DE202018006602U1

DE202018006602U1 - Verbesserte Blei-Säure-Batterieseparatoren mit Kohlenstoff

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Publication number: DE202018006602U1
Application number: DE202018006602.8U
Authority: DE
Original assignee: Daramic LLC
Current assignee: Daramic LLC
Priority date: 2017-09-08
Filing date: 2018-09-07
Publication date: 2022-08-11
Anticipated expiration: 2028-09-08
Also published as: JP7405740B2; JP2020533741A; WO2019051159A1; CN111316469A; EP3679612A4; KR20200050986A; EP3679612A1; BR112020004605A2; JP2024028969A; KR20240108534A; US20200313135A1; EP3679612B1

Abstract

Batterieseparator, umfassend:
eine poröse Membran, ein Gitterstoff, eine Matte, ein Batteriepapier oder Kombinationen davon, vorzugsweise ein Substrat gebildet durch die poröse Membran, den Gitterstoff, die Matte, das Batteriepapier oder Kombinationen davon, und
Kohlenstoff auf mindestens einer Oberfläche der porösen Membran, des Gitterstoffs, der Matte, des Batteriepapiers oder Kombinationen davon, vorzugsweise auf einer Oberfläche des Substrats, wobei der Kohlenstoff eine Oberfläche von mindestens 1.250 m²/g aufweist.

Description

Gebiet
Gemäß mindestens ausgewählten Ausführungsformen ist die vorliegende Offenbarung oder Erfindung auf neue oder verbesserte Separatoren für Blei-Säure-Batterien gerichtet, wie mit Blei-Säure geflutete Batterien, und insbesondere verstärkte mit Blei-Säure geflutete Batterien („EFBs“), und verschiedene andere Blei-Säure-Batterien, wie Gel- und absorptive Glasmatten- (AGM) Batterien. Gemäß mindestens ausgewählten Ausführungsformen ist die vorliegende Offenbarung oder Erfindung auf neue oder verbesserte Separatoren, Batterieseparatoren, Batterieseparatoren, die Kohlenstoff beinhalten, Batterieseparatoren, die leitfähigen Kohlenstoff beinhalten, EFB Separatoren, Membranen, Gitterstoffe, Matten, Batterien, Zellen, Systeme, Verfahren, die dieselben involvieren, Fahrzeuge, die dieselben verwenden, Verfahren zur Herstellung derselben, die Verwendung derselben und Kombinationen davon gerichtet. Zusätzlich werden hier Verfahren, Systeme und Batterieseparatoren geoffenbart für: die Verlängerung der Batterielebensdauer; die Verringerung von Batterieausfällen; die Reduktion eines Wasserverlusts; die Verbesserung der Oxidationsstabilität; die Verbesserung, Aufrechterhaltung und/oder Senkung des Erhaltungsstroms; die Verbesserung des Ladeschluss- („EOC“) Stroms; die Senkung des Stroms und/oder der Spannung, der oder die erforderlich ist, um eine zyklenfeste Batterie zu laden und/oder vollständig zu laden; die Minimierung des internen elektrischen Widerstands; die Verringerung des elektrischen Widerstands; die Erhöhung der Benetzbarkeit; die Senkung der Befeuchtungszeit mit einem Elektrolyten; die Reduktion der Zeit der Batteriebildung; die Reduktion einer Antimon-Vergiftung; die Reduktion einer Säureschichtung; die Verbesserung der Säurediffusion und/oder die Verbesserung der Gleichmäßigkeit in Blei-Säure-Batterien; und Kombinationen davon. Gemäß mindestens bestimmten Ausführungsformen ist die vorliegende Offenbarung oder Erfindung auf einen verbesserten Separator für Blei-Säure-Batterien gerichtet, wobei der Separator Kautschuk, Latex und/oder verbesserte leistungsverstärkende Additive und/oder Beschichtungen aufweist. Gemäß mindestens bestimmten Ausführungsformen sind die geoffenbarten Separatoren für zyklenfeste Anwendungen verwendbar, wie in Antriebsmaschinen, wie Golfcarts (manchmal auch als Golfcars bezeichnet); Invertern; und erneuerbaren Energiesystemen und/oder alternativen Energiesystemen, wie Solarenergiesystemen und Windkraftsystemen. Die geoffenbarten Separatoren sind auch in Batteriesystemen verwendbar, zyklenfeste und/oder Teilladungszustandbetriebe ein Teil der Batterieanwendungen sind. In bestimmten anderen Ausführungsformen kann der geoffenbarte Separator in Batteriesystemen verwendet werden, wo Additive und/oder Legierungen (wobei Antimon ein Schlüsselbeispiel ist) der Batterie zugesetzt werden, um die Lebensdauer und/oder Leistung der Batterie zu verstärken und/oder um die Betriebsfähigkeit im zyklenfesten und/oder Teilladungszustand der Batterie zu verstärken. Gemäß mindestens ausgewählten Ausführungsformen kann die vorliegende Offenbarung oder Erfindung aktuelle Nachteile oder Anforderungen behandeln, und/oder kann einen verbesserten Separator und/oder eine verbesserte Batterie bereitstellen, indem zum Beispiel Batterien bereitgestellt werden, welche die Bildung von Dendriten mildern, eine verbesserte Ladungsaufnahme aufweisen und/oder eine verbesserte Zyklenleistung aufweisen.
Hintergrund
Ein Batterieseparator wird verwendet, um die positive und negative Elektrode oder Platte der Batterie zu trennen, um einen elektrischen Kurzschluss zu verhindern. Ein solcher Batterieseparator ist typischerweise porös, so dass Ionen zwischen der positiven und negativen Elektrode oder Platte hindurchgehen können. In Blei-Säure-Speicherbatterien, wie Autobatterien und/oder industriellen Batterien und/oder zyklenfesten Batterien, ist der Batterieseparator typischerweise ein poröser Polyethylenseparator; in einigen Fällen kann ein solcher Separator einen Grundträger und eine Vielzahl von Rippen aufweisen, die auf einer oder beiden Seiten des Grundträgers stehen. Siehe: Besenhard, J. O., Editor, Handbook of Battery Materials, Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim, Deutschland (1999), Kapitel 9, S. 245-292. Einige Separatoren für Autobatterien werden in kontinuierlichen Längen hergestellt und gerollt, anschließend gefaltet und entlang der Ränder versiegelt, um Taschen oder Hüllen zu bilden, welche die Elektroden für die Batterien aufnehmen. Bestimmte Separatoren für industrielle (oder Traktions- oder zyklenfeste Speicher-) Batterien werden in eine Größe geschnitten, die etwa gleich ist wie eine Elektrodenplatte (Stücke oder Blätter).
Die Elektroden in einer Blei-Säure-Batterie werden häufig aus einer Bleilegierung mit einem relativ hohen Antimongehalt herstellt. Batterien, die in einem Teilladungszustand („PSOC“) arbeiten, tendieren dazu, für eine Säureschichtung geeignet zu sein. In diesem Zustand wird mehr Säure innerhalb des Elektrolyten am Boden der Batterie konzentriert, und mehr Wasser wird in dem Elektrolyten an der Oberseite der Batterie konzentriert. Bleib wird in Wasser löslich und geht in Lösung. Das Blei fällt jedoch in Säure aus und bildet einen festen Kristall. Daher tendiert die Säureschichtung dazu, zu einer Bleisulfat- (PbSO₄) Kristallbildung zu führen, die Dendriten bildet. Auch ohne Säureschichtung kann Säure während der Entladung verbraucht werden und gestatten, dass Blei in Lösung geht, und dann in Kristalle ausfällt, während Säure während des Ladungszyklus wiedergestellt wird.
Wenn diese Kristalle zu einer ausreichend großen Größe aufgebaut werden, können die Dendriten ein Loch durch den Separator reißen oder brennen und eine leitfähige Brücke bilden, um die negative Elektrode mit der positiven Elektrode zu verbinden, was zu einem Kurzschluss führt. Dies kann eine Spannungsentladung, Ladungsaufnahme behindern oder sogar zu einem katastrophalen Versagen führen und die Batterie nicht funktionell machen. Alles davon beeinträchtigt die Leistung und Lebensdauer der Batterie.
Für mindestens bestimmte Anwendungen oder Batterien besteht ein Bedarf an verbesserten Separatoren, die eine verbesserte Zykluslebensdauer, reduzierte Säureschichtung und/oder reduzierte Dendritenbildung bereitstellen. Insbesondere besteht ein Bedarf an verbesserten Separatoren und verbesserten Batterien (wie jenen, die in einem Teilladungszustand arbeiten), die einen verbesserten Separator umfassen, der für die Verstärkung der Batterielebensdauer, die Verringerung eines Batterieversagens, die Verbesserung der Oxidationsstabilität, die Verbesserung, Aufrechterhaltung und/oder Senkung des Erhaltungsstroms, die Verbesserung des Ladeschluss- („EOC“) Stroms, die Senkung des Stroms und/oder der Spannung, der oder die erforderlich ist, um eine zyklenfeste Batterie zu laden und/oder vollständig zu laden, die Minimierung interner elektrischer Widerstandserhöhungen, die Verringerung des elektrischen Widerstands, die Reduktion einer Antimon-Vergiftung, die Reduktion einer Säureschichtung, die Verbesserung der Säurediffusion und/oder die Verbesserung der Gleichmäßigkeit in Blei-Säure-Batterien sorgt.
Kurzdarstellung
Die Details einer oder mehrerer Ausführungsformen werden in der nachstehenden Beschreibung ausgeführt. Andere Merkmale, Aufgaben und Vorteile gehen aus der Beschreibung und aus den Ansprüchen hervor. Gemäß mindestens ausgewählten Ausführungsformen kann die vorliegende Offenbarung oder Erfindung die obigen Nachteile oder Anforderungen behandeln. Gemäß mindestens bestimmten Aufgaben, Aspekten oder Ausführungsformen kann die vorliegende Offenbarung oder Erfindung einen verbesserten Separator und/oder eine Batterie bereitstellen, welche die im Vorstehenden genannten Probleme überwinden, indem zum Beispiel Batterien bereitgestellt werden, die eine reduzierte Säureschichtung aufweisen, die Bildung von Dendriten mildern und/oder eine verbesserte Zyklenleistung haben.
Gemäß mindestens ausgewählten Ausführungsformen kann die vorliegende Offenbarung oder Erfindung die obigen Nachteile oder Anforderungen behandeln. Gemäß mindestens bestimmten Aufgaben, Aspekten oder Ausführungsformen kann die vorliegende Offenbarung oder Erfindung einen verbesserten Separator und/oder eine Batterie bereitstellen, welche die im Vorstehenden genannten Probleme überwinden, indem zum Beispiel Batterien bereitgestellt werden, welche die Bildung von Dendriten mildern, eine verbesserte Ladungsaufnahme aufweisen und/oder eine verbesserte Zyklenleistung haben.
Gemäß mindestens ausgewählten Ausführungsformen ist die vorliegende Offenbarung oder Erfindung gerichtet auf neue oder verbesserte Separatoren, Batterieseparatoren, Batterieseparatoren, die Kohlenstoff beinhalten, Batterieseparatoren, die leitfähigen Kohlenstoff beinhalten, EFB Separatoren, Zellen, Batterien, Systeme und/oder Verfahren zur Herstellung und/oder Verwendung solcher neuen Separatoren, Zellen und/oder Batterien. Gemäß mindestens bestimmten Ausführungsformen ist die vorliegende Offenbarung oder Erfindung gerichtet auf neue oder verbesserte Batterieseparatoren für Batterien mit flachen Platten, rohrförmige Batterien, mit Blei-Säure geflutete Batterien, verstärkte mit Blei-Säure geflutete Batterien („EFBs“), zyklenfeste Batterien, Gel-Batterien, absorptive Glasmatten-(AGM) Batterien, Inverterbatterien, Solar-oder Windenergie-Speicherbatterien, Fahrzeugbatterien, Start-Lichtzünd- („SLI“) Fahrzeugbatterien, Leerlauf-Start-Stopp- („ISS“) Fahrzeugbatterien, Autobatterien, Lastwagenbatterien, Motorradbatterien, Geländefahrzeug-Batterien, Gabelstapler-Batterien, Golfcart-Batterien, Hybrid-Elektrofahrzeug-Batterien, Elektrofahrzeug-Batterien, e-Rikscha-Batterien, e-Bike-Batterien, und/oder verbesserte Verfahren zur Herstellung und/oder Verwendung solcher verbesserten Separatoren, Zellen, Batterien Systeme und/oder dgl. Zusätzlich werden hier Verfahren, Systeme und Batterieseparatoren geoffenbart zur Verstärkung der Batterieleistung und - lebensdauer, zur Reduktion eines Batterieversagens, zur Reduktion einer Säureschichtung, zur Milderung einer Sulfatierung und Dendritenbildung, zur Verbesserung der Oxidationsstabilität, zur Verbesserung, Aufrechterhaltung und/oder Senkung des Erhaltungsstroms, zur Verbesserung des Ladeschlussstroms, zur Senkung des Stroms und/oder der Spannung, der oder die erforderlich ist, um eine zyklenfeste Batterie zu laden und/oder vollständig zu laden, zur Verringerung des internen elektrischen Widerstands, zur Reduktion einer Antimon-Vergiftung, zur Erhöhung der Benetzbarkeit, zur Verbesserung der Säurediffusion, zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit in Blei-Säure-Batterien und/oder zur Verbesserung der Zyklusleistung. Gemäß mindestens bestimmten Ausführungsformen ist die vorliegende Offenbarung oder Erfindung auf einen verbesserten Separator gerichtet, wobei der neue Separator eine verringerte Sulfatierung und Dendritenbildung und erhöhte Ladungsaufnahme aufweist.
Ausgewählte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind mit einem Blei-Säure-Batterieseparator versehen, der eine poröse Membran, ein Gitterstoff und/oder eine Matte und ein Nukleierungsadditiv aufweist. Die poröse Membran kann ausgewählt sein aus Polyolefin, Polyethylen, Polypropylen, Kautschuk, Polyvinylchlorid, Phenolharzen, cellulosischem, synthetischen Zellstoff, Glasfasern, synthetischen Fasern, Naturkautschuken, Synthesekautschuken, Latex, Bisphenolformaldehyd und Kombinationen davon. Sollte der Separator Polyethylen sein, kann es ein Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMWPE) sein.
Das Nukleierungsadditiv kann leitfähig sein. Das Nukleierungsadditiv kann ferner eine Form von Kohlenstoff oder Bariumsulfat sein. Der Kohlenstoff kann in der Form sein von leitfähigem Kohlenstoff, Graphit, künstlichem Graphit, Aktivkohle, Kohlepapier, Acetylenruß, Ruß, Ruß mit großer Oberfläche, Graphen, Graphen mit großer Oberfläche, Keitjen Black, Kohlefasern, Kohlefilamenten, Kohlenstoffnanoröhrchen, offenzelligem Kohlenstoffschaum, einer Kohlenstoffmatte, Kohlenstofffilz, Kohlenstoff Buckminsterfulleren (Bucky Balls), einer wässrigen Kohlenstoffsuspension und Kombinationen davon. Das Nukleierungsadditiv kann innerhalb der porösen Membran, des Gitterstoffs und/oder der Matte oder auf einer oder mehreren Oberflächen der porösen Membran, des Gitterstoffs und/oder der Matte sein.
Das Nukleierungsadditiv kann auf die poröse Membran durch ein beliebiges der folgenden Verfahren aufgebracht werden: Walzbeschichtung, chemische Dampfabscheidung, Coextrusion, eine kontrollierte Verbrennung der genannten Oberfläche bis zur Verkohlung, eine kontrollierte Verbrennung der genannten Oberfläche bis zur Verkohlung durch Plasmaexposition, eine kontrollierte Verbrennung der genannten Oberfläche bis zur Verkohlung durch UV-Bestrahlung, Tonerdruck, Tintenstrahldruck, Flexographiedruck, Lithographiedruck, Aufschlämmungsbeschichtung, Aufsprühen einer wässrigen Kohlenstoffsuspension, Imprägnierung und Kombinationen davon.
In ausgewählten Ausführungsformen kann der Blei-Säure-Batterieseparator ein AGM-Separator sein.
In anderen Beispielen von Ausführungsformen können die poröse Membran, der Gitterstoff und/oder die Matte einen partikelartigen Füllstoff und einen Verarbeitungsweichmacher enthalten. Kohlenstoff kann ferner auf einer Oberfläche des Separators mit einer Menge des partikelartigen Füllstoffs sein. Der partikelartige Füllstoff kann ein beliebiger der folgenden sein: trockenes fein zerteiltes Siliciumdioxid, gefälltes Siliciumdioxid, amorphes Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Talk oder Kombinationen davon.
In bestimmten Ausführungsformen kann der Verarbeitungsweichmacher ein beliebiger der folgenden sein: Verarbeitungsöl, auf Paraffin basierendes Mineralöl oder Kombinationen davon.
In ausgewählten Ausführungsformen können die poröse Membran, der Gitterstoff und/oder die Matte mit einem leistungsverstärkenden Additiv versehen sein, das eines der folgenden sein kann: ein nicht ionisches grenzflächenaktives Mittel, ein ionisches grenzflächenaktives Mittel, ein anionisches grenzflächenaktives Mittel, Netzmittel, Färbemittel, antistatische Additive, UV-Schutzmittel, Antioxidantien oder Kombinationen davon.
In bestimmten Beispielen von Ausführungsformen kann die poröse Membran mit einem beliebigen der folgenden versehen sein: durchgehenden Rippen, diskreten durchbrochenen Rippen, kontinuierlichen Rippen, diskontinuierlichen Rippen, abgewinkelten Rippen, linearen Rippen, Längsrippen, die sich im Wesentlichen in einer Maschinenrichtung der genannten porösen Membran erstrecken, lateralen Rippen, die sich im Wesentlichen in einer Maschinenquerrichtung der genannten porösen Membran erstrecken, transversalen Rippen, die sich im Wesentlichen in der genannten Maschinenquerrichtung des Separators erstrecken, Verzahnungen oder verzahnten Rippen, Zinnen oder Rippen mit Zinnen, gekrümmten oder sinusförmigen Rippen, die in einer durchgehenden oder durchbrochenen Zick-Zack-artigen Weise angeordnet sind, Rillen, Kanälen, texturierten Bereichen, Prägungen, Vertiefungen, Säulen, Minisäulen, porösen, nicht porösen Minirippen, Miniquerrippen und Kombinationen davon.
Ein weiteres Beispiel einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt eine Blei-Säure-Batterie bereit, umfassend einen Elektrolyten, eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und einen dazwischen angeordneten Separator und ein Nukleierungsadditiv. Das Nukleierungsadditiv kann vorzugsweise in dem Elektrolyten stabil sein und kann innerhalb des Elektrolyten dispergiert sein. Das Nukleierungsadditiv kann mindestens halbleitfähig sein. In einigen Ausführungsformen kann der Separator mit dem Nukleierungsadditiv versehen sein. Zusätzlich kann das Nukleierungsadditiv eines der folgenden sein: Kohlenstoff, leitfähiger Kohlenstoff, Graphit, künstlicher Graphit, Aktivkohle, Kohlepapier, Acetylenruß, Ruß, Ruß mit großer Oberfläche, Graphen, Graphen mit großer Oberfläche, Keitjen Black, Kohlefasern, Kohlefilamente, Kohlenstoffnanoröhrchen, offenzelliger Kohlenstoffschaum, eine Kohlenstoffmatte, Kohlenstofffilz, Kohlenstoff Buckminsterfulleren (Bucky Balls), eine wässrige Kohlenstoffsuspension, Bariumsulfat und Kombinationen davon.
In bestimmten Ausführungsform kann das Nukleierungsadditiv auf eine Oberfläche des oder der Separatoren sein und kann der negativen Elektrode benachbart sein. Ferner kann das Nukleierungsadditiv innerhalb des Separators sein.
In ausgewählten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Nukleierungsadditiv auf einer Oberfläche des Separators durch eines der folgenden aufgebracht werden: Walzbeschichtung, chemische Dampfabscheidung, Coextrusion, eine kontrollierte Verbrennung der genannten Oberfläche bis zur Verkohlung, eine kontrollierte Verbrennung der genannten Oberfläche bis zur Verkohlung durch Plasmaexposition, eine kontrollierte Verbrennung der genannten Oberfläche bis zur Verkohlung durch UV-Bestrahlung, Tonerdruck, Tintenstrahldruck, Flexographiedruck, Lithographiedruck, Aufschlämmungsbeschichtung, Aufsprühen einer wässrigen Kohlenstoffsuspension und Kombinationen davon. Zusätzlich kann das Nukleierungsadditiv in ein beliebiges der folgenden eingeschlossen werden: ein Batteriepapier, ein Gitterstoff und Kombinationen davon.
In einigen Beispielen von Ausführungsformen kann der Separator eines der folgenden sein: Polyolefin, UHMWPE, Polyethylen, Polypropylen, Kautschuk, Polyvinylchlorid, Phenolharze, cellulosischer, synthetischer Zellstoff, Glasfasern, synthetische Fasern, Naturkautschuke, Synthesekautschuke, Latex, Bisphenolformaldehyd und Kombinationen davon. Andere Separatoren können AGM-Separatoren sein.
Die Blei-Säure-Batterie kann eine beliebige der folgenden sein: eine Batterie mit flachen Platten, eine mit Blei-Säure geflutete Batterie, eine verstärkte mit Blei-Säure geflutete Batterie, eine zyklenfeste Batterie, eine absorptive Glasmatten-Batterie, eine rohrförmige Batterie, eine Inverterbatterie, eine Fahrzeugbatterie, eine SLI Batterie, eine ISS Batterie, eine Autobatterie, eine Lastwagenbatterie, eine Motorradbatterie, eine Geländefahrzeug-Batterie, eine Gabelstapler-Batterie, eine Golfcart-Batterie, eine Hybrid-Elektrofahrzeug-Batterie, eine Elektrofahrzeug-Batterie, eine e-Rikscha-Batterie, eine e-Trike-Batterie und eine e-Bike-Batterie. Die Batterie kann in einem Teilladungszustand arbeiten, und während sie in Bewegung oder stationär ist.
In einem weiteren Beispiel einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Fahrzeug mit einer Batterie, einem Separator und einem Nukleierungsadditiv versehen sein. In einigen Ausführungsformen kann der Separator mit dem Nukleierungsadditiv, entweder innerhalb oder auf einer Oberfläche des Separators, versehen sein. Zusätzlich kann das Nukleierungsadditiv eines der folgenden sein: Kohlenstoff, leitfähiger Kohlenstoff, Graphit, künstlicher Graphit, Aktivkohle, Kohlepapier, Acetylenruß, Ruß, Ruß mit großer Oberfläche, Graphen, Graphen mit großer Oberfläche, Keitjen Black, Kohlefasern, Kohlefilamente, Kohlenstoffnanoröhrchen, offenzelliger Kohlenstoffschaum, eine Kohlenstoffmatte, Kohlenstofffilz, Kohlenstoff Buckminsterfulleren (Bucky Balls), eine wässrige Kohlenstoffsuspension, Bariumsulfat und Kombinationen davon.
In ausgewählten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Nukleierungsadditiv auf eine Oberfläche des Separators durch eines der folgenden aufgebracht werden: Walzbeschichtung, chemische Dampfabscheidung, Coextrusion, eine kontrollierte Verbrennung der genannten Oberfläche bis zur Verkohlung, eine kontrollierte Verbrennung der genannten Oberfläche bis zur Verkohlung durch Plasmaexposition, eine kontrollierte Verbrennung der genannten Oberfläche bis zur Verkohlung durch UV-Bestrahlung, Tonerdruck, Tintenstrahldruck, Flexographiedruck, Lithographiedruck, Aufschlämmungsbeschichtung, Aufsprühen einer wässrigen Kohlenstoffsuspension und Kombinationen davon. Zusätzlich kann das Nukleierungsadditiv in ein beliebiges der folgenden eingeschlossen werden: ein Batteriepapier, ein Gitterstoff und Kombinationen davon.
In ausgewählten Ausführungsformen kann die Batterie in einem Teilladungszustand arbeiten. In anderen Ausführungsformen kann das Fahrzeug eines der folgenden sein: ein Auto, ein Lastwagen, ein Motorrad, ein Geländefahrzeug, ein Gabelstapler, ein Golfcart, ein Hybrid-Elektrofahrzeug, ein Elektrofahrzeug, eine e-Rikscha, ein e-Trike und ein e-Bike.
Figurenliste

