DE112016002044T5

DE112016002044T5 - Verbesserte Separatoren für VRLA-Batterien und damit in Beziehung stehende Verfahren

Info

Publication number: DE112016002044T5
Application number: DE112016002044.9T
Authority: DE
Inventors: Eric H. Miller; Robert W. Saffel
Original assignee: Daramic LLC
Current assignee: Daramic LLC
Priority date: 2015-05-05
Filing date: 2016-05-05
Publication date: 2018-03-01
Also published as: CN107836050B; CN113013550A; US11996582B2; US20160329540A1; US20200403203A1; CN113013550B; CN118073772A; US10141556B2; US10770704B2; US20210408637A1; WO2016179362A1; US20190189986A1; CN107836050A

Abstract

Verbesserte Batterieseparatoren, Batterien und Systeme, genauso wie damit in Beziehung stehende Verfahren werden hier zur Verwendung in verschiedenen Blei-Säure-Batterien offenbart, wie beispielsweise in ventilgeregelten Blei-Säure-Batterien (VRLA-Batterien), welche eine oder mehrere AGM-Schichten aufweisen. Die verbesserten Batterieseparatoren, die hier beschrieben werden, können ein Batteriesystem mit einem Vorteil einer signifikant verringerten Säurefüllzeit und einer signifikant gesteigerten Säurefüllgeschwindigkeit vorsehen. Verschiedene verbesserte Batterien, Verfahren und Systeme werden hier unter Verwendung solcher verbesserten Batterieseparatoren beschrieben, welche für eine VRLA-Batterie die Säurefüllgeschwindigkeit vergrößern und die Säurefüllzeit verringern.

