膜的纤维素纤维由针叶树纸浆构成,使纸浆的含量为50%,对各隔膜的物性进行了比较。
使用了α-纤维素含量为98.5%的纸浆G的实施例1的隔膜的气体产生量为82μl/g。与此相对,使用了α-纤维素含量为96.0%的纸浆B的实施例3的隔膜的气体产生量为95μl/g。此外,使用了α-纤维素含量为92.2%的纸浆D的实施例5的隔膜的气体产生量为110μl/g。
由该结果可知,随着溶解纸浆的α-纤维素含量的降低,隔膜中的半纤维素含量增加,因此气体产生量增加。另外,随着溶解纸浆的α-纤维素含量的降低,具有隔膜的湿润强度增加、保液率减少的倾向。
另一方面,使用了作为市售的丝光化纸浆的纸浆M的比较例1,其隔膜的气体产生量为140μl/g。可知尽管纸浆M的α-纤维素含量高至97.5%,但是比较例1的隔膜的气体产生率更大。这样,使用了溶解纸浆以外的丝光化纸浆的隔膜即使α-纤维素含量高,在丝光化处理中无法除去的半纤维素也会残留,因此气体产生量增加。
(晶体结构)
实施例3~5为使用了具有纤维素I的晶体结构的针叶树的溶解纸浆的隔膜。这些隔膜的面积收缩率为1.9%~2.1%。
另一方面,使用了用17.5%NaOH对纸浆A进行碱处理而具有纤维素II的晶体结构的纸浆G的实施例1的隔膜中,面积收缩率为0.5%。另外,使用了用12%NaOH对纸浆A进行碱处理而包含纤维素I和纤维素II的晶体结构的纸浆F的实施例2,其隔膜的面积收缩率为0.7%。
由该结果可知,通过将一部分具有纤维素II的晶体结构的溶解纸浆用于隔膜,可以减小隔膜在电解液中的尺寸收缩。
(溶解纸浆的混配量)
实施例6~8和比较例2~3表示使用阔叶树的溶解纸浆,并且使溶解纸浆的混配率变化的隔膜的物性值。
实施例6是混配了20质量%纸浆E的隔膜,实施例7是混配了70质量%纸浆E的隔膜。另外,比较例2是混配了15质量%的相同的纸浆E的隔膜。比较例2的隔膜中,纸浆的混配率少至15质量%,因此湿润强度大至21.3N/15mm,保液率少至360%。这样可知:由于纤维素纤维的含量少,因此主要构成隔膜的维纶纤维被抄纸时溶解的易溶性聚乙烯醇纤维牢固地粘接。另外,比较例2的隔膜的气密度小至1.0秒,隔膜的遮蔽性差。
与此相对,使纸浆E的混配率为20质量%的实施例6中,隔膜的湿润强度降低为17.6N/15mm,并且保液率增加为420%、气密度增加为3.0秒/100ml。此外,使纸浆E的混配率为70质量%的实施例7中,湿润强度降低为10.5N/15mm,并且保液率增加为450%、气密度增加为7.2秒/100ml。
此外,实施例7的隔膜的面积收缩率为2.5%,与比较例2的隔膜的0.3%以及实施例6的0.5%相比,隔膜的面积收缩较大。这样,可知:混配了70质量%具有纤维素I的晶体结构的纸浆E的实施例7的隔膜在电解液中的尺寸收缩大。
实施例8是混配了90质量%基本上为纤维素II的晶体结构的纸浆H的隔膜。实施例8的隔膜的面积收缩率为2.3%。与混配了纤维素I的晶体结构的纸浆E 70质量%的实施例7的隔膜相比,尽管实施例8的隔膜的溶解纸浆的混配率增加为90质量%,但是面积收缩率比实施例7降低。
由该结果可知,通过包含纤维素II的晶体结构的溶解纸浆,隔膜的面积收缩率降低。并且,在隔膜中仅混配纤维素I的晶体结构的溶解纸浆的情况下,优选使溶解纸浆的混配量为70质量%以下。并且,在混配超过70质量%的溶解纸浆的情况下,优选包含具有纤维素II的晶体结构的溶解纸浆。
比较例3是混配了97质量%纸浆H的隔膜。比较例3的隔膜的湿润强度为4.0N/15mm,另外,面积收缩率为3.7%。这与实施例相比湿润强度小、面积收缩率大。因此,比较例3的隔膜在运输时或下降时对电池施加冲击的情况下,隔膜破损的可能性高。