1A veranschaulicht eine typische Blei-Säure-Batterie.
1B zeigt eine typische einzelne Zelle einer typischen Blei-Säure-Batterie.
1C veranschaulicht eine Säureschichtung in einer typischen Blei-Säure-Batteriezelle, wie allgemein in 1B dargestellt.
2A veranschaulicht ein Beispiel eines Batterieseparators, der zwischen einer positiven und negativen Elektrode angeordnet ist, wie er in einer typischen Blei-Säure-Batterie zu finden sein kann.
2B veranschaulicht ein Beispiel eines Batterieseparators und aufgequollenen negativen aktiven Materials („NAM“), wie sie in einer typischen Blei-Säure-Batterie zu finden sein können.
2C zeigt ein Beispiel einer Ausführungsform eines Batterieseparators der vorliegenden Erfindung, der zwischen einer positiven und negativen Elektrode angeordnet ist, wie er in einer typischen Blei-Säure-Batterie zu finden sein kann; die negative Elektrode ist mit aufgequollenem NAM gezeigt.
2D zeigt ein Beispiel einer Ausführungsform eines Rippenprofils für ein Beispiel einer Ausführungsform eines Separators der vorliegenden Erfindung.
3A-3C sind REM Aufnahmen von Graphit.
3D ist ein REM Bild von künstlichem Graphit.
3E ist ein SEM Bild von Acetylenruß.
4A-4C sind REM Aufnahmen eines Bleisulfatwachstums auf Bleielektroden in Anwesenheit eines mit Kohlenstoff beschichteten Separators.
5A-5C sind REM Aufnahmen eines Bleisulfatwachstums auf Separatoren mit Kohlenstoff in der Extrusionsmischung.
6A-6C sind REM Aufnahmen eines Bleisulfatwachstums auf Bleielektroden in Anwesenheit eines Separators mit Kohlenstoff in der Extrusionsmischung.
7A-7C zeigen grundlegende physikalische Charakteristiken eines Beispiels eines Batterieseparators der vorliegenden Offenbarung.
8A-8E veranschaulichen eine allgemeine Darstellung verschiedener Rippenmuster von Beispielen von Batterieseparatoren der vorliegenden Offenbarung.
9A und 9B zeigen den dynamischen Ladezustand für eine Testzelle unter Verwendung eines Separators mit einer Acetylenruß-Beschichtung verglichen mit einer Kontrollzelle mit einem im Handel erhältlichen Separator.

Detaillierte Beschreibung
Gemäß mindestens ausgewählten Ausführungsformen kann die vorliegende Offenbarung oder Erfindung die obigen Nachteile oder Anforderungen behandeln. Gemäß mindestens bestimmten Aufgaben, Aspekten oder Ausführungsformen kann die vorliegende Offenbarung oder Erfindung einen verbesserten Separator, Batterieseparator, Batterieseparator, der leitfähigen Kohlenstoff enthält, EFB Separator und/oder eine verbesserte Batterie bereitstellen, welche die im Vorstehenden angeführten Probleme überwinden, indem zum Beispiel Batterien bereitgestellt werden, welche die Bildung von Dendriten mildern, eine verbesserte Ladungsaufnahme aufweisen und/oder eine verbesserte Zyklenleistung aufweisen.
Wie in 1A gezeigt, ist ein Beispiel einer Blei-Säure-Batterie 50 gezeigt, die einen positiven Anschluss 51 und einen negativen Anschluss 53 aufweist. Innerhalb der Batterie 50 ist eine Anordnung von abwechselnden positiven Platten oder Elektroden 52 und negativen Platten oder Elektroden 54, wobei ein Beispiel eines Separators 100 dazwischen angeordnet ist. Die positiven und negativen Elektroden 52, 54 und Separatoren 100 sind im Wesentlichen innerhalb einer wässrigen Elektrolytlösung 56 eingetaucht. Der Elektrolyt kann zum Beispiel eine Lösung von Schwefelsäure (H₂SO₄) und Wasser (H₂O) sein. Die Elektrolytlösung kann zum Beispiel ein spezifisches Gewicht von ungefähr 1,28 mit einem Bereich von ungefähr 1,215 bis 1,300 aufweisen. Die positiven Elektroden 52 steht in elektrischer Kommunikation mit dem positiven Anschluss 51, und die negativen Elektroden 54 stehen in Kontakt mit dem negativen Anschluss 53.
Mit Bezugnahme auf 1B ist eine typische Zelle einer typischen Blei-Säure-Batterie gezeigt. Hierbei ist eine H2SO4 + H20 Lösung 57 vorgesehen. Außerdem weist die positive Elektrode 52 PbO2 auf und die negative Elektrode 54 weist Pb auf. 1C zeigt, dass zu beachten ist, dass 1A-1C nicht maßstabgetreu sind. Auch in 1C weist die positive Elektrode 52 PbO2 auf und die negative Elektrode 54 weist Pb auf. Es ist auch zu beachten, dass in einer typischen Blei-Säure-Batterie die positive Elektrode 52 in engem Kontakt mit dem Separator 100 steht, und ähnlich die negative Elektrode 54 auch in engem Kontakt mit dem Separator 100 steht. Der Separator dient dazu, die positive und negative Elektrode 52, 54 getrennt zu halten und zu verhindern, dass die Batterie kurzschließt.
1C ist eine schematische Darstellung einer Säureschichtung, wie sie in bestimmten Blei-Säure-Batterien zu finden sein kann. Schwefelsäure ist schwerer als Wasser und wird dazu tendieren, sich am Bodenabschnitt des Elektrolyten abzusetzen, wodurch der Boden des Elektrolyten auf einem höheren als optimalen spezifischen Gewicht und die Oberseite des Elektrolyten, die vorwiegend Wasser ist, auf einem niedrigeren als optimalen spezifischen Gewicht belassen werden. Beispielsweise kann ein höherer H2O Gehalt 58 und ein höherer H2SO4 Gehalt 59 vorgesehen sein. Diese Säureschichtung beeinträchtigt sowohl die Leistung als auch die Lebensdauer der Batterie, da nur die unteren Abschnitte der Elektrode mit der Schwefelsäure in Kontakt stehen. Die Säureschichtung kann gemildert werden, indem die Batterie überladen wird oder auf oder nahe bei der Kapazität von 100 % geladen gehalten wird. Während der Überladung tendieren Gasblasen dazu, sich auf den Elektroden zu bilden und an die Oberfläche aufzusteigen, wodurch eine Mischwirkung für den Elektrolyten hervorgerufen wird. Unter kontinuierlichen Bedingungen, unter denen sich die Batterie in einem Teilladungszustand („PSoC“) befindet, tritt diese Überladungswirkung nie auf, und das Ausmaß, in dem der Elektrolyt geschichtet wird, wird größer.
Die Reaktion an der positiven (+) Bleidioxid- (PbO₂) Elektrode 52 („die positive Halbreaktion“) liefert Elektronen und wird positiv belassen. Diese positive Halbreaktion während der Entladung an der positiven (+) Bleidioxid- (PbO₂) Elektrode 52 liefert Bleisulfat (PbSO₄) und Wasser (H₂O) und wird im Nachstehenden in Gl. 1 gezeigt: $P b O_{2} + S O_{4}^{- 2} + 4 H^{+} + 2 e^{-} \leftrightarrow P b S O_{4} + 2 H_{2} O$
wobei:

• PbO₂ die feste positive (+) Bleidioxid-Elektrode 52 ist;
• $S O_{4}^{- 2}$
wässrig ist;
• 4H⁺ wässrig ist;
• 2e^- in der festen positiven (+) Bleidioxid- (PbO₂) Elektrode 52 ist;
• PbSO₄ ein fester Niederschlag innerhalb des wässrigen Elektrolyten 56 ist; und
• H₂O eine Flüssigkeit ist.

Die positive Halbreaktion ist beim Laden der Batterie 50 reversibel.
Die negative Halbreaktion an der negativen (-) Blei- (Pb) Elektrode 54 (die „negative Halbreaktion“) liefert positive Ionen und wird negativ belassen. Die negative Halbreaktion während der Entladung erzeugt Bleisulfat (PbSO₄) und negative Ionen (e^-) und wird im Nachstehenden in Gl. 2 gezeigt: $P b + S O_{4}^{- 2} \leftrightarrow P b S O_{4} + 2 e^{-}$
wobei:

• Pb die feste negative (-) Blei-Elektrode 54 ist;
• $S O_{4}^{- 2}$
wässrig ist;
• PbSO₄ ein fester Niederschlag innerhalb des wässrigen Elektrolyten 56 ist; und
• 2e^- in der negativen (-) Blei- (Pb) Elektrode 54 ist.

Die negative Halbreaktion ist beim Laden der Batterie 50 reversibel.
Gemeinsamen führen diese Halbreaktionen zur gesamten chemischen Reaktion der Blei-Säure-Batterie, wie im Nachstehenden in Gl. 3 gezeigt: Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄ ↔ 2PbSO₄ + 2H₂O (Gl.3) wobei:

• Pb die feste negative (-) Blei-Elektrode 54 ist;
• PbO₂ die feste positive (+) Elektrode 52 ist;
• H2SO₄ eine Flüssigkeit innerhalb des wässrigen Elektrolyten 56 ist;
• PbSO₄ ein fester Niederschlag innerhalb des wässrigen Elektrolyten 56 ist; und
• H₂O eine Flüssigkeit innerhalb des wässrigen Elektrolyten 56 ist.

Die gesamte chemische Reaktion ist beim Laden der Batterie 50 reversibel.
Für jede der obigen Reaktionen tritt die Entladung sich von links nach rechts bewegend auf, und die Ladung tritt sich von rechts nach links bewegend auf.
Wie aus der gesamten Reaktion ersichtlich ist, erzeugt die Entladung der Batterie Bleisulfat (PbSO₄) und Wasser (H₂O). Die Erzeugung von Wasser während der Entladung führt zur Säureschichtung (d.h. die Schwefelsäure in dem Elektrolyten wird verbraucht), wodurch die im Vorstehenden diskutierte Säureschichtung weiter verstärkt wird. Zusätzlich geht Blei (Pb) in den Elektrodenplatten in Lösung in einer Wasserumgebung, wodurch mehr Blei verfügbar wird, um Bleisulfat zu erzeugen. Da die Reaktion während der Ladung reversibel ist, ermöglicht ein Laden und/oder Überladen der Batterie, dass etwas von dem Bleisulfat in seine Bestandteile zurückkehrt (d.h. Blei (Pb), Bleidioxid (PbO₂) und Schwefelsäure (H₂SO₄) ). Blei fällt jedoch auch in Schwefelsäure aus, und daher wird etwas von dem Bleisulfat nicht in seine Bestandteile zurückkehren und wird als fester Bleisulfat-Kristall zurückgelassen.
Zyklenfeste Batterien, wie jene, die in Golfcarts (auch als Golfcars bekannt), Gabelstaplern, e-Rikschas, e-Bikes, Leerlauf-Start-Stopp- („ISS“) Fahrzeugen und dgl. verwendet werden, arbeiten nahezu konstant in einem Teilladungszustand. Solche Batterien, mit der möglichen Ausnahme von ISS Batterien, werden für 8 bis 12 Stunden oder mehr verwendet, wobei sie entladen werden, bevor sie geladen werden. Ferner können die Bediener dieser Batterien die Batterien nicht überladen, bevor sie diese wieder in Dienst stellen. ISS Batterien durchlaufen Zyklen einer Entladung und kurze intermittierende Ladezyklen und erzielen im Allgemeinen selten eine volle Ladung oder jemals eine Überladung. Diese Batterien und andere neigen alle zu einer Säureschichtung, Säureverarmung oder beidem. Diese Batterien (oder Bereiche innerhalb der Batterie) sind daher Perioden ausgesetzt, in denen der Elektrolyt eine höhere Wasserkonzentration aufweist. Diese Batterien (oder Bereiche innerhalb der Batterie) sind auch Perioden ausgesetzt, in denen der Elektrolyt eine höhere Säurekonzentration aufweist. Somit hat das Blei in den Elektroden eine Möglichkeit, in Lösung innerhalb des Elektrolyten zu gehen, und dann in Bleisulfat-Kristalle auszufallen. Mit der Zeit und durch viele Entladungs- und Ladungszyklen bauen sich die Bleisulfat-Kristalle auf sich selbst auf und bilden Dendriten. Dies ist als Sulfatierung bekannt. Da diese Dendriten mit der Zeit wachsen, können sie die Batterie oder eine Batteriezelle kurzschließen. Dies kann zu einem totalen Ausfall der Batterie oder zumindest zu einer schlechten Leistung und einer verkürzten Batterielebensdauer führen.
Die Erfinder stellen die Hypothese auf, dass beim Laden der Batterie kleinere Bleisulfat-Kristalle leichter in Lösung zurückkehren, verglichen mit größeren Kristallen. Es wird angenommen, dass das Vorsehen von Nukleierungsstellen den Kristallen einen Startpunkt zur Bildung verleiht. Ferner können viele Nukleierungsstellen viele Orte zur Bildung von Kristallen vorsehen und somit die Gesamtmenge an Bleisulfat in eine große Anzahl kleinerer Kristalle ausbreiten im Gegensatz zu einer kleineren Anzahl größerer Kristalle. Diese kleineren Kristalle werden dann leichter in Lösung zurückgehen während eines Ladezyklus der Batterie und daher das Wachstum von Dendriten behindern. Die Erfinder haben verschiedene Nukleierungsadditive für den Separator identifiziert, wie Kohlenstoff und Bariumsulfat (BaSO₄) als Beispiele von Mitteln, um diese Nukleierungsstellen vorzusehen. Diese Additive werden hier diskutiert. Zusätzlich zum Vorsehen von Nukleierungsstellen kann der Kohlenstoff auch die Batterieladungsaufnahme erhöhen und die Batteriekapazität erhöhen.
Ein weiterer Vorteil, den der Kohlenstoff bietet, ist die erhöhte Ladungsaufnahme. Eine Hypothese der Erfinder lautet, dass die äußerst leitfähigen Kohlenstoffpartikel einen elektronisch leitfähigen Weg zu dem aktiven Material vorsehen und dadurch die Nutzung des aktiven Materials verbessern. Eine weitere Hypothese der Erfinder ist, dass der Kohlenstoff die Kapazität des Separators und somit des gesamten Batteriesystems erhöht.
Physische Beschreibung
Ein Beispiel eines Separators kann versehen sein mit einem Geflecht einer porösen Membran, wie einer mikroporösen Membran mit Poren von weniger als etwa 5 µm, vorzugsweise weniger als etwa 1 µm, einer mesoporösen Membran oder einer makroporösen Membran mit Poren von mehr als etwa 1 µm. Die poröse Membran kann vorzugsweise eine Porengröße aufweisen, die Submikron bis 100 µm ist, und in bestimmten Ausführungsformen zwischen etwa 0,1 µm bis etwa 10 µm. Die Porosität der hier beschriebenen Separatormembran kann größer sein als ungefähr 50 % bis ungefähr 60 % in bestimmten Ausführungsformen, und bestimmte andere bevorzugte Ausführungsformen können eine Porosität von mehr als ungefähr 65 % aufweisen. In bestimmten ausgewählten Ausführungsformen kann die poröse Membran flach sein oder weist Rippen auf, die sich von einer Fläche davon erstrecken.
Rippen
Bestimmte Ziele der vorliegenden Erfindung, als Mittel zur Erhöhung der dynamischen Ladungsaufnahme, umfassen die Maximierung des Bereichs des engen Kontakts zwischen der porösen Membran und dem negativen aktiven Material, die Minimierung der Effekte der NAM Quellung (z.B. Säureverarmung), während auch jede Bewegung genutzt wird, der die Batterie ausgesetzt sein kann, um die Säuremischung zu maximieren, um die Effekte der Säureschichtung zu reduzieren. Beides davon sind Probleme, die in einem Teilladungszustand arbeitende Batterien zeigen.
Die Erfinder haben gefunden, dass ein Weg zur Minimierung der Effekte einer NAM Quellung ist, die Widerstandsfähigkeit des Separators zu maximieren, um so die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass das NAM den porösen Grundträger in das PAM ablenkt. Ein besonderes Verfahren zur Erhöhung der Separatorwiderstandsfähigkeit ist, die Dicke des porösen Membrangrundträgers zu erhöhen. Dies erhöht jedoch auch den elektrischen Widerstand des Separators (um nur einen Nachteil eines dickeren Grundträgers zu nennen), was die Leistung der Batterie negativ beeinflusst. Die Erfinder haben gefunden, dass die Erhöhung der Kontaktpunkte zwischen dem Separator und der positiven Elektrode dazu dient, den Grundträger zwischen Kontaktpunkten zu versteifen. Die Erhöhung der Anzahl von Rippen, um dieses Ziel zu erreichen, erhöht auch die Größe des Kontaktbereichs zwischen dem Separator und der positiven Elektrode. Es wird angenommen, dass die Minimierung des Kontaktbereichs den elektrischen Widerstand des Separators verringert sowie mehr Oberfläche der Elektroden für den Elektrolyten für die elektrochemischen Reaktionen öffnet, welche die Funktionalität der Batterie bereitstellen. Es wird auch angenommen, dass der reduzierte Kontaktbereich die Möglichkeiten reduziert, dass sich Dendriten durch den Separator bilden und einen elektrischen Kurzschluss verursachen. Der Nachteil der Dendritenbildung wird hier im Nachstehenden diskutiert. Ein weiteres Ziel ist die Maximierung eines Mischens von Elektrolyt oder Säure für Batterien, die in Bewegung verwendet werden, um die Effekte der Säureschichtung zu minimieren. Ferner erleichtern durchgehende Rippen nicht das Ziel der Säuremischung, um eine Säureschichtung zu reduzieren.
Die Erfinder haben gefunden, dass ein Separator mit widerstandsfähigen Mitteln versehen werden kann, um einer Grundträgerablenkung unter den Kräften und dem Druck entgegenzuwirken oder diese zu mildern, die von einer NAM Quellung ausgeübt werden, was zu einer Säureschichtung führt, indem die Anzahl von Kontaktpunkten maximiert wird, während gleichzeitig der Kontaktbereich zwischen dem Separator und den benachbarten Elektroden als Beispiel einer ausgewählten bevorzugten Ausführungsform minimiert wird. Die Erfinder haben gefunden, dass ein anderes Beispiel einer ausgewählten Ausführungsform einen Separator mit Säuremischmitteln bereitstellen kann, um die Effekte einer Säureschichtung zu reduzieren, zu mildern oder umzukehren, indem die Anzahl diskreter Kontaktpunkte zwischen dem Separator und den benachbarten Elektroden maximiert wird. Ein weiteres Beispiel einer ausgewählten Ausführungsform kann den Separator mit Dendritenmilderungsmitteln versehen, um das Wachstum von Bleisulfat- (PbSO₄) Dendriten zu reduzieren oder zu mildern. Die Erfinder haben bestimmt, dass solche widerstandsfähigen Mittel, Säuremischmittel und Dendritenmilderungsmittel durch die Ausbildung der Rippenstruktur behandelt, erzielt oder mindestens teilweise behandelt und/oder erreicht werden können. Demgemäß beruhen hier beschriebene ausgewählte Ausführungsformen auf einer Rippenstruktur, um diese Parameter auszugleichen, um die gewünschten Ziele zu erreichen, um widerstandsfähige Mittel, Säuremischmittel und Dendritenmilderungsmittel bereitzustellen, und/oder um mindestens teilweise einen Ausgleich dieser Parameter und/oder die gewünschten widerstandsfähigen Mittel, Säuremischmittel und Dendritenmilderungsmittel zu behandeln und/oder zu erzielen.
2A zeigt ein Beispiel eines Batterieseparators, der zwischen einer positiven und negativen Elektrode angeordnet ist, wie er in einer typischen Blei-Säure-Batterie zu finden sein kann.
2B zeigt ein Beispiel eines Batterieseparators und aufgequollenen negativen aktiven Materials („NAM“), wie sie in einer typischen Blei-Säure-Batterie zu finden sein können.
2C zeigt ein Beispiel einer Ausführungsform eines Batterieseparators der vorliegenden Erfindung, der zwischen einer positiven und negativen Elektrode angeordnet ist, wie er in einer typischen Blei-Säure-Batterie zu finden sein kann; die negative Elektrode ist mit aufgequollenem NAM gezeigt.
Die Rippen 104, 106 können ein gleichmäßiger Satz, ein abwechselnder Satz oder eine Mischung oder Kombination sein von: durchgehenden, diskreten durchbrochenen Rippen, kontinuierlichen, diskontinuierlichen, abgewinkelten, linearen, Längsrippen, die sich im Wesentlichen in einer Maschinenrichtung MD des Separators erstrecken (d.h. von der Oberseite zum Boden des Separators in der Batterie verlaufen), lateralen Rippen, die sich im Wesentlichen in einer Maschinenquerrichtung CMD des Separators erstrecken, transversalen Rippen, die sich im Wesentlichen in einer Maschinenquerrichtung CMD des Separators erstrecken (d.h. in einer lateralen Richtung des Separators in der Batterie verlaufen, orthogonal zur MD) erstrecken, Querrippen, die sich im Wesentlichen in einer Maschinenquerrichtung des Separators erstrecken, diskreten Zähnen oder gezahnten Rippen, Verzahnungen, verzahnten Rippen, Zinnen oder Rippen mit Zinnen, gekrümmten oder sinusförmigen Rippen, die in einer durchgehenden oder durchbrochenen Zick-Zack-artigen Weise angeordnet sind, Rillen, Kanälen, texturierten Bereichen, Prägungen, Vertiefungen, porösen, nicht porösen Minirippen oder Miniquerrippen und/oder dgl., und Kombinationen davon. Ferner kann sich jeder Satz der Rippen 104, 106 von oder in die positive Seite, die negative Seite oder beide Seiten erstrecken.
Mit nunmehriger Bezugnahme auf 2D ist ein Beispiel eines Separators mit positiven Rippen 104 versehen, die im Wesentlichen in einer Maschinenrichtung MD des Separators ausgerichtet sind und die dazu dienen, mit einer positiven Elektrode in einem Beispiel einer Batterie in Kontakt zu gelangen. Der Separator ist ferner mit negativen Rippen 106 versehen, die im Wesentlichen in einer Maschinenrichtung des Separators ausgerichtet sind und im Wesentlichen parallel zu den positiven Rippen sind. Die negativen Rippen dienen dazu, mit einer negativen Elektrode in einem Beispiel einer Batterie in Kontakt zu gelangen. Obwohl die negativen Rippen in diesem veranschaulichten Beispiel im Wesentlichen in einer Maschinenrichtung des Separators ausgerichtet sind, können sie alternativ dazu im Wesentlichen in der Maschinenquerrichtung ausgerichtet sein, wobei sie dann typischerweise als negative Querrippen bekannt sind.
Mit weiterer Bezugnahme auf 2D sind ausgewählte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Separators mit einer Anordnung positiver Rippen versehen. Die positiven Rippen sind mit einem Basisabschnitt 104a versehen, der sich entlang der Länge des Separators in der Maschinenrichtung erstrecken kann. Beabstandete Zähne, diskontinuierliche Spitzen oder andere Vorsprünge 104b können sich dann von der Fläche des Basisabschnitts erstrecken, so dass sich die Zähne 104b von der darunterliegenden Fläche des porösen Membrangrundträgers abheben. Ferner kann der Basisabschnitt breiter sein als die Zähne selbst. Die positiven Rippen verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander in einem typischen Abstand von ungefähr 2,5 mm bis ungefähr 6,0 mm, wobei ein typischer Abstand ungefähr 3,5 mm beträgt. Die Höhe der positiven Rippen (Zähne und Basisabschnitt kombiniert), wie von der Fläche des dann porösen Membranträgers gemessen, kann ungefähr 10 µm bis ungefähr 2,0 mm betragen, wobei eine typische Höhe ungefähr 0,5 mm beträgt. Beispiele von Rippenzähnen benachbarter Rippen können im Wesentlichen auf einer Linie miteinander liegen. Wie in 2D dargestellt, können jedoch Beispiele von Zähnen voneinander von einer Rippe zu einer benachbarten Rippe versetzt sein, entweder zur Gänze oder teilweise außer Phase von einer benachbarten Rippe. Wie gezeigt, sind die Zähne zur Gänze außer Phase von einer Rippe zu einer benachbarten Rippe. Die positiven Rippenzähne können in einem Abstand in der Maschinenrichtung des Separators von ungefähr 3,0 mm bis ungefähr 6,0 mm beabstandet sein, wobei ein typischer Abstand ungefähr 4,5 mm beträgt.
Wie in 2D gezeigt, sind negative Rippen so dargestellt, dass sie im Wesentlichen parallel zur Maschinenrichtung des Separators sind. Die können jedoch alternativ dazu im Wesentlichen parallel zu einer Maschinenquerrichtung sein. Die dargestellten Beispiele negativer Rippen sind als durchgehend und im Wesentlichen gerade gezeigt. Sie können jedoch alternativ dazu gezahnt sein in einer ähnlichen Weise wie die in 2D gezeigten positiven Rippen. Die negativen Rippen könne in einem Abstand von ungefähr 10 µm bis ungefähr 10,0 mm beabstandet sein, wobei ein bevorzugter Abstand zwischen ungefähr 700 µm und ungefähr 800 µm beträgt, wobei ein mehr bevorzugter Abstand ungefähr 740 µm beträgt. Die Höhe der negativen Rippen, wie von der Fläche des Grundträgers gemessen, kann ungefähr 10 µm bis ungefähr 2,0 mm betragen.
Es ist anzumerken, dass die positiven Rippen alternativ dazu in ein Beispiel einer Batterie derart platziert werden können, dass sie mit den negativen Elektroden in Kontakt gelangen. Ähnlich können die negativen Rippen alternativ dazu in ein Beispiel einer Batterie derart platziert werden, dass sie mit der positiven Elektrode in Kontakt gelangen.

