DE1142924B

DE1142924B - Verwendung eines Vlieses aus Kunststoff-Fasern als Separatoren-Material fuer alkalische Akkumulatoren

Info

Publication number: DE1142924B
Application number: DEF34962A
Authority: DE
Inventors: Dr Erich Fahrbach
Original assignee: Carl Freudenberg KG
Current assignee: Carl Freudenberg KG
Priority date: 1961-09-21
Filing date: 1961-09-21
Publication date: 1963-01-31
Also published as: US3344013A

Description

Die in der Praxis verwendeten Akkumulatoren-Batterien bestehen aus einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Anoden und Kathoden. Letztere haben meist die Form von Platten, die mit einem engen Zwischenraum von z. B. 0,05 mm und mehr in einem Elektrolyten angeordnet sind, um eine möglichst hohe Ladungskapazität zu gewährleisten. Damit ein Berühren der Platten und ein dadurch entstehender Kurzschluß verhindert werden, müssen dieselben durch Separatoren auf Abstand gehalten werden.

Die Funktion des Separators ist damit aber nicht erschöpft. Im Idealfall soll er zusätzlich vor allem folgende Eigenschaften aufweisen:

1. Beständigkeit gegen die Elektrolytflüssigkeit,

2. Beständigkeit gegen elektrochemische Oxydation,

3. Elastizität und damit Anpassungsvermögen an die Oberflächen der Elektroden,

4. Porosität, damit ungehinderte Ionenwanderung zwischen den Elektroden gewährleistet ist,

5. Filtrationsvermögen für von den Elektroden abgeschiedene Feststoffe,

6. Benetzung durch die Elektrolytflüssigkeit und dadurch Verhinderung des Festsetzens von Gasblasen an Separator und Elektroden,

7. Adsorptions- und Speichervermögen für die Elektrolytflüssigkeit.

Die üblichen Separatoren weisen jedoch diese Eigenschaften nur zum Teil auf. Wenn sie aus Geweben bestehen, ist entweder ihre Porosität groß und das Filtrationsvermögen gering, oder umgekehrt. Vor allem speichern Gewebe, auch wenn sie aufgerauht sind, nur ungenügende Mengen Elektrolytflüssigkeit.

Wegen der durch Kette und Schuß bedingten Anordnung der Fäden besteht ferner die Gefahr, daß auf den Elektroden befindliche oder von diesen abgeschiedene Festteilchen ohne Behinderung durch das Gewebe hindurchdringen, um schließlich einen Kurzschluß auszulösen.

Separatoren aus Kunststoff mit Porenstruktur dagegen sind meist wenig elastisch und schmiegen sich daher nicht gut genug an die relativ rauhen Elektroden an. Wegen der bei der Herstellung entstehenden Haut auf den Oberflächen der porösen Kunststoff-Separatoren werden von den Elektroden abgeschiedene Feststoffe nicht festgehalten. Sie fallen vielmehr ab und sammeln sich am Boden des Batteriebehälters an. Dort können sie zur Ausbildung von Brücken zwischen den Elektroden und somit zum Kurzschluß führen. Die Hautbildung hat des weiteren bei Separatoren mit geringen Dicken von z. B. 0,20 mm zur Folge, daß das Porenvolumen nicht Verwendung eines Vlieses

aus Kunststoff-Fasern als Separatoren-Material

für alkalische Akkumulatoren

Anmelder:

Fa. Carl Freudenberg,
Weinheim (a. d. Bergstraße)

Dr. Erich Fahrbach, Weinheim (a. d. Bergstraße),
ist als Erfinder genannt worden

mehr ausreicht, um ein hohes Rückhaltevermögen für den Elektrolyten zu gewährleisten. Ferner bewirkt die mangelnde Benetzbarkeit der an sich hydrophoben Kunststoffe, daß die bei der Entladung entstehenden Gasblasen auf den Oberflächen der Elektroden einerseits und am Separator anderseits festgehalten werden, was wiederum zu unerwünschten Polarisationseffekten führt.

