DE19501271A1

DE19501271A1 - Batterie-Trennelement

Info

Publication number: DE19501271A1
Application number: DE19501271A
Authority: DE
Inventors: Peter John Degen; Joseph Yuen Lee
Original assignee: Pall Corp
Current assignee: Pall Corp
Priority date: 1994-01-18
Filing date: 1995-01-18
Publication date: 1995-08-17
Also published as: JPH07282794A; IT1267192B1; CN1112295A; FR2715252B1; KR950024363A; ITTO940999A1; GB9423593D0; AU7892694A; CA2123674A1; US5492781A; TW249868B; FR2715252A1; GB2285638A; ITTO940999A0

Description

Die Erfindung betrifft ein Batterie-Trennelement sowie ein Ver fahren zur Herstellung desselben und darüber hinaus eine Ma gerelektrolyt-Batterie (starved electrolyte), welche das Batte rie-Trennelement enthält.

Insbesondere betrifft die Erfindung ein Batterie-Trennelement mit niedrigem elektrischen Widerstand und hoher Gleichförmig keit.

Eine große Vielzahl von Produkten, angefangen von alltäglicher Elektronik bis zu batteriebetriebenen elektrischen Fahrzeugen, verwendet elektrochemische Energiequellen. Gleichermaßen exi stiert eine große Zahl von Primär- und Sekundärbatterien, wel che für diese verschiedenen Anwendungen entworfen oder vorge schlagen wurden. Z.B. sind die folgenden elektrochemischen Sy steme bekannt: AgO/Zn, Ag₂O/Zn, HgO/Zn, HgO/Cd, Ni/Zn, Ni/Cd, Ni/MH und Zn/Luft.

Eine Batterie ist ein Gerät, das in der Lage ist, elektrochemi sche Energie in einen Gleichstrom zu wandeln, und kann entweder als eine primäre oder eine sekundäre Batterie bezeichnet wer den. Der Unterschied zwischen primären Batterien und sekundären Batterien liegt in dem Typ des elektrochemisch aktiven Materi als, das dabei verwendet wird. Primäre Batterien oder Brenn stoffzellen sind definiert als solche Batteriesysteme, welche elektrischen Strom durch Oxydation von fossilen Brennstoffen und deren Derivate erzeugen (Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemi cal Technology, 3, 545 et seq (1978). Hierbei gilt, daß, wenn der Brennstoff vollständig verbraucht ist, die Lebensdauer der Batterie vollständig abgelaufen ist. Sekundärzellen anderer seits erzeugen elektrischen Strom durch reversible chemische Reaktionen und können deshalb durch Anwendung eines externen Stromes durch die Batterie in entgegengesetzter Richtung zum normalen Stromfluß wieder aufgeladen werden (vgl. a.a.O. Seite 569).

Batterien können aus einer oder mehreren Batteriezellen herge stellt sein. In der allerelementarsten Form umfaßt die Batte riezelle ein Paar Platten, nämlich eine Anode und eine Kathode, ein Batterie-Trennelement und einen Elektrolyten. Wenn eine Last an der Batterie angeschlossen ist, werden Elektronen durch Oxydation an der Anode erzeugt. Die so erzeugten Elektronen fließen durch die Last und kehren dann zu der Batteriezelle an der Kathode zurück, wobei die Kathode reduziert wird. In sol chen Batteriezellen stellt die Elektrolyt-Lösung, d. h. die Lö sung, die den Elektrolyten enthält, das Medium für den Massen transport zwischen den Platten dar. Die primären Funktionen des Batterie-Trennelementes sind, einen physikalischen Kontakt zwi schen den Platten zu verhindern und die Elektrolyt-Lösung zu rückzuhalten. Bei einer Magerelektrolyt-Batteriezelle belegt das Trennelement vollständig den Raum zwischen den Platten, und die Elektrolyt-Lösung ist vollständig innerhalb des Batterie- Trennelementes enthalten. Das Batterie-Trennelement fungiert so als Reservoir für die Elektrolyt-Lösung in solchen Zellen.

Batterie-Trennelemente für solche elektrochemische Systeme wei sen vorzugsweise eine Vielzahl an Eigenschaften auf. Beispiels weise sollte das Batterie-Trennelement spontan, gleichmäßig und permanent benetzbar sein, um die Elektrolyt-Lösung, die typi scherweise wäßrig ist, aufzunehmen. Die spontane Benetzbarkeit des Batterie-Trennelementes sichert, daß es durch die Absorpti on der Elektrolyt-Lösung durch das Batterie-Trennelement wäh rend der Batterie-Herstellung nicht zur Bildung von Stellen kommt, welche elektrolytfrei sind, z. B. Gasblasen innerhalb des Batterie-Trennelementes, welche die Leistung ungünstig beein flussen würden. Die gleichmäßige Benetzbarkeit des Batterie- Trennelementes stellt sicher, daß das Batterie-Trennelement gleichförmige Eigenschaften aufweisen wird und daß deshalb sich Batterien, die mit solchen Trennelementen hergestellt sind, gleichförmig und voraussagbar verhalten werden. Die permanente Benetzbarkeit des Batterie-Trennelementes sichert, daß über die Betriebslebensdauer einer Batterie das Batterie-Trennelement keine Elektrolyt-Leerstellen, wie z. B. Gasblasen innerhalb des Batterie-Trennelementes, ausbilden wird, welche die Leistung ändern und negativ beeinflussen würden.

Das Trennelement sollte ferner dimensionsstabil sein und vor zugsweise nach Einführen der Elektrolyt-Lösung nicht merklich quellen. Selbstverständlich sollte das Batterie-Trennelement ebenso chemisch inert gegen harte, saure oder alkalische Bedin gungen sein, die üblicherweise in Batteriezellen vorhanden sind. Zusätzlich sollte das Batterie-Trennelement eine hohe me chanische Festigkeit aufweisen. Vorzugsweise beträgt die mecha nische Festigkeit des Batterie-Trennelements in Blattlaufrich tung mindestens ca. 90 kg/m. Weiter bevorzugt beträgt die Zug festigkeit des Batterie-Trennelementes in Blattlaufrichtung mindestens ca. 180 kg/m. Dies erlaubt den Einbau des Batterie- Trennelementes in eine Batterie unter Verwendung herkömmlicher Herstellungsprozesse.

Eine andere wünschenswerte Eigenschaft eines solchen Batterie- Trennelementes ist die, daß es einen minimalen elektrischen Wi derstand bietet, vorzugsweise einen Widerstand, der geringer ist als ca. 320 mΩ/cm², z. B. 95 bis 320 mΩ/cm² oder sogar so wenig wie ca. 65 mΩ/cm² oder weniger, gemessen in 40%iger KOH bei 1000 Hz bei 23°C oder gemessen unter den Voraussetzungen für eine bestimmte Batteriezelle. Ein minimaler elektrolyti scher Widerstand ist für eine Zahl von Gründen wichtig. Z.B. können die Geschwindigkeiten der Oxydation und Reduktion der Elektrodenplatten verzögert sein, wenn der elektrolytische Wi derstand zu groß ist, und die Leistungsabgabe der Batterie wird dadurch entsprechend vermindert.