(再生纤维素纤维)
实施例9~11是将溶解纸浆与作为再生纤维素纤维的天丝纤维混合而作为纤维素纤维使用的隔膜。实施例9的隔膜中,将溶解纸浆10质量%和天丝纤维10质量%混配,总计包含20质量%的纤维素纤维。实施例10将溶解纸浆30质量%和天丝纤维20质量%混配,总计包含50质量%的纤维素纤维。
对纤维素纤维的混配率同样为20质量%的实施例9与实施例6进行比较,实施例6的隔膜的保液率为420%,与此相对混配了天丝纤维的实施例9的隔膜的保液率提高为440%。
另外,对纤维素纤维混配率同样为50质量%的实施例10与实施例1~5进行比较,实施例1~5的隔膜的保液率为410%~430%,与此相对实施例10的隔膜的保液率增加为500%。这样可知,通过在隔膜中混配作为再生纤维素纤维的天丝纤维,隔膜的保液率增加。
此外,实施例6的隔膜的电阻为12.5mΩ,与此相对实施例9的隔膜的电阻降低为10.6mΩ。另外,实施例1~5的隔膜的电阻为13.4mΩ~15.5mΩ,与此相对实施例10的隔膜的电阻降低为11.8mΩ。由该结果可知,通过混配天丝纤维,隔膜的电阻降低。
通常而言,若隔膜的保液率增加,电阻减少,则能够用于放电反应的电解液增加,电池的内阻减少。因此,通过使用混配了天丝纤维的隔膜,能够提高电池的放电特性。
另外,实施例11的隔膜混配了溶解纸浆30质量%和天丝纤维40质量%,总计包含70质量%的纤维素纤维。
若在隔膜中混配溶解纸浆和再生纤维素纤维作为纤维素纤维,则可得到电解液的保液率大的隔膜。但是,若隔膜的电解液保液率增大,则必然地隔膜在电解液中溶胀,厚度增加。特别是,若含有超过隔膜的60质量%的再生纤维素纤维,则隔膜的保液率变得过大,因此隔膜由于溶胀而在电池内部所占的容积增大。因此,在单3或单4型等的小型电池中需要减少活性物质量而难以提高电池性能。因此,优选相对于隔膜质量使溶解纸浆为10质量%~50质量%、再生纤维素纤维为10质量%~40质量%、以及剩余部分为耐碱性合成纤维而构成隔膜。
比较例4使用作为一直以来使用的市售的丝光化纸浆的纸浆M,按照与实施例10的隔膜的溶解纸浆的纸浆A相同的混配量构成了隔膜。
实施例10的隔膜的气体产生量为90μl/g,与此相对比较例4的隔膜的气体产生量增加为130μl/g。由该结果可知,通过在隔膜中使用溶解纸浆以外的市售的丝光化纸浆,锌合金粉末的腐蚀增加。
(打浆处理)
实施例12的隔膜是将未打浆的阔叶树的溶解纸浆和人造丝纤维用作纤维素纤维的隔膜,厚度为321μm,定量为71.5g/m2。另外,保液率大至780%。
如实施例12的隔膜那样,厚的隔膜在电池内部隔膜所占的容积大,因此作为单3、单4型的小型碱性电池的隔膜不合适。实施例12这样的厚的隔膜是适合于单1、单2型的大型碱性锰电池的隔膜。实施例12的隔膜的气密度低至1.0秒/100ml,隔膜的厚度厚至321μm,因此难以发生枝晶导致的电池的内部短路。
另外,实施例13的隔膜包含CSF为0ml的高打浆的溶解纸浆。实施例13的隔膜的密度高至0.583g/cm3,并且气密度大至2000秒/100ml以上。因此,是枝晶的阻止效果特别优异的遮蔽性高的隔膜。
实施例14是利用圆网-倾斜短网组合抄纸机对包含CSF为0ml的高打浆的天丝纤维与未打浆的溶解纸浆的原料进行抄纸从而由2层层叠而成的隔膜。实施例14的隔膜通过混配未打浆的溶解纸浆,尽管气密度高至50.5秒/100ml,但是电阻却低至12.5mΩ。
另外,通过进行层叠,可得到与单层相比更均质的隔膜。