Die nachstehende Tabelle 1 gibt detailliert die Rippenanzahl und den Prozentsatz des Oberflächenkontaktbereichs für vier Separatoren an (ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Separators und drei Kontrollseparatoren), die 162 mm x 162 mm (262 cm²) sind. Wie gezeigt, hat das Beispiel des erfindungsgemäßen Separators 43 gezahnte Rippen, die gleichmäßig quer über die Breite des Separators in der Maschinenquerrichtung beabstandet sind. Die Zähne der positiven Rippen an dem Beispiel des erfindungsgemäßen Separators stehen mit 3,8 % der 262 cm² auf der positiven Elektrode in Kontakt. Die Details der Kontrollseparatoren werden in Tabelle 1 ausgeführt. Es ist klar, dass die Kontrollseparatoren #1, #2 und #3 typische im Handel erhältliche Separatoren sind, die derzeit in mit Blei-Säure gefluteten Batterien verwendet werden und derzeit auf dem Markt verfügbar sind. Tabelle 1

Separator	Rippen (Nr. (Auslegung))	Kontaktbereich (% des Gesamtbereichs)
Erfindungsgemäßer Separator	43 (gezahnte Rippen)	3,8 %
Kontrolle #1	22 (durchgehende Rippen)	4,8 %
Kontrolle #2	18 (durchgehende Rippen)	3,9 %
Kontrolle #3	11 (durchgehende Rippen)	2,9 %

Wie angegeben, haben die Erfinder gefunden, dass die Maximierung der Anzahl von Kontaktpunkten, während gleichzeitig der Kontaktbereich minimiert wird, das Ziel der Erhöhung der Separatorwiderstandsfähigkeit erreicht, während der elektrische Widerstand unter Kontrolle gehalten wird. Ferner hilft die gezahnte Ausbildung, ein Mischen der Säure zu erleichtern, indem jede Bewegung genutzt wird, der eine Batterie ausgesetzt sein kann. Die Zähne der Separatorrippen können ungefähr 2,5 mm bis ungefähr 6,0 mm von dem nächsten benachbarten Zahn entfernt sein. Die Erfinder haben gefunden, dass eine bevorzugte nicht einschränkende Distanz ungefähr 4,2 mm zwischen benachbarten Zähnen beträgt. Zusätzlich hilft eine Versetzung der Zähne von benachbarten Reihen, wobei sie vollständig außer Phase sind, ein Mischen der Säure zu erleichtern. Die Erfinder haben auch gefunden, dass der Basisabschnitt hilft, den Grundträger ausreichend zu versteifen, um eine Widerstandsfähigkeit gegen eine NAM Quellung zu liefern.
Es ist klar, dass, obwohl die Beispiele erfindungsgemäßer Rippen als positive Rippen gezeigt und beschrieben werden, sie trotzdem auf der negativen Seite des Separators bereitgestellt sein können, und die veranschaulichten und beschriebenen negativen Rippen können auf der positiven Seite des Separators bereitgestellt sein.
Die positiven oder negativen Rippen können zusätzlich eine beliebige Form oder Kombination sein von durchgehenden Rippen, diskreten durchbrochenen Rippen, kontinuierlichen Rippen, diskontinuierlichen Rippen, abgewinkelten Rippen, linearen Rippen, Längsrippen, die sich im Wesentlichen in einer Maschinenrichtung der genannten porösen Membran erstrecken, lateralen Rippen, die sich im Wesentlichen in einer Maschinenquerrichtung der genannten porösen Membran erstrecken, transversalen Rippen, die sich im Wesentlichen in einer Maschinenquerrichtung des Separators erstrecken, diskreten Zähnen, gezahnten Rippen, Verzahnungen, verzahnten Rippen, Zinnen, Rippen mit Zinnen, gekrümmten Rippen, sinusförmigen Rippen, die in einer kontinuierlichen Zick-Zack-Sägezahnartigen Weise angeordnet sind, die in einer durchbrochenen diskontinuierlichen Zick-Zack-Sägezahnartigen Weise angeordnet sind, Rillen, Kanälen, texturierten Bereichen, Prägungen, Vertiefungen, Säulen, Minisäulen, porösen, nicht porösen Minirippen, Miniquerrippen und Kombinationen davon.
Die positiven oder negativen Rippen können zusätzlich eine beliebige Form oder Kombination sein, indem sie durch einen Winkel definiert werden, der weder parallel noch orthogonal ist relativ zu einem Rand des Separators. Ferner kann der Winkel über die gesamten Zähne oder Reihen der Rippen variieren. Das abgewinkelte Rippenmuster kann ein möglicherweise bevorzugtes Daramic^® Rip Tide™ Säuremischungsrippenprofil sein, das helfen kann, eine Säureschichtung in bestimmten Batterien zu reduzieren oder zu eliminieren. Außerdem kann der Winkel relativ zu einer Maschinenrichtung der porösen Membran definiert sein, und der Winkel kann zwischen ungefähr größer als Null Grad (0°) und ungefähr kleiner als 180 Grad (180°) sein, und ungefähr größer als 180 Grad (180°) und ungefähr kleiner als 360 Grad (360°).
Die Rippen können sich gleichmäßig quer über die Breite des Separators erstrecken, von lateralem Rand zu lateralem Rand. Dies ist als Universalprofil bekannt. Alternativ dazu kann der Separator Seitenpaneele benachbart den lateralen Rändern aufweisen, wobei kleinere Rippen in dem Seitenpaneel angeordnet sind. Diese kleineren Rippen können enger beabstandet und kleiner als die primären Rippen sein. Zum Beispiel können die kleineren Rippen 25 % bis 50 % der Höhe der primären Rippen aufweisen. Die Seitenpaneele können alternativ dazu flach sein. Die Seitenpaneele können das Abdichten eines Rands des Separators mit einem anderen Rand des Separators unterstützen, wie es durchgeführt wird, wenn der Separator umhüllt wird, was hier im Nachstehenden diskutiert wird.
In Beispielen ausgewählter Ausführungsformen kann mindestens ein Abschnitt der negativen Rippen vorzugsweise eine Höhe von ungefähr 5 % bis ungefähr 100 % der Höhe der positiven Rippen aufweisen. In einigen Beispielen von Ausführungsformen kann die negative Rippenhöhe ungefähr 5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 %, 35 %, 40 %, 45 %, 50 %, 55 %, 60 %, 65 %, 70 %, 75 %, 80 %, 95 % oder 100 % betragen, verglichen mit der positiven Rippenhöhe. In anderen Beispielen von Ausführungsformen kann die negative Rippenhöhe nicht größer sein als ungefähr 100 %, 95 %, 90 %, 85 %, 80 %, 75 %, 70 %, 65 %, 60 %, 55 %, 50 %, 45 %, 40 %, 35 %, 30 %, 25 %, 20 %, 15 %, 10 % oder 5 %, verglichen mit der positiven Rippenhöhe.
In einigen ausgewählten Ausführungsformen kann mindestens ein Abschnitt der porösen Membran negative Rippen aufweisen, die longitudinale oder transversale Querrippen sind. Die negativen Rippen können parallel zum oberen Rand des Separators sein, oder können unter einem Winkel dazu angeordnet sein. Zum Beispiel können die negativen Rippen ungefähr 0°, 5°, 15°, 25°, 30°, 45°, 60°, 70°, 80° oder 90° relativ zum oberen Rand orientiert sein. Die Querrippen können ungefähr 0° bis ungefähr 30°, ungefähr 30° bis ungefähr 45°, ungefähr 45° bis ungefähr 60°, ungefähr 30° bis ungefähr 60°, ungefähr 30° bis ungefähr 90°, oder ungefähr 60° bis ungefähr 90° relativ zum oberen Rand orientiert sein.
Bestimmte Beispiele von Ausführungsformen können einen Basisabschnitt aufweisen. Wenn vorhanden, kann er eine mittlere Basishöhe von ungefähr 5 µm bis ungefähr 200 µm aufweisen. Zum Beispiel kann die mittlere Basishöhe größer als oder gleich ungefähr 5 µm, 10 µm, 20 µm, 30 µm, 40 µm, 50 µm, 100 µm oder 200 µm sein. Wenn vorhanden, kann er ferner eine mittlere Basisbreite aufweisen, die von ungefähr 0,0 µm bis ungefähr 50 µm breiter ist als die Zahnbreite. Zum Beispiel kann die mittlere Basisbreite größer oder gleich ungefähr 0,0 µm, 5 µm, 10 µm, 20 µm, 30 µm, 40 µm oder 50 µm breiter als die Zahnbreite sein.
Bestimmte Beispiele von Ausführungsformen können Zähne oder gezahnte Rippen aufweisen. Wenn vorhanden, können sie eine mittlere Spitzenlänge von ungefähr 50 µm bis ungefähr 1,0 mm aufweisen. Zum Beispiel kann die mittlere Spitzenlänge größer als oder gleich ungefähr 50 µm, 100 µm, 200 µm, 300 µm, 400 µm, 500 µm, 600 µm, 700 µm, 800 µm, 900 µm oder 1,0 mm sein. Alternativ dazu kann sie nicht größer als oder gleich 1,0 mm, 900 µm, 800 µm, 700 µm, 600 µm, 500 µm, 400 µm, 300 µm, 200 µm, 100 µm oder 50 µm sein.
Mindestens ein Abschnitt der Zähne oder gezahnten Rippen kann eine mittlere Zahnbasislänge von ungefähr 50 µm bis ungefähr 1,0 mm aufweisen. Zum Beispiel kann die mittlere Zahnbasislänge ungefähr 50 µm, 100 µm, 200 µm, 300 µm, 400 µm, 500 µm, 600 µm, 700 µm, 800 µm, 900 µm oder 1,0 mm sein. Alternativ dazu kann sie nicht größer als oder gleich ungefähr 1,0 mm, 900 µm, 800 µm, 700 µm, 600 µm, 500 µm, 400 µm, 300 µm, 200 µm, 100 µm oder 50 µm sein.
Mindestens ein Abschnitt der Zähne oder gezahnten Rippen kann eine mittlere Höhe (kombinierte Basisabschnitthöhe und Zahnhöhe) von ungefähr 50 µm bis ungefähr 1,0 mm aufweisen. Zum Beispiel kann die mittlere Höhe ungefähr 50 µm, 100 µm, 200 µm, 300 µm, 400 µm, 500 µm, 600 µm, 700 µm, 800 µm, 900 µm oder 1,0 mm sein. Alternativ dazu kann sie nicht größer als oder gleich ungefähr 1,0 mm, 900 µm, 800 µm, 700 µm, 600 µm, 500 µm, 400 µm, 300 µm, 200 µm, 100 µm oder 50 µm sein.
Mindestens ein Abschnitt der Zähne oder gezahnten Rippen kann einen Mitte-zu-Mitte-Abstand innerhalb einer Säule in der Maschinenrichtung von ungefähr 100 µm bis ungefähr 50 mm aufweisen.
Zum Beispiel kann der Mitte-zu-Mitte-Abstand größer als oder gleich ungefähr 50 µm, 100 µm, 200 µm, 300 µm, 400 µm, 500 µm, 600 µm, 700 µm, 800 µm, 900 µm oder 1,0 mm sein, und in ähnlichen Inkrementen bis 50 mm. Alternativ dazu kann er nicht größer als oder gleich ungefähr 50 µm, 100 µm, 200 µm, 300 µm, 400 µm, 500 µm, 600 µm, 700 µm, 800 µm, 900 µm oder 1,0 mm sein, und in ähnlichen Inkrementen bis 50 mm. Zusätzlich können benachbarte Säulen von Zähnen oder gezahnten Rippen identisch in derselben Position in einer Maschinenrichtung angeordnet oder versetzt sein. In einer versetzten Auslegung sind benachbarte Zähne oder gezahnte Rippen in unterschiedlichen Positionen in der Maschinenrichtung angeordnet.
Mindestens ein Abschnitt der Zähne oder gezahnten Rippen kann ein Verhältnis der mittleren Höhe zur Basisbreite von ungefähr 0,1:1,0 bis ungefähr 500:1,0 aufweisen. Zum Beispiel kann das Verhältnis der mittleren Höhe zur Basisbreite ungefähr 0,1:1,0, 25:1,0, 50:1,0, 100:1,0, 150:1,0, 200:1,0, 250:1,0, 300:1,0, 350:1, 450:1,0 oder 500:1,0 sein. Alternativ dazu kann das Verhältnis der mittleren Höhe zur Basisbreite nicht größer als oder gleich ungefähr 500:1,0, 450:1,0, 400:1,0, 350:1,0, 300:1,0, 250:1,0, 200:1,0, 150:1,0, 100:1,0, 50:1,0, 25:1,0 oder 0,1:1,0 sein.
Mindestens ein Abschnitt der Zähne oder gezahnten Rippen kann ein Verhältnis der mittleren Basisbreite zur Spitzenbreite von ungefähr 1.000:1,0 bis ungefähr 0,1:1,0 aufweisen. Zum Beispiel kann das Verhältnis der mittleren Basisbreite zur Spitzenbreite ungefähr 0,1:1,0, 1,0:1,0, 2:1,0, 3:1,0, 4:1,0, 5:1,0, 6:1,0, 7:1,0, 8:1,0, 9:1,0, 10:1,0, 15:1,0, 20:1,0, 25:1,0, 50:1,0, 100:1,0, 150:1,0, 200:1,0, 250:1,0, 300:1,0, 350:1,0, 450:1,0, 500:1,0, 550:1,0, 600:1,0, 650:1,0, 700:1,0, 750:1,0, 800:1,0, 850:1,0, 900:1,0, 950:1,0 oder 1.000:1,0 sein. Alternativ dazu kann das Verhältnis der mittleren Basisbreite zur Spitzenbreite nicht größer als ungefähr 1.000:1,0, 950:1,0, 900:1,0, 850:1,0, 800:1,0, 750:1,0, 700:1,0, 650:1,0, 600:1,0, 550:1,0, 500:1,0, 450:1,0, 400:1,0, 350:1,0, 300:1,0, 250:1,0, 200:1,0, 150:1,0, 100:1,0, 50:1,0, 25:1,0, 20:1,0, 15:1,0, 10:1,0, 9:1,0, 8:1,0, 7:1,0, 6:1,0, 5:1,0, 4:1,0, 3:1,0, 2:1,0, 1,0:1,0 oder 0,1:1,0 sein.
In bestimmten Ausführungsformen kann der verbesserte Separator eine poröse Membran aufweisen, die aus einem beliebigen einen oder mehreren hergestellt sein kann von: einem natürlichen oder synthetischen Basismaterial; einem Verarbeitungsweichmacher; einem Füllstoff; Natur- oder Synthesekautschuk(en) oder Latex, einem Nukleierungsbereitstellungsadditiv, und/oder einem oder mehreren Additiven und/oder Beschichtungen, und/oder dgl., und Kombinationen davon.
In bestimmten Ausführungsformen können Beispiele von natürlichen oder synthetischen Basismaterialien umfassen: Polymere; thermoplastische Polymere; Phenolharze; Natur- oder Synthesekautschuke; synthetischen Zellstoff; Lignine; Glasfasern; synthetische Fasern; cellulosische Fasern; und Kombinationen davon. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen kann ein Beispiel eines Separators eine poröse Membran sein, die aus thermoplastischen Polymeren hergestellt ist.
Beispiele von thermoplastischen Polymeren kann prinzipiell alle säurebeständigen thermoplastischen Materialien umfassen, die für die Verwendung in Blei-Säure-Batterien geeignet sind. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen können Beispiele von thermoplastischen Polymeren Polyvinyle und Polyolefine umfassen. In bestimmten Ausführungsformen können die Polyvinyle zum Beispiel Polyvinylchlorid („PVC“) umfassen. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen können die Polyolefine zum Beispiel Polyethylen, Polypropylen, Ethylen-Buten-Copolymer und Kombinationen davon, jedoch vorzugsweise Polyethylen umfassen. In bestimmten Ausführungsformen können Beispiele von Natur- oder Synthesekautschuken zum Beispiel Latex, unvernetzte oder vernetzte Kautschuke, granulierten oder gemahlenen Kautschuk und Kombinationen davon umfassen.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst die poröse Membran vorzugsweise ein Polyolefin, spezifisch Polyethylen. Vorzugsweise ist das Polyethylen ein Polyethylen mit hohem Molekulargewicht („HMWPE“) (z.B. Polyethylen mit einem Molekulargewicht von mindestens 600.000). Noch bevorzugter ist das Polyethylen ein Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht („UHMWPE“). Ein Beispiel eines UHMWPE kann ein Molekulargewicht von mindestens 1.000.000 aufweisen, insbesondere mehr als 4.000.000 und am meisten bevorzugt 5.000.000 bis 8.000.000, wie durch Viskosimetrie gemessen und durch die Margolies-Gleichung berechnet. Ferner kann ein Beispiel des UHMWPE einen Schmelzindex bei Standardbelastung von im Wesentlichen Null (0) aufweisen, wie gemessen wie in ASTM D 1238 (Bedingung E) unter Verwendung einer Standardbelastung von 2.160 g spezifiziert. Außerdem kann ein UHMWPE eine Viskositätszahl von nicht weniger als 600 ml/g aufweisen, vorzugsweise nicht weniger als 1.000 ml/g, bevorzugter nicht weniger als 2.000 ml/g und am meisten bevorzugt nicht weniger als 3.000 ml/g, wie in einer Lösung von 0,02 g Polyolefin in 100 g Decalin bei 130 °C bestimmt.
In bestimmten Ausführungsformen können Beispiele von Verarbeitungsweichmachern Verarbeitungsöl, Petroleumöl, auf Paraffin basierendes Mineralöl, Mineralöl und Kombinationen davon umfassen.
Der Separator kann einen Füllstoff mit einer hohen strukturellen Morphologie enthalten. Beispiele von Füllstoffen können umfassen: Siliciumdioxid, trockenes fein zerteiltes Siliciumdioxid, gefälltes Siliciumdioxid, amorphes Siliciumdioxid, hoch krümeliges Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Talk, Fischmehl, Fischknochenmehl, Kohlenstoff, Ruß und dgl., und Kombinationen davon. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen ist der Füllstoff ein oder mehrere Siliciumdioxide. Die hoch strukturierte Morphologie bezieht sich auf die vergrößerte Oberfläche. Der Füllstoff kann eine große Oberfläche aufweisen, zum Beispiel mehr als ungefähr 100 m²/g, ungefähr 110 m²/g, ungefähr 120 m²/g, ungefähr 130 m²/g, ungefähr 140 m²/g, ungefähr 150 m²/g, ungefähr 160 m²/g, ungefähr 170 m²/g, ungefähr 180 m²/g, ungefähr 190 m²/g, ungefähr 200 m²/g, ungefähr 210 m²/g, ungefähr 220 m²/g, ungefähr 230 m²/g, ungefähr 240 m²/g oder ungefähr 250 m²/g. In einigen Ausführungsformen kann der Füllstoff (z.B. Siliciumdioxid) eine Oberfläche von ungefähr 100 bis 300 m²/g, ungefähr 125-275 m²/g, ungefähr 150-250 m²/g, oder vorzugsweise ungefähr 170-220 m²/g aufweisen. Die Oberfläche kann unter Verwendung von TriStar 3000TM für die Mehrpunktbestimmung der BET-Oberfläche mit Stickstoff gemessen werden. Die hohe strukturelle Morphologie ermöglicht es dem Füllstoff, mehr Öl während des Herstellungsverfahrens zu halten. Zum Beispiel hat ein Füllstoff mit einer hohen strukturellen Morphologie einen hohen Ölabsorptionsgrad, zum Beispiel mehr als ungefähr 150 ml/100 g, ungefähr 175 ml/100 g, ungefähr 200 ml/100 g, ungefähr 225 ml/100 g, ungefähr 250 ml/100 g, ungefähr 275 ml/100 g, ungefähr 300 ml/100 g, ungefähr 325 ml/100 g oder ungefähr 350 ml/100 g. In einigen Ausführungsformen kann der Füllstoff (z.B. Siliciumdioxid) eine Ölabsorption aufweisen von ungefähr 200 bis 500 ml/100 g, ungefähr 200 bis 400 ml/100 g, ungefähr 225 bis 375 ml/100 g, ungefähr 225 bis 350 ml/100 g, ungefähr 225 bis 325 ml/100 g, vorzugsweise ungefähr 250 bis 300 ml/100 g. In einigen Fällen wird ein Siliciumdioxid-Füllstoff mit einer Ölabsorption von ungefähr 266 ml/100 g verwendet. Ein solcher Siliciumdioxid-Füllstoff hat einen Feuchtigkeitsgehalt von ungefähr 5,1 %, eine BET Oberfläche von ungefähr 178 m²/g, eine mittlere Partikelgröße von ungefähr 23 µm, einen Siebrückstand 230-Netzwert von ungefähr 0,1 % und eine Schüttdichte von ungefähr 135 g/l.
Siliciumdioxid mit relativ hohen Ölabsorptionsgraden und relativ hohen Affinitätsausmaßen für den Weichmacher (z.B. Mineralöl) wird zweckmäßig in der Mischung von Polyolefin (z.B. Polyethylen) und dem Weichmacher dispergierbar, wenn ein Beispiel eines Blei-Säure-Batterieseparators des hier gezeigten Typs gebildet wird. In der Vergangenheit haben einige Separatoren den Nachteil einer schlechten Dispiergierbarkeit gezeigt, die durch die Siliciumdioxid-Aggregation verursacht wird, wenn große Mengen an Siliciumdioxid verwendet werden, um solche Separatoren oder Membranen herzustellen. In mindestens bestimmten der erfindungsgemäßen Separatoren, die hier gezeigt und beschrieben werden, bildet das Polyolefin, wie Polyethylen, eine Shish-Kebab-Struktur, da es wenige Siliciumdioxid-Aggregationen oder -Agglomerate gibt, welche die molekulare Bewegung des Polyolefins zur Zeit der Abkühlung des geschmolzenen Polyolefins inhibieren. All dies trägt zu einer verbesserten lonenpermeabilität durch die erhaltene Separatormembran bei, und die Bildung der Shish-Kebab-Struktur oder -Morphologie bedeutet, dass die mechanische Festigkeit aufrechterhalten oder sogar verbessert wird, während ein Separator mit niedrigerem gesamten ER erzeugt wird.
In einigen Ausführungsformen hat der Füllstoff (z.B. Siliciumdioxid) eine mittlere Partikelgröße von nicht mehr als ungefähr 25 µm, in einigen Fällen nicht mehr als ungefähr 22 µm, 20 µm, 18 µm, 15 µm oder 10 µm. In einigen Fällen beträgt die mittlere Partikelgröße der Füllstoffpartikel ungefähr 15 bis 25 µm. Die Partikelgröße des Siliciumdioxid-Füllstoffs und/oder die Oberfläche des Siliciumdioxid-Füllstoffs tragen zur Ölabsorption des Siliciumdioxid-Füllstoffs bei. Siliciumdioxid-Partikel im Endprodukt oder Separator können unter die im Vorstehenden beschriebenen Größen fallen. Das anfängliche Siliciumdioxid, das als Rohmaterial verwendet wird, kann jedoch als ein oder mehrere Agglomerate und/oder Aggregate vorhanden sein und kann Größen von etwa ungefähr 200 µm oder mehr aufweisen.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen hat das Siliciumdioxid, das zur Herstellung der erfindungsgemäßen Separatoren verwendet wird, eine erhöhte Menge oder Anzahl von Oberflächen-Silanolgruppen (Oberflächen-Hydroxylgruppen), verglichen mit Siliciumdioxid-Füllstoffen, die zuvor zur Herstellung von Blei-Säure-Batterieseparatoren verwendet wurden. Zum Beispiel können die Siliciumdioxid-Füllstoffe, die mit bestimmten hier bevorzugten Ausführungsformen verwendet werden können, jene Siliciumdioxid-Füllstoffe sein, die mindestens ungefähr 10 %, mindestens 15 %, mindestens 20 %, mindestens 25 %, mindestens 30 % oder mindestens 35 % mehr Silanol- und/oder Hydroxyl-Oberflächengruppen aufweisen, verglichen mit bekannten Siliciumdioxid-Füllstoffen, die verwendet werden, um bekannte Polyolefin-Blei-Säure-Batterieseparatoren herzustellen.
Das Verhältnis (Si-OH)/Si von Silanolgruppen (Si-OH) zu elementarem Silicium (Si) kann zum Beispiel wie folgt gemessen werden.