Der elektrolytische Widerstand eines Batterie-Trennelementes ist eine direkte Funktion der Fähigkeit des Elektrolyten, durch das Trennelement hindurchzutreten. Zusätzlich hängt dieser Wi derstand von der Menge an Elektrolyt ab, der innerhalb des Trennelementes enthalten ist. Aus diesem Grund wird das Batte rie-Trennelement vorzugsweise so konstruiert, daß die elektro lytische Lösung schnell und vollständig von dem Batterie- Trennelement aufgenommen wird. In anderen Worten: das Batterie- Trennelement sollte eine hohe Kapillarität aufweisen und voll ständig benetzt sein; Darüber hinaus sollte das Batterie- Trennelement zur Erleichterung bei der Batterie-Herstellung in der Lage sein, schnell die elektrolytische Lösung aufzusaugen, wenn die Lösung in das Trennelement eingespeist wird. Zusätz lich ist es höchst wünschenswert, daß das Batterie-Trennelement eine hohe und gleichmäßige Absorptionskapazität aufweist, d. h., daß es in der Lage ist, eine große Menge an einer elektrolyti schen Lösung aufzunehmen. Vorzugsweise sollte ein Batterie- Trennelement in der Lage sein, 100 bis 300% seines eigenen Ge wichts an elektrolytischer Lösung zu absorbieren.

Ein Batterie-Trennelement weist auch vorzugsweise eine gleich förmige Struktur auf. Dies bringt mit sich, daß sowohl die ab solute Dicke des Trennelementes als auch die Dichte des Trennelementes gleichförmig ist. Wenn die Struktur innerhalb des Batterie-Trennelementes nicht gleichförmig ist, kann der elektrolytische Widerstand der Batterie ungleichförmig werden, z. B. durch die Bildung von Stellen, die frei von elektrolyti scher Lösung sind, z. B. bei Gasblasen innerhalb des Trennele mentes. Dies kann zu einer ungleichförmigen Stromverteilung in nerhalb des Batterie-Trennelementes führen. Darüber hinaus kann der elektrolytische Widerstand auf so einen Wert ansteigen, daß die Batterie gebrauchsunfähig wird, falls die Elektrolytkonzen tration innerhalb des Batterie-Trennelementes mit der Zeit we niger gleichförmig wird.

Ein weiterer Vorteil eines gleichförmigen Trennelementes ist der, daß die Eigenschaften von jedem Trennelement, das mit ei nem bestimmten Herstellungsverfahren hergestellt ist, gleich förmig und vorhersagbar sind. Während dem Herstellungsverfahren können Dutzende von Batterie-Trennelementen aus einer einzelnen Rolle an Material herausgeschnitten werden. Falls die physika lischen Eigenschaften des Materialloses variieren, können die Trennelemente, die aus dem Material hergestellt sind, unvorher sagbare Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise kann die Menge an Elektrolyt, der von jedem Trennelement aufgesaugt wird, va riieren, was Schwierigkeiten bei der Endfertigung der Batterie- Herstellung verursacht. Darüber hinaus können große Fluktuatio nen in den Spannungen und der Leistungsabgabe der Batterien, die mit diesen Trennelementen hergestellt sind, resultieren, sollte ein bestimmtes Los an Batterie-Trennelementen verschie dene elektrolytische Widerstände aufweisen.

Verschiedene Batterie-Trennelemente wurden über die Jahre hin weg in einem Versuch konzipiert, um einen oder mehrere dieser wünschenswerten Vorteile zu erreichen. Trotzdem hat in vielen Fällen der Aufbau der Batterie-Trennelemente eine Anzahl von wünschenswerten Eigenschaften beeinträchtigt. Beispielsweise wurden als ein Ergebnis der Anstrengungen, die Oberfläche der Batterie-Trennelemente spontan benetzbar zu machen, viele Bat terie-Trennelemente aus Materialien hergestellt, die durch die Elektrolyt-Lösung auslaugbar sind. Diese Materialien können oberflächenaktive Verbindungen oder andere Benetzungsmittel be inhalten. Wenn diese Verbindungen aus dem Batterie-Trennelement ausgelaugt sind, wird die Struktur und die spontane Benetzbar keit des Trennelements mit Elektrolyt abgebaut. Darüber hinaus sind ausgelaugte Materialien mit Elektrolyt-Lösung kontaminiert und können mit der Elektrolyt-Lösung reagieren und diese zer setzen. Jeder dieser Effekte vermindert die Nutzlebensdauer der Batterie. Ähnliches gilt für viele Batterie-Trennelemente, wel che metallische Verunreinigungen enthalten, welche ebenfalls die Elektrolyt-Lösung auslaugen mit ähnlichen negativen Auswir kungen.

Ein besonderes Problem, das im Stand der Technik bislang unzu friedenstellend behandelt wurde, ist das Problem von trockenen Stellen innerhalb des Trennelementes. Ungleichförmigkeit kann bewirken, daß die Elektrolyt-Lösung Kanäle durch Segmente des Batterie-Trennelementes bildet und dadurch zur Bildung von trockenen Stellen führt. Diese trockenen Stellen vermindern den effektiven Bereich, durch welchen die Elektrolyt-Lösung wandern kann, wodurch der elektrolytische Widerstand des Batterie- Trennelementes vergrößert wird. Die Ungleichförmigkeit kann zu sätzlich unzählige Herstellungsprobleme verursachen, wenn ver sucht wird, Batterien mit gleichförmigen Eigenschaften herzu stellen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorstehend ge nannten Probleme unter Inkaufnahme minimaler Kompromisse einer Lösung zuzuführen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Batterie- Trennelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Herstellung eines Batterie-Trennelementes, welches einen niedrigen Wider stand für den Durchgang des Elektrolyten bietet. Darüber hinaus befaßt sich die vorliegende Erfindung mit der Bereitstellung eines Batterie-Trennelementes, welches gut verträglich mit ei ner Elektrolyt-Lösung ist und das z. B. eine hohe Kapillarität, eine Dimensionsstabilität nach der Benetzung, eine hohe Absorp tionskapazität und einen guten Widerstand gegen das Auslaugen und andere chemische Angriffe aufweist. Zusätzlich ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Gleichförmigkeit der be kannten Batterie-Trennelemente zu verbessern und dadurch die Probleme der Bildung von trockenen Stellen und der Qualitäts kontrolle bei der Herstellung zu behandeln. Vollständige Batte rien und Verfahren zur Herstellung von Batterie-Trennelementen fallen ebenfalls in den Bereich der vorliegenden Erfindung. Diese sind Gegenstand von übergeordneten Ansprüchen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden aus der folgen den Beschreibung noch näher ersichtlich.

Die vorliegende Erfindung schafft insbesondere ein Batterie- Trennelement, welches eine nicht-gewebte Elektrolyt-Reservoir- Schicht, die mit einer nicht-gewebten Trägerschicht verbunden ist, umfaßt. Die Trägerschicht umfaßt Fasern mit einem mittle ren Durchmesser, welcher größer als ca. 15 µm ist. Vorzugsweise wurde die Trägerschicht auf eine Dicke von weniger als ca. 255 µm kalandriert mit einer Dickenabweichung von nicht mehr als ca. 10%. Die Elektrolyt-Reservoir-Schicht umfaßt Fasern mit einem mittleren Durchmesser von ca. 10 µm oder weniger und weist eine Dicke von weniger als ca. 380 µm auf. Vorzugsweise wird diese Schicht direkt auf die Trägerschicht schmelzgeblasen. Die nicht gewebten Fasern, die in der Elektro lyt-Reservoir-Schicht und in der Trägerschicht enthalten sind, sind aus den Materialien der Gruppe Polyethylen, Polypropylen, Polymethylpenten und Kombinationen hiervon gebildet. Die vor liegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung sol cher Batterie-Trennelemente als auch eine Batterie, welche die se Batterie-Trennelemente enthält. Ein erfindungsgemäßes Batte rie-Trennelement ist in hohem Maße gleichförmig und spontan be netzbar. Ferner bleibt das Batterie-Trennelement nach dem Kon takt mit der Elektrolyt-Lösung spontan benetzbar und bildet die Basis für eine lange und stabile Batterie-Betriebsdauer.