Description

Bezug auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht die Rechte und Priorität der US Provisional Patent Application mit der Seriennummer 62/157,039 , eingereicht am 5. Mai 2015, die hier vollständig durch Bezugnahme mit aufgenommen ist.
Gebiet
In Übereinstimmung mit zumindest ausgewählten Ausführungsbeispielen ist die vorliegende Offenbarung oder Erfindung auf verbesserte Batterieseparatoren, Batterien und/oder Verfahren zur Herstellung und/oder Anwendung gerichtet. In Übereinstimmung mit zumindest gewissen Ausführungsbeispielen ist die vorliegende Offenbarung oder Erfindung auf verbesserte Separatoren für VRLA-Batterien (VRLA = valveregulatedleadacid) gerichtet (was AGM-Batterien, Gelbatterien, abgedichtete und/oder instandhaltungsfreie Batterien miteinschließt), und/oder auf verbesserte Verfahren zum Füllen einer VRLA-Batterie mit Säure unter Verwendung eines speziellen verbesserten Batterieseparators. Außerdem werden hier ein Verfahren, ein System und ein Batterieseparator offenbart, um die Säurefüllung zu verbessern, die Säurediffusion zu verbessern, die Säurefüllgeschwindigkeit zu verbessern, die Zeit zu verringern, die nötig ist, um eine Batterie mit Säure zu füllen, den Säuretransport zu verbessern (beispielsweise den Säuretransport gleichförmiger über die gesamte Elektrodenoberfläche zu machen), Hydrationskurzschlüsse zu vermeiden, Batterieherstellungskosten zu verringern (wegen vergrößerter Säurefüllgeschwindigkeit), Elektroden zu schützen und/oder die Gesamtbatterielebensdauer einer Blei-Säure-Batterie zu verbessern, insbesondere einer VRLA-AGM-Blei-Säure-Batterie.
Hintergrund
Ventilgeregelte Blei-Säure-Batterien (VRLA-Batterien), die typischerweise entlüftete Batterien sind, wobei ein Elektrolyt zwischen den Elektroden gelagert ist, sind in der Technik bekannt. Sie können gewisse Vorteile gegenüber Blei-Säure-Batterien mit flüssigem Elektrolyt (nur beispielsweise ein frei fließendes Elektrolyt) vorsehen, während sie im Vergleich zu Batterien mit flüssigem Elektrolyt gewisse Nachteile haben können (nur beispielhaft kann es 3–10 mal länger oder mehr dauern, diese mit Säure zu füllen im Vergleich zu entsprechenden Batterien mit flüssigem Elektrolyt, und sie können teurer sein als Batterien mit flüssigem Elektrolyt, da sie beispielsweise mehr Blei enthalten können). Wenn VRLA-Batterien mit Säure gefüllt werden, wird die Säure so eingeleitet, dass sie die Elektroden bedeckt und dies kann in manchen Fällen unter Vakuum oder unter verringertem Druck getan werden (möglicherweise, um eine gleichmäßige Füllung mit Säure sicherzustellen).
Einige VRLA-Batterien sind als VRLA-AGM-Batterien bekannt, was bedeutet, dass der Separator, der in solchen Batterien verwendet wird, eine oder mehrere Schichten einer AGM (absorbierende Glasmatte oder getränkte Glasmatte) aufweisen kann. Abhängig von der Konstruktion der VRLA-AGM-Batterie können zwei bis vier Versuche oder mehr nötig sein, um eine VRLA-AGM-Batterie mit Säure zu füllen, und zwar im Vergleich zum Füllen einer entsprechenden Batterie mit flüssigem Elektrolyt, welche nur ein Ereignis oder einen Schritt oder einen Versuch zum Füllen mit Säure benötigen könnte. Es ist wichtig, Batterien so schnell wie möglich mit Säure zu füllen, um die Produktionszeit (und daher die Produktionskosten) zu verringern, jedoch genauso um die Qualität der Batterie zu bewahren. Dies kommt daher, weil, wenn Batterien mit Säure gefüllt werden, die Säure mit nicht geformten Platten reagieren kann und zu Wasser werden kann, wodurch Blei gelöst wird und was möglicherweise zu Kurzschlüssen führt, wie beispielsweise zu Hydrationskurzschlüssen. Somit muss die Säurefüllung gleichförmig und schnell sein, so dass ein Batteriehersteller die Schritte des Formens der Batterie und des Ladens so schnell wie möglich vollenden kann und eine hohe Qualität für die Batterie beibehalten kann.
Verschiedene Batterieseparatoren für VRLA-Batterien sind ebenfalls in der Technik bekannt. Wie oben erwähnt könnten Anwender eine oder mehrere Lagen einer AGM (absorbierende Glasmatte oder getränkte Glasmatte) als den Separator bei VRLA-Batterien einsetzen. Solche AGM-Lagen können aus Glasfasern, Polymerfasern oder einer Kombination davon gemacht sein. Eine AGM-Lage kann Batteriesäure wie ein Schwamm absorbieren oder kann als Säurereservoir wirken, wodurch die Säure immobilisiert wird, und als solches können AGM-Lagen in dem säurebegrenzten oder säurearmen System gut arbeiten, welches ebenfalls unter Druck ist. Jedoch können die Glasfasern in den AGM-Separatoren mit der Zeit während der Zyklen und unter hohem Druck brechen. Die Verschlechterung der Glasfasern kann das Niveau der Kompression in dem Batteriesystem über die Zeit verändern und kann die Säurewanderung innerhalb des AGM-Separators beeinflussen, was möglicherweise eine schlechte Verfügbarkeit von Säure für die Elektroden zur Folge hat und/oder potentiell zu einer Säureablagerung führt. Eine Säureablagerung in einer VRLA-Batterie kann zu einer zu geringen Verwendung eines Teils der Elektroden führen, was möglicherweise eine Sulfatierung, schlechte Batterieleistung und/oder einen Kurzschluss oder eine kürzere Zykluslebensdauer zur Folge hat. Wenn eine Säurefüllung einer VRLA-Batterie unter Verwendung eines traditionellen AGM-Separators vorgenommen wird, kann außerdem eine Elektrode reaktiver werden, kann Säure verbrauchen und/oder sie in Wasser oder Dampf umwandeln, was Bleisulfat erzeugen kann und zu Hydrationskurzschlüssen, Dendritwachstum, Verringerung der Batterielebensdauer, trockenen Punkten und/oder thermischem Durchgehen führen kann. Die letzten Bereiche des AGM-Separators, die von dem Elektrolyt benetzt werden, sind am anfälligsten für das Risiko von Hydrationskurzschlüssen.
In einigen Fällen, wie beispielsweise in dem US-Patentnummer 6,703,161 , welches Daramic, LLC, Charlotte, North Carolina, zu eigen ist und hier durch Bezugnahme mit aufgenommen wird, sind Batterieseparatoren für Blei-Säure-Speicherbatterien offenbart worden, welche beispielsweise mehrlagige Batterieseparatoren sind, und solche Separatoren können bei VRLA-Batterien verwendet werden.
VRLA-Batterien können auch in gewissen Fällen als „Gelbatterien” beschrieben werden, und sie weisen einen Batterieseparator genauso wie pyrogenes Siliziumoxid in dem Elektrolyt auf, welches der Elektrolyt oder die Säure immobilisiert und der Elektrolyt oder die Säure zu einem Gel macht. In manchen Fällen können VRLA-Gelbatterien gewisse Vorteile vorsehen, wie beispielsweise eine höhere Kapazität, tiefere Zyklen und/oder robustere Leistung. Noch andere Batterien sind Hybrid-VRLA-AGM- und Gelbatterien (manchmal Faux-Gelbatterien genannt), die einen AGM-Separator mit gelierter Säure im Oberteil der Zelle oder mit etwas pyrogenem Siliziumoxid in dem AGM-Separator oder in der Säure oder in dem System aufweisen, sodass das System nicht austrocknet.
Es besteht eine Notwendigkeit, weiter noch verbesserte Batterieseparatoren für alle Arten von VRLA-Batterien zu entwickeln (einschließlich für AGM-Batterien, Gelbatterien und jene Batterien, die manchmal Hybrid-VRLA-AGM-Batterien genannt werden, welche Aspekte von AGM und Gel kombinieren).
Zusammenfassung
In Übereinstimmung mit zumindest ausgewählten Ausführungsbeispielen kann die vorliegende Offenbarung oder Erfindung die oben erwähnten und andere Notwendigkeiten ansprechen. In Übereinstimmung mit zumindest gewissen Ausführungsbeispielen ist die vorliegende Offenbarung oder Erfindung beispielsweise auf verbesserte Separatoren für VRLA-Batterien und/oder verbesserte Verfahren zum Füllen einer VRLA-Batterie mit Säure unter Verwendung eines speziellen verbesserten Batterieseparators gerichtet.
Hier werden verbesserte Batterieseparatoren und verbesserte Verfahren zum Füllen einer Batterie unter Verwendung eines speziellen verbesserten Batterieseparators offenbart. Außerdem werden hier ein Verfahren, ein System und ein Batterieseparator zum Verbessern einer Säurefüllung, zum Verbessern einer Säurediffusion, zum Vergrößern der Geschwindigkeit beim Füllen mit Säure, zum Verringern der Zeit, die benötigt wird, um eine Batterie mit Säure zu füllen, zum Verbessern des Säuretransportes (was beispielsweise den Säuretransport über die gesamte Elektrodenoberfläche gleichförmiger macht) zum Vermeiden von Hydrationskurzschlüssen, zum Verringern der Batterieherstellungskosten (wegen vergrößerter Geschwindigkeit beim Füllen mit Säure) und zum Verbessern der Gesamtbatterielebensdauer einer VRLA-Batterie offenbart.
Die mit den Separatoren assoziierten Verbesserungen und Verfahren, welche hier beschrieben werden, können unerwartet sein, da traditionell angenommen wurde, dass der beste Weg zum Erhalten des erwünschten Niveaus eines engen Kontaktes zwischen der positiven Platte und der negativen Platte einer VRLA-AGM-Batterie war, eine AGM-Lage zu verwenden, oder durch Kombination einer solchen AGM-Lage oder von AGM-Lagen mit einem flachen Polyethylenseparator, wie einer mikroporösen Polyolefinschicht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 veranschaulicht Fotografien von verschiedenen verbesserten VRLA-Batterieseparatoren, die gemäß hier beschriebenen Ausführungsbeispielen hergestellt wurden, wobei: 1(a) einen Separator zeigt, der Rippen aufweist; wobei 1(b) einen Separator zeigt, der Rippen aufweist, die bezüglich der Größe und der Beabstandung von den Rippen abweichen, die in dem Separator der 1(a) vorgesehen sind; und wobei 1(c) einen Separator zeigt, der Einprägungen aufweist. Einprägungen können verschiedene Muster (beispielsweise gerade Muster, Wellenmuster, Muster mit verschiedenen Bildmustern, wie beispielsweise Blumen- oder Logomuster, usw.) aufweisen, solange ein Element der Texturierung auf den verbesserten VRLA-Batterieseparator aufgeprägt wird. Für den Separator der 1(c) weisen die Einprägungen ein Wellenmuster auf, welches auf einen flachen mikroporösen Polyolefinseparator aufgeprägt wird. Für jeden der Separatoren, die in den 1(a), 1(b) und 1(c) abgebildet sind, kann die gerippte und/oder die geprägte Seite des in der Fotografie gezeigten Separators gegen die negative Elektrode in der verbesserten VRLA-Batterie angeordnet werden. Die andere Seite (nicht gezeigt) von jedem Separator kann gegen die positive Elektrode und/oder gegen eine oder mehrere AGM-Lagen angeordnet werden.
2 veranschaulicht eine Fotografie eines verbesserten VRLA-Batterieseparators, der gemäß verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsbeispielen hergestellt wurde, wobei der Separator Rippen und Einprägungen aufweist.
3 veranschaulicht eine Querschnittsansicht des verbesserten VRLA-Batterieseparators, der in 2 abgebildet ist; 3 veranschaulicht verschiedene sich verschmälernde, verformte und/oder zusammengedrückte Rippen, welche Säurefüllungskanäle (oder Luftflusskanäle) an dem verbesserten Separator erzeugen. Die Rippen können als ”sich verschmälernd, verformt und/oder zusammengedrückt” beschrieben werden, und zwar gemäß dem Prägungsverfahren, welches bei einem Separator angewendet wird, der schon Rippen trägt bzw. aufweist; von einer Kompression in einem Batteriesystem mit der Zeit; oder von sowohl dem Formgebungs- oder Einprägungsverfahren als auch der Kompression in einem Batteriesystem mit der Zeit.
4 ist eine nähere Ansicht eines Teils des verbesserten VRLA-Batterieseparators, der in 3 abgebildet ist, wobei Säurefüllkanäle (oder Luftflusskanäle) 10 an dem Separator vorgesehen sind, und wobei die Seite des Separators unten in 4 die Seite ist, die zu der negativen Elektrode weist, während die Seite des Separators oben in 4 die Seite ist, die zur positiven Elektrode weist.
5 weist Bilder von einem oder mehreren Separatoren auf, auf denen ein texturiertes Einprägungsmuster ist, wobei, wenn man diese unter einem Mikroskop ansieht, wie beispielsweise einem 3-D-Mikroskop, dunkle Punkte Bereiche mit kleineren Poren oder eine komprimierte Porenstruktur darstellen, und wobei Querschnittsansichten, Bilder oder Mikroskopaufnahmen die Säurefüllkanäle zeigen, die durch die texturierte Prägung erzeugt werden.
Detaillierte Beschreibung
In verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsbeispielen wird ein neuartiger oder verbesserter Separator eingesetzt, der vorzugsweise eine mikroporöse Polyolefinseparatorschicht und eine AGM-Schicht aufweist. Die mikroporöse Polyolefinseparatorschicht weist eine Vielzahl von Säurefüllungskanälen oder ein Netzwerk von Säurefüllungskanälen auf. Diese Säurefüllungskanäle werden auf dieser mikroporösen Polyolefinseparatorschicht aufgebracht, indem Rippen zu der Schicht hinzugefügt werden und/oder die Schicht geprägt wird. Wenn Rippen zu der Schicht hinzugefügt werden, können solche Rippen auf einer Seite oder auf beiden Seiten der mikroporösen Polyolefinseparatorschicht hinzugefügt werden. Diese Rippen können in Höhe und Abstand variieren, und solche Rippen können eingeprägt oder texturiert sein. In einigen Ausführungsbeispielen, in denen Rippen auf beiden Seiten der mikroporösen Polyolefinseparatorschicht hinzugefügt werden, kann eine Seite Minirippen oder negative Querrippen aufweisen. In einigen Ausführungsbeispielen können die Minirippen oder negativen Querrippen in einem Winkel von 0° bis 180° bezüglich der Maschinen- bzw. Herstellungsrichtung oder Querrichtung der Separatorschicht sein. In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann ein spezielles Muster der Rippen zu der mikroporösen Polyolefinseparatorschicht hinzugefügt werden, und ein solches Muster kann Befestigungen aufweisen (wie beispielsweise jene Befestigungsrippen, wie im US-Patent Nummer 7,094,498 von Daramic, LLC, beschrieben, welches hier in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme mit aufgenommen wird), weiter Einkerbungen, unterbrochene Rippen, kontinuierliche Rippen, nicht kontinuierliche Rippen und/oder Ähnliches.
Die verschiedenen Muster von Rippen und/oder eingeprägten Bereichen (manchmal möglicherweise kalandrierte Bereiche genannt) weisen Muster auf, welche Batteriesäure schnell in den Separator lassen, während sie gleichzeitig Luft aus dem Separator entweichen lassen. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen gestatten die Säurefüllungskanäle (oder Luftflusskanäle) einen Luftfluss, während gleichzeitig die Rippen oder Einprägungen, welche die Säurefüllungskanäle bilden, nicht zu groß sind, dass sie mit dem Gesamtkontakt des Separators mit den Elektroden in Wechselwirkung treten.
Nachdem die Säurefüllungskanäle an dieser mikroporösen Polyolefinseparatorschicht erzeugt wurden, wird sie mit einer oder mehreren AGM-Schichten verbunden, um den bevorzugten zusammengesetzten oder mehrlagigen Separator zu formen, der hier offenbart wird. Verschiedene hier in Betracht gezogene Verfahren weisen auf, ein VRLA-Batteriesystem vorzusehen, welches eine Anode und eine Kathode aufweist, und einen zusammengesetzten Separator bzw. Kompositseparator, wie er hier beschrieben wird, zwischen der Anode und der Kathode unter Druck anzuordnen, und das Batteriesystem mit Säure zu füllen, wobei die Säurefüllzeit verringert wird, und wobei sie vorzugsweise signifikant verringert wird, und zwar im Vergleich zu der Säurefüllzeit für VRLA-Batterien, welche traditionelle Batterieseparatoren einsetzen, (wie beispielsweise einen oder mehrere AGM-Separatoren oder AGM-Lagen oder einen zusammengesetzten AGM-Separator, der eine flache, nicht mit Rippen versehene oder nicht geprägte Polyethylenseparatorschicht in Verbindung mit einer. oder mehreren AGM-Schichten aufweist). Beispielsweise kann die Säurefüllzeit dreimal, viermal, fünfmal oder in manchen Ausführungsbeispielen sechsmal, siebenmal, achtmal, neunmal oder in einigen Ausführungsbeispielen zehnmal oder mehrfach verringert werden, im Vergleich zu einer Säurefüllzeit für eine zuvor bekannte VRLA-Batterie oder VRLA-AGM-Batterie. Eine solche beträchtlich verringerte Säurefüllzeit hat eine beträchtlich verringerte Zeit zur Folge, die zum Formen bzw. Herstellen einer Batterie erforderlich ist, genauso wie eine verbesserte Qualität für die Batterie, so wie sie hergestellt ist, und zwar wegen dem verringerten Risiko von Hydrationskurzschlüssen, Sulfatierung und/oder anderen Ereignissen, welche die Gesamtzykluslebensdauer der Batterie und/oder die Gesamtleistung der Blei-Säure-Batterie verringern könnten. Die verbesserten Separatoren, Batterien, Verfahren und Systeme, die hier beschrieben werden, können auch eine Gasrekombination in dem Batteriesystem beeinflussen.
In gewissen Ausführungsbeispielen wird hier ein verbesserter mehrlagiger Batterieseparator für eine VRLA-Batterie geformt, welcher eine oder mehrere AGM-Schichten und eine poröse Polyethylenschicht aufweist, die vertikale Säurefüllkanäle aufweist, wobei die Kanäle den Separator mit Bereichen von niedrigerer Kompression und Bereichen von höherer Kompression bezüglich der Elektroden in der Batterie versehen, und wobei die Säurefüllkanäle insbesondere in den Bereichen von niedrigerer Kompression einen schnelleren Säuretransport im Vergleich zu dem Säuretransport ermöglichen, der unter Verwendung herkömmlicher Separatoren erhalten wird. Während des Füllens der Batterie mit Säure verbessern die hier beschriebenen Separatoren die Diffusion der Säure zu dem inneren Bereich der Elektroden. Die nicht gleichförmige Kompression, die auf eine oder auf beide Seiten des hier beschriebenen Batterieseparators aufgebracht wird, führt zu vergrößerten Geschwindigkeiten bei der Füllung mit Säure, während eine oder mehrere AGM-Schichten als ein Säurereservoir gegen die positive Platte, die negative Platte oder beide gehalten werden. Die hier beschriebenen Separatoren und Verfahren erzeugen einen nicht gleichförmigen Kompressionspfad unter Verwendung der Rippen und/oder Einprägungen an dem verbesserten Separator, wodurch gestattet wird, dass Luft entweicht, und wobei gestattet wird, dass Säure zwischen die Elektroden eintritt, egal ob die Elektroden nass oder trocken sind.
In verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsbeispielen wird ein neuartiger oder verbesserter VRLA-Separator eingesetzt, der zumindest eine mikroporöse Polyolefinseparatorschicht und zumindest eine AGM-Schicht oder eine andere nicht gewebte Schicht aufweist.