1. Eine poröse Polyolefin-Membran (wobei bestimmte erfindungsgemäße Membranen verschiedenstes ölabsorbierendes Siliciumdioxid gemäß der vorliegenden Erfindung enthalten) unter Gefrieren zerdrücken und die pulverartige Probe für die Festkörper-Kernspinresonanzspektroskopie (²⁹Si-NMR) vorbereiten.
2. Die ²⁹Si-NMR an der pulverartigen Probe vornehmen und die Spektren beobachten, einschließlich der Si Spektrumstärke, die direkt an eine Hydroxygruppe gebunden ist (Spektrum: Q₂ und Q₃), und der Si Spektrumstärke, die nur direkt an ein Sauerstoffatom gebunden ist (Spektrum: Q₄), wobei die molekulare Struktur jedes NMR Peakspektrums wie folgt beschrieben werden kann:
- • Q₂: (SiO)₂ - Si* - (OH)₂: mit zwei Hydroxylgruppen
- • Q₃: (SiO)₃ - Si* - (OH): mit einer Hydroxylgruppe
- • Q₄: (SiO)₄ - Si*: alle Si Bindungen sind SiO
- • Wobei Si* als Element durch NMR Observation nachgewiesen wird.
3. Die Bedingungen für die zur Observation verwendete ²⁹Si-NMR sind wie folgt.
- • Instrument: Bruker BioSpin Avance 500
- • Resonanzfrequenz: 99,36 MHz
- • Probenmenge: 250 mg
- • NMR Röhrchen: 7 mφ
- • Observationsmethode: DD/MAS
- • Impulsbreite: 45°
- • Wiederholungszeit: 100 s
- • Scans: 800
- • Magic Angle Spinning: 5.000 Hz
- • Chemische Verschiebungsreferenz: Silikonkautschuk als -22,43 ppm (externe Ref.)
4. Peaks des Spektrums numerisch trennen und das Oberflächenverhältnis jedes Peaks für Q₂, Q₃ und Q₄ berechnen. Danach, auf der Basis der Verhältnisse, das Molverhältnis von Hydroxylgruppen (-OH) berechnen, die direkt an Si gebunden sind. Die Bedingungen für die numerische Peaktrennung werden auf die folgende Weise durchgeführt:
- • Anpassungsbereich: -80 bis -130 ppm
- • Anfängliche Peakhöhe: jeweils -93 ppm für Q₂, -101ppm für Q₃, -111ppm für Q₄.
- • Anfängliche Halbwertsbreite: jeweils 400Hz für Q₂, 350Hz für Q₃, 450Hz für Q₄.
- • Gauß-Funktionsverhältnis: 80 % am Anfang und 70 bis 100 % während der Anpassung.
5. Die Peakflächenverhältnisse (Summe ist 100) von Q₂, Q₃ und Q₄ werden auf der Basis jedes Peaks berechnet, der durch die Anpassung erhalten wird. Die NMR Peakfläche entsprach der Molzahl jeder Silikat-Bindungsstruktur (somit sind für den Q₄ NMR Peak vier Si-O-Si Bindungen innerhalb dieser Silikat-Struktur vorhanden; für den Q₃ NMR Peak sind drei Si-O-Si Bindungen innerhalb dieser Silikat-Struktur vorhanden, während eine Si-OH Bindung vorhanden ist; und für den Q₂ NMR Peak sind zwei Si-O-Si Bindungen innerhalb dieser Silikat-Struktur vorhanden, während zwei Si-OH Bindungen vorhanden sind). Daher wird jede Anzahl der Hydroxylgruppen (-OH) von Q₂, Q₃ und Q₄ jeweils mit Zwei (2), Eins (1) und Null (0) multipliziert. Diese drei Ergebnisse werden summiert. Der Summenwert zeigt das Molverhältnis von Hydroxylgruppen (-OH), die direkt an Si gebunden sind.