Das Batterie-Trennelement der vorliegenden Erfindung umfaßt ei ne zusammengesetzte Zwei-Schicht-Struktur mit einer Makrofaser schicht und einer Mikrofaserschicht. Die Makrofaserschicht ist eine nicht-gewebte Trägerschicht, welche aus Fasern mit relativ großem Durchmesser hergestellt ist und welche die notwendige Festigkeit für das Batterie-Trennelement schafft. Die Mikrofa serschicht ist eine nicht-gewebte Elektrolyt-Reservoir-Schicht, welche aus Fasern mit relativ kleineren Durchmessern gebildet ist und welche das notwendige Reservoir für den Elektrolyten, der in dem Batterie-Trennelement enthalten ist, schafft. Damit umfaßt das Batterie-Trennelement der vorliegenden Erfindung ei ne nicht-gewebte Trägerschicht, welche Fasern mit einem mittle ren Durchmesser von mindestens ca. 15 µm umfaßt und vorzugswei se aus diesen besteht und damit verbunden eine nicht-gewebte Elektrolyt-Reservoir-Schicht, welche Fasern mit einem mittleren Durchmesser von 10 µm oder weniger umfaßt und vorzugsweise aus diesen besteht und eine Dicke von weniger als ca. 380 µm auf weist.

Die Fasern, die in jeder Schicht enthalten sind, d. h. die Trä ger- und die Elektrolyt-Reservoir-Schicht, können aus jedem ge eigneten Material ausgewählt sein, welches für die Verwendung in einer Batterie als Batterie-Trennelement in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Typischerweise können nicht-gewebte Schichten aus thermoplastischen Fasern aus Polyamiden, Polyolefinen und Mischungen hiervon hergestellt werden. Die in jeder der Schichten enthaltenen Fasern des er findungsgemäßen Batterie-Trennelementes können dieselben oder verschieden sein und sind vorzugsweise materialmäßig ausgewählt aus der Gruppe von Polyethylen, Polypropylen, Polymethylpenten und Kombinationen hiervon. Die Fasern der Träger- und Elektro lyt-Reservoir-Schicht sind am meisten bevorzugt aus demselben Material, insbesondere aus Polypropylen.

Der nicht-gewebte Träger, der erfindungsgemäß geeignet ist, kann aus einer beliebigen Anzahl von nicht-gewobenen Materiali en hergestellt werden, wie z. B. Spinnvlies oder schmelzgeblase nen Fasern. Das Spinnvlies-Verfahren produziert Vliese, die aus langen Filamenten mit normalem textilem Durchmesser zusammenge setzt sind, welche direkt aus der Polymermasse gebildet werden. Schmelzblasverfahren erzeugen Fasern mit Durchmessern, die viel kleiner sind als solche von typischen Textilien (Encyclopedia of Polymer Science & Engineering, 10, 219-23 (1985). Der nicht gewebte Träger des erfindungsgemäßen Batterie-Trennelementes wird vorzugsweise unter Verwendung eines Spinnvliesprozeß- Verfahrens hergestellt. Solch ein Verfahren ergibt ein nicht gewebtes Material mit hoher Zugfestigkeit und auch sonst geeig neten Eigenschaften für die Verwendung als Träger.

Die Fasern, die verwendet werden, um das nicht-gewebte Material zu bilden, können jeden geeigneten Durchmesser aufweisen. Ins besondere sollte der Faserdurchmesser ausreichend groß sein, um eine ausreichende Festigkeit für die Funktion als Träger be reitzustellen, z. B. einen mittleren Durchmesser von mindestens 15 µm. Die Fasern, die einen mittleren Durchmesser von ca. 15 bis ca. 100 µm aufweisen, werden vorzugsweise für die Herstel lung des nicht-gewebten Trägers benutzt der für die Verwendung in dem erfindungsgemäßen Batterie-Trennelement geeignet ist. Weiter bevorzugt weisen die Fasern einen Durchmesser von ca. 20 bis ca. 80 µm auf.

Das Flächengewicht und die Zugfestigkeit der nicht-gewebten Trägerschicht, die erfindungsgemäß verwendet wird, sollte aus reichend hoch sein, um eine Tragefunktion für die Elektrolyt reservoir-Schicht zu schaffen und Zugbeanspruchungen während der Herstellung des Batterie-Trennelementes zu widerstehen. Ma terialien mit einem Flächengewicht von mindestens ca. 15 g/m² und bevorzugt mehr als ca. 25 g/m² sind für die Verwendung ge mäß der vorliegenden Erfindung geeignet. Am meisten bevorzugt sollten die Materialien ein Flächengewicht von ca. 50 bis 100 g/m² aufweisen. Ferner sollte das Material eine Zugfestigkeit von mindestens ca. 90 kg/m aufweisen, vorzugsweise eine Zugfe stigkeit, welche größer ist als ca. 180 kg/m.

Die nicht-gewebten Materialien, die vorzugsweise verwendet wer den, umfassen z. B. Polypropylene, wie z. B. Lutrasil^TM (Fasern mit einem Durchmesser von ca. 20 µm; Lutrasil, Freudenberg, Deutschland) und Typar^TM (Fasern mit einem Durchmesser von ca. 45 µm; Reemay, Old Hickory, Tennessee) und Nylonmaterialien, wie z. B. Cerex^TM (Fasern mit ca. 20 µm; Fiberweb North America, Simpsonville, South Carolina). Am meisten bevorzugt werden Uni pro^TM150- und Unipro^TM200-Polypropylen-Fasern (Fasern mit einem Durchmesser von ca. 30 µm, Phillips) zur Herstellung der Trä gerschicht verwendet.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung wird die nicht-gewebte Trägerschicht kalandriert, bevor sie mit der nicht-gewebten Elektrolyt-Reservoir-Schicht verbun den wird. Kalandrieren ist nützlich, um die Dicke der Träger schicht zu vermindern und die Dickengleichmäßigkeit der Träger schicht zu verbessern. Dadurch wird die Dicke des unter Verwen dung der Trägerschicht hergestellten Batterie-Trennelementes vermindert und die Gleichförmigkeit hiervon verbessert. Ka landrieren kann jedoch die Festigkeitseigenschaften der Träger schicht negativ beeinflussen, und deshalb sollte das Kalandrie ren der Trägerschicht mit Sorgfalt durchgeführt werden, um nicht die Festigkeit der Trägerschicht negativ in einem solchen Ausmaß zu beeinflussen, daß die Trägerschicht keine ausreichen de Festigkeit mehr aufweist, um bei der Herstellung der Batte rie-Trennelemente als Trägerschicht zu dienen. Darüber hinaus sollte die Trägerschicht nicht derart kalandriert werden, daß die Trägerschicht ihre Porosität verliert oder daß dies den Druckabfall über das Trennelement zu einem merklichen Maß nega tiv beeinflußt, gemessen beispielsweise mittels eines sogenann ten Gurley-Luftflusses durch die Trägerschicht. Falls das An steigen des Druckabfalls zu groß ist, kann der elektrolytische Widerstand negativ beeinflußt werden. Vorzugsweise wird der Druckabfall über das Material nach dem Kalandrieren nicht mehr als das 10fache des Wertes vor dem Kalandrieren betragen. Wei ter bevorzugt wird der Anstieg des Druckabfalls nach dem Ka landrieren ca. 5- bis ca. 7fach größer sein als vor dem Ka landrieren.