Die hier beschriebenen Separatoren, Verfahren und Batteriesysteme können verbesserte Elastizität für den Separator und das System mit weniger Wahrscheinlichkeit eines Einbruchs mit der Zeit vorsehen, wobei die Elastizität wichtig sein kann, um einen engen Kontakt mit dem System aufrechtzuerhalten, was die Batterieelektroden und den neuen verbesserten zusammengesetzten Separator aufweist, und wobei der Widerstand gegen Verschlechterung oder Zusammenbruch der Mikroglasfasern für eine Batterieleistung und die Lebensdauer wichtig sein kann.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen weist die mikroporöse Polyolefinseparatorschicht Polyethylen auf. In einigen Ausführungsbeispielen ist das Polyethylen ein Polyethylen mit hohem Molekulargewicht. In verschiedenen Ausführungsbeispielen ist das Polyethylen mit hohem Molekulargewicht ein Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht (und kann verschiedene Füller, Weichmacher, Agenten, Additive und/oder Ähnliches enthalten). Füller bzw. Füllstoffe können Materialien wie Beispiel Siliziumoxid usw. aufweisen.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen ist die mikroporöse Polyolefinseparatorschicht mit Rippen versehen und/oder geprägt. Die bevorzugten Rippen können 0,008 mm bis 1 mm groß sein und können 0,001 mm bis 10 mm entfernt sein, während die bevorzugte Dicke des Stützgewebes der mikroporösen Polyolefinseparatorschicht ohne Rippen oder Einprägungen ungefähr 0,05 mm bis ungefähr 0,25 mm sein kann, beispielsweise in einigen Fällen 0,05 mm dick oder 0,075 mm dick oder 0,080 mm dick oder 0,1 mm dick oder 0,15 mm dick oder 0,175 mm dick oder 0,2 mm dick oder 0,225 mm dick oder 0,25 mm dick. In einigen Ausführungsbeispielen können die Rippen in einem Muster sein, so wie sie beispielsweise auf einer Seite der Separatorschicht oder auf beiden Seiten des Polyolefinseparators sein können, wobei sie von 0 bis 90° bezüglich einander sein können. Verschiedene Muster, welche Rippen auf beiden Seiten der Separatorschicht aufweisen, können negative Querrippen auf der zweiten Seite oder Rückseite des Separators oder Minirippen auf der zweiten Seite oder Rückseite des Separators aufweisen. In anderen Ausführungsbeispielen können die Rippen ein Muster sein, so dass vertikal positionierte Rippen 0,5–1,0 mm voneinander entfernt mit einer gegenüberliegenden glatten oder flachen Rückseite positioniert sind. Ein anderes Rippenmuster kann eine breitere Beabstandung aufweisen, beispielsweise 3–6 mm entfernt, wobei solche Rippen größer sind und die Separatorschicht eine gegenüberliegende glatte oder flache Rückseite hat. Ein solches Muster weist Rippen auf, die weiter voneinander entfernt sind als verschiedene Muster, die schon erwähnt wurden und somit gibt es weniger Säurefüllkanäle, die an dem verbesserten Separator hinzugefügt sind.
In ähnlicher Weise können die Einprägungen verschiedene Konfigurationen haben, wie beispielsweise ein texturiertes Prägemuster, wobei, wenn dieses unter einem Mikroskop wie beispielsweise einem 3-D-Mikroskop, angesehen wird, dunkle Punkte Gebiete mit kleineren Poren oder einer komprimierten Porenstruktur kennzeichnen, und wobei Querschnitte, Bilder oder Mikroskopaufnahmen die Säurefüllkanäle zeigen, die durch das texturierte Prägen erzeugt werden. Ein solcher Separator ist in den Bildern gezeigt, die in 5 vorgesehen sind.
Die Texturierung (durch das Hinzufügen von Rippen und/oder geprägten Regionen) des Separators kann zu einer bi-modalen Porengröße des Separatorsystems führen (AGM + texturierte mikroporöse Polyolefinseparatorschicht, wie beispielsweise eine PE-Schicht), wenn dieses zusammengedrückt wird > 10 kPa (ein Druck, der typischerweise in einer VRLA-Batterie zu finden ist). Die kleineren Poren können den verbesserten Separator oder das verbesserte System mit einem Dendrit- und/oder Kurzschlussschutz versehen (beispielsweise möglicherweise wegen hoher Tortuosität usw.), sie können die Säureabsorption erleichtern bzw. ermöglichen und/oder können eine starke Kapillarwirkung zulassen, um die Säure zu halten oder zurückzuhalten, sie können die Säureablagerung verzögern, während die größeren Poren den verbesserten Separator oder das verbesserte System mit Gastransfer (beispielsweise effizientem Sauerstofftransfer) durch die Membran oder den Separator versehen können und/oder größere Pfade für die Säureverdrängung erzeugen können, da diese Poren unter weniger Druck sind als die kleineren Poren. In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Säurehaltfähigkeit bzw. Säurerückhaltung, die durch die Kapillarwirkung von größeren Poren zu kleineren Poren erhalten wird, trockene Bereiche in dem Separator verzögern und/oder kann ein thermisches Durchgehen eines Batteriesystems verhindern, welches einen solchen Separator verwendet. Die Verbesserung der Zyklusvorgänge der VRLA-Batterien, welche die verbesserten Separatoren, Verfahren und Systeme verwenden, die hier beschrieben werden, können durch den verbesserten Transfer von Sauerstoff in dem verbesserten Separator zwischen den Elektroden resultieren, um eine Austrocknung usw. zu vermeiden.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die bi-modale Porengrößenverteilung des texturierten mikroporösen Polyolefinseparators Regionen mit größeren Poren und Regionen mit kleineren Poren aufweisen. Verschiedene Kombinationen von Porengrößen können mit möglicherweise bevorzugten Porengrößen zwischen ungefähr 0,001 μm und 6 μm erzeugt werden, so dass verschiedene bi-modale Porengrößenverteilungen erzeugt werden können. Nur beispielhaft könnte eine Region mit größeren Poren Poren aufweisen, die eine Größe von 1–6 μm haben, während Poren in der Region (den Regionen) mit kleineren Poren eine Größe unter 1 μm haben könnten. Die Porengröße wird von der anfänglichen Porengrößenverteilung in dem Separator abhängen, bevor verschiedene Rippen und/oder Prägungen hinzugefügt werden.
Der Separator, der hier in verschiedenen Ausführungsbeispielen geformt wird, ist komprimierbar und ist elastisch, insbesondere, wenn er mit einer oder mehreren AGM-Schichten kombiniert wird und zwischen den Elektroden einer VRLA-AGM-Batterie unter Druck gesetzt wird. Dieser Komprimierbarkeit und Elastizität des verbesserten hier beschriebenen Separators kann wichtig sein, beispielsweise bei einem Tiefzyklus des Batteriesystems. In verschiedenen Ausführungsbeispielen ist der Separator um 25% komprimierbar. In anderen Ausführungsbeispielen ist der Separator ungefähr 10% bis ungefähr 40% komprimierbar, und zwar bei einem Druck von mehr als 10 kPa.
Einige VRLA-Batterien können für Anwendungen mit höherer Kompression konstruiert sein, beispielsweise 30–100 kPa oder höher, und diese können in Tiefzyklusanwendungen verwendet werden, um die Batterielebensdauer zu maximieren, indem der Abwurf des positiv aktiven Materials (PAM) verringert wird. Einige VRLA-Batterien können schwierig zu füllen sein (beispielsweise eine große Zelle oder eine hohe Zelle), wo eine Notwendigkeit besteht, die Batteriekapazität und Leistung zu erhöhen. Andere VRLA-Batterien können für Anwendungen mit etwas niedrigerer Kompression konstruiert sein (beispielsweise 10–29 kPa oder weniger), und diese können einfacher gefüllt werden, können jedoch erhöhte Sorge bezüglich PAM-Abwurf und verringerter Zykluslebensdauer begründen. Die hier beschriebenen Separatoren können eine Balance für jede Art von System vorsehen, so dass die Säurefüllzeit für Batterien bei beiden Typen von Kompression verringert wird, und so dass Batterien bei beiden Typen von Kompression verbessert werden, genauso wie Batterien, die traditionell schwieriger zu füllen sein können oder größer oder höher sind.
Der hier beschriebene Separator kann elastisch genauso wie komprimierbar sein. Die erhöhten Niveaus der Komprimierbarkeit und der Elastizität des verbesserten Separators können bedeuten, dass die Dickenvariation vom Prägen und/oder das Hinzufügen von Rippen zu den verbesserten Separatoren zu einem wünschenswerten Rückfedern führt (beispielsweise Rückfedern der verbesserten gerippten oder texturierten oder geprägten mikroporösen Polyolefinseparatorschicht über die Lebensdauer der Batterie, wenn AGM-Fasern in der einen oder mehreren AGM-Schichten mit der Zeit zusammenbrechen), und zu einer fortgesetzten hohen Kompression des positiv aktiven Materials (PAM) an der positiven Elektrode über die Zeit. Die positive Elektrode in einer Blei-Säure-Batterie ist nicht statisch, sondern wächst und schrumpft bezüglich der Größe während eines Tiefenzyklus. Die Gitterbewegung löst das PAM mit der Zeit genauso wie sie die AGM-Fasern in der einen oder den mehreren AGM-Schichten zerbricht. Eine verbesserte Elastizität oder eine Rückfederung des hier beschriebenen verbesserten oder erfindungsgemäßen Separators (beispielsweise eine gerippte und/oder texturierte und/oder geprägte mikroporöse Polyolefinseparatorschicht als Teil eines neuartigen oder verbesserten Komposits bzw. Verbunds) kann bedeuten, dass die Kompression und der enge Kontakt zur Platte mit der Zeit beibehalten wird, wodurch eine verbesserte Batterieleistung, weniger PAM-Abwurf und weniger PAM-Wanderung durch den Separator, welche Kurzschlüsse erzeugt, resultiert (beispielsweise bei Tiefzyklusanwendungen einer Batterie) und was somit eine Verbesserung der Gesamtzykluslebensdauer einer Batterie zur Folge hat. Somit zeigen die hier beschriebenen Batteriesysteme, welche die hier beschriebenen verbesserten Batterieseparatoren verwenden, eine verbesserte Kompression und Elastizität. In gewissen Ausführungsbeispielen kann ein Separator, wie beispielsweise ein texturierter geprägter Separator, wie in 5 abgebildet, eine Komprimierbarkeit von 25% zeigen und eine erwünschte Rückfederung, um das PAM unter wünschenswert hoher Kompression über die Lebensdauer der Batterie zu halten.
In verschiedenen hier beschriebenen VRLA-Batteriesystemen ist die Zeit zum Füllen mit Säure beträchtlich verringert im Vergleich zu Batteriesystemen, welche andere bekannte oder herkömmliche Separatoren verwenden. Dies kann beispielsweise wichtig sein, weil manchmal eine höhere Zeit zum Füllen mit Säure zu schlechterer Gesamtqualität des Batteriesystems führen kann, weil Säure während des Füllens in Wasser umgewandelt werden kann und einen Teil des Bleis im System lösen kann, was Bleisulfat erzeugt und zu Hydrationskurzschlüssen führt. Für die vorliegenden Separatoren, Verfahren und Systeme führen somit die geringeren Zeiten zum Füllen mit Säure zu einer höheren Gesamtqualität der Elektroden, des Batteriesystems und zu niedrigeren Produktionskosten mit weniger Ausschuss.
In vielen Ausführungsbeispielen der oben beschriebenen verbesserten Separatoren, Batterien, Verfahren und Systeme sind die Säurefüllkanäle, die durch Rippen und/oder geprägte Bereiche in der Polyethylenseparatorschicht erzeugt werden, aus stabilen Materialien, so dass sie über die Lebensdauer der Batterie ein Teil des Separators bleiben. In einigen Ausführungsbeispielen können die Einprägungen und/oder Rippen mit der Zeit zusammenfallen, anstatt zurückzufedern, was wünschenswert sein kann, wenn ein enger Kontakt zwischen den Elektroden aufrechterhalten werden kann. In solchen Situationen erzeugen die Einprägungen und/oder Rippen Säurefüllkanäle oder Luftflusskanäle, welche stark die Geschwindigkeit der Säurefüllung einer Batterie steigern (beispielsweise einer Startbatterie), welche den verbesserten Separator aufweist; und ein solcher Zweck (beispielsweise eine erhöhte Säurefüllgeschwindigkeit) ist schon erfüllt worden, bevor die Rippen und/oder Prägungen zusammenfallen. Außerdem betten sich die Rippen und/oder Prägungen in verschiedenen Ausführungsbeispielen in das negativ aktive Material (NAM) nach dem Formen bzw. Herstellen und während der Zyklusvorgänge der Batterie ein, da der Zweck der Rippen und/oder Einprägungen (beispielsweise eine gesteigerte Säurefüllgeschwindigkeit) schon erfüllt worden ist, bevor die Rippen und/oder Einprägungen in dem NAM eingebettet sind.
In anderen Ausführungsbeispielen lösen sich hier die Säurefüllkanäle an der mikroporösen Polyolefinseparatorschicht tatsächlich, nachdem die Säurefüllung in dem Batteriesystem vollendet ist, was zu einem verbesserten Kontakt zwischen den Elektroden und dem Separator und einer verbesserten Kompression führt, während gleichzeitig der beträchtlich verbesserte Säurefüllprozess (bei dem beispielsweise die Zeit zur Füllung mit Säure verringert wird) für das Batteriesystem ermöglicht worden ist, und zwar im Vergleich zu Systemen, welche herkömmliche Separatoren verwenden. In solchen Ausführungsbeispielen kann der Füllkanal aus einem gewissen Polymer, Stärke oder Stärkederivat gemacht sein und kann sich in CO₂ oder in einem anderen inerten Gas lösen, und zwar nach dem Kontakt mit der Säure während der Säurefüllung. In solchen Ausführungsbeispielen wird das Batteriesystem mit einer maximalen Säureverfügbarkeit versehen, nachdem der Säurefüllvorgang vollendet ist. In einigen ähnlichen Ausführungsbeispielen können die Rippe, der eingeprägte Bereich und/oder der Füllkanal pyrogenes Siliziumoxid und/oder ein Bindemittel aufweisen, welche sich in dem AGM-Separator lösen können, nachdem die Batterie mit Säure gefüllt wurde. In noch anderen ähnlichen Ausführungsbeispielen wird pyrogenes Siliziumoxid zu dem Elektrolytsystem hinzugefügt, wobei das pyrogene Siliziumoxid anschwillt, wodurch die Füllkanäle nach der Säurefüllung geschlossen werden oder ihre Größe verringert wird.
In einigen Ausführungsbeispielen kann die mikroporöse Polyolefinseparatorschicht eine Beschichtung auf einer oder auf beiden Seiten einer solchen Schicht aufweisen. Eine solche Beschichtung kann ein Benetzungsmittel oder ein anderes Material aufweisen. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Beschichtung ein oder mehrere Materialien aufweisen, die beispielsweise in der US-Patent Veröffentlichung Nr. 2012/0094183 beschrieben wird, die hier durch Bezugnahme mit aufgenommen ist. Eine solche Beschichtung kann beispielsweise die Überladungsspannung des Batteriesystems verringern, wodurch die Batterielebensdauer bei weniger Gerüstkorrosion verlängert wird und eine Austrocknung und/oder ein Wasserverlust verhindert wird. Auch wenn die Rippen gegen eine Platte oder Elektrode angeordnet sind, können die Rippen mit einem leitenden Material beschichtet sein (beispielsweise können die Spitzen der Rippen beschichtet sein), um weiter die Batterieleistung, die Lebensdauer der Platten und/oder Ähnliches zu verbessern.
Die Beschichtung, wie beispielsweise ein Additiv, wie beispielsweise ein nicht ionisches Benetzungsmittel oder ein anionisches Benetzungsmittel, kann in einer Menge von mindestens 0,5 g/m², 1,0 g/m², 1,5 g/m², 2,0 g/m², 2,5 g/m², 3,0 g/m², 3,5 g/m², 4,0 g/m², 4,5 g/m², 5,0 g/m², 5,5 g/m², 6,0 g/m², 6,5 g/m², 7,0 g/m², 7,5 g/m², 8,0 g/m², 8,5 g/m², 9,0 g/m², 9,5 g/m², 10,0 g/m² oder mehr vorhanden sein. Das Additiv kann auf dem Separator in einer Menge von 0,5–12 g/m², 1,0–12,0 g/m², 1,5–12,0 g/m², 2,0–12,0 g/m², 2,5–12,0 g/m², 3,0–12,0 g/m², 3,5–12,0 g/m², 4,0–12,0 g/m², 4,5–12,0 g/m², 5,0–12,0 g/m², 5,5–12,0 g/m², 6,0–12,0 g/m², 6,5–12,0 g/m², 7,0–12,0 g/m², 7,5–12,0 g/m², 5,0–10,5 g/m², 5,0–11,0 g/m², 5,0–15,0 g/m² vorhanden sein.
Die AGM-Schicht oder die AGM-Schichten, die hier beschrieben werden, sind typischerweise zumindest in einem Hauptteil aus Glasfasern gemacht. In einigen Fällen sind die Glasfasern mit Polymerfasern kombiniert, um die AGM-Schicht herzustellen.
Verschiedene Ergebnisse, die hier erhalten wurden, sind unerwartet dahingehend, dass bei einem VRLA-AGM-Batteriesystem, welches unter Druck steht, niemals erwartet worden wäre, dass Separatoren gemäß den verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsbeispielen die Säurefüllzeiten für Batteriesysteme verringern würden und gleichzeitig zu einem insgesamt verbesserten Batteriesystem oder einer verbesserten Leistung führen würden. In der Vergangenheit hatten VRLA-AGM-Batteriesysteme eine oder mehrere Schichten AGM verwendet, oder wenn diese mit einem Polyethylenseparator geschichtet wurden, ist ein solcher Separator flach gewesen, weil nur beispielhaft und nicht einschränkend gemeint, die vorherige Denkweise über das System, welches unter Druck steht, ist, dass nur ein flacher Separator (beispielsweise eine oder mehrere flache Schichten aus AGM, wobei die Schichten als ein Säurereservoir dienen, möglicherweise mit einer flachen Polyethylenseparatorschicht als ein Teil eines AGM-PE-Aufbaus) eine gleichförmige Kompression bzw. Druckwirkung für das System vorsehen würde, und die frühere Denkweise war, dass ein dreidimensional geformter Separator, wie beispielsweise die verbesserten zusammengesetzten Separatoren, die hier beschrieben werden, nicht die erwünschte gleichförmige Kompression bzw. Druckwirkung für das System vorsehen würde. Außerdem erfährt das System die Vorteile der Verwendung eines Polyethylenseparators mit einer Porengröße kleiner 1 μm (was beispielsweise Kurzschlüsse verhindert und die Batterielebensdauer vergrößert), während es auch schneller befüllt werden kann als eine typische Blei-Säure-Batterie, vorzugsweise dreimal, viermal, fünfmal, sechsmal, siebenmal, achtmal, neunmal, zehnmal oder noch mehr mal schneller als eine typische VRLA-AGM-Batterie, wobei es eine gleiche oder sogar verbesserte Säurefüllzeit gegenüber einer herkömmlichen Blei-Säure-Batterie mit flüssigem Elektrolyt hat.
Die Produktivität eines Batterieherstellers wird durch die verbesserten Separatoren, Batterien, Verfahren und Systeme, die hier beschrieben werden stark erhöht, da die Säurefüllzeit beträchtlich verringert worden ist, was zu einer verringerten Herstellungszeit und damit assoziierten Kosten führt.
Verschiedene Batterien und Anwendungen können Vorteile aus den verbesserten Separatoren, Verfahren, Batterien und Systemen ziehen, die hier beschrieben werden. Nur beispielhaft können diese VRLA-AGM-Batterien in E-Bikes, SLI-VRLA-Automobilbatterien (SLI = startinglightingignition; Starterbatterien), Antriebsleistungsbatterien, Elektroautobatterien, Golfwagenbatterien usw. verwendet werden.
BEISPIELE
In diesen Beispielen wurden Separatoren gemäß verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsbeispielen geformt bzw. hergestellt und getestet, um verschiedene Eigenschaften und Verbesserungen zu bestimmen.
Ein Kontrollseparator bzw. Vergleichsseparator („Control 1”), der bei den Beispielen unten verwendet wurde, war ein einlagiger AGM-Separator (insbesondere ein kommerziell erhältlicher AGM-Separator, der als H&V BGO 15565 bekannt ist, der ein Basisgewicht von 155 g/m² hat.