In bestimmten Ausführungsformen kann das Siliciumdioxid ein Molverhältnis von OH zu Si Gruppen, gemessen durch ²⁹Si-NMR, aufweisen, das innerhalb eines Bereichs von ungefähr 21:100 bis 35:100, in einigen bevorzugten Ausführungsformen ungefähr 23:100 bis ungefähr 31:100, in bestimmten bevorzugten Ausführungsformen ungefähr 25:100 bis ungefähr 29:100 und in anderen bevorzugten Ausführungsformen mindestens ungefähr 27:100 oder mehr liegen kann.
In einigen ausgewählten Ausführungsformen gestattet die Verwendung der im Vorstehenden beschriebenen Füllstoffe die Verwendung eines größeren Anteils an Verarbeitungsöl während des Extrusionsschritts. Während die poröse Struktur in dem Separator gebildet wird, teilweise durch die Entfernung des Öls nach der Extrusion, führen höhere anfängliche absorbierte Mengen an Öl zu einer höheren Porosität und einem höheren Hohlraumvolumen. Obwohl Verarbeitungsöl eine integrale Komponente des Extrusionsschritts ist, ist Öl eine nicht leitende Komponente des Separators. Restliches Öl in dem Separator schützt den Separator gegen eine Oxidation, wenn er mit der positiven Elektrode in Kontakt steht. Die genaue Menge an Öl in dem Verarbeitungsschritt kann bei der Herstellung herkömmlicher Separatoren gesteuert werden. Allgemein ausgedrückt, werden herkömmliche Separatoren unter Verwendung von 50 bis 70 % Verarbeitungsöl hergestellt, in einigen Ausführungsformen 55 bis 65 %, in einigen Ausführungsformen 60 bis 65 % und in einigen Ausführungsformen etwa 62 %, bezogen auf das Gewicht des Verarbeitungsöls. Es ist bekannt, dass die Reduktion von Öl unter etwa 59 % ein Brennen aufgrund erhöhter Reibung gegen die Extruderkomponenten verursacht. Die Erhöhung von Öl weit über die vorgeschriebene Menge kann jedoch ein Schrumpfen während der Trocknungsstufe verursachen, was zu einer Abmessungsinstabilität führt. Obwohl frühere Versuche zur Erhöhung des Ölgehalts zu einer Porenschrumpfung oder Kondensation während der Ölentfernung führten, können Separatoren, die wie hier geoffenbart hergestellt werden, eine minimale Schrumpfung und Kondensation, wenn überhaupt, während der Ölentfernung aufweisen. Somit kann die Porosität erhöht werden, ohne die Porengröße und Abmessungsstabilität zu beeinträchtigen, wodurch der elektrische Widerstand verringert wird.
In bestimmten ausgewählten Ausführungsformen gestattet die Verwendung des im Vorstehenden beschriebenen Füllstoffs eine reduzierte Ölendkonzentration in dem fertiggestellten Separator. Da Öl nicht leitend ist, kann die Reduktion des Ölgehalts die ionische Leitfähigkeit des Separators erhöhen und die Senkung des ER des Separators unterstützen. Als solche können Separatoren mit reduzierten Ölendgehalten eine erhöhte Effizienz aufweisen. In bestimmten ausgewählten Ausführungsformen werden Separatoren bereitgestellt mit einem Verarbeitungsöl-Endgehalt (bezogen auf das Gewicht) von weniger als 20 %, zum Beispiel zwischen ungefähr 14 % und 20 %, und in einigen besonderen Ausführungsformen weniger als 19 %, 18 %, 17 %, 16 %, 15 %, 14 %, 13 %, 12 %, 11 %, 10 %, 9 %, 8 %, 7 %, 6% oder 5 %.
Die Füllstoffe können weiter reduzieren, was als Hydratationssphäre der Elektrolytionen bezeichnet wird, wobei ihr Transport quer über die Membran verstärkt wird, wodurch erneut der gesamte elektrische Widerstand oder ER der Batterie verringert wird, wie einer verstärkten gefluteten Batterie oder eines Systems.
Der Füllstoff kann oder die Füllstoffe können verschiedene Arten (z.B. polare Arten, wie Metalle) enthalten, die den Fluss des Elektrolyten und der Ionen quer über den Separator erleichtern. Derartiges führt auch zu einem verringerten elektrischen Widerstand, wenn ein solcher Separator in einer gefluteten Batterie verwendet wird, wie einer verstärkten gefluteten Batterie.
In bestimmten Ausführungsformen kann ein Separator ein leistungsverstärkendes Additiv in der Form eines leitfähigen Elements oder eines Nukleierungsadditivs und/oder einer Beschichtung enthalten. Das leitfähige Element oder das Nukleierungsadditiv kann vorzugsweise in dem Batterieelektolyten stabil sein und kann ferner innerhalb des Elektrolyten dispergiert sein.
Beispielformen von leitfähigen Elementen und/oder Beschichtungen können Kohlenstoff sein oder enthalten, wie Kohlenstoff, leitfähigen Kohlenstoff, Graphit, künstlichen Graphit, Aktivkohle, Kohlepapier, Acetylenruß, Ruß, Ruß mit großer Oberfläche, Graphen, Graphen mit großer Oberfläche, Keitjen Black, Kohlefasern, Kohlefilamente, Kohlenstoffnanoröhrchen, offenzelligen Kohlenstoffschaum, eine Kohlenstoffmatte, Kohlenstofffilz, Kohlenstoff Buckminsterfulleren (Bucky Balls), eine wässrige Kohlenstoffsuspension, Flockengraphit, oxidierten Kohlenstoff und Kombinationen davon. Zusätzlich zu diesen vielen Formen von Kohlenstoff können das Nukleierungsadditiv und/oder die Beschichtung auch Bariumsulfat (BaSO₄) umfassen oder enthalten, entweder allein oder in Kombination mit Kohlenstoff. Eine Beispielform von Kohlenstoff ist PBX^®-135, hergestellt von Cabot Corporation of Boston, MA, USA. Ein Beispiel einer bevorzugten Form von Kohlenstoff ist PBX^®-51, hergestellt von Cabot Corporation of Boston, MA, USA. Die Erfinder haben die Theorie aufgestellt, dass gilt: je größer die Oberfläche des Kohlenstoffs, desto größer die dynamische Ladungsaufnahme in der Batterie. PBX^®-51 hat zum Beispiel eine Oberfläche von mindestens ungefähr 1.300 m²/g bis ungefähr 1.500 m²/g, und Keitjen Black hat eine Oberfläche von mindestens ungefähr 1.250 m²/g.
Die Nukleierungsbeschichtung kann auf einen fertiggestellten Separator durch solche Mittel aufgebracht werden, wie Aufschlämmungsbeschichtung, Schlitzformbeschichtung, Sprühbeschichtung, Vorhangbeschichtung, Tintenstrahldruck, Siebdruck oder durch Vakuumabscheidung oder chemische Dampfabscheidung („CVD“). Zusätzlich können das Additiv und/oder die Beschichtung als Kohlepapier, entweder gewebt oder nicht gewebt, bereitgestellt werden und zwischen und in engem Kontakt mit dem Separator und der oder den Elektroden angeordnet sein.
Das Nukleierungsadditiv und/oder die Beschichtung können innerhalb des Separators sein, oder auf einer oder beiden Flächen des Separators. Typischerweise kann eine Beschichtung oder Schicht des Nukleierungsadditivs nur auf der Fläche sein, die der negativen Elektrode zugewandt ist. Es kann jedoch auch auf der Fläche sein, die der positiven Elektrode zugewandt ist, oder auf beiden Flächen.
In bestimmten Ausführungsformen kann das Nukleierungsadditiv der Extrusionsmischung von Basismaterialien zugesetzt werden und mit dem Separator extrudiert werden, oder als Schicht auf dem Separator coextrudiert werden. Wenn es in die Extrusionsmischung eingeschlossen wird, kann das Nukleierungsadditiv etwas von dem Siliciumdioxid-Füllstoff ersetzen, zu so viel wie 5 bis 75 Gew.-%. Zum Beispiel kann das Nukleierungsadditiv ungefähr 5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 %, 35 %, 40 %, 45 %, 50 %, 55 %, 60 %, 65 %, 70 % oder ungefähr 75 %, bezogen auf das Gewicht, betragen. In anderen Beispielen von Ausführungsformen kann das Nukleierungsadditiv nicht mehr als ungefähr 75 %, 70 %, 65 %, 60 %, 55 %, 50 %, 45 %, 40 %, 35 %, 30 %, 25 %, 20 %, 15 %, 10 % oder ungefähr 5 %, bezogen auf das Gewicht, betragen.
3A-3C sind Rasterelektronenmikroskop- („REM“) Aufnahmen von Graphit 100. 3D ist eine REM Aufnahme von künstlichem Graphit. 3E ist eine REM Aufnahme von Acetylenruß. Diese Bilder wurden mit einer 1.000x Vergrößerung aufgenommen. Wie ersichtlich ist, haben der Graphit 100 und künstliche Graphit ähnliche Strukturen und scheinen, eine ähnliche Oberflächenrauigkeit und Oberfläche aufzuweisen, auf der das Bleisulfat nukleieren kann. Acetylenruß zeigt jedoch eine wesentlich rauere Oberfläche und daher größere Oberfläche, auf der Bleisulfat nukleieren kann, was mehr Nukleierungsstellen liefern kann.
4A-4C sind REM Aufnahmen einer Bleielektrode nach 100 Ladungs/Entladungszyklen, wobei das Wachstum von Bleisulfatkristallen auf der Elektrode gezeigt wird. 4A und 4B sind REM Aufnahmen, die bei 15,0 kV und 5000x Vergrößerung aufgenommen wurden. 4A ist eine Kontrollbleielektrode, die in Anwesenheit des Separators ohne jedes Kohlenstoffadditiv und/oder ohne jede Beschichtung war. 4B ist eine Aufnahme einer Bleielektrode, die in Anwesenheit eines mit Ruß beschichteten Separators war. 4C ist eine REM Aufnahme (aufgenommen bei 15,0 kV und 5500x Vergrößerung) einer Bleielektrode, die in Anwesenheit eines mit künstlichem Graphit beschichteten Separators war. Wie ersichtlich ist, haben die Bleisulfatkristalle eine kleinere Größe in Anwesenheit von Kohlenstoff, verglichen mit der Kontrolle.
5A-5C sind REM Aufnahmen eines Blei-Säure-Separators nach 100 Ladungs/Entladungszyklen, wobei das Wachstum von Bleisulfatkristallen auf dem Separator gezeigt wird. Diese REM Bilder wurden bei 15,0 kV und 1000x Vergrößerung aufgenommen. 5A ist ein Kontrollseparator ohne jeglichen zugesetzten Kohlenstoff. 5B ist ein Separator, bei dem 5 % Kohlenstoff der Extrusionsmischung zugesetzt wurden, und 5C ist eine Aufnahme eines Separators, bei dem 10 % Kohlenstoff der Extrusionsmischung zugesetzt wurden. Wie ersichtlich ist, gilt: je höher der Kohlenstoffgehalt, desto kleinere und weniger Bleisulfatkristalle werden erzeugt.
6A-6C sind REM Aufnahmen einer Bleielektrode nach 100 Ladungs/Entladungszyklen, wobei das Wachstum von Bleisulfatkristallen auf der Elektrode gezeigt wird. Diese REM Bilder wurden bei 15,0 kV und 10.000x Vergrößerung aufgenommen. 6A ist eine REM Aufnahme einer Kontrollbleielektrode, die in Anwesenheit eines Separators ohne Kohlenstoffadditiv und/oder Beschichtung war. 6B ist eine SEM Aufnahme einer Bleielektrode, die in Anwesenheit eines Separators mit 5 % Kohlenstoff in der Extrusionsmischung war. 6C ist eine SEM Aufnahme einer Bleielektrode, die in Anwesenheit eines Separators mit 10 % Kohlenstoff in der Extrusionsmischung war. Wie ersichtlich ist, gilt: je höher der Kohlenstoffgehalt, desto kleinere und weniger Bleisulfatkristalle werden erzeugt.
Eine leitfähige Schicht kann auf einem Beispiel eines Batterieseparators 100 angeordnet werden. Die leitfähige Schicht kann vorzugsweise dafür geeignet sein, um mit einer positiven Elektrode der Batterie (nicht gezeigt) in Kontakt zu stehen. Die leitfähige Schicht kann dazu dienen, einen neuen Weg des Stroms zu und von der positiven Elektrode (nicht gezeigt) bereitzustellen. Die leitfähige Schicht kann aus einem beliebigen leitfähigen Material bestehen, umfassend, jedoch nicht beschränkt auf Aluminiumoxid, Blei, Gold, Antimon, Arsen, Zink, Barium, Beryllium, Lithium, Magnesium, Nickel, Aluminium, Silber, Zinn und Kombinationslegierungen davon, oder Kohlefasern, Graphit, Kohlenstoffnanoröhrchen, Backminsterfulleren (oder Bucky Balls) und Kombinationen davon. Die Kohlenstoffnanoröhrchen oder Bucky Balls können in einem Medium mit einem Bindemittel dispergiert sein und auf einen Batterieseparator aufgestrichen werden. Die leitfähige Schicht kann aus einem beliebigen leitfähigen Material hergestellt sein, das korrosionsbeständiger ist als der positive Elektrodenleiter, wodurch es der leitfähigen Schicht gestattet wird, als positiver Elektrodenleiter zu dienen, wenn sich die Leitfähigkeit des positiven Elektrodenleiters verschlechtert. Die leitfähige Schicht kann eine auf Blei basierende Legierung mit 0,8 % bis 1,17 % Zinn und mehr als Null (0) bis 0,015 % Silber sein. Die leitfähige kann eine auf Blei basierende Legierung mit 0,02 % bis 0,06 % Calcium, 0,3 % bis 3 % Zinn und 0,01 % bis 0,05 % Silber sein. Die leitfähige Schicht kann in eine beliebige Form gebracht werden, umfassend, jedoch nicht beschränkt auf einen Streifen, ein Sieb, eine Folie, einen Faden, einen Draht, eine Beschichtung usw., oder Kombinationen davon. Die leitfähige Schicht kann eine beliebige Dicke aufweisen, zum Beispiel eine Dicke von ungefähr 3 µm. Die leitfähige Schicht kann auf dem Batterieseparator durch ein beliebiges Mittel aufgebracht werden, umfassend, jedoch nicht beschränkt auf Haftmittel, Heißschmelzen, Anstrich usw. Die leitfähige Schicht kann wie im US-Patent 9,564,623 beschrieben sein, das hier zur Gänze durch Bezugnahme hier aufgenommen wird.
Der hier geoffenbarte neue Separator kann Latex und/oder Kautschuk enthalten. Wie hier verwendet, beschreibt Kautschuk, Latex, Naturkautschuk, Synthesekautschuk, vernetzte oder unvernetzte Kautschuke, gehärtete oder ungehärtete Kautschuke, granulierten oder gemahlenen Kautschuk oder Mischungen davon. Beispiele von Naturkautschuken können eine oder mehrere Mischungen von Polyisoprenen umfassen, die im Handel von verschiedenen Lieferanten erhältlich sind. Beispiele von Synthesekautschuken umfassen Methylkautschuk, Polybutadien, Chloroprenkautschuke, Butylkautschuk, Brombutylkautschuk, Polyurethankautschuk, Epichlorhydrinkautschuk, Polysulfidkautschuk, Chlorsulfonylpolyethylen, Polynorbornenkautschuk, Acrylatkautschuk, Fluorkautschuk und Silikonkautschuk und Copolymerkautschuke, wie Styrol/Butadien-Kautschuke, Acrylonitril/Butadien-Kautschuke, Ethylen/Propylen-Kautschuke („EPM“ und „EPDM“) und Ethylen/Vinylacetat-Kautschuke. Der Kautschuk kann ein vernetzter Kautschuk oder ein unvernetzter Kautschuk sein; in bestimmten bevorzugten Ausführungsformen ist der Kautschuk unvernetzter Kautschuk. In bestimmten Ausführungsformen kann der Kautschuk eine Mischung von vernetztem und unvernetzten Kautschuk sein.
In bestimmten Ausführungsformen können Beispiele von Separatoren ein oder mehrere leistungsverstärkende Additive enthalten, die dem Separator oder der porösen Membran zugesetzt werden. Die leistungsverstärkenden Additive können grenzflächenaktive Mittel, Netzmittel, Färbemittel, antistatische Additive, ein Antimon unterdrückendes Additiv, UV-Schutzadditive, Antioxidantien und/oder dgl., und Kombinationen davon sein. In bestimmten Ausführungsformen können die grenzflächenaktive Additive ionische, kationische, anionische oder nicht ionische grenzfächenaktive Mittel sein.
In bestimmten hier beschriebenen Ausführungsformen wird eine reduzierte Menge an anionischem oder nicht ionischem grenzflächenaktiven Mittel der erfindungsgemäßen porösen Membran oder dem erfindungsgemäßen Separator zugesetzt. Aufgrund der geringeren Menge an grenzflächenaktivem Mittel kann ein zweckmäßiges Merkmal verringerte gesamte organische Kohlenstoffe („TOCs“) und/oder verringerte flüchtige organische Verbindungen („VOCs“) umfassen.
Bestimmte geeignete grenzflächenaktive Mittel sind nicht ionisch, während andere geeignete grenzflächenaktive Mittel anionisch sind. Das Additiv kann ein einzelnes grenzflächenaktives Mittel oder eine Mischung von zwei oder mehr grenzflächenaktiven Mitteln sein, zum Beispiel zwei oder mehr anionischen grenzflächenaktiven Mitteln, zwei oder mehr nicht ionischen grenzflächenaktiven Mitteln oder mindestens einem ionischen grenzflächenaktiven Mittel und mindestens einem nicht ionischen grenzflächenaktiven Mittel. Bestimmte geeignete grenzflächenaktive Mittel können HLB Werte von weniger als 6, vorzugsweise weniger als 3 aufweisen. Die Verwendung dieser bestimmten geeigneten grenzflächenaktiven Mittel in Verbindung mit den hier beschriebenen erfindungsgemäßen Separatoren kann zu noch weiter verbesserten Separatoren führen, die, wenn sie in einer Blei-Säure-Batterie verwendet werden, führen zu: einem reduzierten Wasserverlust, einer reduzierten Antimon-Vergiftung, einer verbesserten Zyklusleistung, einem reduzierten Erhaltungsstrom, einem reduzierten Flusspotential und/oder dgl., oder einer beliebigen Kombination davon für diese Blei-Säure-Batterien. Geeignete grenzflächenaktive Mittel umfassen grenzflächenaktive Mittel, wie Salze von Alkylsulfaten; Alkylarylsulfonatsalze; Alkylphenol-Alkylenoxid-Additionsprodukte; Seifen; Alkylnaphthalinsulfonatsalze; oder ein oder mehrere Sulfosuccinate, wie ein anionisches Sulfosuccinat; Dialkylester von Sulfosuccinatsalzen; Aminoverbindungen (primäre, sekundäre, tertiäre Amine oder quaternäre Amine); Blockcopolymere von Ethylenoxid und Propylenoxid; verschiedene Polyethylenoxide; und Salze von Mono- und Dialkylphosphonatestern. Das Additiv kann ein nicht ionisches grenzflächenaktives Mittel umfassen, wie Polyolfettsäurester, polyethoxylierte Ester, polyethoxylierte Alkohole, Alkylpolysaccharide, wie Alkylpolyglykoside und Mischungen davon, Aminoethoxylate, Sorbitanfettsäuresterethoxylate, auf Organosilikon basierende grenzflächenaktive Mittel, Ethylenvinylacetat-Terpolymere, ethoxylierte Alkylarylphosphatester und Saccharoseester von Fettsäuren.
In bestimmten Ausführungsformen kann das Additiv durch eine Verbindung mit der Formel (I) dargestellt werden: $R {({OR}^{1})}_{n} {({COOM}_{1 / x}^{x +})}_{m}$
wobei:

• R ein linearer oder nicht aromatischer Kohlenwasserstoffrest mit 10 bis 4200 Kohlenstoffatomen ist, vorzugsweise 13 bis 4200, die durch Sauerstoffatome unterbrochen sein können;
• $R^{1} = H, {({CH}_{2})}_{k} {COOM}_{1 / x}^{x +} oder {({CH}_{2})}_{k} {SO}_{3} M_{1 / x}^{x +},$
vorzugsweise H, wobei k = 1 oder 2;
• M ein Alkalimetall- oder Erdalkalimetallion, H⁺ oder ${NH}_{4}^{+}$
ist, wobei nicht alle der Variablen M gleichzeitig die Bedeutung H⁺ haben;
• n = 0 oder 1;
• m = 0 oder eine ganze Zahl von 10 bis 1400; und
• x = 1 oder 2.

Das Verhältnis der Sauerstoffatome zu den Kohlenstoffatomen in der Verbindung gemäß der Formel (I) liegt im Bereich von 1:1,5 bis 1:30, und m und n können nicht gleichzeitig 0 sein. Vorzugsweise ist jedoch nur eine der Variablen n und m von 0 verschieden.
Mit nicht aromatischen Kohlenwasserstoffresten sind Reste gemeint, die keine aromatischen Gruppen enthalten oder die selbst eine darstellen. Die Kohlenwasserstoffreste können durch Sauerstoffatome unterbrochen sein (d.h. eine oder mehrere Ethergruppen enthalten).
R ist vorzugsweise ein geradkettiger oder verzweigter aliphatischer Kohlenwasserstoffrest, der durch Sauerstoffatome unterbrochen sein kann. Gesättigte, unvernetzte Kohlenwasserstoffreste werden sehr besonders bevorzugt. Wie im Vorstehenden angegeben, kann jedoch R in bestimmten Ausführungsformen einen aromatischen Ring enthalten.
Durch die Verwendung der Verbindungen mit der Formel (I) zur Herstellung der Batterieseparatoren können sie effektiv gegen eine oxidative Zerstörung geschützt werden.
Batterieseparatoren werden bevorzugt, die eine Verbindung gemäß der Formel (I) enthalten, wobei:

• R ein Kohlenwasserstoffrest mit 10 bis 180, vorzugsweise 12 bis 75 und sehr besonders bevorzugt 14 bis 40 Kohlenstoffatomen ist, die durch 1 bis 60, vorzugsweise 1 bis 20 und sehr besonders bevorzugt 1 bis 8 Sauerstoffatome unterbrochen sein können, insbesondere ein Kohlenwasserstoffrest mit der Formel R²- [(OC₂H₄)_p(OC₃H₆)_q]-, wobei:
- ◯ R² ein Alkylrest mit 10 bis 30 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 12 bis 25, besonders bevorzugt 14 bis 20 Kohlenstoffatomen ist, wobei R² linear oder nicht linear sein kann, wie einen aromatischen Ring enthalten kann;
- ◯ P eine ganze Zahl von 0 bis 30 ist, vorzugsweise 0 bis 10, besonders bevorzugt 0 bis 4; und
- ◯ q eine ganze Zahl von 0 bis 30 ist, vorzugsweise 0 bis 10, besonders bevorzugt 0 bis 4;
- ◯ wobei Verbindungen besonders bevorzugt werden, bei denen die Summe von p und q 0 bis 10, insbesondere 0 bis 4 ist;
• n = 1; und
• m = 0.

Die Formel R²- [(OC₂H₄)_p(OC₃H₆)_q]— ist so zu verstehen, dass sie auch jene Verbindungen umfasst, in denen sich die Sequenz der Gruppen in eckigen Klammern von der gezeigten unterscheidet. Zum Beispiel sind gemäß der Erfindung Verbindungen geeignet, in denen der Rest in Klammern gebildet wird, indem (OC₂H₄) und (OC₃H₆) Gruppen abgewechselt werden.
Additive, bei denen R² ein geradkettiger oder verzweigter Alkylrest mit 10 bis 20, vorzugsweise 14 bis 18 Kohlenstoffatomen ist, haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen. OC₂H₄ steht vorzugsweise für OCH₂CH₂, OC₃H₆ für OCH(CH₃)₂ und/oder OCH₂CH₂CH₃.
Als bevorzugte Additive können insbesondere Alkohole (p = q=0; m = 0) angegeben werden, wobei primäre Alkohole bevorzugt werden, Fettalkoholethoxylate (p = 1 bis 4, q = 0), Fettalkoholpropoxylate (p = 0; q = 1 bis 4) und Fettalkoholalkoxylate (p = 1 bis 2; q = 1 bis 4), wobei Ethoxylate primärer Alkohole bevorzugt werden. Die Fettalkoholalkoxylate sind zum Beispiel durch das Umsetzen der entsprechenden Alkohole mit Ethylenoxid oder Propylenoxid zu erhalten.
Additive des Typs m = 0, die nicht oder nur schwer in Wasser und Schwefelsäure löslich sind, haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen.
Ebenso bevorzugt werden Additive, die eine Verbindung gemäß der Formel (I) enthalten, wobei:

• R ein Alkanrest mit 20 bis 4200, vorzugsweise 50 bis 750 und sehr besonders bevorzugt 80 bis 225 Kohlenstoffatomen ist;
• M ein Alkalimetall- oder Erdalkalimetallion, H⁺ oder ${NH}_{4}^{+}$
ist, insbesondere ein Alkalimetallion, wie Li⁺, Na⁺ und K⁺ oder H⁺, wobei nicht alle Variablen M gleichzeitig die Bedeutung H⁺ haben;
• n = 0;
• m eine ganze Zahl von 10 bis 1400 ist; und
• x = 1 oder 2.

