CS208945B1 - Separátor pro sekundární elektrochemické zdroje proudu - Google Patents

Description

(54) Separátor pro sekundární elektrochemické zdroje proudu

Vynález se týká oddělení elektrod sekundárních elektrochemických zdrojů proudu kombinovaných vícevrstvým separátorem.

Separátory pro elektrické akumulátory zajišťují nevodivé oddělení elektrod opačné polarity, udržující mechanicky rozteč povrchů elektrod a zamezují vzniku vodivého propojení (svodu nebo zkratu) mezi povrchy elektrod opačné polarity jemnými částicemi aktivní hmoty, které se uvolňují během života akumulátoru.

Nevodivost se dosahuje použitím vhodných nevodivých materiálů, jako je např. polyvinylchlorid, polyetylén, polypropylen, polyestery, pryž a podobně, které současně musí vyhovovat podmínce stálosti ve funkčním prostředí příslušného systému akumulátoru (olověný nebo alkalický), tj. kyselinovzdomosti nebo louhovzdomosti a oxidační odolnosti.

Mechanická pevnost separátorů se dociluje vhodným tvarováním, např. žebrováním prolisy nebo tyčinkami. Současně velikost žebrování nebo prolisů, u tyčinek průměr slouží k regulaci potřebné· celkové tloušťky separátorů jako celku. Mechanická pevnost se vyžaduje pro velmi široký rozsah teplot. Z funkčního hlediska akumulátoru je obvyklé rozmezí -40 °C až +70 °C. V řadě případů z hlediska technologie výroby akumulátorů je požadovaná teplotní odolnost až do 100 °C i více.

Vzniku vodivého spojení mezi povrchy elektrod brání filtrační vlastnosti separátorů, kterých se dosahuje vhodnou mikroporesitou vlastní separační vrstvy. Velikost pórů se pohybuje u různých druhů separátorů od jednotek až do desítek mikrometrů. Velikostí pórů a tloušťkou vlastní separační vrstvy jsou dány další důležité parametry, tj. objemová poresita, která se pohybuje podle druhu od 40 % do 80 %, a elektrolytický a difuzní odpor.

Všechny tyto vlastnosti určují chování příslušného druhu separátorů v akumulátoru a mají tak význačný vliv na jeho vlastnosti.

Podle toho existuje celá řada druhů separátorů, a to jak z hlediska vlastností, tak způsobu výroby, které jsou používány pro odpovídající druhy akumulátorů. Tak např. pro olověné startovací akumulátory jsou používány separátory na bázi impregnovaného papíru s prolisy nebo tyčinkami, separátory mikropórezní sintrované z polyvinylchloridu žebrované nebo vlnité, separátory impregnované z papíru kombinované s nanesenou vrstvou slinutého polyvinylchloridu s vytvarovanými žebry, separátory mikropóresní z polyvinylchloridu, připravované kalandrováním směsí z roztoků polyvinylchloridu v organických rozpouštědlech a pórotvomých přísad rozpustných (např. hydrouhličitan sodóý NaHCO₃, uhličitan sodný Na₂CO₃) ^{208 943} nebo inertních (křemelina), u kterých po odstranění rozpouštědla a pórotvomých přísad se docílí požadovaná mikropórezita. Pro řadu účelů se používá i mikropórezních separátorů ve formě jednotlivých hladkých fólií. Pro alkalické akumulátory se využívají separátory mající za úkol bud jen mechanické oddělení elektrod, jako jsou tyčinky, sítě a perforovaná hladká nebo vlnitá fólie, nebo separátory mající i filtrační vlastnosti, jako jsou tkané nebo netkané textilie, nebo fólie z regenerované celulózy (celofán).

Nový druh separátoru podle vynálezu používá pro jednotlivé funkce separátoru jednotlivé funkčně specializované prvky, spojené vhodným způsobem do konečného provedení separátoru.

Podstatou vynálezu je separátor pro šekundámí elektrochemické zdroje proudu tvořený několika vrstvami, jehož nosná vrstva určující mechanické vlastnosti je od povrchu jedné, nebo obou elektrod oddělená filtrační vrstvou.

Základním prvkem je nevodivý nosič z vhodného materiálu, odolného v prostředí akumulátoru s otvory vytvořenými pravoúhlým nebo kosočtvercovým křížením plastových vláken, nebo perforací plastové fólie, případně v kombinaci s vydloužením (tahoplast) nebo v kombinaci se zvlněnou perforovanou fólií z polyvinylchloridu. Pro tento účel jsou použitelné např. stříhané síťoviny nebo mřížky z polypropylenu nebo polyetylénu, tahoplasty nebo vhodné perforované fólie z polyvinylchloridu. Podle účelu použití se volí vhodná tloušťka a velikost otvorů v rozmezí tlouštěk od 0,2 mm do 5 mm a velikost otvorů od 0,05 mm² do 2,5 mm².