(非木材溶解纸浆)
实施例15~18是使用了非木材的溶解纸浆的隔膜。
实施例15的隔膜将α-纤维素含量为99.2%的棉短绒溶解纸浆和人造丝纤维作为纤维素纤维进行混配,包含总计为60质量%的纤维素纤维。
另外,实施例16的隔膜混配了40质量%剑麻溶解纸浆作为纤维素纤维,实施例17的隔膜混配了40质量%红麻溶解纸浆作为纤维素纤维。
实施例18是混配了竹溶解纸浆30质量%和未打浆的天丝纤维20质量%作为纤维素纤维的隔膜。
实施例9~11的隔膜使用了将天丝纤维与溶解纸浆混合并进行打浆处理所得到的纤维素纤维。另外,实施例18的隔膜未对天丝纤维进行打浆而使用。
未打浆的天丝纤维与打浆后的天丝纤维相比具有纤维的刚性大的特征,若混配于隔膜中则厚度方向的耐压缩性提高。因此,若混配未打浆的天丝纤维,则隔膜的厚度方向的耐压缩性提高,即使在碱性电池的放电末期隔膜被活性物质的反应产物(体积的增加)压迫的情况下,隔膜中包含的电解液也难以丧失,电池寿命提高。
比较例5的隔膜混配了40质量%的将制纸用的黄麻纸浆丝光化的纸浆。与混配了针叶树的丝光化纸浆的比较例1的隔膜同样地,比较例5的隔膜的气体产生量大至138μl/g。这是因为,即使将制纸用的化学纸浆丝光化,难溶于碱性液的半纤维素也残留于纸浆中。可以认为,通过纸浆中的半纤维素,负极活性物质的腐蚀被促进,气体产生量增加。
[电池的特性试验]
接下来,使用表2中记载的各实施例和比较例的隔膜,将正极活性物质与负极活性物质隔离,制作各30个图1所示的结构的单3型筒型碱性锰电池(LR-6)。
图1所示的碱性锰电池1具有有底筒状的正极罐2,在一端部形成有正极端子2a。该正极罐2内压入有由二氧化锰和石墨构成的圆筒状的正极合剂3。在卷绕成筒状的隔膜4的内侧填充有将未添加汞的锌合金粉末分散、混合于凝胶状电解液中而成的凝胶状负极5。此外,具备负极集电体6以及封闭正极罐2的开口部的树脂制封口体7,在树脂制封口体7处,兼作负极端子的负极端子板8与负极集电体6的头部进行了焊接。卷绕成筒状的隔膜4的正极端子侧被底纸9密封,防止凝胶状负极5与正极罐2接触。另外,树脂外装材料10在使正极端子2a和负极端子板8露出的状态下紧贴正极罐2的外表面而进行包装。
筒型碱性锰电池1具体地通过下述方法进行制造。
首先,将各隔膜4卷绕制作隔膜圆筒,使该圆筒紧贴正极的圆筒内壁,接下来塞入底纸,将隔膜4的圆筒的正极端子2a侧密封。注入电解液后,注入凝胶状负极5至规定位置,插入安装有负极集电体6的树脂制封口体7,将正极罐2的端部铆接固定,从而制作碱性锰电池。隔膜4的卷绕次数为2次。需要说明的是,隔膜有纵向和横向,但本次制作的碱性锰电池中,将隔膜的纵向卷绕成圆筒并插入正极,因此隔膜的横向位于连结电池的正极端子与负极端子板的方向。
(电池的运输试验)
对于通过上述方法制作的碱性锰电池,实施了运输试验。
关于运输试验,在制作碱性锰电池后以装箱的状态装载于卡车上并在约1000km的区间运输。运输后进一步放置1周。其后,测定碱性锰电池的开路电压,将电压下降至1.5V以下的碱性锰电池作为不良电池,调查发现不良电池的各实施例和各比较例的隔膜。
需要说明的是,刚制作后所测定的碱性锰电池的开路电压均为1.6V以上。在该运输试验中未出现不良电池的隔膜记为○,发现1个以上不良电池的隔膜记为×,并记载于表3中。
(电池的放电特性)
对于运输试验中未出现不良电池的各实施例和比较例的各10个碱性锰电池,进行低温轻负载放电试验、重负载放电试验、以及保存后放电容量的测定,将结果示于表3。