Das Kalandrieren der Trägerschicht kann mittels jedes geeigne ten Verfahrens durchgeführt werden. Das Kalandrierverfahren wird vorzugsweise entsprechend dem in der US-Patentanmeldung USSN 08/116,901 beschriebenen Verfahren durchgeführt. Bei die sem Verfahren wird nicht-gewebtes Material zwischen einer nach giebigen Walze und einer nicht-verformbaren Walze kalandriert. Die nicht-verformbare Walze umfaßt oder ist hergestellt aus be liebigem Material, das sich bei Kontakt mit dem nicht-gewebten Material nicht verformt, z. B. Edelstahl. Die nachgiebige Walze umfaßt oder ist bedeckt mit einer Beschichtung aus Kunststoff, Kautschuk oder Fasermaterial, wie z. B. Silikonkautschuk, Urethan, Nylon oder Baumwolle. Vorzugsweise weist die Walze eine Abdeckung, kombiniert aus Fasern und wärmehärtbarem Harz, auf, wie z. B. eines der Beloit-Supertex^TM-Materialien. Eine ausführliche Erklärung für die Prozeßvariablen und deren Effekt auf den Kalandrierungsprozeß kann in der US-Patentanmeldung USSN 08/116,901 gefunden werden.

Die Trägerschicht kann von jeder geeigneten Dicke sein, aber sie wird vorzugsweise so dünn wie möglich sein, z. B. daß sie ausreichend ist, um die gewünschte Festigkeit des Batterie- Trennelements zu schaffen. Die Trägerschicht weist vorzugsweise eine Dicke von weniger als ca. 510 µm auf, weiter bevorzugt we niger als ca. 255 µm und am meisten bevorzugt ca. 125 bis ca. 205 µm.

Die Dicke der Trägerschicht sollte so gleichmäßig wie möglich sein. Die Dicke der Trägerschicht variiert vorzugsweise um nicht mehr als ca. 10%, weiter bevorzugt um nicht mehr als ca. 5%. Die Dickenänderung oder Dickenvariation wird durch die Messung der Dicke eines Schnittes des Materials an verschiede nen Punkten, die gleichmäßig über die Oberfläche des Materials verteilt sind, bestimmt. Die Standardabweichungen dieser Dik kenmessungen, geteilt durch das Mittel dieser Messungen, stellt die Dickenvarianz oder die Dickenänderung dar. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird die Dicke als der Wert de finiert, der unter Verwendung eines Tasters mit Fußfläche von 0,178 cm² und einer Druckbeaufschlagung von 0,11 kg, resultie rend in einem angewandten Druck von ca. 62 kPa, gemessen wird.

Das Batterie-Trennelement wird durch das Verbinden einer nicht gewebten Elektrolyt-Reservoir-Schicht auf die Trägerschicht ge bildet, so daß ein ausreichender Grad an Verhaftung zwischen den beiden Lagen resultiert, so daß die beiden Lagen sich kör perlich während der nachfolgenden Herstellung des erfindungsge mäßen Batterie-Trennelementes und der Handhabung des erfin dungsgemäßen Batterie-Trennelementes während der Herstellung einer Batterie hieraus nicht trennen. Die Abziehfestigkeit zwi schen den beiden Schichten wird im allgemeinen mindestens ca. 4 g pro linearem Zentimeter betragen und mehr typisch mindestens ca. 6 g pro linearem Zentimeter. Vorzugsweise stellt das Batte rie-Trennelement eine Verbundstruktur dar, welche eine Elektro lyt-Reservoir-Schicht umfaßt, welche vollständig mit einer Trä gerschicht ohne Klebstoff verbunden ist. Dieses Verbinden der beiden Lagen wird vorzugsweise durchgeführt, nachdem die nicht gewebte Trägerschicht kalandriert wurde, obwohl die Reihenfolge dieser Schritte in dem Ausmaß, in dem das Kalandrieren ange wandt wird, nicht kritisch ist. Tatsächlich kann die nicht gewebte Trägerschicht kalandriert werden, vor und/oder nachdem die nicht-gewebte Elektrolyt-Schicht daran befestigt wurde.

Während die nicht-gewebte Elektrolyt-Reservoir-Schicht an der Trägerschicht in jeder geeigneten Weise befestigt werden kann, wird die Elektrolyt-Reservoir-Schicht vorzugsweise direkt auf die Trägerschicht schmelzgeblasen, um eine ausreichende Anhaf tung direkt zwischen dem Träger und der Elektrolyt-Reservoir- Schicht herzustellen. Schmelzblasprozesse wurden in breitem Um fang benutzt, um nicht-gewebte Textilien herzustellen, und die Details solcher typischer Verfahren sind in den US-Patenten 3,978,185 und 4,594,205 ausgeführt. Im Kern umfaßt das erfin dungsgemäß verwendete Verfahren das Extrudieren eines faserbil denden Polymers durch eine Düse in einen Hochgeschwindig keitsstrom aus geheiztem Gas, welcher auf eine Sammeloberfläche gerichtet ist, wie z. B. eine rotierende Aufnahme- oder Auffangrolle, welche in funktionellem Zusammenhang mit einem rotierenden Dorn steht. Der Gasstrom verzögert das extrudierte Polymermaterial, um Mikrofasern in dem Spalt zwischen der Düse und der Auffangoberfläche zu bilden, welche in dem Spalt vor der Aufnahme auf die Aufnahmeoberfläche, z. B. eine geeignete Trägerschicht in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfin dung, gekühlt werden. Die vielen Variablen, die den Schmelz blasprozeß beeinflussen können, z. B. das Polymer, die Luft stromgeschwindigkeit, das Volumen, die Temperatur und der Druck der Luft, welche gegen die faserbildenden Düsen gefördert wird, und der Effekt der Variablen auf die Bildung der schmelzgebla senen Schicht sind für den Durchschnittsfachmann gut bekannt.

Bei der Herstellung des Batterie-Trennelementes der vorliegen den Erfindung in einer solch bevorzugten Weise dient der nicht gewebte Träger als eine Auffangoberfläche und wird auf die Auf fangwalze einer Schmelzblasvorrichtung vor der Bildung der Elektrolyt-Reservoir-Schicht montiert. Kommerziell erhältliche Materialien, die als Träger verwendet werden können, wie z. B. Unipro^TM150 und Unipro^TM200, werden typischerweise als Textilla gen geliefert. Falls der Träger kalandriert wurde, wie zuvor diskutiert, wird eine Seite des Textils, verglichen mit der an deren Seite, rauh werden. In diesem Fall ist es bevorzugt, die Elektrolyt-Reservoir-Schicht auf die rauhe Seite der Träger schicht schmelzzublasen, um die Bindung zwischen der Elektro lyt-Reservoir-Schicht und der Trägerschicht zu verbessern.

Die Bindung zwischen den Schichten kann ferner durch die Ver wendung einer Vorbeschichtung auf die schmelzgeblasene Schicht verbessert werden. Wenn die Vorbeschichtung aufgebracht wird, werden die Verfahrensbedingungen vorzugsweise so angepaßt, daß die Vorbeschichtungsfasern eine optimale Adhäsion mit der Trä gerschicht schaffen. Die Vorbeschichtungsschicht, die so gebil det wird, unterstützt die vollständige Bindung des Rests der Elektrolyt-Reservoir-Schicht mit der Trägerschicht. Im Stand der Technik ist es gut bekannt, daß man mehrere Prozeßvariablen anpassen kann, um dieses Ergebnis zu erzielen. Z.B. wird die Anhaftung zwischen der Elektrolyt-Reservoir-Schicht und der Trägerschicht verbessert werden, falls der Abstand zwischen den Düsen und der Auffangoberfläche vermindert wird.