Druhým prvkem je vrstva potřebných filtračních vlastností, která je přiložena z jedné nebo obou stran základního nosiče a tak zabraňuje přímému styku nosiče s povrchem elektrod. Vlastnosti této filtrační vrstvy podle účelu použití lze volit ve velmi širokém rozsahu, za použití např. vhodných plastových tkanin přes rohože plastových nebo skelných vláken až po mikroporesní fólie, připravované známými způsoby pro účely separátorů pro akumulátory.

Základní výhodou separátoru podle vynálezu je to, že umožňuje kombinaci několika vrstev specifických vlastností do jednoho celku tak, že vlastnosti jedné není nutno podřizovat vlastnostem druhé. Nosná vrstva má minimální elektrický a difúzní odpor a může být místem pro uložení dostatečné zásoby elektrolytu, naopak filtrační vrstva může být libovolně tenká, takže rezultuje separátor v podstatě s lepšími vlastnostmi.

Jako základní nosič je možno použít skládaných polyetylenových rohoží, skelných rohoží, plastových tkanin, např. polyamidových nebo netkaných textilií polypropylenových nebo polyesterových nebo jejich vzájemných kombinací, nebo kombinací s viskozou.

Jako mikroporesních vrstev je možno užívat slabých vrstev obvyklých u různých typů separátorů např. vrstvy impregnované papíroviny, sintrovaného polyvinylchloridu, mikropórezní pryže a podobně. Použití velmi slabých vrstev je výhodné, neboť takovou vrstvou je možno příznivě ovlivnit i hodnotu elektrolytického a difuzního odporu separátoru.

Použití slabých vrstev je umožněno faktem, že tato vrstva, na rozdíl od běžných separací, není u separátoru podle vynálezu nositelem mechanických vlastností.

V případě potřeby skýtá tento druh separátoru využití možnosti vlastního prostoru nosiče pro uložení specificky působících látek, např. látek, zvyšujících filtrační vlastnosti (výplň mikropóresní látkou) nebo látek se separačními vlastnostmi, které bud vážou nežádoucí sloučeniny (silikagel nebo křemelina pro snížení otravy záporné elektrody antimonem), nebo regulují koncentraci látek, působících jako expandery při pochodech na záporné elektrodě.

Dvě nebo více základních vrstev separátoru je spolu spojeno bud jen po obvodě separátoru průběžně nebo přerušovaně, nebo v některých místech pravidelně rozložených po ploše, případně po celé dotykové ploše vrstev. Spojení je realizováno buď svářením, natavením, lepením nebo jiným vhodným procesem.

Jednotlivé prvky u separátoru tohoto typu působí následovně:

Základní nosič reguluje svými vlastnostmi mechanickou pevnost·, celkovou tloušťku a tepelnou odolnost separátoru jako celku. Zároveň, což je mimořádně důležité u olověných akumulátorů, tvoří otvory nosiče prostor pro dostatečnou zásobu elektrolytu. Přiložené filtrační vrstvy k nosiči určují elektrolytický odpor, schopnost zachycování kalu aktivní hmoty a u některých speciálních druhů elektrod současně zajišťují potřebné rozložení tlaku na povrch elektrod a zamezují vtlačení nosiče do aktivní hmoty.

Podle potřeby a účelu použití, např. z hlediska druhu elektrod (olověných nebo alkalických akumulátorů) je možné volit i řadu kombinací, např. použít dvou nebo více základních nosičů uložených paralelně a filtrační vrstvy uložit mezi ně. Tyto kombinace umožňují uzpůsobení separátoru jako celku některým zvláštním požadavkům u různých druhů elektrod, např. zvýšení prostoru pro elektrolyt elektrod jedné polarity nebo rovnoměrnosti rozložení tlaku na povrch elektrody a podobně. Např. u separátoru opatřeného oboustranně filtrační vrstvou, částice aktivní hmoty po eventuálním průniku se ukládají v prostoru otvoru nosiče a v dalším průniku k elektrodě opačné polarity jim brání protilehlá filtrační vrstva. Této okolnosti lze s výhodou využít např. u olověných akumulátorů, kde převážně mechanickému opotřebení podléhá během funkce elektroda kladná.