需要说明的是,实施例12的隔膜对于单3型的碱性锰电池(LR-6)而言过厚,需要减少负极凝胶的量,无法比较电池的放电性能,因而只能止于运输试验,被排除在放电试验之外。
放电试验的测定方法如下所述。
(1)低温轻负载放电试验
将碱性锰电池于0℃连接于300Ω的电阻,连续放电至终止电压为1.0V,调查放电时间为规定时间以下的短寿命的电池的个数。需要说明的是,供于试验的电池为各10个。该低温轻负载放电试验为容易发生由导电性的锌氧化物导致的电池短路的试验条件。
(2)重负载放电试验
在室温下以1000mA的恒定电流对碱性锰电池进行放电,测定至终止电压1.0V为止的放电时间(分钟)。需要说明的是,供于试验的电池为各10个,求出该10个电池的平均值。
(3)保存后放电容量
将碱性锰电池在60℃下保存2个月后,于室温下以350mA的恒定电流放电至终止电压为0.9V为止,测定放电容量(mAh)。需要说明的是,供于试验的电池为各10个,求出该10个电池的平均值。
[表3]
(运输试验)
根据表3所示的运输试验的结果,仅在比较例3中确认到电压降低的电池,但是其它实施例和比较例的电池维持了1.5V以上的电压,完全未确认到不良电池。
将电压降低的比较例3的不良电池分解而进行了调查,结果在用树脂制封口体固定的隔膜端部确认到破裂,填充于隔膜内部的负极凝胶在正极侧溢出,确认到短路的部分。这被认为是由于比较例3的隔膜的纤维素纤维含量高至97%,合成纤维少,因而湿润强度低至4.0N/15mm,并且尺寸收缩在隔膜的横向也大至2.2%,电池内部的隔膜会因运输时对电池施加的冲击而破损。
另一方面,实施例8的隔膜的纤维素纤维的含量为90%,湿润强度为6.5N/15mm。另外,实施例13的隔膜的纤维素纤维的含量为75%,湿润强度为5.5N/15mm。在使用了该实施例8和实施例13的隔膜的电池中未确认到不良。由该结果可认为,若隔膜的湿润强度为5N/15mm以上,即使在运输等中对电池施加冲击,也能够防止内部短路。
(低温轻负载放电试验)
接下来,对除比较例3和实施例12外的电池实施了放电试验。放电试验的结果,比较例2的电池出现了短寿命的电池。与此相对,其它实施例和比较例的电池未出现短寿命的电池。
比较例2的电池使用了气密度最小至1.0秒/100ml的隔膜。因此,隔膜的遮蔽性差,认为在低温轻负载放电试验中发生了锌氧化物的枝晶导致的短路。
另一方面,在实施例6的电池中未出现短寿命的电池。即,在使用了气密度为3.0秒/100ml的隔膜的实施例6的电池中,未出现短寿命的电池,由该结果可知,若隔膜的气密度为3.0秒/100ml以上,则能够防止枝晶导致的短寿命。
需要说明的是,本实施方式例的碱性电池将隔膜的卷绕数设为2次而进行了试验,若进一步增加隔膜的卷绕数,则正极与负极的间隔增大,即便是气密度低于3.0秒/100ml的隔膜也难以出现短寿命的电池。因此,本实施方式的隔膜的气密度不限定于3.0秒/100ml以上。
(重负载放电试验)
接下来,由重负载放电试验的结果可知,使用了纤维素纤维含量少至15%、湿润强度最大至21.3N/15mm的隔膜的比较例2的电池的放电时间最短,为25分钟。比较例2的电池中,隔膜的纤维素纤维含量低至15%,因此作为隔膜的主要成分的维纶纤维被溶解性聚乙烯醇纤维牢固地粘接,电解液的保液量少,因此认为电池的放电时间变短。需要说明的是,比较例2的隔膜的易溶性聚乙烯醇纤维的混配率为10质量%。在使易溶性聚乙烯醇纤维的混配率超过20质量%的情况下,隔膜的湿润强度进一步增加。另外,隔膜的孔会被抄纸时溶解的过量的易溶性聚乙烯醇堵塞。因此,隔膜的保液率进一步降低,并且隔膜的电阻显著增加。使用了这样的隔膜的电池的重负载放电特性进一步恶化。