Die Bindung der Elektrolyt-Reservoir-Schicht mit der Träger schicht sollte so bewerkstelligt werden, daß die Elektrolyt- Reservoir-Schicht homogen mit der Trägerschicht verbunden ist. Die Gleichförmigkeit der Verbindung kann mit dem Auge bestimmt werden, z. B. durch das Gegen-eine-Lichtquelle-Halten der ver bundenen Schichten und die Bestimmung, ob die verbundenen Schichten gleichförmig transluzent sind, oder durch Fühlen. Ebenso können die Dickenvarianzmessungen mit einem Dickeprüfge rät, wie oben beschrieben, durchgeführt werden.

Wenn die Fasern der Trägerschicht einen ausreichenden Durchmes ser aufweisen, um die benötigte Zugfestigkeit zu schaffen, wird die Trägerschicht typischerweise nicht mehr in der Lage sein, eine gewünschte Kapillarität bereitzustellen. In der Konsequenz sollte die Elektrolyt-Reservoir-Schicht zur Bereitstellung der für ein Batterie-Trennelement benötigten Kapillarität Fasern mit einem geringeren Durchmesser umfassen. Solche Fasern können typischerweise nicht alleine verwendet werden, d. h. ohne Trä gerschicht, insoweit als diese Fasern im allgemeinen eine unzu reichende Festigkeit aufweisen werden, um die Batterie- Herstellung ohne die Hilfe einer Trägerschicht zu überdauern. Die Elektrolyt-Reservoir-Schicht weist vorzugsweise einen mitt leren Faserdurchmesser auf, welcher geringer ist als der mitt lere Faserdurchmesser der Trägerschicht um mindestens den Fak tor 5 und am meisten bevorzugt um einen Faktor 10 oder mehr. In absoluten Zahlen weist der bevorzugte Faserdurchmesser der Elektrolyt-Reservoir-Schicht einen Wert von weniger als ca. 10 µm auf und liegt weiter bevorzugt im Bereich von ca. 2 bis ca. 8 µm. Die Elektrolyt-Reservoir-Schicht kann jedes geeignete Flächengewicht aufweisen. Vorzugsweise hat die Elektrolyt- Reservoir-Schicht ein Flächengewicht von weniger als ca. 60 g/m², am meisten bevorzugt von ca. 20 bis ca. 60 g/m².

Die Elektrolytreservoir-Schicht kann jede geeignete Dicke auf weisen. Die Elektrolyt-Reservoir-Schicht weist vorzugsweise ei ne Dicke von ca. 125 bis ca. 380 µm auf, am meisten bevorzugt weniger als ca. 255 µm. Die gewünschte Dicke wird typischerwei se durch die Menge an Elektrolyt-Lösung bestimmt, die von der Batterie aufgenommen werden soll, und von der gewünschten Bat terieleistung. Wenn die Dicke des Batterie-Trennelementes an steigt, wird dies mehr Elektrolyt aufnehmen, was ein vorteil hafter Effekt ist. Ein Anwachsen der Dicke des Trennelementes jedoch wird ebenso in einem Anwachsen des elektrolytischen Wi derstandes des Trennelementes resultieren und demzufolge die Impedanz der Batterie, die ein solches Trennelement verwendet, was ein unerwünschter Effekt ist. Darüber hinaus wird ein An wachsen der Dicke des Batterie-Trennelementes in einer Vermin derung an aktivem Material in der Batterie für ein bestimmtes Volumen resultieren, was ebenfalls ein unerwünschter Effekt ist. Für die meisten Anwendungsfälle ist die Dicke der Elektro lyt-Reservoir-Schicht optimal ca. 75 bis ca. 255 µm.

Da beide, sowohl die Trägerschicht als auch die Elektrolyt- Reservoir-Schicht, das erfindungsgemäße Batterie-Trennelement umfassen und vorzugsweise aus Fasern bestehen, welche eine niedrige Oberflächenenergie aufweisen und deshalb nicht spontan mit Elektrolyt benetzbar sind, wird das erfindungsgemäße Batte rie-Trennelement vorzugsweise obenflächenmodifiziert, um es spontan benetzbar zu machen, so daß das Trennelement spontan durch die Elektrolyt-Lösung benetzbar ist. Solche Oberflächen modifikationen werden vorzugsweise vorgenommen, nachdem die Elektrolyt-Reservoir-Schicht und die Trägerschicht miteinander fest verbunden sind; jedoch kann die Trägerschicht vorbehandelt werden, um sie spontan benetzbar zu machen, bevor die Elektro lyt-Reservoir-Schicht aufgebracht wird. Vorzugsweise wird das Trennelement modifiziert werden, um eine kritische Benetzungs oberflächen-Spannung (CWST) von mindestens ca. 70 mN/m aufzu weisen, wie es durch den CWST-Test in dem US-Patent 4,880,548 beschrieben ist. Das bevorzugte Verfahren, um das Trennelement spontan benetzbar zu machen, ist das Pfropfpolymerisieren des Trennelements mit einem hydrophilen Monomer. Bevorzugte Bei spiele solcher Monomere umfassen Acryl- oder Methacrylsäuremo nomere mit alkoholischen funktionellen Gruppen, wie z. B. Acryl säure, Methacrylsäure, Diethylenglycoldimethacrylat, Tertiär butyl-Alkohol, Hydroxyethylacrylat, Hydroxyethylmethacrylat, Hydroxypropylacrylat, Hydroxypropylmethacrylat und Kombinatio nen hiervon. Besonders bevorzugte Monomere sind Acrylsäure, Methacrylsäure, Hydroxyethylmethacrylat, Hydroxypropylacrylat und Kombinationen hiervon. Es kann jede geeignete Maßnahme ver wendet werden, um das Monomer auf die hydrophoben Fasern, die erfindungsgemäß verwendet werden, durch Polymerisation aufzu pfropfen. Strahlungspfropfung ist die bevorzugte Technik, um das gewünschte Resultat zu erzielen. Als Strahlungsquelle kom men radioaktive Isotope, wie z. B. Kobalt 60, Strontium 90 oder Cäsium 137 in Frage. Alternativ kann die Strahlung von Quellen kommen, wie z. B. Röntgen-Geräten, Elektronenbeschleunigern, UV- Generatoren oder ähnlichem. Elektronenstrahl-Bestrahlung ist die bevorzugte Quelle für die Strahlung, weil sie ein gleich förmig gepfropftes Produkt ergibt. Die Pfropfung wird typi scherweise dadurch erreicht, daß entweder das Trennelement be strahlt wird und dann einer geeigneten Monomer-Lösung ausge setzt wird oder alternativ durch Bestrahlen des Trennelementes, während es mit einer Lösung des Monomeren in Kontakt steht. Falls die Polymerisation mit der ersteren Methode durchgeführt wird, sollte das Trennelement mit der Monomer-Lösung so schnell als möglich in Kontakt gebracht werden, um jegliche Seitenreak tionen zu minimieren, welche die aktiven Stellen, die durch die Strahlung erzeugt wurden, vermindern. In jedem Fall sollte die Strahlung in Abwesenheit von Sauerstoff angewandt werden, was die Effektivität des Verfahrens vermindert. Vorzugsweise wird die Bestrahlung unter Stickstoffschutzatmosphäre durchgeführt. Nach Beendigung sollte das Batterie-Trennelement gleichförmig benetzbar sein. Ein praktisches Maß für die Benetzbarkeit eines Batterie-Trennelementes ist die Aufsauggeschwindigkeit des Bat terie-Trennelementes, z. B. die relative Zeit für ein Batterie- Trennelement, in der es vertikal dochtartig einen Elektrolyten über eine bestimmte Wegstrecke aufsaugt. Das erfindungsgemäße Batterie-Trennelement ist vorzugsweise in der Lage, um vertikal dochtartig 40%ige KOH über eine Wegstrecke von einem Zoll (2,54 cm) in weniger als ca. 300 sek aufzusaugen, weiter bevor zugt in weniger als 200 sek und am meisten bevorzugt in weniger als ca. 100 sek.