Verschiedene verbesserte Polyethylenseparatorschichten (die Teil eines Kompositseparators werden sollen) wurden durch ein Verfahren zur Herstellung eines mikroporösen Materials hergestellt, welches folgende Schritte aufweist: Vorsehen eines Polyethylens mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMWPE = UltrahighMolecularWeight Polyethylene); Vorsehen eines Verarbeitungsweichmachers; Hinzufügen eines Füllers bzw. Füllstoffes (wie beispielsweise Siliziumoxid) und des UHMWPE in eine Mischung, die im Bereich von ungefähr 1:9 bis ungefähr 15:1 Füllstoff zu UHMWPE ist, und zwar bezüglich des Gewichtes; Hinzufügen des Verarbeitungsweichmachers zu der Mischung; Extrudieren der Mischung, um ein Flächenelement bzw. eine Folie aus der Mischung zu formen; Kalandrieren und Schmelzen des Flächenelementes, um entweder ein flaches Flächenelement (Proben 4 und 5 unten) oder ein geripptes Profil (Proben 1–3 unten) zu formen; Extrahieren des Verarbeitungsweichmachers aus dem Flächenelement, um eine mikroporöse Membran zu erzeugen; und nachträgliches Prägen der mikroporösen Membran mit verschiedenen Rippen und/oder Prägemustern darauf (Proben 6–8 unten) gemäß der Tab. 1 unten: Tab. 1