Aus dieser nicht vollständigen Gegenüberstellung werden einerseits die komplexen Mechanismen des Separators in der elektrochemischen Zelle und andererseits die Nachteile der hauptsächlich gebräuchlichen Separator-Medien offenkundig.

Es wurde nun gefunden, daß ein Separator, der durch Anlösen von Vliesen aus Poiycaprolactam-Fasern (unter dem Handelsnamen Perlon bekannt) mittels geeigneter verdünnter Lösungen hergestellt wird, die obengenannten Eigenschaften weitgehend aufweist. An dieser Stelle muß jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen werden, daß nicht jedes durch Anlösen verfestigte Polycaprolactam-Fasermaterial als Separator geeignet ist. Bei der Darstellung des Separatoren-Materials ist vor allem darauf zu achten, daß verhältnismäßig lange Fasern verwendet werden. Es ist nämlich bereits bekannt, daß 0,2 mm bis 2 mm lange Caprolactam-Fasern bei längerer Einwirkung (bis 30 Minuten) konzentrierter ZnCl₂-, ZnBr₂, Ca(SCN)₂-, Mg(SCN)₂- usw. Lösungen in ein synthetisches Papier übergeführt werden können. Zur Durchführung dieses Verfahrens bedient man sich der in der Papierindustrie üblichen Maschinen und Techniken. Ein derartiges Synthesepapier ist jedoch viel zu dicht und unelastisch, um als Separator Ver-

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wendung finden zu können. Weiterhin ist darauf zu achten, daß die Salzlösung in nur relativ schwacher Konzentration (etwa 3- bis 5°/oig) und kurzzeitig (wenige Minuten) auf das anzulösende Faservlies einwirkt, und zwar nur so lange, bis es unmittelbar nach der Benetzung durch das Lösungsmittel bei erhöhter Temperatur getrocknet ist. EHe so verfestigte Vliesstoffbahn enthält noch Salze, die beim Einsatz Störungen hervorrufen können. Daher wird anschließend in einem Wasserbad so lange nachgewaschen, bis alles Salz herausgewaschen ist. Dann trocknet man wieder und glättet die Oberfläche noch zweckmäßigerweise durch Kalandrieren bei erhöhter Temperatur.

Das so hergestellte Separatoren-Material erweist sich als besonders geeignet für den Einsatz in Akkumulatoren mit Alkalilauge als Elektrolyt; es ist hochelastisch und hochporös. Seine labyrinthartige Struktur bedingt im Gegensatz zu derjenigen von Geweben eine ausgezeichnete Filtration und ein unerwartet hohes Aufnahmevermögen für den Elektrolyten. Letzteres ist von wesentlichem Vorteil, insbesondere bei sogenannten ständig gasdicht geschlossenen Akkumulatoren, bei denen das bei der Entladung entstehende Gas nicht nach außen entweichen kann und die aus diesem Grunde nur teilweise mit Elektrolytflüssigkeit, z. B. mit etwa 3O°/oiger KOH-Lösung, angefüllt sind. Der Separator muß hier die Funktion eines Dochtes bzw. eines Schwammes übernehmen, um die Elektroden auch im Gasraum mit einer ausreichenden Menge an Elektrolytflüssigkeit versorgen zu können, damit die volle Ladungskapazität genutzt werden kann. Durch das Anlösen der Fasern mittels obengenannter Salzlösungen wird das Netzvermögen der auf diese Weise hergestellten Fasergebilde gegenüber unbehandelten Fasern derart verbessert, daß die völlige Benetzung durch den Elektrolyten und die Depolarisation durch schnelle Beseitigung der bei der Entladung auftretenden Gasblasen gewährleistet sind. Letzteres kann durch Glätten der Oberflächen des Separatoren-Materials, z. B. zwischen Kalanderwalzen, noch zusätzlich verbessert werden.