Das erfindungsgemäße Batterie-Trennelement ist in hohem Maße gleichförmig. Die Gleichförmigkeit des Batterie-Trennelementes kann mit einer Anzahl von Tests gemessen werden, z. B. durch Kartieren der Dicke, der Luftströmung nach Gurley, des Wider standes usw.

Das Batterie-Trennelement der vorliegenden Erfindung kann in eine Batterie unter Verwendung herkömmlicher Herstellungspro zesse eingebaut werden. Eine große Vielzahl an primären und se kundären Batterien fallen in den Bereich der vorliegenden Er findung, z. B. AgO/Zn-, Ag₂O/Zn-, HgO/Zn-, HgO/Cd-, Ni/Zn-, Ni/Cd-, Ni/MH- und Zn/Luft-elektrochemische Systeme. Diese Bat terien können dadurch hergestellt werden, daß z. B. eine Zahl von Batteriezellen in Serie angeordnet wird, worin mindestens eine der Zellen ein Batterie-Trennelement, das erfindungsgemäß hergestellt wurde, enthält.

Die vorliegende Erfindung beinhaltet ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Batterie-Trennelementes, wie es hierin beschrieben wurde. Das Verfahren umfaßt die Schaffung einer Trägerschicht, welche Fasern mit einem mittleren Durchmesser von mindestens ca. 15 µm enthält, und Anheften einer Elektro lyt-Reservoir-Schicht auf diese Trägerschicht. Vorzugsweise werden die Lagen vollständig miteinander verbunden. Dieser Schritt sollte derart durchgeführt werden, daß die sich erge bende Elektrolyt-Reservoir-Schicht einen mittleren Faserdurch messer von weniger als 10 µm aufweist und eine Dicke von weni ger als ca. 255 µm.

Die Fasern, die in dem Verfahren benutzt werden, werden vor zugsweise aus Materialien ausgewählt, die aus Polyethylen, Po lypropylen, Polymethylpenten und Kombinationen hieraus beste hen. Weiter bevorzugt werden in dem Verfahren Polypropylen- Fasern verwendet, worin die Fasern des Trägers einen mittleren Faserdurchmesser aufweisen, der mindestens ca. 5mal größer ist als der der Fasern, welche in der Elektrolyt-Reservoir-Schicht enthalten sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren den Schritt der Kalandrierung der Trägerschicht auf eine Dicke von weniger als ca. 255 µm umfassen, bei einer Dik kenvarianz von nicht mehr als ca. 10%. Dieser Schritt wird durchgeführt, bevor die Elektrolyt-Reservoir-Schicht mit der Trägerschicht verbunden wird, obwohl dies nicht zwingend ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren verlangt ebenfalls, daß das Bat terie-Trennelement spontan benetzbar gemacht wird. Dieser Schritt kann durch jedes geeignete Mittel herbeigeführt werden, z. B. durch Strahlungspfropfung eines hydrophilen Monomers auf das Trennelement. Wie zuvor diskutiert, umfassen bevorzugte Verfahren das Pfropfen eines Monomers, wie z. B. Acryl- oder Methacrylsäure, auf das Trennelement unter Verwendung von Elek tronenstrahlung, wobei das Verfahren ein gleichförmig gepfropf tes Produkt ergibt. Die folgenden Beispiele veranschaulichen weiter die vorliegende Erfindung und sind selbstverständlich nicht als Beschränkung der Erfindung anzusehen.

Beispiel 1

Dieses Beispiel dient der Beschreibung eines erfindungsgemäßen Batterie-Trennelementes.

Eine Rolle an nicht-gewobenem Polypropylen-Textilmaterial, wel ches aus Fasern hergestellt wurde, von denen angenommen wird, daß sie einen Durchmesser von ca. 20 bis 30 µm aufweisen und das Textilmaterial selbst eine Dicke von 280 µm bei einem Flä chengewicht von 50 g/m² aufweist, einem Luftdurchfluß nach Gur ley von 100 ml in weniger als 0,12 sek, wurde auf eine Dicke von 125 µm kalandriert. Eine 100 µm dicke Schicht an Polypropy lenfasern mit ca. 3 bis 5 µm Durchmesser wurde auf diese ka landrierte Trägerschicht im Schmelzblasverfahren aufgebracht. Das erhaltene Batterie-Trennelement hatte eine Dicke von 230 µm, ein Flächengewicht von 86 g/m² und einen Luftdurchfluß nach Gurley von 100 ml in 1,5 sek.

Die Materialrolle wurde einer β-Strahlung in einem Elektronen strahl-Beschleuniger mit einer Gesamtdosis von 7 Mrad ausge setzt und wurde dann mit einem wäßrigen Monomerbad in Berührung gebracht, welches 10% Hydroxymethylmethacrylat, 6 bis 10% Methacrylsäure, 0,05% Diethylenglycoldimethacrylat (DEGDMA) und 25% Tertiärbutyl-Alkohol (TBA) in Stickstoff-Atmosphäre aufweist. Die Rolle wurde in einer Stickstoff-Atmosphäre umge spult und bei Raumtemperatur während 3 Tagen aufbewahrt. Nach der Lagerung wurde die Rolle mit Wasser während ca. 4 Stunden gewaschen und dann getrocknet. Das so gebildete Batterie- Trennelement war in hohem Maße gleichförmig und besaß wün schenswerte physikalische Eigenschaften. Insbesondere besaß das Trennelement einen elektrolytischen Widerstand von 186 mΩ/cm² in 40%iger KOH, eine 230%ige Absorption von 40%iger KOH und einen Luftdurchfluß nach Gurley (100 ml) während 4,6 sek. Das Batterie-Trennelement wurde als besonders nützlich in alkali schen Ni/MH- und Ni/Cd-Batterien angesehen.

Beispiel 2

Dieses Beispiel enthält eine weitere Beschreibung eines erfin dungsgemäßen Batterie-Trennelementes.

Eine Rolle an nicht-gewebtem Polypropylen-Textilmaterial, wel ches aus Fasern mit einem angenommenen Durchmesser von 20 bis 30 µm hergestellt wurde und eine Dicke von 255 µm aufwies, ein Flächengewicht von 67 g/m² und einen Luftdurchfluß nach Gurley von 100 ml in weniger als 0,12 sek hatte, wurde auf eine Dicke von 150 µm kalandriert. Auf diese kalandrierte Trägerschicht wurde eine 100 µm dicke Schicht aus Polypropylen-Fasern durch Schmelzblasen aufgebracht, wobei die Faserabmessung 3 bis 5 µm war. Das erhaltene Batterie-Trennelement hatte eine Dicke von 251 µm, ein Flächengewicht von 110 g/m² und einen Luftdurchfluß nach Gurley von 100 ml in 1,7 sek.