Beschreibung von Separator und Profil	Stützgewebedicke (mm)	Gesamtdicke (mm)	Rippenabstand (mm)	Rippenhöhe aus Profilzeichnung (mm)
AGM-Schicht, H&V BGO 15565 (Control 1/Vergleich 1)	NV	1,16	NV	NV
PE-Schicht mit einem Profil, das auf einer Seite flach ist; Rippen auf einer Seite (Probe 1)	0,25	0,4	0,5	0,12
PE-Schicht mit einem Profil, das auf einer Seite flach ist; Rippen auf einer Seite (Probe 2)	0,22	0,34	4,16	0,152
PE-Schicht mit einem Profil, das Rippen auf einer Seite hat; negative Querrippen auf einer Seite (Probe 3)	0,175	0,395	0,5	0,12
PE-Schicht mit einem Profil, das auf beiden Seiten flach ist (Probe 4)	0,2	0,2	NV	NV
Dünne PE-Schicht mit einem Profil, das auf beiden Seiten flach ist (Probe 5)	0,081	0,081	NV	NV
Dünne PE-Schicht (gleiches Anfangsmaterial wie bei Probe 5 oben) mit zufälligem Mikroeinprägungstexturprofil (Probe 6)	0,095	0,095	NV	NV
PE-Schicht mit Z-Rib-Prägeprofil (Zickzack-Prägeprofil) (Probe 7)	0,256	1,035	NV	NV
PE-Schicht mit Z-Rib-Prägeprofil (Zickzack-Prägeprofil) (Probe 8)	0,135	0,976	NV	NV