In bestimmten Ausführungsformen können geeignete Additive insbesondere Polyacrylsäure, Polymethacrylsäuren und Acrylsäure-Methacrylsäure-Copolymere umfassen, deren Säuregruppen mindestens teilweise neutralisiert sind, wie zu vorzugsweise 40 % und besonders bevorzugt zu 80 %. Der Prozentsatz bezieht sich auf die Anzahl von Säuregruppen. Sehr besonders bevorzugt werden Poly(meth)acrylsäuren, die zur Gänze in der Salzform vorhanden sind. Geeignete Salze umfassen Li, Na, K, Rb, Be, Mg, Ca, Sr, Zn und Ammonium (NR₄, wobei R entweder Wasserstoff oder eine Kohlenstofffunktionelle Gruppe ist). Poly(meth)acrylsäuren können Polyacrylsäuren, Polymethacrylsäuren und Acrylsäure-Methacrylsäure-Copolymere umfassen. Poly(meth)acrylsäuren werden bevorzugt und insbesondere Polyacrylsäuren mit einer mittleren Molmasse M_w von 1.000 bis 100.000 g/mol, besonders bevorzugt 1.000 bis 15.000 g/mol und sehr besonders bevorzugt 1.000 bis 4.000 g/mol. Das Molekulargewicht der Poly(meth)acrylsäure-Polymere und -Copolymere wird durch Messen der Viskosität einer 1 % wässrigen Lösung, neutralisiert mit Natriumhydroxid-Lösung, des Polymers ermittelt (Fikentscher-Konstante).
Auch geeignet sind Copolymere von (Meth)Acrylsäure, insbesondere Copolymere, die, abgesehen von (Meth)Acrylsäure, Maleinsäure, Methylacrylat, Ethylacrylat, Butylacrylat und/oder Ethylhexylacrylat als Comonomer enthalten. Copolymere werden bevorzugt, die mindestens 40 Gew.-% und vorzugsweise mindestens 80 Gew.-% (Meth)Acrylsäuremonomer enthalten, wobei die Prozentsätze auf die Säureform der Monomere oder Polymere bezogen sind.
Um die Polyacrylsäure-Polymere und -Copolymere zu neutralisieren, sind Alkalimetall- und Erdalkalimetallhydroxide, wie Kaliumhydroxid und insbesondere Natriumhydroxid, besonders geeignet. Zusätzlich kann eine Beschichtung und/oder ein Additiv zur Verstärkung des Separators zum Beispiel ein Metallalkoxid umfassen, wobei das Metall nur als Beispiel sein kann (soll nicht einschränkend sein): Zn, Na oder Al, nur als Beispiel Natriumhydroxid.
In einigen Ausführungsformen kann die poröse Polyolefin-Membran eine Beschichtung auf einer oder beiden Seiten einer solchen Schicht aufweisen. Eine solche Beschichtung kann ein grenzflächenaktives Mittel oder anderes Material umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die Beschichtung ein oder mehrere Materialien enthalten, die zum Beispiel im US-Patent 9,876,209 beschrieben sind, das hier durch Bezugnahme aufgenommen wird. Eine solche Beschichtung kann zum Beispiel die Überladungsspannung des Batteriesystems reduzieren, wodurch die Batterielebensdauer mit weniger Gitterkorrosion verlängert wird und ein Austrocknen und/oder Wasserverlust vermieden wird.
In bestimmten ausgewählten Ausführungsformen kann die Membran hergestellt werden, indem, bezogen auf das Gewicht, etwa 5 bis 15 % Polymer, in einigen Fällen etwa 10 % (z.B. Polyethylen), etwa 10 bis 75 % Füllstoff (z.B. Siliciumdioxid), in einigen Fällen etwa 30 % Füllstoff, und etwa 10 bis 85 % Verarbeitungsöl, in einigen Fällen etwa 60 % Verarbeitungsöl, kombiniert werden. In anderen Ausführungsformen wird der Füllstoffgehalt reduziert, und der Ölgehalt ist höher, zum Beispiel größer als 61 %, 62 %, 63 %, 64 %, 65 %, 66 %, 67 %, 68 %, 69 % oder 70 %, bezogen auf das Gewicht. Das Verhältnis von Füllstoff:Polymer (bezogen auf das Gewicht) kann etwa sein (oder kann zwischen etwa diesen spezifischen Bereichen liegen), wie 2:1, 2,5:1, 3:1, 3,5:1, 4,0:1, 4,5:1, 5,0:1, 5,5:1 oder 6:1. Das Verhältnis von Füllstoff:Polymer (bezogen auf das Gewicht) kann von etwa 1,5:1 bis etwa 6:1 betragen, in einigen Fällen von etwa 2:1 bis 6:1, von etwa 2:1 bis 5:1, von etwa 2:1 bis 4:1 und in einigen Fällen von etwa 2:1 bis etwa 3:1. Die Mengen des Füllstoffs, des Öls und Polymers werden alle hinsichtlich der Laufeigenschaften und gewünschten Separatoreigenschaften ausgeglichen, wie elektrischer Widerstand, Basisgewicht, Durchstoßfestigkeit, Biegesteifigkeit, Oxidationsbeständigkeit, Porosität, physikalischer Festigkeit, Tortuosität und dgl.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform kann die poröse Membran ein UHMWPE, gemischt mit einem Verarbeitungsöl und gefälltem Siliciumdioxid, umfassen. Gemäß mindestens einer Ausführungsform kann die poröse Membran ein UHMWPE, gemischt mit einem Verarbeitungsöl, Additiv und gefälltem Siliciumdioxid, umfassen. Die Mischung kann auch geringe Mengen anderer Additive oder Mittel umfassen, wie sie in der Separatortechnik üblich sind (z.B. grenzflächenaktive Mittel, Netzmittel, Färbemittel, antistatische Additive, Antioxidantien und/oder dgl., und Kombinationen davon). In bestimmten Fällen kann die poröse Polymerschicht eine homogene Mischung von ungefähr 8 bis ungefähr 100 Vol.-% Polyolefin, ungefähr 0 bis ungefähr 40 Vol.% eines Weichmachers und ungefähr 0 bis ungefähr 92 Vol.-% eines inerten Füllstoffmaterials ein. Der bevorzugte Weichmacher ist Petroleumöl. Da der Weichmacher die Komponente ist, die am einfachsten, durch Lösungsmittelextraktion und Trocknen, aus der Polymer-Füllstoff-Weichmacher-Zusammensetzung zu entfernen ist, ist er nützlich, um dem Batterieseparator eine Porosität zu verleihen.
In bestimmten Ausführungsformen kann die hier geoffenbarte poröse Membran Latex und/oder Kautschuk enthalten, der ein Naturkautschuk, Synthesekautschuk oder eine Mischung davon sein kann. Naturkautschuke können eine oder mehrere Mischungen von Polyisoprenen umfassen, die im Handel von verschiedensten Lieferanten erhältlich sind. Beispiele von Synthesekautschuken umfassen Methylkautschuk, Polybutadien, Chloroprenkautschuke, Butylkautschuk, Brombutylkautschuk, Polyurethankautschuk, Epichlorhydrinkautschuk, Polysulfidkautschuk, Chlorsulfonylpolyethylen, Polynorbornenkautschuk, Acrylatkautschuk, Fluorkautschuk und Silikonkautschuk und CopolymerKautschuke, wie Styrol/Butadien-Kautschuke, Acrylonitril/Butadien-Kautschuke, Ethylen/ Propylen-Kautschuke (EPM und EPDM) und Ethylen/Vinylacetat-Kautschuke. Der Kautschuk kann ein vernetzter Kautschuk oder ein unvernetzter Kautschuk sein, in bestimmten bevorzugten Ausführungsformen ist der Kautschuk unvernetzter Kautschuk. In bestimmten Ausführungsformen kann der Kautschuk eine Mischung von vernetztem und unvernetzten Kautschuk sein. Der Kautschuk kann in dem Separator in einer Menge vorhanden sein, die mindestens etwa 1 %, 2 %, 3 %, 4 %, 5 %, 6 %, 7 %, 8 %, 9 % oder etwa 10 %, bezogen auf das Gewicht, relativ zu dem Separatorendgewicht beträgt (dem Gewicht der Separator-Polyolefinschicht oder -lage, die Kautschuk und/oder Latex enthält). In bestimmten Ausführungsformen kann der Kautschuk in einer Menge von ungefähr 1 bis 6 %, ungefähr 3 bis 6 %, bezogen auf das Gewicht, ungefähr 3 %, bezogen auf das Gewicht und ungefähr 6 %, bezogen auf das Gewicht, vorhanden sein. Die poröse Membran kann ein Gewichtsverhältnis von Polymer und Kautschuk (Füllstoff: Polymer und Kautschuk) von ungefähr 2,6:1,0 aufweisen. Die Mengen an Kautschuk, Füllstoff, Öl und Polymer werden alle hinsichtlich der Laufeigenschaften und gewünschten Separatoreigenschaften ausgeglichen, wie elektrischer Widerstand, Basisgewicht, Durchstoßfestigkeit, Biegesteifigkeit, Oxidationsbeständigkeit, Porosität, physikalischer Festigkeit, Tortuosität und dgl.
Eine poröse Membran, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird und die Polyethylen und Füllstoff (z.B. Siliciumdioxid) umfasst, hat typischerweise einen Restölgehalt; in einigen Ausführungsformen beträgt ein solcher Restölgehalt von etwa 0,5 % bis zu etwa 40 % des Gesamtgewichts der Separatormembran (in einigen Fällen etwa 10 bis 40 % des Gesamtgewichts der Separatormembran, und in einigen Fällen etwa 20 bis 40 % dieses Gesamtgewichts). In bestimmten hier ausgewählten Ausführungsformen kann etwas von dem bis der gesamte Restölgehalt in dem Separator durch den Zusatz von mehr von einem leistungsverstärkenden Additiv ersetzt werden, wie ein grenzflächenaktives Mittel, wie ein grenzflächenaktives Mittel mit einem hydrophilen-lipophilen Gleichgewicht („HLB“) von weniger als etwa 6, oder wie ein nicht ionisches grenzflächenaktives Mittel. Zum Beispiel kann ein leistungsverstärkendes Additiv, wie ein grenzflächenaktives Mittel, wie ein nicht ionisches grenzflächenaktives Mittel, bis zu 0,5 % bis hin zur gesamten Menge des Restölgehalts (z.B. bis hin zu 20 % oder 30 % oder sogar 40 %) des Gesamtgewichts der porösen Separatormembran umfassen, wodurch das Restöl in der Separatormembran teilweise oder vollständig ersetzt wird.
Ein Beispiel eines Separators kann mit einem Geflecht einer porösen Membran versehen sein, wie einer mikroporösen Membran mit Poren von weniger als etwa 5 µm, vorzugsweise weniger als etwa 1 µm, einer mesoporösen Membran oder einer makroporösen Membran mit Poren von mehr als etwa 1 µm. Die poröse Membran kann vorzugsweise eine Porengröße aufweisen, die Submikron bis zu 100 µm beträgt, und in bestimmten Ausführungsformen zwischen etwa 0,1 µm bis etwa 10 µm. Die Porosität der hier beschriebenen Separatormembran kann größer sein als ungefähr 50 % bis ungefähr 70 % in bestimmten Ausführungsformen. In bestimmten ausgewählten Ausführungsformen kann die poröse Membran flach sein oder Rippen aufweisen, die sich von einer Fläche davon erstrecken. Wie in 6A-6C gezeigt, kann der Separator durch verschiedenste Abmessungen definiert sein, die hier im Nachstehenden detailliert erläutert werden. Zum Beispiel kann der Separator eine Grundträgerdicke T_BACK, eine Gesamtdicke T_TOTAL, eine positive Rippenhöhe H_POS, eine positive Rippenbasisbreite W_POSBASE, einen positiven Rippenabstand P_POS, eine negative Rippenhöhe H_NEG, eine negative Rippenbasisbreite (nicht gezeigt) und einen negativen Rippenabstand P_NEG aufweisen.
Mit nunmehriger Bezugnahme auf 6A-6C ist ein Beispiel eines Separators 100 mit einem Netz einer porösen Membran 102 versehen. Der Separator 100 und die Membran 102 haben eine Maschinenrichtung („MD“) und eine Maschinenquerrichtung („CMD“), einen oberen Rand 101 und einen Bodenrand 103 (beide im Wesentlichen parallel zur CMD) und laterale Seitenränder 105a, 105b (beide im Wesentlichen parallel zur MD).
Mit Bezugnahme auf 7A ist der Separator 100 mit einer positiven Fläche versehen, die so genannt wird, da sie einer positiven Elektrode (nicht gezeigt) zugewandt ist, wenn der Separator 100 innerhalb einer Batterie (nicht gezeigt) angeordnet ist. 7A stellt die positive Fläche des Separators dar. Ein oder mehrere Sätze von primären oder positiven Rippen 104 können bereitgestellt sein und sich von mindestens einem Abschnitt der positiven Fläche der porösen Membran 102 erstrecken. Wie gezeigt, sind die Rippen 104 durchgehend und auf der Membran 102 im Wesentlichen in Längsrichtung angeordnet, was im Wesentlichen parallel zur Separator MD ist. Die positiven Rippen 104 werden auch so dargestellt, dass sie sich gleichmäßig quer über die gesamte Separatorbreite W von dem lateralen Rand 105a zu dem lateralen Rand 105 erstrecken, dies ist als „Universalprofil“ bekannt. Wie in 7C gezeigt, hat der Separator eine Breite W, die, in Abhängigkeit vom Typ der Batterie, in welcher der Separator 100 verwendet wird, ungefähr 40 mm bis ungefähr 170 mm in mindestens ausgewählten Ausführungsformen reichen kann.
Mit Bezugnahme auf 7B ist der Separator 100 mit einer negativen Fläche versehen, die so genannt wird, da sie einer negativen Elektrode (nicht gezeigt) zugewandt ist, wenn der Separator 100 innerhalb einer Batterie (nicht gezeigt) angeordnet ist. 7B stellt die negative Fläche des Separators dar. Ein oder mehrere Sätze von sekundären oder negativen Rippen 106 können bereitgestellt sein und sich von mindestens einem Abschnitt der negativen Fläche der porösen Membran 102 erstrecken. Wie gezeigt, sind die Rippen 104 durchgehend und in einer Orientierung angeordnet, die orthogonal zu den positiven Rippen 104 verläuft und die im Wesentlichen parallel zur Separator CMD ist. Als solche kann von den Rippen angegeben werden, dass sie transversal, lateral angeordnet sind, oder sie können als Querrippen oder negative Querrippen („NCR“ oder „NCRs“) bezeichnet werden. Die negativen Rippen 106 müssen jedoch nicht orthogonal zu den positiven Rippen 104 sein. Sie können dieselbe Größe aufweisen, größer, kleiner, in demselben oder einem anderen Muster oder Kombinationen davon sein.
Die Rippen 104, 106 können ein gleichmäßiger Satz sein, ein abwechselnder Satz oder eine Mischung oder Kombination von durchgehenden Rippen, diskreten durchbrochenen Rippen, kontinuierlichen, diskontinuierlichen, abgewinkelten, linearen, Längsrippen, die sich im Wesentlichen in einer MD des Separators erstrecken, lateralen Rippen, die sich im Wesentlichen in einer Maschinenquerrichtung CMD des Separators erstrecken, transversalen Rippen, die sich im Wesentlichen in einer CMD des Separators erstrecken, , Querrippen, die sich im Wesentlichen in einer Maschinenquerrichtung des Separators erstrecken, Verzahnungen oder verzahnten Rippen, Zinnen oder Rippen mit Zinnen, gekrümmten oder sinusförmigen Rippen, die in einer durchgehenden oder durchbrochenen Zick-Zack-artigen Weise angeordnet sind, Rillen, Kanälen, texturierten Bereichen, Prägungen, Vertiefungen, porösen, nicht porösen Minirippen oder Miniquerrippen und/oder dgl., und Kombinationen davon. Ferner können sich die Rippen 104, 106 von oder in die positive Seite, die negative Seite oder beide Seiten erstrecken.
Mit nunmehriger Bezugnahme auf 8A-8E werden einige Ausführungsformen der gerippten Separatoren mit verschiedenen Rippenprofilen dargestellt. Es kann bevorzugt werden, dass die gezeigten Rippen positive Rippen 104 sind. Das abgewinkelte Rippenmuster von 8A-8C kann ein möglicherweise bevorzugtes Daramic^® RipTide™ Säuremischungsrippenprofil sein, das helfen kann, eine Säureschichtung in bestimmten Batterien zu reduzieren oder zu eliminieren. In einigen Ausführungsformen können die Rippen diskrete durchbrochene Rippen mit einer Winkelorientierung relativ zu der Separator MD sein. Die Winkelorientierung kann ein Winkel zwischen größer als Null Grad (0°) und kleiner als 180 Grad (180°) oder größer als 180 Grad (180°) und kleiner als 360 Grad (360°) sein. Wie weiter in 8A-8C gezeigt, können die Rippen einen oder mehrere Sätze von Rippen aufweisen, wobei jeder Satz variierende Winkelausrichtungen und Orte auf dem Separator aufweist. Die negative Fläche könnte keine Rippen aufweisen (glatt), dieselben Rippen, kleinere Rippen, Minilängsrippen, Miniquerrippen oder NCRs, diagonale Rippen oder Kombinationen davon.
8D zeigt ein Profil eines gezahnten Längsrippenmusters. 8E veranschaulicht ein Profil eines diagonalen versetzten Rippenmusters. Die negative Fläche könnte keine Rippen aufweisen (glatt), dieselben Rippen, kleinere Rippen, Minilängsrippen, Miniquerrippen oder NCRs, diagonale Rippen oder Kombinationen davon.
Wie im Vorstehenden diskutiert, können sich die Rippen gleichmäßig quer über die Breite des Separators erstrecken, von lateralem Rand zu lateralem Rand. Dies ist als Universalprofil bekannt. Alternativ dazu kann der Separator Seitenpaneele benachbart den lateralen Rändern aufweisen, wobei kleinere Rippen in dem Seitenpaneel angeordnet sind. Diese kleineren Rippen können enger beabstandet und kleiner als die primären Rippen sein. Zum Beispiel können die kleineren Rippen 25 % bis 50 % der Höhe der primären Rippen aufweisen. Die Seitenpaneele können alternativ dazu flach sein. Die Seitenpaneele können das Abdichten eines Rands des Separators mit einem anderen Rand des Separators unterstützen, wie es durchgeführt wird, wenn der Separator umhüllt wird, was hier im Nachstehenden diskutiert wird.
In Beispielen ausgewählter Ausführungsformen kann mindestens ein Abschnitt der positiven Rippen vorzugsweise eine Höhe (H_POS in 7C) von ungefähr 50 µm bis ungefähr 2,0 mm aufweisen. In einigen Beispielen von Ausführungsformen kann die positive Rippenhöhe H_POS ungefähr 50 µm, 100 µm, 200 µm, 300 µm, 400 µm, 500 µm, 600 µm, 700 µm, 800 µm, 900 µm, 1,0 mm, 1,2 mm, 1,4 mm, 1,6 mm, 1,8 mm oder ungefähr 2,0 mm betragen. In anderen Beispielen von Ausführungsformen kann die positive Rippenhöhe H_POS nicht größer sein als ungefähr 2,0 mm, 1,8 mm, 1,6 mm, 1,4 mm, 1,2 mm, 1,0 mm, 900 µm, 800 µm, 700 µm, 600 µm, 500 µm, 400 µm, 300 µm, 200 µm, 100 µm oder ungefähr 50 µm.
In bestimmten ausgewählten Ausführungsformen können die positiven Rippen vorzugsweise eine Basisbreite (WP_OSBASE in 6C) von ungefähr 300 µm bis ungefähr 750 µm aufweisen. In einigen Beispielen von Ausführungsformen kann die positive Rippenbasisbreite ungefähr 300 µm, 400 µm, 500 µm, 600 µm, 700 µm oder ungefähr 750 µm betragen. In einigen Beispielen von Ausführungsformen kann die positive Rippenbasisbreite nicht größer sein als ungefähr 750 µm, 700 µm, 600 µm, 500 µm, 400 µm oder ungefähr 300 µm.
Sollte ein Abschnitt der positiven Rippen im Wesentlichen gerade sein und im Wesentlichen parallel zueinander, können sie eine Abstandslänge oder Teilung (P_POS in 7C) von ungefähr 50 µm bis ungefähr 20 mm aufweisen. In einigen Beispielen von Ausführungsformen kann der positive Rippenabstand ungefähr 50 µm, 100 µm, 200 µm, 300 µm, 400 µm, 500 µm, 600 µm, 700 µm, 800 µm, 900 µm, 1,0 mm, 2,0 mm, 3,0 mm, 4,0 mm oder 5,0 mm, 6,0 mm, 7,0 mm, 8,0 mm, 9,0 mm oder 10,0 mm, 11,0 mm, 12,0 mm, 13,0 mm, 14,0 mm oder 15,0 mm, 16,0 mm, 17,0 mm, 18,0 mm, 19,0 mm oder ungefähr 20,0 mm betragen. In anderen Beispielen von Ausführungsformen kann der positive Rippenabstand nicht größer sein als ungefähr 20,0 mm, 19,0 mm, 18,0 mm, 17,0 mm, 16,0 mm, 15,0 mm, 14,0 mm, 13,0 mm, 12,0 mm, 11,0 mm, 10,0 mm, 9,0 mm, 8,0 mm, 7,0 mm, 6,0 mm 5,0 mm, 4,0 mm, 3,0 mm, 2,0 mm, 1,0 mm, 900 µm, 800 µm, 700 µm, 600 µm, 500 µm, 400 µm, 300 µm, 200 µm, 100 µm oder ungefähr 50 µm.
In Beispielen ausgewählter Ausführungsformen kann mindestens ein Abschnitt der negativen Rippen vorzugsweise eine Höhe von ungefähr 5 % bis ungefähr 100 % der Höhe der positiven Rippen aufweisen. In einigen Beispielen von Ausführungsformen kann die negative Rippenhöhe ungefähr 5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 %, 35 %, 40 %, 45 %, 50 %, 55 %, 60 %, 65 %, 70 %, 75 %, 80 %, 95 % oder ungefähr 100 % betragen, verglichen mit der positiven Rippenhöhe. In anderen Beispielen von Ausführungsformen kann die negative Rippenhöhe nicht größer sein als ungefähr 100 %, 95 %, 90 %, 85 %, 80 %, 75 %, 70 %, 65 %, 60 %, 55 %, 50 %, 45 %, 40 %, 35 %, 30 %, 25 %, 20 %, 15 %, 10 % oder ungefähr 5 %, verglichen mit der positiven Rippenhöhe.
In Beispielen ausgewählter Ausführungsformen kann mindestens ein Abschnitt der negativen Rippen vorzugsweise eine Höhe (H_NEG in 7C) von ungefähr 5 µm bis ungefähr 1,0 mm aufweisen. In bestimmten Ausführungsformen kann die negative Rippenhöhe H_NEG ungefähr 5 µm, 10 µm, 25 µm, 50 µm, 100 µm, 200 µm, 300 µm, 400 µm, 500 µm, 600 µm, 700 µm, 800 µm, 900 µm, 1,0 mm, 1,2 mm, 1,4 mm, 1,6 mm, 1,8 mm oder ungefähr 2,0 mm betragen. In anderen Beispielen von Ausführungsformen kann die negative Rippenhöhe H_NEG nicht größer sein als ungefähr 2,0 mm, 1,8 mm, 1,6 mm, 1,4 mm, 1,2 mm, 1,0 mm, 900 µm, 800 µm, 700 µm, 600 µm, 500 µm, 400 µm, 300 µm, 200 µm, 100 µm oder 50 µm., 25 µm, 10 µm oder ungefähr 5 µm.
In bestimmten Beispielen von Ausführungsformen kann mindestens ein Abschnitt der negativen Rippen vorzugsweise eine Basisbreite von ungefähr 5 µm bis ungefähr 1,0 mm aufweisen. Zum Beispiel kann die negative Basisbreite ungefähr 5 µm, 10 µm, 25 µm, 25 µm, 75 µm, 100 µm, 150 µm, 200 µm, 250 µm, 300 µm, 350 µm, 400 µm, 450 µm, 500 µm, 550 µm, 600 µm, 650 µm, 700 µm, 750 µm, 800 µm, 850 µm, 900 µm, 950 µm oder ungefähr 1,0 mm betragen. In anderen Ausführungsformen kann die negative Basisbreite nicht größer sein als ungefähr 1,0 mm, 900 µm, 800 µm, 700 µm, 600 µm, 500 µm, 400 µm, 300 µm, 200 µm, 150 µm, 100 µm, 75 µm, 50 µm, 25 µm, 10 µm oder ungefähr 5 µm.
Sollte ein Abschnitt der negativen Rippen im Wesentlichen gerade sein und im Wesentlichen parallel zueinander, können sie eine Abstandslänge oder Teilung (P_NEG in 7B) von ungefähr 50 µm bis ungefähr 20,0 mm aufweisen. In einigen Beispielen von Ausführungsformen kann die negative Rippenteilung ungefähr 50 µm, 100 µm, 200 µm, 300 µm, 400 µm, 500 µm, 600 µm, 700 µm, 800 µm, 900 µm, 1,0 mm, 2,0 mm, 3,0 mm, 4,0 mm oder 5,0 mm, 6,0 mm, 7,0 mm, 8,0 mm, 9,0 mm oder 10,0 m, 11,0 mm, 12,0 mm, 13,0 mm, 14,0 mm oder 15,0 mm, 16,0 mm, 17,0 mm, 18,0 mm, 19,0 mm oder ungefähr 20,0 mm betragen. In anderen Ausführungsformen kann die negative Rippenteilung nicht größer sein als ungefähr 20,0 mm, 19,0 mm, 18,0 mm, 17,0 mm oder 16,0 mm, 15,0 mm, 14,0 mm, 13,0 mm, 12,0 mm oder 11,0 mm, 10,0 mm, 9,0 mm, 8,0 mm, 7,0 mm oder 6,0 mm 5,0 mm, 4,0 mm, 3,0 mm, 2,0 mm, 1,0 mm, 900 µm, 800 µm, 700 µm, 600 µm, 500 µm, 400 µm, 300 µm, 200 µm, 100 µm oder ungefähr 50 µm.
In einigen ausgewählten Ausführungsformen kann mindestens ein Abschnitt der porösen Membran negative Rippen aufweisen, die Längs- oder Querrippen sind. Die negativen Rippen können parallel zum oberen Rand des Separators sein, oder können unter einem Winkel dazu angeordnet sein. Zum Beispiel können die negativen Rippen ungefähr 0°, 5°, 15°, 25°, 30°, 45°, 60°, 70°, 80° oder 90° relativ zu dem oberen Rand orientiert sein. Die Querrippen können ungefähr 0° bis ungefähr 30°, ungefähr 30° bis ungefähr 45°, ungefähr 45° bis ungefähr 60°, ungefähr 30° bis ungefähr 60°, ungefähr 30° bis ungefähr 90°oder ungefähr 60° bis ungefähr 90° relativ zu dem oberen Rand orientiert sein.
Bestimmte Beispiele von Ausführungsformen weisen Verzahnungen oder verzahnte Rippen auf. Wenn vorhanden, können sie eine mittlere Spitzenlänge von ungefähr 50 µm bis ungefähr 1,0 mm aufweisen. Zum Beispiel kann die mittlere Spitzenlänge größer als oder gleich ungefähr 50 µm, 100 µm, 200 µm, 300 µm, 400 µm, 500 µm, 600 µm, 700 µm, 800 µm, 900 µm oder ungefähr 1,0 mm sein. Alternativ dazu kann sie nicht größer als oder gleich 1,0 mm, 900 µm, 800 µm, 700 µm, 600 µm, 500 µm, 400 µm, 300 µm, 200 µm, 100 µm oder ungefähr 50 µm sein.
Mindestens ein Abschnitt der Verzahnungen oder verzahnten Rippen kann eine mittlere Basislänge von ungefähr 50 µm bis ungefähr 1,0 mm aufweisen. Zum Beispiel kann die mittlere Basislänge ungefähr 50 µm, 100 µm, 200 µm, 300 µm, 400 µm, 500 µm, 600 µm, 700 µm, 800 µm, 900 µm oder ungefähr 1,0 mm betragen. Alternativ dazu kann sie nicht größer als oder gleich ungefähr 1,0 mm, 900 µm, 800 µm, 700 µm, 600 µm, 500 µm, 400 µm, 300 µm, 200 µm, 100 µm oder ungefähr 50 µm sein.