Die Materialrolle wurde einer β-Strahlung in einem Elektronen strahl-Beschleuniger mit einer Gesamtdosis von 7 Mrad und dann einem wäßrigen Monomerbad ausgesetzt, welches 10% Hydroxye thylmethacrylat, 6 bis 10% Methacrylsäure, 0,05% DEGDMA und 25% TBA in Stickstoff-Atmosphäre aufwies. Die Rolle wurde um gespult in einer Stickstoffatmosphäre und bei Raumtemperatur während 3 Tagen gelagert. Nach der Lagerung wurde die Rolle mit Wasser während ungefähr 4 Stunden gewaschen und dann getrock net. Das Batterie-Trennelement, das so gebildet wurde, war in hohem Grade gleichmäßig und hatte gewünschte physikalische Ei genschaften. Insbesondere hatte das Batterie-Trennelement einen elektrolytischen Widerstand von 168 mΩ/cm² in 40%iger KOH und eine 280%ige Absorption von 40%iger KOH. Der Luftdurchfluß nach Gurley (100 ml) betrug 5,7 sek. Das Batterie-Trennelement wurde als insbesondere nützlich in alkalischen Ni/MH- und Ni/Cd-Batterien angesehen.

Beispiel 3

Dieses Beispiel erläutert ferner die Herstellung von Batterie- Trennelementen entsprechend der vorliegenden Erfindung.

Eine Rolle an Unipro^TM150-Polypropylen-Textilmaterial und eine Rolle von Unipro^TM200-Polypropylen-Textilmaterial, hergestellt aus Fasern mit einem Durchmesser von ca. 30 µm (bestimmt durch eine Messung mit einem optischen Mikroskop), wurden auf Dicken von 125 bzw. 150 µm kalandriert. Auf jede dieser Rollen wurde eine Schicht an schmelzgeblasenem Polypropylen mit einem Faser durchmesser von ca. 7 µm aufgebracht. Die so behandelten Uni pro^TM150- und Unipro^TM200-Rollen hatten ein Flächenendgewicht von 64 g/m² bzw. 83 g/m². Diese Rollen wurden nachfolgend einer β-Strahlung in einem Elektronenstrahl-Beschleuniger mit einer Gesamtdosis von 7 Mrad ausgesetzt und dann in einem wäßrigen Monomerbad behandelt, welches 10% Hydroxyethylmethacrylat, 6 bis 10% Methacrylsäure, 0,05% DEGDMA und 25% TBA in Stick stoff-Atmosphäre enthielt.

Die Rollen wurden in Stickstoff-Atmosphäre umgespult und bei Raumtemperatur während 3 Tagen gelagert. Nach der Lagerung wur den die Rollen mit Wasser während ungefähr 4 Stunden gewaschen und dann getrocknet. Die gepfropften Materialien, die so gebil det wurden, waren in hohem Maße gleichförmig und geeignet zur Verwendung als Batterie-Trennelemente in z. B. Ni/MH- und Ni/Cd- Batterien.

Beispiel 4

Dieses Beispiel verdeutlicht die Überlegenheit der erfindungs gemäßen Batterie-Trennelemente gegenüber herkömmlich erhältli chen Materialien.

Von Rollen des gepfropften Materials gemäß Beispiel 3 wurden Streifen des Textilmaterials in einer Länge von 4 Zoll (ca. 10 cm lang) und 1 Zoll breit (2,54 cm) geschnitten. Unter Verwen dung eines Kugelschreibers wurden Markierungen an der Stelle von 1 Inch und 2 Inch (2,54 cm und 5,08 cm) entlang der Längs richtung jedes Streifens angebracht. Die Streifen wurden dann in einer Stellung durch einen Probenhalter gehalten und in ei nen Becher getaucht, welcher 250 ml einer 30%igen KOH-Lösung enthielt, und zwar bis zu der 1 Zoll-(2,54 cm)Marke. Die mitt lere Zeit während drei Testläufen, die die Lösung benötigte, um zu der 2 Zoll-Marke (5,08 cm) zu steigen, wurde aufgezeichnet. Im Vergleich wurde dieser Test mit den Proben der Unipro^TM150- und 200-Materialien durchgeführt, welche in derselben Weise ge pfropft wurden wie in Beispiel 3, jedoch weder kalandriert noch mit einer Elektrolyt-Reservoir-Schicht verbunden wurden.

Bezüglich dem Unipro^TM150-Material war das erfindungsgemäße Batterie-Trennelement in der Lage, die Elektrolyt-Lösung in 131 sek aufzusaugen, während das gepfropfte Unipro^TM150-Material alleine 1200 sek benötigte, d. h. daß das erfindungsgemäße Mate rial fast 10mal schneller als das gepfropfte Unipro^TM150- Material des Vergleichsbeispiels war. Das Batterie- Trennelement, das aus Unipro^TM200 gebildet wurde, besaß sogar noch bemerkenswertere Eigenschaften, indem es in der Lage war, die Elektrolyt-Lösung in 39 sek aufzusaugen, verglichen mit 800 sek für das gepfropfte Unipro^TM150-Material alleine, d. h. über 20mal schneller als das Vergleichsbeispiel. Die Ergebnisse die ser Prüfungen zeigen deutlich, daß die erfindungsgemäßen Batte rie-Trennelemente bei weitem den herkömmlichen ähnlichen Mate rialien überlegen sind.

Beispiel 5

Dieses Beispiel erläutert die überlegene Gleichförmigkeit der erfindungsgemäßen Batterie-Trennelemente, gemessen über eine Dickenkartierung.

Proben von Unipro^TM150 wurden bei einer Walzentemperatur von 49°C unter einem Druck von 1170 kPa mit einer Geschwindigkeit von 9,1 m/min kalandriert. Zusätzlich wurden Proben von Uni pro^TM200 bei einer Walzentemperatur von 136°C unter einem Druck von 1340 kPa bei 9,1 m/min Durchlaufgeschwindigkeit ka landriert. Auf einige der Proben von beiden Probensätzen wurde eine Polypropylenelektrolyt-Reservoir-Schicht im Schmelzblas verfahren aufgebracht und dabei vollständig verbundene Batte rie-Trennelemente in Verbundstruktur erhalten.

Die kalandrierten Proben mit und ohne die mit Schmelzblasver fahren aufgebrachten Polypropylenelektrolyt-Reservoir-Schicht wurden im Hinblick auf die Dickenvarianz unter folgenden Bedin gungen geprüft. Ein 10 Fuß langer Probestreifen des Materials mit einer Breite von ca. 10 Zoll (25,4 cm) wurde von jeder Ma terialrolle abgeschnitten. Unter Verwendung eines US-Federal 57B-Dicke-Prüfgerätes mit einem Fußbereich von 0,178 cm² und einer Drucklast von 0,11 kg wurde auf die Probe angewandt (resultierend in einem Druck von ca. 62 kPa), und die Dicke wurde von dem Meßgerät abgelesen. Die Probestreifen von unka landriertem und unverändertem Unipro^TM150 und Unipro^TM200 wurden ebenfalls in dieser Weise kartiert.