Für Probe 1 ist das Rippenmuster in 1(a) gezeigt. Für Probe 2 ist das Rippenmuster in 1(b) gezeigt. Für Probe 3 ist das Hauptrippenmuster in 1(a) gezeigt. Für Probe 6 wurde das texturierte Prägemuster auf beiden Seiten der Polyethylenschicht hinzugefügt, wie in 5 gezeigt.
Für die Proben 7 und 8 war das Prägeprofil das Prägeprofil, welches für den in 1(c) abgebildeten Separator verwendet wurde.
Verschiedene verbesserte Kompositseparatoren bzw. zusammengesetzte Separatoren gemäß der Erfindung wurden unter Verwendung von einer oder mehreren Schichten AGM geformt, und die Separatoren wurden in Batterien positioniert und Versuchen unterworfen und getestet (was einschließt, dass die Rippen zu der negativen Platte oder zu der Haltefläche, die die negative Platte simuliert, weisen, genauso wie dass die Rippen zu der AGM-Schicht weisen). In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann bevorzugt sein, dass die Rippen und/oder Prägungen zu der negativen Platte anstatt zu der AGM-Schicht weisen. In anderen Ausführungsbeispielen kann bevorzugt sein, dass die Rippen und/oder Einprägungen zu der AGM-Schicht eher als zu der negativen Platte weisen. In verschiedenen Ausführungsbeispielen ist die AGM-Schicht gegen die positive Platte angeordnet, da sie als ein Säurereservoir für das positiv aktive Material in der positiven Platte wirkt. In einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden zwei AGM-Schichten verwendet, so dass sie sandwichartig eine gerippte und/oder geprägte und/oder texturierte Polyethylenschicht zwischen ihnen aufnehmen.
Um die Batteriesäurefüllzustände zu simulieren, wurden ein modifizierter Gurley-Tester mit einer Halterung und verschiedene Kontroll- bzw. Vergleichs- und Experimentproben verwendet. Die Proben wurden an ihren Kanten umgedreht, und der Prozess simulierte zwei Elektroden, welche einen Batterieseparator in einem komprimierten Zustand halten (in einigen Fällen einen zweilagigen Batterieseparator, der eine AGM-Schicht und eine Schicht aus einem texturierten und/oder gerippten und/oder geprägten Polyethylenseparator aufweist), während die ausgeführten Tests bestimmten, wie viel Luft durch den Separator in einem trockenen Zustand und in einem nassen Zustand lief.

Die unten erwähnten Proben wurden im Wasser gegenüber einer Batteriesäure mit 1,28 spezifischer Wichte getestet. Der Vorgang des Füllens einer Batterie mit Säure wurde für die unten beschriebenen Testproben unter Verwendung eines Luftflusses durch ein 100% benetztes AGM-Separatorkomposit dupliziert bzw. nachgestellt. Tab. 2

Beschreibung des VRLA-AGM-Separators	Trocken Sekunden	H₂O Nass Sekunden	Säure mit 1,28 spezifischer Wichte Nass Sekunden	Mal schneller gegenüber AGM Vergleich (unter Verwendung von Säure) Nass Sekunden	Nass Säure Gewicht (g)
AGM + Probe 8 (mit Rippen oder Einprägungen zu AGM)	6,6	8	5,3	–91	0,465
AGM + Probe 7 (mit Rippen oder Einprägungen zu AGM)	15,7	21,7	7,6	–63	0,455
AGM + Probe 1 (mit Rippen zur negativen Elektrode)	10,6	11,7	22,3	–22	0,465
AGM + Probe 6	15	27,3	27,6	–17	0,485
AGM + Probe 2 (mit Rippen zur negativen Elektrode)	29	32	43	–11	0,497
AGM + Probe 1 (mit Rippen zur AGM)	83,6	110	82,3	–6	0,493
Einlagige AGM (Vergleich 1)	93	126	482	1	0,485

Die Ergebnisse in der Tabelle oben wurden erhalten unter Verwendung eines modifizierten Gurley-Testverfahrens zum Bestimmen der Zeit, die nötig ist, damit 100 cm³ Luft durch den gegebenen Separator vertikal laufen. Der Gurley-Wert ist die Zeit, die benötigt wird, um ein Luftvolumen mit einem konstanten Druck durch eine gegebene Probe zu drücken. Das Verfahren verwendete ein Gurley-Präzisionsinstrument, Modell 4110N mit 20-oz-Zylindern genauso wie mit verschiedenen Halterungen zum Messen der Luft vertikal durch den Separator. Diese Halterungen waren Einrichtungen, die verwendet wurden, um die Separatorproben vertikal in dem Gurley-Tester zu halten. Zwei Halterungen wurden verwendet, wobei eine eine Öffnung von 1,0 mm für den Separator hatte, und wobei eine eine Öffnung von 1,5 mm für den Separator hatte.
Während des Testverfahrens wurde die runde Metallscheibe vom Hinterteil des Gurley-Testgerätes entfernt. Die Separatorprobe wurde so geschnitten, dass sie die gleiche Größe hatte wie die Öffnung in der Halterung. Nuten in der Halterung gestatteten eine ordnungsgemäße Bemessung der Probe. Die zu testende Probe wurde eng in die Halterung eingesetzt, und zwar ohne Spalten oder Überlappungen.
Die Proben wurden sowohl nass als auch trocken gefahren. Für die nassen Proben wurde die Halterung in einem Behälter mit einer kleinen Menge von entweder de-ionisiertem Wasser oder Schwefelsäure mit Batteriequalität, abhängig von dem Test (wie oben erwähnt) angeordnet. Der Anwender stellte sicher, dass das Flüssigkeitsniveau nicht über 1 mm auf der Halterung ging. Die Flüssigkeit muss durch die AGM- und Polyolefinseparatorschicht nach oben wandern, damit eine nasse Probe vorliegt. Überflüssige Flüssigkeit wurde von der Außenseite der Halterung abgewischt. Der Zylinder wurde angehoben, bis die Federverriegelung unter dem Flansch in Eingriff kam und diesen hielt. Die Halterung wurde in das Gurley-Testgerät eingeführt, wobei die Probe direkt in die Mitte des Testgerätes mündete. Ein Kreis ist auf der Halterung gezogen, und zwar zur ordnungsgemäßen Anordnung in dem Gurley-Testgerät. Die Probe wurde durch einen Anzugshandgriff eingeklemmt. Die Federhalterung wurde dann außer Eingriff gebracht und der Zylinder wurde sanft abgesenkt, bis er in dem Öl schwimmt (Öl mit einer Viskosität von 60–70 s Saybold-Einheiten bei 38°C und einem Flash- bzw. Zündpunkt von mehr als 135°C). Dann wurde der Zylinder freigegeben. Unter Verwendung einer Stoppuhr wurde die Zeit (in Sekunden) gemessen, die erforderlich ist, damit das spezifische Luftvolumen (100 cc) durch die Probe läuft, und zwar indem die Zeit gestartet wurde, wenn die Markierung von 100 cc erreicht wurde und die Zeit gestoppt wurde, wenn die Markierung für 200 cc verstrichen ist. Der Wert wurde auf die nächsten 0,1 Sekunden berichtet bzw. vermerkt.
In verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde eine gute Leistung erhalten, wenn der Separator dünn war und ein hohes Niveau bzw. einen hohen Wert an Oberfläche hatte. In sowohl einem trockenen Zustand als auch in einem nassen Zustand sahen die Separatoren, welche gemäß den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen geformt wurden, beträchtliche Steigerungen bezüglich der Geschwindigkeit der Auffüllung von Säure vor, und die Säure war ein flüssiges Elektrolytsystem. Und in verschiedenen Ausführungsbeispielen in diesen gesamten Beispielen und in dieser gesamten Anmeldung wurde in überraschender Weise herausgefunden, dass die Verwendung von verschiedenen Rippen und/oder Prägungen zur Herstellung von verbesserten Separatoren für VRLA-AGM-Batterien ein System vorsieht, welches eine gute Balance zwischen Verfügbarkeit von Säure und schnellerer Säurefüllung unter Verwendung eines solchen flüssigen Elektrolytsystems vorsieht. Solche Ergebnisse sind unerwartet, da man traditionellerweise gedacht hat, dass entweder (a) eine oder mehrere flache AGM-Schichten, oder (b) ein zusammengesetzter Separator bzw. Kompositseparator, der eine oder mehrere flache AGM-Schichten und eine flache Polyethylenschicht verwendet, für eine effektive VRLA-AGM-Batterie notwendig ist, und dass beispielsweise Rippen Säure verdrängen würden, wie beispielsweise flüssiger Elektrolyt oder flüssige Säure, welche für die ordnungsgemäße Leistung der Batterie benötigt wird. Jedoch zeigten die verbesserten Separatoren, Batterien, Verfahren, Systeme und Füllverfahren unerwartete Ergebnisse im Vergleich zu der früheren Auffassung.