Mindestens ein Abschnitt der Verzahnungen oder verzahnten Rippen kann eine mittlere Höhe von ungefähr 50 µm bis ungefähr 1,0 mm aufweisen. Zum Beispiel kann die mittlere Höhe ungefähr 50 µm, 100 µm, 200 µm, 300 µm, 400 µm, 500 µm, 600 µm, 700 µm, 800 µm, 900 µm oder ungefähr 1,0 mm betragen. Alternativ dazu kann sie nicht größer als oder gleich ungefähr 1,0 mm, 900 µm, 800 µm, 700 µm, 600 µm, 500 µm, 400 µm, 300 µm, 200 µm, 100 µm oder ungefähr 50 µm sein. Für Ausführungsformen, in denen die Verzahnungshöhe gleich ist wie die Rippenhöhe, können die verzahnten Rippen auch als Vorsprünge bezeichnet werden. Solche Bereiche können für Separatoren für industrielle Start-Stopp-Batterien vom Traktionstyp gelten, wobei die Gesamtdicke T_TOTAL des Separators typischerweise ungefähr 1 mm bis ungefähr 4 mm betragen kann, sowie Start-Stopp-Autobatterien, wobei die Gesamtdicke T_TOTAL des Separators ein weniger kleiner sein kann (z.B. typischerweise ungefähr 0,3 mm bis etwa 1 mm).
Mindestens ein Abschnitt der Verzahnungen oder verzahnten Rippen kann einen mittleren Mitte-zu-Mitte-Abstand innerhalb einer Säule in der Maschinenrichtung von ungefähr 100 µm bis ungefähr 50 mm aufweisen. Zum Beispiel kann der mittlere Mitte-zu-Mitte-Abstand größer als oder gleich ungefähr 50 µm, 100 µm, 200 µm, 300 µm, 400 µm, 500 µm, 600 µm, 700 µm, 800 µm, 900 µm oder ungefähr 1,0 mm sein, und in ähnlichen Inkrementen bis zu ungefähr 50 mm. Alternativ dazu kann er nicht größer als oder gleich ungefähr 50 µm, 100 µm, 200 µm, 300 µm, 400 µm, 500 µm, 600 µm, 700 µm, 800 µm, 900 µm oder ungefähr 1,0 mm sein, und in ähnlichen Inkrementen bis zu 50 mm. Zusätzlich können benachbarte Säulen von Verzahnungen oder verzahnten Rippen identisch in derselben Position in einer Maschinenrichtung angeordnet oder versetzt sein. In einer versetzten Auslegung sind benachbarte Verzahnungen oder verzahnte Rippen in verschiedenen Positionen in der Maschinenrichtung angeordnet.
Mindestens ein Abschnitt der Verzahnungen oder verzahnten Rippen kann ein Verhältnis der mittleren Höhe zur Basisbreite von ungefähr 0,1:1,0 bis ungefähr 500:1,0 aufweisen. Zum Beispiel kann das Verhältnis der mittleren Höhe zur Basisbreite ungefähr 0,1:1,0, 25:1,0, 50:1,0, 100:1,0, 150:1,0, 200:1,0, 250:1,0, 300:1,0, 350:1, 450:1,0 oder 500:1,0 betragen. Alternativ dazu kann das Verhältnis der mittleren Höhe zur Basisbreite nicht größer als oder gleich ungefähr 500:1,0, 450:1,0, 400:1,0, 350:1,0, 300:1,0, 250:1,0, 200:1,0, 150:1,0, 100:1,0, 50:1,0, 25:1,0 oder ungefähr 0,1:1,0 sein.
Mindestens ein Abschnitt der Verzahnungen oder verzahnten Rippen kann ein Verhältnis der mittleren Basisbreite zur Spitzenbreite von ungefähr 1.000:1,0 bis ungefähr 0,1:1,0 aufweisen. Zum Beispiel kann das Verhältnis der mittleren Basisbreite zur Spitzenbreite ungefähr 0,1:1,0, 1,0:1,0, 2:1,0, 3:1,0, 4:1,0, 5:1,0, 6:1,0, 7:1,0, 8:1,0, 9:1,0, 10:1,0, 15:1,0, 20:1,0, 25:1,0, 50:1,0, 100:1,0, 150:1,0, 200:1,0, 250:1,0, 300:1,0, 350:1,0, 450:1,0, 500:1,0, 550:1,0, 600:1,0, 650:1,0, 700:1,0, 750:1,0, 800:1,0, 850:1,0, 900:1,0, 950:1,0 oder ungefähr 1.000:1,0 betragen. Alternativ dazu kann das Verhältnis der mittleren Basisbreite zur Spitzenbreite nicht größer als ungefähr 1.000:1,0, 950:1,0, 900:1,0, 850:1,0, 800:1,0, 750:1,0, 700:1,0, 650:1,0, 600:1,0, 550:1,0, 500:1,0, 450:1,0, 400:1,0, 350:1,0, 300:1,0, 250:1,0, 200:1,0, 150:1,0, 100:1,0, 50:1,0, 25:1,0, 20:1,0, 15:1,0, 10:1,0, 9:1,0, 8:1,0, 7:1,0, 6:1,0, 5:1,0, 4:1,0, 3:1,0, 2:1,0, 1,0:1,0 oder ungefähr 0,1:1,0 sein.
In einigen Ausführungsformen kann die poröse Separatormembran eine Grundträgerdicke T_BACK von ungefähr 50 µm bis ungefähr 1,0 mm aufweisen. Zum Beispiel kann die Grundträgerdicke T_BACK ungefähr 50 µm, 100 µm, 200 µm, 300 µm, 400 µm, 500 µm, 600 µm, 700 µm, 800 µm, 900 µm oder ungefähr 1,0 mm betragen. In anderen Beispielen von Ausführungsformen kann die Grundträgerdicke T_BACK nicht größer sein als ungefähr 1,0 mm, 900 µm, 800 µm, 700 µm, 600 µm, 500 µm, 400 µm, 300 µm, 200 µm, 100 µm oder ungefähr 50 µm. Dennoch wird in bestimmten Ausführungsformen eine sehr dünne flache Grundträgerdicke von 50 µm oder dünner bereitgestellt, zum Beispiel eine Dicke zwischen ungefähr 10 µm bis ungefähr 50 µm.
Der Separator 100 kann als flache Schicht, als Blatt oder Blätter, als Umhüllung, als Manschette oder als Hüllen- oder Taschenseparator bereitgestellt werden. Ein Beispiel eines Hüllenseparators kann eine positive Elektrode derart umhüllen („positiver umhüllender Separator“), dass der Separator zwei Innenseiten aufweist, die der positiven Elektrode zugewandt sein, und zwei Außenseiten, die den benachbarten negativen Elektroden zugewandt sind. Alternativ dazu kann ein anderes Beispiel eines Hüllenseparators eine negative Elektrode derart umhüllen („negativer umhüllender Separator“), dass der Separator zwei Innenseiten aufweist, die der negativen Elektrode zugewandt sein, und zwei Außenseiten, die den benachbarten positiven Elektroden zugewandt sind. In solchen umhüllten Separatoren kann der Bodenrand 103 ein gefalteter oder abgedichteter Knickrand sein. Ferner können die lateralen Ränder 105a, 105b kontinuierlich oder intermittierend abgedichtete Saumränder sein. Die Ränder können durch ein Haftmittel, Wärme, Ultraschallschweißen und/oder dgl., oder eine beliebige Kombination davon, verbunden oder abgedichtet werden.
Bestimmte Beispiele von Separatoren können bearbeitet werden, um hybride Hüllen zu bilden. Die hybride Hülle kann bereitgestellt werden, indem ein oder mehrere Schlitze oder Öffnungen vor, während oder nach dem Falten der Separatorschicht in die Hälfte und Verbinden der Ränder der Separatorschicht miteinander gebildet werden, um so eine Hülle zu bilden. Die Länge der Öffnungen kann mindestens 1/50tel, 1/25tel, 1/20tel, 1/15tel, 1/10tel, 1/8tel, 1/5tel, 1/4tel oder 1/3tel der Länge des gesamten Rands betragen. Die Länge der Öffnungen kann 1/50tel bis 1/3tel, 1/25tel bis 1/3rd, 1/20tel bis 1/3tel, 1/20tel bis 1/4tel, 1/15tel bis 1/4tel, 1/15tel bis 1/5tel oder 1/10tel bis 1/5tel der Länge des gesamten Rands betragen. Die hybride Hülle kann 1 bis 5, 1 bis 4, 2 bis 4, 2 bis 3 oder 2 Öffnungen aufweisen, die gleichmäßig entlang der Länge des Bodenrands verteilt sein können oder nicht. Es wird bevorzugt, dass keine Öffnungen in der Ecke der Hülle vorliegen. Die Schlitze können geschnitten werden, nachdem der Separator gefaltet oder abgedichtet wurde, um eine Hülle zu ergeben, oder die Schlitze können vor dem Formen der porösen Membran zu der Hülle gebildet werden.
Einige andere Beispiele von Ausführungsformen der Separatoranordnungsauslegungen umfassen: die Rippen 104 sind einer positiven Elektrode zugewandt; die Rippen 104 sind einer negativen Elektrode zugewandt; eine negative oder positive Elektrodenhülle; eine negative oder positive Elektrodenmanschette; eine negative oder positive Elektrodenhybridhülle; beide Elektroden können umhüllt oder in einer Manschette sein, und Kombinationen davon.
In einigen Ausführungsformen kann ein Beispiel einer porösen Membran hergestellt werden, indem die Bestandteile in einem Extruder gemischt werden. Zum Beispiel können etwa 30 Gew.-% Füllstoff mit etwa 10 Gew.-% UHMWPE und etwa 60 % Verarbeitungsöl in einem Extruder gemischt werden. Das Beispiel der porösen Membran kann hergestellt werden, indem die Bestandteile durch einen erhitzten Extruder geführt werden, das von dem Extruder erzeugte Extrudat durch eine Form und in einen Spalt geführt wird, der durch zwei erhitzte Pressen oder einen Kalanderstapel oder Walzen gebildet wird, um ein kontinuierliches Geflecht zu bilden. Eine wesentliche Menge des Verarbeitungsöls von dem Geflecht kann unter Verwendung eines Lösungsmittels extrahiert werden, dadurch gefolgt von der Entfernung des Lösungsmittels durch Trocknen. Das Geflecht kann dann in Bahnen mit einer vorherbestimmten Breite geschnitten werden und dann auf Rollen aufgewickelt werden. Zusätzlich können die Pressen oder Kalanderwalzen mit verschiedenen Rillenmustern graviert werden, um Rippen, Rillen, texturierte Bereiche, Prägungen und/oder dgl. zu erzeugen, wie hier im Wesentlichen beschrieben.
In einigen Ausführungsformen kann ein Beispiel einer porösen Membran hergestellt werden, indem die Bestandteile in einem Extruder gemischt werden. Zum Beispiel können ungefähr 5 bis 15 Gew.-% Polymer (z.B. Polyethylen), ungefähr 10 bis 75 Gew.-% Füllstoff (z.B. Siliciumdioxid), ungefähr 5 bis 25 Gew.-% eines Nukleierungsadditivs und ungefähr 10 bis 85 % Verarbeitungsöl in einem Extruder gemischt werden. Das Beispiel der porösen Membran kann hergestellt werden, indem die Bestandteile durch einen erhitzten Extruder geführt werden, das von dem Extruder erzeugte Extrudat durch eine Form und in einen Spalt geführt wird, der durch zwei erhitzte Pressen oder einen Kalanderstapel oder Walzen gebildet wird, um ein kontinuierliches Geflecht zu bilden. Eine wesentliche Menge des Verarbeitungsöls von dem Geflecht kann unter Verwendung eines Lösungsmittels extrahiert werden. Das Geflecht kann dann getrocknet und in Bahnen mit einer vorherbestimmten Breite geschnitten werden und dann auf Rollen aufgewickelt werden. Zusätzlich können die Pressen oder Kalanderwalzen mit verschiedenen Rillenmustern graviert werden, um Rippen, Rillen, texturierte Bereiche, Prägungen und/oder dgl. zu erzeugen, wie hier im Wesentlichen beschrieben. Die Mengen an Kautschuk, Füllstoff, Öl und Polymer werden alle hinsichtlich der Laufeigenschaften und gewünschten Separatoreigenschaften ausgeglichen, wie elektrischer Widerstand, Basisgewicht, Durchstoßfestigkeit, Biegesteifigkeit, Oxidationsbeständigkeit, Porosität, physikalischer Festigkeit, Porentortuosität und dgl.
In bestimmten Ausführungsformen können leistungsverstärkende Additive oder Mittel (z.B. Nukleierungsadditive, grenzflächenaktive Mittel, Netzmittel, Färbemittel, antistatische Additive, Antioxidantien und/oder dgl., und Kombinationen davon) miteinander mit den anderen Bestandteilen innerhalb des Extruders gemischt werden. Eine poröse Membran gemäß der vorliegenden Offenbarung kann dann in die Form einer Schicht oder eines Geflechts extrudiert werden und im Wesentlichen in derselben Weise wie im Vorstehenden beschrieben fertiggestellt werden.
In ausgewählten Ausführungsformen, und zusätzlich oder alternativ zum Zusetzen in den Extruder, kann oder können das Additiv oder Additive zum Beispiel mit dem Separator als getrennte Schicht des Separators coextrudiert werden.
In bestimmten Ausführungsformen, und zusätzlich oder alternativ zum Zusetzen in den Extruder, kann oder können das Additiv oder Additive zum Beispiel auf die poröse Separatormembran aufgebracht werden, wenn sie fertiggestellt ist (z.B. nach dem Extrahieren eines Volumens des Verarbeitungsöls). Gemäß bestimmten bevorzugten Ausführungsformen wird das Additiv oder eine Lösung (z.B. eine wässrige Lösung, Aufschlämmung usw.) des Additivs auf eine oder mehrere Flächen des Separators aufgebracht. Diese Variante ist insbesondere zum Aufbringen von nicht thermostabilen Additiven und Additiven geeignet, die in dem Lösungsmittel löslich sind, das zur Extraktion des Verarbeitungsöls verwendet wird. Besonders geeignet als Lösungsmittel für die Additive gemäß der Erfindung sind Alkohole mit niedrigem Molekulargewicht, wie Methanol und Ethanol, sowie Mischungen dieser Alkohole mit Wasser. Das Aufbringen kann auf der Seite erfolgen, die der negativen Elektrode zugewandt ist, der Seite, die der positiven Elektrode zugewandt ist, oder auf beiden Seiten des Separators. Das Aufbringen kann auch während der Extraktion des Porenbildungsmittels (z.B. des Verarbeitungsöls) erfolgen, während es in einem Lösungsmittelbad ist. In bestimmten ausgewählten Ausführungsformen kann eine bestimmte Portion eines leistungsverstärkenden Additivs, wie einer grenzflächenaktiven Beschichtung oder eines leistungsverstärkenden Additivs, das dem Extruder zugesetzt wird, bevor der Separator hergestellt wird (oder beides), mit dem Antimon in dem Batteriesystem kombiniert werden und kann ihn inaktivieren und/oder eine Verbindung damit bilden und/oder bewirken, dass er in den Schlammabscheider der Batterie fällt, und oder verhindern, dass er sich auf der negativen Elektrode absetzt. Das grenzflächenaktive Mittel oder Additiv kann auch dem Elektrolyten, der Glasmatte, dem Batteriegehäuse, dem Batteriepapier, der Batteriematte und/oder dgl. oder Kombinationen davon zugesetzt werden.
In bestimmten Ausführungsformen kann das Additiv (z.B. ein nicht ionisches grenzflächenaktives Mittel, ein anionisches grenzflächenaktives Mittel oder Mischungen davon) in einer Dichte oder Zugabemenge vorhanden sein von mindestens ungefähr 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 oder 10,0 g/m² oder sogar bis zu ungefähr 25,0 g/m². Das Additiv kann auf dem Separator in einer Dichte oder Zugabemenge vorhanden sein zwischen ungefähr 0,5 bis 15 g/m², 0,5 bis 10 g/m², 1,0 bis 10,0 g/m², 1,5 bis 10,0 g/m², 2,0 bis 10,0 g/m², 2,5 bis 10,0 g/m², 3,0 bis 10,0 g/m², 3,5 bis 10,0 g/m², 4,0 bis 10,0 g/m², 4,5 bis 10,0 g/m², 5,0 bis 10,0 g/m², 5,5 bis 10,0 g/m², 6,0 bis 10,0 g/m², 6,5 bis 10,0 g/m², 7,0 bis 10,0 g/m², 7,5 bis 10,0 g/m², 4,5 bis 7,5 g/m², 5,0 bis 10,5 g/m², 5,0 bis 11,0 g/m², 5,0 bis 12,0 g/m², 5,0 bis 15,0 g/m², 5,0 bis 16,0 g/m², 5,0 bis 17,0 g/m², 5,0 bis 18,0 g/m², 5,0 bis 19,0 g/m², 5,0 bis 20,0 g/m², 5,0 bis 21,0 g/m², 5,0 bis 22,0 g/m², 5,0 bis 23,0 g/m², 5,0 bis 24,0 g/m² oder ungefähr 5,0 bis 25,0 g/m².
Das Aufbringen kann auch erfolgen, indem der Batterieseparator in das Additiv oder eine Lösung des Additivs eingetaucht wird (Lösungsmittelbadzugabe) und das Lösungsmittel entfernt wird, wenn notwendig (z.B. durch Trocknen). Auf diese Weise kann das Aufbringen des Additivs zum Beispiel mit der Extraktion kombiniert werden, die häufig während der Membranherstellung angewendet wird. Andere bevorzugte Verfahren sind, die Oberfläche mit Additiv zu besprühen, Tauchbeschichtung, Walzenbeschichtung oder Vorhangbeschichtung der Oberfläche des Separators mit dem einen oder den mehreren Additiven.
Die Additive können auch in dem Separator nach oder vor der Extraktion des Verarbeitungsöls imprägniert werden.
In bestimmten hier beschriebenen Ausführungsformen wird eine reduzierte Menge an ionischem, kationischen, anionischen und/oder nicht ionischen grenzflächenaktiven Mittel dem erfindungsgemäßen Separator zugesetzt. In solchen Fällen kann ein gewünschtes Merkmal verringerte gesamte organische Kohlenstoffe und/oder verringerte flüchtige organische Verbindungen umfassen (aufgrund der geringeren Menge an grenzflächenaktivem Mittel) und kann einen zweckmäßigen erfindungsgemäßen Separator gemäß einer solchen Ausführungsform erzeugen.
In einigen Ausführungsformen kann ein Beispiel einer porösen Membran hergestellt werden, indem die Bestandteile in einem Extruder gemischt werden. Zum Beispiel können etwa 5 bis 15 Gew.-% Polymer (z.B. Polyethylen), etwa 10 bis 75 Gew.-% Füllstoff (z.B. Siliciumdioxid), etwa 1 bis 50 Gew.-% Kautschuk und/oder Latex und ungefähr 10 bis 85 % Verarbeitungsöl in einem Extruder gemischt werden. Das Beispiel der porösen Membran kann hergestellt werden, indem die Bestandteile durch einen erhitzten Extruder geführt werden, das von dem Extruder erzeugte Extrudat durch eine Form und in einen Spalt geführt wird, der durch zwei erhitzte Pressen oder einen Kalanderstapel oder Walzen gebildet wird, um ein kontinuierliches Geflecht zu bilden. Eine wesentliche Menge des Verarbeitungsöls von dem Geflecht kann unter Verwendung eines Lösungsmittels extrahiert werden. Das Geflecht kann dann getrocknet und in Bahnen mit einer vorherbestimmten Breite geschnitten werden und dann auf Rollen aufgewickelt werden. Zusätzlich können die Pressen oder Kalanderwalzen mit verschiedenen Rillenmustern graviert werden, um Rippen, Rillen, texturierte Bereiche, Prägungen und/oder dgl. zu erzeugen, wie hier im Wesentlichen beschrieben. Die Mengen an Kautschuk, Füllstoff, Öl und Polymer werden alle hinsichtlich der Laufeigenschaften und gewünschten Separatoreigenschaften ausgeglichen, wie elektrischer Widerstand, Basisgewicht, Durchstoßfestigkeit, Biegesteifigkeit, Oxidationsbeständigkeit, Porosität, physikalischer Festigkeit, Tortuosität und dgl.
Zusätzlich zur Zugabe zu den Bestandteilen des Extruders kombinieren bestimmte Ausführungsformen den Kautschuk mit der porösen Membran nach der Extrusion. Zum Beispiel kann der Kautschuk auf eine oder beide Seiten beschichtet werden, vorzugsweise auf die Seite, die der negativen Elektrode zugewandt ist, mit einer flüssigen Aufschlämmung, die den Kautschuk und/oder Latex umfasst, gegebenenfalls Siliciumdioxid und Wasser, und dann getrocknet werden, so dass ein Film dieses Materials auf der Oberfläche eines Beispiels einer porösen Membran gebildet wird. Zur besseren Benetzbarkeit dieser Schicht können bekannte Netzmittel der Aufschlämmung zur Verwendung in Blei-Säure-Batterien zugesetzt werden.
In bestimmten Ausführungsformen kann die Aufschlämmung auch ein oder mehrere leistungsverstärkende Additive enthalten, wie hier beschrieben. Nach dem Trocknen bildet sich eine poröse Schicht und/oder ein Film auf der Oberfläche des Separators, die sehr gut an der porösen Membran haften und den elektrischen Widerstand nur insignifikant erhöhen, wenn überhaupt.
Nachdem der Kautschuk zugesetzt wird, kann er weiter komprimiert werden, wobei entweder eine Maschinenpresse oder ein Kalanderstapel oder eine Walze verwendet wird. Andere mögliche Verfahren zum Aufbringen des Kautschuks und/oder Latex sind, eine Kautschuk- und/oder Latexaufschlämmung durch Tauchbeschichtung, Walzbeschichtung, Sprühbeschichtung oder Vorhangbeschichtung auf einer oder mehreren Flächen des Separators aufzubringen, oder eine beliebige Kombination davon. Diese Verfahren können erfolgen, bevor oder nachdem das Verarbeitungsöl extrahiert wird, oder bevor oder nachdem in Bahnen geschnitten wird.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung involviert die Abscheidung von Kautschuk auf der Membran durch Imprägnieren und Trocknen.
In bestimmten Ausführungsformen können Beispiele von Separatoren gemäß der vorliegenden Offenbarung mit einer weiteren Schicht (laminiert oder auf andere Weise) kombiniert werden, wie einer Faserschicht oder Fasermatte mit verstärkten Dochtwirkungseigenschaften und/oder verstärkten Benetzungs- oder Elektrolythalteeigenschaften. Die Fasermatte kann gewebt, nicht gewebt, ein Vlies, ein Geflecht, ein Netz, einschichtig, mehrschichtig sein (wobei jede Schicht dieselben, ähnliche oder unterschiedliche Charakteristiken wie die anderen Schichten aufweisen kann), aus Glasfasern oder synthetischen Fasern bestehen, ein Vlies oder Gewebe aus synthetischen Fasern oder Mischungen mit Glas- und synthetischen Fasern oder Papier oder eine beliebige Kombination davon sein. Die Faserschicht oder Fasermatte kann auch ein Nukleierungsadditiv enthalten.
In bestimmten Ausführungsformen kann die Fasermatte (laminiert oder auf andere Weise) als Träger für zusätzliche Materialien verwendet werden. Das Zusatzmaterial kann zum Beispiel enthalten: Kautschuk und/oder Latex, gegebenenfalls Siliciumdioxid, Wasser und/oder ein oder mehrere leistungsverstärkende Additive, wie verschiedene hier beschriebene Additive, umfassend ein Nukleierungsadditiv, wie hier beschrieben, oder eine beliebige Kombination davon. Als Beispiel kann das zusätzliche Material in der Form einer Aufschlämmung abgegeben werden, mit der dann eine oder mehrere Flächen der Fasermatte beschichtet werden können, um einen Film zu bilden, oder mit der die Fasermatte getränkt oder imprägniert werden kann.
Wenn die Faserschicht vorhanden ist, wird es bevorzugt, dass die poröse Membran eine größere Oberfläche aufweist als die Faserschichten. Wenn die poröse Membran und die Faserschichten kombiniert werden, bedecken somit die Faserschichten die poröse Schicht nicht vollständig. Es wird bevorzugt, dass mindestens zwei gegenüberliegende Randzonen der Membranschicht unbedeckt bleiben, um Ränder für ein Heißsiegeln bereitzustellen, was die optionale Bildung von Taschen oder Hüllen und/oder dgl. erleichtert. Eine solche Fasermatte kann eine Dicke aufweisen, die mindestens 100 µm beträgt, in einigen Ausführungsformen mindestens ungefähr 200 µm, mindestens ungefähr 250 µm, mindestens ungefähr 300 µm, mindestens ungefähr 400 µm, mindestens ungefähr 500 µm, mindestens ungefähr 600 µm, mindestens ungefähr 700 µm, mindestens ungefähr 800 µm, mindestens ungefähr 900 µm, mindestens ungefähr 1 mm, mindestens ungefähr 2 mm usw. Der daraus folgende laminierte Separator kann in Stücke geschnitten werden. In bestimmten Ausführungsformen wird die Fasermatte auf eine gerippte Fläche der porösen Membran laminiert. In bestimmten Ausführungsformen erhält der Batteriehersteller Handhabungs- und/oder Assemblierungsvorteile mit dem hier beschriebenen verbesserten Batterieseparator, da er in Rollenform geliefert und/oder in Stückform geschnitten werden kann. Und wie im Vorstehenden angegeben, kann der verbesserte Separator eine unabhängige Separatorschicht oder -lage ohne Zusatz einer oder mehrerer Fasermatten oder dgl. sein.
Wenn die Fasermatte an die poröse Membran laminiert wird, können sie miteinander durch ein Haftmittel, Wärme, Ultraschallschweißen, Kompression und/oder dgl. oder eine beliebige Kombination davon verbunden werden. Und die Fasermatte kann eine PAM oder NAM Retentionsmatte sein.
Beispiel
Zur Messung der Ladungsaufnahme wurden Batteriezellen 20 Stunden lang entladen und dann geladen. Während des Ladens wurde die dynamische Ladungsaufnahme (A/Ah) in der 1. Sekunde des Ladens und in der 60. Sekunde des Ladens und in mehreren Ladungszuständen (%) gemessen.
Jede getestete Zelle war eine 2,5 Ah AMCO Zelle mit einem Pb Gitter, enthaltend 2,5 % Antimon (Sb). Die Kontrollzelle verwendete einen typischen im Handel erhältlichen Separator ohne Einschluss von Kohlenstoff. Die Acetylenruß-Zelle verwendete einen im Wesentlichen ähnlichen Separator wie die Kontrollzelle, mit der Ausnahme der Verwendung eines Separators, der eine Acetylenruß-Beschichtung mit einer Dicke von ungefähr 10 µm und einer Beschichtungsgewichtsverteilung von ungefähr 0,35 mg/cm² enthielt. Die Acetylenruß-Beschichtung hatte ungefähr 1 Gew.-% bis ungefähr 5 Gew.-% eines Acrylbindemittels.
Die obigen Werte werden nur für Beispielzwecke verwendet. Die Beschichtungsdicke kann zum Beispiel ungefähr 5 µm bis ungefähr 60 µm dick sein. Die Beschichtungsgewichtsverteilung kann zum Beispiel ungefähr 0,1 mg/cm² bis ungefähr 0,5 mg/cm² sein. Zusätzlich kann die Beschichtung ein Acrylbindemittel mit zum Beispiel ungefähr 0,5 Gew.-% bis ungefähr 15 Gew.-% aufweisen.