U olověného akumulátoru s elektrodami s aktivními hmotami s přídavky plastových vláken, které vykazují obecně snížené kalovní kladné hmoty, je možné použít filtračních vrstev s úměrně nižší filtrační schopností a podobně. Možnost uložení specificky působících látek v prostoru otvorů nosí3 če je velmi výhodné v případě potřeby zvýšení některého z požadovaných parametrů separátoru, jak bylo již zmíněno.

Jako praktický příklad použití je možno uvést:

1. Separátor pro olověný startovací akumulátor, kde je základní nosič realizován síťovinou z polypropylenu s velikosti otvorů 2x2 mm o průměru vláken 0,5 mm v jednom a 0,6 mm v druhém směru a celkové tloušťce 1,1 mm opatřený jednostranně skelnou rohoží tloušťky 0,6 mm, tj. celková tloušťka 1,7 mm.

2. Separátor pro alkalický akumulátor Ni/Cd s plastem pojenými elektrodami, kde je základní nosič realizován síťovinou z polypropylenu o velikosti otvorů a tloušťce vláken jako v případě 1, opatřený oboustranně nebo jednostranně silonovou tkaninou tloušťky 0,06 mm.

3. Separátor pro alkalický niklkadmiový akumulátor s plastem pojenými elektrodami, kde základní nosič je shodný s příkladem 1 a 2, opatřený oboustranně nebo jednostranně vetkanou textilií.

4. Separátor pro olověný stratovací akumulátor, kde je základní nosič realizován síťovinou z polypropylenu jako v příkladě 1, obostranně opatřený filtrační vrstvou ze skelné rohože tloušťky 0,4 mm, prostor mezi filtračními vrstvami v okách síťoviny je vyplněn silikagelem.

Výhody vynálezu vyplývají z následující tabulky, srovnávající separátor podle vynálezu s různými separátory předních světových firem v hodnotě í

Claims (6)

1. PŘEDMĚT

   208 944 jejich elektrolytického odporu (zvýšení odporu mezi elektrodami při uložení separace v elektrolytu H₂SO₄ o hustotě rovné 1,28 g.cm^-3).

   Materiál Výrobek Výrobce m Ω. dm^{1 2 3}

   Impregnovaný papír Armorib Grace NSR 1,5 Fenolformaldehydová pryskyřice na netkané textilii DARAK

   2000 Grace NSR 1,6

   Fenolformaldehydová pryskyřice na netkané tex-

   tilii DARAK 5000 . Grace NSR 2,2 Polyvinyl- chlorid PORVIC I GB 1,7 Polyvinyl- chlorid Fibrac Francie 2,0 Impregnova- ný papír TEXON Francie 2,00 Polyvinyl- chlorid MIPOR Báren Rakousko 1,9 sep. dle př. 3 0,6 až 0,7 sep. dle př. 1 0,7 až 0,8 VYNÁLEZU

   1. Separátor pro sekundární elektrochemické zdroje proudu, který je tvořen několika vrstvami, vyznačený tím, že jeho nosná vrstva, určující mechanické vlastnosti je od povrchu jedné nebo obou elektrod oddělená filtrační vrstvou.
2. 2. Separátor pro sekundární elektrochemické zdroje proudu podle bodu 1, vyznačený tím, že jeho nosná vrstva je tvořena mříží, sítí nebo fólií z plastické hmoty s otvory o velikosti od 0,05 do 25 mm² a má tloušťku od 0,2 do 5 mm.
3. 3. Separátor pro sekundární elektrochemické zdroje proudu podle bodu 1 a 2, vyznačený tím, žé filtrační vrstvu tvoří tkanina z plastových vláken, netkané textilie z plastových vláken, rohož z plastových nebo skelných vláken nebo mikropórezní fólie nebo jejich vzájemná kombinace.
4. 4. Separátor pro sekundární elektrochemické zdroje proudu podle bodu 1 až 3, vyznačený tím, že filtrační vrstva je pevně spojena s nosičem buď po celé ploše dotyku, nebo jen ve vymezených místech rozložených po celé ploše pravidelně nebo nepravidelně, nebo průběžně či přerušovaně po obvodě.
5. 5. Separátor pro sekundární elektrochemické zdroje proudu podle bodu 1 až 3, vyznačený tím, že filtrační vrstva mikropórezní je nanesena na nosič tak, že vyplňuje i prostor otvorů nosiče.
6. 6. Separátor pro sekundární elektrochemické zdroje proudu podle bodu 1» a 2, vyznačený tím, že otvory v nosiči jsou vyplněny látkou, specificky sorbující ionty škodlivé provozu akumulátoru.