In verschiedenen anderen Beispielen wird eine verbesserte Polyethylenseparatorschicht gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen oben sandwichartig zwischen zwei AGM-Schichten aufgenommen, und der mehrlagige Batterieseparator wird in einer VRLA-Batterie verwendet. Beispielsweise zeigen die in Tab. 3 unten gezeigten Ergebnisse Informationen über verschiedene zusammengesetzte Separatoren, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung geformt bzw. hergestellt wurden, welche verschiedene Polyethylen-(PE)-Separatorschichten aufweisen, die in Übereinstimmung mit hier beschriebenen Ausführungsbeispielen geformt wurden, wobei jede PE-Separatorschicht sandwichartig zwischen zwei Schichten aus AGM aufgenommen ist, welches oben als Vergleich 1 (Control 1) erwähnt wurde, um einen zusammengesetzten Separator bzw. Kompositseparator zu formen. Die Tabelle stellt verschiedene Testergebnisse dar. Tab. 3

Beschreibung VRLA-AGM-Separator, wobei AGM = Vergleich 1	Gesamtdicke (mm)	% Kompression	Trocken Probe Sekunden	Nass Probe Sekunden Säure (wobei 999 = > 5 Minuten)	% Veränderung gegen über Vergleich (nass)	Trocken Gewicht (g)	Nass Gewicht (g)	Wasseraufnahme (g)
AGM + Probe 8+ AGM	3,11	52	15	68,6	–1356	0,143	0,871	0,728
AGM + Probe 7+ AGM	3,28	54	20	72	–1288	0,168	0,889	0,721
AGM + Probe 6+ AGM	2,89	48	46	999	0	0,133	0,907	0,774
Zwei Schichten AGM (2 Schichten Vergleich 1)	2,25	33	57	999	Vergleich	0,116	0,857	0,741
AGM + Probe 1+ AGM	2,69	44	74	999	0	0,179	0,878	0,699
AGM + Probe 2+ AGM	2,62	43	93	999	0	0,171	0,858	0,687

Die Ergebnisse oben sind überraschend und zeigen sehr gute Ergebnisse, einen guten Luftfluss (schnellste Luftflussgeschwindigkeiten) und höhere Säurefüllgeschwindigkeit (und daher verringerte Säurefüllzeit) insbesondere für einige der geprägten PE-Separatoren, wie beispielsweise die Proben 7 und 8, mit hoher KomPression (wie beispielsweise den oben gezeigten 52% Kompression), wenn diese zwischen zwei AGM-Schichten sandwichartig aufgenommen sind.
Zusätzlich wird in verschiedenen anderen Beispielen ein mehrlagiger Batterieseparator für eine VRLA-Batterie geformt, die eine Schicht aus AGM aufweist, die sandwichartig zwischen zwei Schichten eines verbesserten Polyethylenseparators gemäß verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen aufgenommen ist, wobei die zwei Schichten des verbesserten PE-Separators gleich oder unterschiedlich sein können, und Rippen oder Einprägungen oder Texturen oder Ähnliches haben können, und zwar gemäß den hier beschriebenen Erfindungen. Weiterhin wird in verschiedenen anderen Beispielen das verbesserte Polyethylenseparatormaterial, welches wie oben beschrieben geformt wurde, zu einem Blatt, einem Flächenelement, einer Hülse, einer Tasche, einer Umhüllung usw. gemacht.
In Übereinstimmung mit zumindest ausgewählten Ausführungsbeispielen, Aspekten oder Zielen werden verbesserte Batterieseparatoren, Batterien, Systeme und/oder Verfahren zur Herstellung, Füllung und/oder zur Verwendung vorgesehen. In Übereinstimmung mit zumindest gewissen Ausführungsbeispielen, Aspekten oder Zielen ist die vorliegende Offenbarung oder Erfindung auf verbesserte Separatoren für VRLA-Batterien (einschließlich AGM-Batterien, Gelbatterien und jenen Batterien, die Aspekte von AGM und Gel kombinieren) gerichtet und/oder auf verbesserte Verfahren zum Füllen einer VRLA-Batterie mit Säure, unter Verwendung eines speziellen verbesserten Batterieseparators. Zusätzlich werden hier ein Verfahren, ein System und ein Batterieseparator zum Verbessern einer Säurefüllung, zum Verbessern einer Säurediffusion, zum Steigern der Geschwindigkeit bei der Füllung mit Säure, zum Verringern der Zeit, die notwendig ist um eine Batterie mit Säure zu füllen, zum Verbessern eines Säuretransportes (wobei beispielsweise der Säuretransport gleichförmiger über die gesamte Elektrodenoberfläche gemacht wird), zur Vermeidung von Hydrationskurzschlüssen, zum Verringern der Batterieherstellungskosten (wegen gesteigerter Geschwindigkeit beim Füllen mit Säure), zum Schützen von Elektroden und/oder zum Verbessern der gesamten Batterielebensdauer einer Blei-Säure-Batterie offenbart, insbesondere einer VRLA-Blei-Säure-Batterie (was AGM-Batterien, Gelbatterien und jene Batterien einschließt, welche Aspekte von AGM und Gel kombinieren).
Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung, die hier beschrieben wurde, weisen die verbesserten Batterieseparatoren auf, wie sie hier gezeigt oder beschrieben wurden, genauso wie Batterien, welche die verbesserten Batterieseparatoren aufweisen, die hier gezeigt oder beschrieben wurden. Außerdem weist die vorliegende Offenbarung ein verbessertes Verfahren zum Füllen einer ventilgeregelten Blei-Säure-Batterie mit Säure unter Verwendung eines verbesserten Batterieseparators auf, wie er hier gezeigt oder beschrieben wurde. Weiterhin weist die vorliegende Offenbarung ein verbessertes Batteriesystem auf, welches eine VRLA-Batterie aufweist, die beispielsweise eine VRLA-AGM-Batterie, und einen verbesserten Separator aufweist, wobei der verbesserte Separator beträchtlich die Zeitdauer verringert, die benötigt wird, um die VRLA-Batterie, wie beispielsweise eine VRLA-AGM-Batterie mit Säure zu füllen.
Außerdem weist die vorliegende Offenbarung neuartige oder verbesserte Batterieseparatoren, Batterien, Systeme und/oder Verfahren zur Herstellung und/oder Anwendung auf, weiter verbesserte Separatoren für VRLA-Batterien (welche AGM-Batterien, Gelbatterien und jene Batterien einschließen, welche Aspekte von AGM und Gel kombinieren) und/oder verbesserte Verfahren zum Füllen einer VRLA-Batterie mit Säure unter Verwendung eines speziellen verbesserten Batterieseparators, Verfahren, Systeme und Batterieseparatoren zum Verbessern oder Ermöglichen einer Säurefüllung, zum Verbessern der Säurediffusion, zum Verbessern der Geschwindigkeit bei der Füllung mit Säure, zum Verringern der Zeit, die notwendig ist, um eine Batterie mit Säure zu füllen, zum Verbessern des Säuretransportes (wobei beispielsweise der Säuretransport gleichförmiger über die gesamte Elektrodenoberfläche gemacht wird), um Hydrationskurzschlüsse zu ver meiden, zum Verringern der Batterieherstellungskosten (wegen gesteigerter Geschwindigkeit beim Füllen mit Säure), zum Schützen von Elektroden und/oder zum Verbessern der gesamten Batterielebensdauer einer Blei-Säure-Batterie, insbesondere einer VRLA-AGM-Blei-Säure-Batterie (was AGM-Batterien, Gelbatterien und jene Batterien einschließt, welche Aspekte von AGM und Gel kombinieren) und/oder Ähnliches, was hier gezeigt oder beschrieben wurde.
Die Zusammensetzungen und Verfahren der angehängten Ansprüche sind bezüglich des Umfangs durch die hier beschriebenen speziellen Zusammensetzungen und Verfahren nicht eingeschränkt, wobei diese als Veranschaulichung von einigen wenigen Aspekten der Ansprüche vorgesehen sind. Irgendwelche Zusammensetzungen und Verfahren, die funktionell äquivalent sind, sollen in den Umfang der Ansprüche fallen. Verschiedene Modifikationen der Zusammensetzungen und Verfahren zusätzlich zu jenen, die hier gezeigt und beschrieben sind, sollen in den Umfang der angehängten Ansprüche fallen. Während nur gewisse repräsentative Zusammensetzungen und Verfahrensschritte, die hier offenbart werden, speziell beschrieben werden, sollen weiterhin andere Kombinationen der Zusammensetzungen und Verfahrensschritte auch in den Umfang der angehängten Ansprüche fallen, auch wenn dies nicht speziell aufgeführt ist. Somit kann eine Kombination von Schritten, Elementen, Komponenten oder Bestandteilen hier mehr oder weniger ausdrücklich erwähnt worden sein, jedoch sind andere Kombinationen von Schritten, Elementen, Komponenten und Bestandteilen miteingeschlossen, wenn diese nicht ausdrücklich erwähnt werden.
Der Ausdruck „aufweisen” und Variationen davon, so wie er hier verwendet wird, wird synonym mit dem Ausdruck „einschließen” und Variationen davon verwendet, und diese sind offene, nicht einschränkende Ausdrücke. Obwohl die Ausdrücke „aufweisen” und „einschließen” verwendet worden sind, um verschiedene Ausführungsbeispiele zu beschreiben, können die Ausdrücke „bestehen im Wesentlichen aus” und „bestehend aus” anstelle von „aufweisen” und „einschließen” verwendet werden, um speziellere Ausführungsbeispiele der Erfindung vorzusehen, und diese sind auch offenbart. Anders als wo dies auch gesagt wird, sollen alle Zahlen, I welche Geometrien, Abmessungen usw. ausdrücken, die in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet werden, als das Äußerste verstanden werden, und nicht als ein Versuch, die Anmeldung auf die Lehre von Äquivalenten zum Umfang der Ansprüche einzuschränken, und zwar dass diese im Lichte der Anzahl von signifikanten Stellen und gewöhnlichen Rundungsansätzen gesehen werden.
Außer wenn dies in anderer Weise definiert wird, haben alle technischen und wissenschaftlichen Ausdrücke, die hier verwendet werden die gleichen Bedeutungen wie diese üblicherweise von einem Fachmann für die Technik verstanden werden, zu der die offenbarte Erfindung gehört. Hier genannte Publikationen und die Materialien, für welche diese zitiert werden, sind insbesondere durch Bezugnahme mit aufgenommen.