Beginnend an einer Ecke des Materials wurden fünf Werte in un gefähr 2 Zoll-(5,08 cm)Abständen entlang der Breite des Materi als aufgenommen. Danach wurde das Meßgerät um ca. 1 Zoll (2,54 cm) weiterbewegt und erneut 5 Messungen getätigt. Dieses Ver fahren wurde über die gesamte 10 Fuß Länge (305 cm) des Materi als wiederholt. Das Ergebnis dieser Prüfung ist im folgenden beschrieben, worin n = Zahl der Prüfgerätablesungen, t = Dicke in µm und σ/µ = Dickenvarianz bedeutet.

Diese Prüfresultate zeigen klar die überlegene Gleichförmigkeit der Batterie-Trennelemente der vorliegenden Erfindung, die von der Kalandrierung und der Schmelzblastechnik herrühren, die verwendet wurden, um die erfindungsgemäßen Batterie- Trennelemente herzustellen.

Beispiel 6

Dieses Beispiel erläutert die überlegene Gleichförmigkeit des erfindungsgemäßen Batterie-Trennelementes, wie es durch eine Luftdurchflußkartierung gemessen wurde.

Die Materialien von Beispiel 5 wurden auf eine Gleichförmigkeit des Druckabfalls über die Oberfläche des Materials unter Ver wendung der Messung des Luftdurchflusses nach Gurley durch vier Lagen des Textils bestimmt. Die Luftdurchflußmessungen nach Gurley (in Sekunden) wurden an 12 Punkten entlang der Oberflä che des Materials vorgenommen. Die Ergebnisse des Tests sind im folgenden aufgelistet.

Diese Testergebnisse zeigen ferner die ausgezeichnete Gleich förmigkeit der Batterie-Trennelemente der vorliegenden Erfin dung.

Beispiel 7

Dieses Beispiel illustriert die Stabilität und permanente Be netzbarkeit der erfindungsgemäßen Batterie-Trennelemente. Die Batterie-Trennelemente, die in Übereinstimmung mit den Beispie len 1 und 2 hergestellt wurden, werden in einem Wasserbad bei 71°C während 7 Tagen gehalten und dann getrocknet. Das Materi al, das gemäß Beispiel 2 hergestellt wurde, verlor nur 1,5% seines Gewichts vor dem Test. Das Material von Beispiel 1 ver hielt sich noch besser und verlor lediglich 0,4% seines Ge wichts vor dem Test.

Zum Vergleich wurde ein Celgard^TM3401-Batterie-Trennelement denselben Prüfbedingungen unterworfen. Von diesem Trennelement wird angenommen, daß es durch auslaugbare oberflächenaktive Substanzen benetzbar gemacht ist. Nach 7 Tagen verlor dieses Trennelement 9,1% seines Gewichts, d. h. ein Mehrfaches des Ge wichtsverlusts der erfindungsgemäßen Batterie-Trennelemente.

Beispiel 8

Dieses Beispiel illustriert die Stabilität der Batterie- Trennelemente der vorliegenden Erfindung. Batterie- Trennelemente, die gemäß den Beispielen 1 und 2 hergestellt wurden, wurden in einem Bad von 40%iger KOH bei 71°C über 23 Tage belassen, um den Effekt auf den elektrolytischen Wider stand zu bestimmen. Die Ergebnisse dieser Prüfung sind im fol genden aufgeführt.

Diese Prüfergebnisse zeigen, daß die erfindungsgemäßen Batte rie-Trennelemente sehr stabil bezüglich des elektrolytischen Widerstandes sind, und zwar sogar unter den sehr ausgedehnten und schweren Bedingungen.

Alle hierin zitierten Druckschriften einschließlich der Publi kationen, Patente und Patentanmeldungen sind hiermit als durch das Zitat in ihrer Gänze einbezogen zu betrachten.

Claims

1. Batterie-Trennelement, umfassend eine nicht-gewebte Träger schicht, welche Fasern mit einem mittleren Durchmesser von mindestens ca. 15 µm aufweist, und eine nicht-gewebte Elek trolyt-Reservoir-Schicht, welche Fasern mit einem mittleren Durchmesser von ca. 10 µm oder weniger umfaßt wobei die Reservoir-Schicht eine Dicke von weniger als ca. 380 µm aufweist und mit der Trägerschicht verbunden ist, worin die Fasern der nicht-gewebten Trägerschicht und der nicht gewebten Elektrolyt-Reservoir-Schicht aus Material gebildet sind, welches aus Polyethylen, Polypropylen, Polymethylpen ten und Kombinationen hiervon ausgewählt ist.

2. Batterie-Trennelement nach Anspruch 1, worin die nicht gewebte Elektrolyt-Reservoir-Schicht vollständig mit der Trägerschicht verbunden ist.

3. Batterie-Trennelement nach Anspruch 1 oder 2, worin die nicht-gewebte Trägerschicht eine Dicke von weniger als ca. 255 µm und eine Dickenvarianz von nicht mehr als ca. 10% aufweist.

4. Batterie-Trennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Elektrolyt-Reservoir-Schicht Fasern mit einem Durchmesser von ca. 2 µm bis ca. 8 µm umfaßt.

5. Batterie-Trennelement nach Anspruch 1 bis 4, worin die Trä gerschicht aus Fasern besteht, welche einen Faserdurchmes ser von um das 5fache größer oder mehr als der mittlere Durchmesser der Fasern der Elektrolyt-Reservoir-Schicht aufweisen.

6. Batterie-Trennelement nach einem der voranstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennelement einen elektrolytischen Widerstand von weniger als ca. 320 mΩ/cm² in 40%iger KOH aufweist.

7. Batterie-Trennelement nach einem der voranstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß das Batterie-Trennelement in der Lage ist, 40%ige KOH über einen Abstand von 2,54 cm in weniger als 300 sek dochtartig aufzusaugen.

8. Batterie-Trennelement nach einem der voranstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß ein Monomer auf das Batte rie-Trennelement pfropfpolymerisiert wurde, um das Batte rie-Trennelement durch einen Elektrolyten spontan benetzbar zu machen.

9. Wiederaufladbare Magerelektrolyt-Batterie, gekennzeichnet durch ein Batterie-Trennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8.

10. Verfahren zur Herstellung eines Batterie-Trennelementes, welches die Schritte umfaßt
Bereitstellen einer nicht-gewebten Trägerschicht, welche Fasern mit einem mittleren Durchmesser von mindestens ca. 15 µm umfaßt, wobei die nicht-gewebte Trägerschicht eine Dicke von weniger als 255 µm aufweist, bei einer Dickenva rianz von nicht mehr als 10%, und
Schmelzblasen von Fasern mit einem mittleren Durchmesser von ca. 10 µm oder weniger auf die Trägerschicht, um eine Elektrolyt-Reservoir-Schicht zu bilden, welche eine Dicke von weniger als ca. 380 µm aufweist und welche vollständig mit der Trägerschicht verbunden ist,
worin die Fasern der nicht-gewebten Trägerschicht und der nicht-gewebten Elektrolyt-Reservoir-Schicht aus der Gruppe der Materialien Polyethylen, Polypropylen, Polymethylpenten und Kombinationen hiervon hergestellt sind und worin die Fasern der nicht-gewebten Trägerschicht und der nicht gewebten Elektrolyt-Reservoir-Schicht mit einem Monomer pfropfpolymerisiert sind, um das Batterie-Trennelement durch einen Elektrolyten spontan benetzbar zu machen und worin die Fasern der Trägerschicht einen mittleren Faser durchmesser aufweisen, der mindestens ca. 5fach größer ist als der mittlere Faserdurchmesser der Fasern der Elektro lyt-Reservoir-Schicht.