Ein Verfahren zur Herstellung des Separatoren-Materials und dessen daraus resultierende Charakteristik soll an Hand folgender Beispiele näher erläutert werden:

Beispiel 1

Ein nach üblichen Verfahren hergestelltes, z. B. gekrempeltes Vlies aus 50% hochgekräuselten Polycaprolactam-Fasern mit einem Titer von 1,2 Denier und einem Stapel von 60 mm, 30% glatten Polycaprolactam-Fasern mit einem Titer von 1,4 Denier und einem Stapel von 40 mm, lO°/o normal gekräuselten Polycaprolactam-Fasern mit einem Titer von 3 Denier und einem Stapel von 30 mm, lO°/o glatten Polycaprolactam-Fasern mit einem Titer von 6 Denier und einem Stapel von 80 mm mit einem Gewicht von 60 g/m² wird mittels einer Sieb-Imprägniermaschine zwischen zwei Sieben aus V₂A-Draht durch ein Bad von 5°/oiger ZnCl₂-Lösung geführt, zwischen zwei Foulardwalzen auf 500% Naßaufnahme abgequetscht und in einem Horizontaltrockner mit Heißluft von 140° C getrocknet. Danach wird das bereits verfestigte Vliesstoffgebilde in einem 60° C warmen Waschbad von den anhaftenden Salzen befreit und erneut getrocknet.

Es kann in der vorliegenden Form seine Funktion als vollwertiger Separator bereits erfüllen.

Um die bei der Entladung in der elektrochemischen Zelle auftretenden Gasblasen noch besser entweichen zu lassen, wird die Oberfläche des Separatoren-Materials durch Kalandern bei 130° C mit einem Liniendruck von 10 kg/cm einseitig, gegebenenfalls auch beidseitig geglättet. Die Dicke, mit einer Mikrometerschraube gemessen, beträgt beim nicht geglätteten Material etwa 0,28 mm, beim geglätteten Material etwa 0,25 mm. Die Luftdurchlässigkeit, gemessen bei einem Unterdruck von 10 mm Wassersäule, liegt bei etwa 1300 1/sec/m², das Aufnahmevermögen von 30%iger wäßriger KOH-Lösung bei etwa 800%, entsprechend einer Gewichtsaufnahme von etwa 650 g/m².

Beispiel 2

Ein nach Beispiel 1 hergestelltes Separatoren-Material wird anstatt mit einem Liniendruck von 10 kg/cm mit einem solchen von 100 kg/cm bei 150° C kalandriert. Danach hat es eine Dicke von etwa 0,15 mm, eine Luftdurchlässigkeit von etwa 6001/sec/m², gemessen bei einem Unterdruck von 10 mm Wassersäule, und ein Aufnahmevermögen von 30%iger KOH-Lösung von etwa 300%, entsprechend einer Gewichtsaufnahme von 250 g/m².

Das Material findet allein oder in Kombination mit dem nicht kalandrieren Material seinen Einsatz vorteilhafterweise in offenen Alkaliakkumulatoren. Wo die Plattenabstände sehr eng gehalten sind, tut es gute Dienste, wenn es für sich allein verwendet wird.

Claims

PATENTANSPRUCH:

Verwendung eines Vlieses aus Kunststoff-Fasern als Separatoren-Material für alkalische Akkumulatoren, das dadurch hergestellt ist, daß man ein verhältnismäßig langfaseriges Polycaprolactam-Vlies mit einer niederprozentigen wäßrigen Salzlösung imprägniert, die ein oberflächliches Anlösen der Polycaprolactam-Fasern bewirkt, sodann die durch Abquetschen von überschüssiger Lösung unter Druck vorverfestigte Vliesstoffbahn bei 120 bis 150° C trocknet und endverfestigt, durch anschließendes Waschen von in der Vliesstoffbahn zurückgebliebenen Salzen befreit, dann wieder trocknet und gegebenenfalls noch bei erhöhter Temperatur glättet.

In Betracht gezogene Druckschriften:.
Deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1 786 832.

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