Claims

Zusammengesetzter Batterieseparator zur Steigerung der Säurefüllgeschwindigkeit einer VRLA-Batterie und zum Verringern der Säurefüllzeit für die VRLA-Batterie, wobei der Separator zumindest eine AGM-Schicht und zumindest eine mikroporöse Polyolefinseparatorschicht aufweist, wobei die mikroporöse Polyolefinseparatorschicht eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche hat, wobei zumindest die erste Oberfläche Rippen, Prägungen, Säurefüllkanäle oder eine Kombination davon aufweist.
Separator nach Anspruch 1, wobei die mikroporöse Polyolefinseparatorschicht Polyethylen und Siliziumoxid aufweist.
Separator nach Anspruch 1, wobei die Rippen kontinuierliche Rippen, diskontinuierliche Rippen, verformte Rippen, zusammendrückbare Rippen, lösbare Rippen, sich verdünnende Rippen, komprimierte Rippen, komprimierbare Rippen, geprägte Rippen, Befestigungsrippen, geriffelte Rippen, unterbrochene Rippen oder eine Kombination davon aufweisen, und wobei die Rippen 0,008 bis 1 mm hoch sind.
Separator nach Anspruch 1, wobei die Rippen von 0,001 bis 10 mm voneinander beanstandet sind.
Separator nach Anspruch 1, wobei die zweite Oberfläche der mikroporösen Polyolefinseparatorschicht auch Rippen, Prägungen, Säurefüllkanäle oder eine Kombination davon aufweist.
Separator nach Anspruch 1, wobei die zweite Oberfläche der mikroporösen Polyolefinseparatorschicht negative Querrippen, Minirippen oder eine Kombination davon aufweist.
Separator nach Anspruch 1, wobei die Prägungen texturierte Prägungen, Prägungen mit geradem Muster, Prägungen mit Wellenmuster, Prägungen in einem Bildmuster, Prägungen mit Zickzackmuster oder eine Kombination davon sind.
Separator nach Anspruch 1, der eine AGM-Schicht auf jeder Seite der mikroporösen Polyolefinseparatorschicht aufweist, wobei die AGM-Schichten gleich oder unterschiedlich sind.
Separator nach Anspruch 1, wobei die AGM-Schicht Glasfasern, Polymerfasern oder eine Kombination davon aufweist.
Separator nach Anspruch 1, wobei die mikroporöse Polyolefinseparatorschicht erste Bereiche aufweist, die kleineren Poren und eine komprimierte Porenstruktur aufweist, und wobei sie zweite Bereiche aufweist, welche größere Poren und eine Porenstruktur aufweisen, die weniger komprimiert ist als die Porenstruktur der ersten Bereiche.
Separator nach Anspruch 1, wobei der Separator bei einem Druck von mehr als 10 kPa um ungefähr 10% bis 40% komprimierbar ist.
Separator nach Anspruch 1, der weiter eine Beschichtung mit einem Benetzungsmittel auf zumindest einer Seite der mikroporösen Polyolefinseparatorschicht aufweist.
VRLA-Batterie, die eine positive Elektrode, eine negative Elektrode, einen flüssigen Säureelektrolyten und den zusammengesetzten Batterieseparator nach Anspruch 1 aufweist.
VRLA-Batterie nach Anspruch 13, wobei die Batterie eine verbesserte Säurefüllung, eine verbesserte Säurediffusion, eine gesteigerte Säurefüllgeschwindigkeit, eine verringerte Säurefüllzeit, einen verbesserten Säuretransport, einen gleichförmigeren Säuretransport über eine Oberfläche von einer oder mehreren der Elektroden innerhalb der Batterie, weniger Hydrationskurzschlüsse, verringerte Kosten, verbesserte Zykluslebensdauer oder eine Kombination davon aufweist.
VRLA-Batterie nach Anspruch 13, wobei eine AGM-Schicht des zusammengesetzten Separators gegen die positive Elektrode angeordnet ist.
VRLA-Batterie nach Anspruch 13, wobei Rippen, Prägungen oder Säurefüllkanäle auf der mikroporösen Polyolefinseparatorschicht gegen die negative Elektrode angeordnet sind.
VRLA-Batterie nach Anspruch 13, wobei erste Bereiche des Separators unter geringerem Druck sind, während zweite Bereiche des Separators unter höherem Druck im Vergleich zu jenem in den ersten Bereichen sind.
Separator nach Anspruch 1, wobei zumindest eine der ersten und zweiten Oberflächen der mikroporösen Polyolefinseparatorschicht Rippen, Prägungen und Säurefüllkanäle hat.
Separator nach Anspruch 18, wobei die andere der mindestens einen der ersten und zweiten Oberflächen der mikroporösen Polyolefinseparatorschicht Prägungen und Säurefüllkanäle hat.
Verfahren zum Verbessern einer Säurefüllung einer VRLA-Batterie, welches Folgendes aufweist: Vorsehen einer VRLA-Batterie, welche eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und den zusammengesetzten Batterieseparator nach Anspruch 1 aufweist, wobei die positive Elektrode, die negative Elektrode und der zusammengesetzte Batterieseparator unter Druck sind, und Füllen der Batterie mit flüssigem Elektrolyt, welches Säure aufweist, wobei die Säurefüllgeschwindigkeit um mehr als dreimal vergrößert wird und die Säurefüllzeit um mehr als dreimal verringert wird, und zwar im Vergleich zu einer Säurefüllzeit einer herkömmlichen VRLA-Batterie.
Zusammengesetzter Batterieseparator zum Vergrößern der Säurefüllgeschwindigkeit einer VRLA-Batterie und zum Verringern der Säurefüllzeit für die VRLA-Batterie, wobei der Separator zumindest eine nicht gewebte Schicht und zumindest eine mikroporöse Polymerseparatorschicht aufweist, wobei die mikroporöse Polymerseparatorschicht eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche hat, wobei zumindest eine der ersten und zweiten Oberflächen Rippen, Prägungen und Säurefüllkanäle aufweist.
Separator nach Anspruch 21, wobei die nicht gewebte Schicht Glasfasern, Polymerfasern oder eine Kombination davon aufweist.
Separator nach Anspruch 21, wobei der Polymerseparator eine Polyolefinseparatorschicht ist.
Separator nach Anspruch 23, wobei die Polyolefinseparatorschicht Polyethylen und Siliziumoxid aufweist.