另外,若对纤维素纤维的混配率同样为50质量%的实施例10和实施例18的电池与实施例1~5的电池的重负载放电试验结果进行比较,实施例10和实施例18的电池的放电时间为35分钟~36分钟,与此相对,实施例1~5的电池的放电时间为31分钟~32分钟。实施例10和实施例18的电池在隔膜中混配有天丝纤维。由该结果可知,通过使用混配有天丝纤维等再生纤维素纤维的隔膜,隔膜的保液率增加,电池的重负载放电性能提高。
(保存后放电容量)
此外,关于将所制作的电池在60℃下保存2个月后所测定的放电容量,实施例1~11和实施例13~18的电池中为830mAh~900mAh。与此相对,使用了含有现有的丝光化纸浆的隔膜的比较例1、比较例4及比较例5的电池中放电容量为710mAh、740mAh及720mAh。由该结果可知,使用了含有现有的丝光化纸浆的隔膜的比较例的电池中容量降低。
比较例1、比较例4及比较例5的电池中使用的隔膜包含半纤维素含量大的丝光化纸浆。因此认为,通过在电池的保存中溶出到电解液中的半纤维素,负极的锌合金粉末的腐蚀被促进,电池的放电容量降低。
需要说明的是,虽未记载于实施例中,但使用α-纤维素含量为91.0%的针叶树的溶解纸浆并按照与实施例1~5相同的原料配比试制了几乎相同厚度、定量的隔膜,制作了相同规格的单3电池,测定了放电容量。该使用了91.0%的α-纤维素含量的溶解纸浆的隔膜的放电容量为790mAh。另一方面,隔膜中包含的溶解纸浆的α-纤维素含量为92.2%的实施例5的电池的放电容量为840mAh。因此,隔膜中使用的溶解纸浆的α-纤维素含量优选为92%以上。
需要说明的是,在上述实施方式和实施例中,用筒型碱性锰电池实施了隔膜的电池试验,但本发明的隔膜不限于筒型碱性锰电池,也可以用于作为纽扣型电池的氧化银电池等碱性电池。
作为纽扣型电池的氧化银电池的隔膜对于作为正极活性物质的氧化银的氧化力具有耐性,可防止银离子向负极移动,并且需要保持对于产电反应充分的电解液。因此,在氧化银电池中通常使用将耐氧化性优异的接枝聚合的聚乙烯膜、阻止银离子移动优异的玻璃纸膜以及电解液的保液性优异的保液体组合而成的隔膜。
在将本发明的隔膜用于氧化银电池的情况下,特别优选作为在隔膜中与负极接触的保液体使用。
近年来,氧化银电池等纽扣型电池也在进行负极的无汞化,通过使用本发明的隔膜,可容易地制作气体产生被抑制、不发生电池壳的膨胀等不良情况的纽扣型电池。
附图标记翻译
1碱性锰电池、2正极罐、2a正极端子、3正极合剂、4隔膜、5凝胶状负极、6负极集电体、7树脂制封口体、8负极端子板、9底纸、10树脂外装材料。

Claims (5)

1.一种碱性电池用隔膜,所述隔膜夹设于碱性电池的正极与负极之间,用于将两极的活性物质隔离,所述隔膜中包含20质量%~90质量%的纤维素纤维,剩余部分由耐碱性合成纤维构成,所述纤维素纤维中包含溶解纸浆。
2.根据权利要求1所述的碱性电池用隔膜,其特征在于,所述纤维素纤维包含所述溶解纸浆和再生纤维素纤维。
3.根据权利要求2所述的碱性电池用隔膜,其特征在于,所述再生纤维素纤维为有机溶剂系纤维素纤维。
4.根据权利要求1~3的任一项所述的碱性电池用隔膜,其中,所述溶解纸浆的α-纤维素含量为92%以上。
5.一种碱性电池,其特征在于,其为用隔膜隔离了正极活性物质与负极活性物质的碱性电池,使用了权利要求1~4的任一项所述的碱性电池用隔膜作为所述隔膜。
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