Die während dieses Tests nach 1 Sekunde gemessenen Werte sind in Tabelle 1 und 9A verzeichnet. Die während dieses Tests nach 60 Sekunden gemessenen Werte sind in Tabelle 2 und 9B verzeichnet. Wie ersichtlich ist, zeigte die Zelle, die den mit Acetylenruß beschichteten Separator verwendete, eine wesentlich bessere Ladungsaufnahme, verglichen mit der Kontrollzelle, die den im Handel erhältlichen Separator ohne eingeschlossenen Kohlenstoff verwendete. Die Spezifikation ist eine theoretische möglicherweise gewünschte Batterieleistung gemäß mindestens einer Ausführungsform. Tabelle 2

Dynamische Ladungsaufnahme (A/Ah) nach 1 Sekunde
Ladungszustand	Ladungs-Amps (A)	Spezifikation (A/Ah)	Kontrolle (A/Ah)	Acetylenruß (A/Ah)
90%	1,25	0,50	1,50	2,13
80%	2,50	1,00	1,48	1,99
70%	3,75	1,50	1,45	1,95
60%	5,00	2,00	1,46	1,97

Tabelle 3

Dynamische Ladungsaufnahme (A/Ah) nach 60 Sekunden
Ladungszustand	Ladungs-Amps (A)	Spezifikation (A/Ah)	Kontrolle (A/Ah)	Acetylenruß (A/Ah)
90%	1,00	0,40	0,63	0,67
80%	1,50	0,60	0,60	0,70
70%	2,00	0,80	0,67	0,77
60%	2,50	1,00	0,59	0,81

Beispiel eines NH Profils (18 positive Rippen, keine negativen Rippen):
Die bevorzugten Profile können auch negative Seitenrippen aufweisen (wie negative Längs- oder Miniquerrippen), können positive Säuremischungsrippen aufweisen (wie RipTide oder verzahnte Rippen), und/oder Kombinationen davon.
Ausgewählte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind mit einem Blei-Säure-Batterieseparator mit einer porösen Membran und einem Nukleierungsadditiv versehen. Die poröse Membran kann ausgewählt sein aus Polyolefin, Polyethylen, Polypropylen, Kautschuk, Polyvinylchlorid, Phenolharzen, cellulosischem, synthetischen Zellstoff, Glasfasern, synthetischen Fasern, Naturkautschuken, Synthesekautschuken, Latex, Bisphenolformaldehyd und Kombinationen davon. Sollte der Separator Polyethylen sein, kann es Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht sein (UHMWPE).
Das Nukleierungsadditiv kann leitfähig sein. Das Nukleierungsadditiv kann ferner eine Form von Kohlenstoff und/oder Bariumsulfat sein. Der Kohlenstoff kann sein der Form von leitfähigem Kohlenstoff, Graphit, künstlichem Graphit, Aktivkohle, Kohlepapier, Acetylenruß, Ruß, Ruß mit großer Oberfläche, Graphen, Graphen mit großer Oberfläche, Keitjen Black, Kohlefasern, Kohlefilamenten, Kohlenstoffnanoröhrchen, offenzelligem Kohlenstoffschaum, Kohlenstoff Buckminsterfulleren, einer wässrigen Kohlenstoffsuspension und Kombinationen davon. Das Nukleierungsadditiv kann innerhalb der porösen Membran und/oder auf einer oder mehreren Flächen der porösen Membran sein.
Das Nukleierungsadditiv kann auf der porösen Membran durch viele Verfahren aufgebracht werden, wie durch ein beliebiges der folgenden Verfahren: Walzbeschichtung, chemische Dampfabscheidung, Coextrusion, eine kontrollierte Verbrennung der genannten Oberfläche bis zur Verkohlung der genannten Oberfläche, eine kontrollierte Verbrennung der genannten Oberfläche bis zur Verkohlung der genannten Oberfläche durch Plasmaexposition, eine kontrollierte Verbrennung der genannten Oberfläche bis zur Verkohlung durch UV-Bestrahlung, Tonerdruck, Tintenstrahldruck, Flexographiedruck, Lithographiedruck, Aufschlämmungsbeschichtung, Aufsprühen einer wässrigen Kohlenstoffsuspension, Imprägnierung und Kombinationen davon.
In ausgewählten Ausführungsformen kann der Blei-Säure-Batterieseparator ein AGM-Separator sein.
In anderen Beispielen von Ausführungsformen kann die poröse Membran einen partikelartigen Füllstoff und einen Verarbeitungsweichmacher enthalten. Kohlenstoff kann ferner auf einer Fläche des Separators mit einer Menge des partikelartigen Füllstoffs sein. Der partikelartige Füllstoff kann ein beliebiger von den folgenden sein: trockenes fein zerteiltes Siliciumdioxid, gefälltes Siliciumdioxid, amorphes Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Talk oder Kombinationen davon.
In bestimmten Ausführungsformen kann der Verarbeitungsweichmacher ein beliebiger von den folgenden sein: Verarbeitungsöl, auf Paraffin basierendes Mineralöl, Mineralöl oder Kombinationen davon.
In ausgewählten Ausführungsformen kann die poröse Membran mit einem leistungsverstärkenden Additiv versehen sein, das eines der folgenden sein kann: ein nicht ionisches grenzflächenaktives Mittel, ein ionisches grenzflächenaktives Mittel, ein anionisches grenzflächenaktives Mittel, Netzmittel, Färbemittel, antistatische Additive, UV-Schutzmittel, Antioxidantien oder Kombinationen davon.
In bestimmten Beispielen von Ausführungsformen kann die poröse Membran mit einem beliebigen der folgenden versehen sein: durchgehenden Rippen, diskreten durchbrochenen Rippen, kontinuierlichen Rippen, diskontinuierlichen Rippen, abgewinkelten Rippen, linearen Rippen, Längsrippen, die sich im Wesentlichen in einer Maschinenrichtung der genannten porösen Membran erstrecken, lateralen Rippen, die sich im Wesentlichen in einer Maschinenquerrichtung der genannten porösen Membran erstrecken, transversalen Rippen, die sich im Wesentlichen in der genannten Maschinenquerrichtung des Separators erstrecken, Verzahnungen oder verzahnten Rippen, Zinnen oder Rippen mit Zinnen, gekrümmten oder sinusförmigen Rippen, die in einer durchgehenden oder durchbrochenen Zick-Zack-artigen Weise angeordnet sind, Rillen, Kanälen, texturierten Bereichen, Prägungen, Vertiefungen, porösen, nicht porösen Minirippen, Miniquerrippen und Kombinationen davon.
Ein weiteres Beispiel einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt eine neue oder verbesserte Blei-Säure-Batterie bereit, umfassend einen Elektrolyten, eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und einen dazwischen angeordneten Separator und ein Nukleierungsadditiv. Das Nukleierungsadditiv kann vorzugsweise in dem Elektrolyten stabil sein und kann innerhalb des Elektrolyten dispergiert sein. Das Nukleierungsadditiv kann mindestens halbleitfähig sein. In einigen Ausführungsformen kann der Separator mit dem Nukleierungsadditiv versehen sein. Zusätzlich kann das Nukleierungsadditiv eines der folgenden sein: Kohlenstoff, leitfähiger Kohlenstoff, Graphit, künstlicher Graphit, Aktivkohle, Kohlepapier, Acetylenruß, Ruß, Ruß mit großer Oberfläche, Graphen, Graphen mit großer Oberfläche, Keitjen Black, Kohlefasern, Kohlefilamente, Kohlenstoffnanoröhrchen, offenzelliger Kohlenstoffschaum, Kohlenstoff Buckminsterfulleren, eine wässrige Kohlenstoffsuspension, Bariumsulfat und Kombinationen davon.
In bestimmten Ausführungsform kann das Nukleierungsadditiv auf einer Oberfläche des oder der Separatoren sein und kann der negativen Elektrode benachbart sein. Ferner kann das Nukleierungsadditiv innerhalb des Separators sein.
In ausgewählten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Nukleierungsadditiv auf eine Oberfläche des Separators durch eines der folgenden aufgebracht werden: Walzbeschichtung, chemische Dampfabscheidung, Coextrusion, eine kontrollierte Verbrennung der genannten Oberfläche bis zur Verkohlung, eine kontrollierte Verbrennung der genannten Oberfläche bis zur Verkohlung durch Plasmaexposition, eine kontrollierte Verbrennung der genannten Oberfläche bis zur Verkohlung durch UV-Bestrahlung, Tonerdruck, Tintenstrahldruck, Flexographiedruck, Lithographiedruck, Aufschlämmungsbeschichtung, Aufsprühen einer wässrigen Kohlenstoffsuspension und Kombinationen davon. Zusätzlich kann das Nukleierungsadditiv in ein beliebiges der folgenden eingeschlossen werden: ein Batteriepapier, ein Gitterstoff und Kombinationen davon.
In einigen Beispielen von Ausführungsformen kann der Separator eines der folgenden sein: Polyolefin, UHMWPE, Polyethylen, Polypropylen, Kautschuk, Polyvinylchlorid, Phenolharze, cellulosischer, synthetischer Zellstoff, Glasfasern, synthetische Fasern, Naturkautschuke, Synthesekautschuke, Latex, Bisphenolformaldehyd und Kombinationen davon. Andere Separatoren können AGM-Separatoren sein.
Die Blei-Säure-Batterie kann eine beliebige der folgenden sein: eine Batterie mit flachen Platten, eine mit Blei-Säure geflutete Batterie, eine verstärkte mit Blei-Säure geflutete Batterie, eine zyklenfeste Batterie, eine absorptive Glasmatten-Batterie, eine rohrförmige Batterie, eine Inverterbatterie, eine Fahrzeugbatterie, eine SLI Batterie, eine ISS Batterie, eine Autobatterie, eine Lastwagenbatterie, eine Motorradbatterie, eine Geländefahrzeug-Batterie, eine Gabelstapler-Batterie, eine Golfcart-Batterie, eine Hybrid-Elektrofahrzeug-Batterie, eine Elektrofahrzeug-Batterie, eine e-Rikscha-Batterie, eine e-Trike-Batterie und eine e-Bike-Batterie. Die Batterie kann in einem Teilladungszustand arbeiten, und während sie in Bewegung oder stationär ist.
In einem weiteren Beispiel einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Fahrzeug mit einer Batterie, einem Separator und einem Nukleierungsadditiv versehen sein. In einigen Ausführungsformen kann der Separator mit dem Nukleierungsadditiv, entweder innerhalb oder auf einer Oberfläche des Separators, versehen sein. Zusätzlich kann das Nukleierungsadditiv eines der folgenden sein: Kohlenstoff, leitfähiger Kohlenstoff, Graphit, künstlicher Graphit, Aktivkohle, Kohlepapier, Acetylenruß, Ruß, Ruß mit großer Oberfläche, Graphen, Graphen mit großer Oberfläche, Keitjen Black, Kohlefasern, Kohlefilamente, Kohlenstoffnanoröhrchen, offenzelliger Kohlenstoffschaum, Kohlenstoff Buckminsterfulleren, eine wässrige Kohlenstoffsuspension, Bariumsulfat und Kombinationen davon.
In ausgewählten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Nukleierungsadditiv auf einer Oberfläche des Separators durch eines der folgenden aufgebracht werden: Walzbeschichtung, chemische Dampfabscheidung, Coextrusion, eine kontrollierte Verbrennung der genannten Oberfläche bis zur Verkohlung, eine kontrollierte Verbrennung der genannten Oberfläche bis zur Verkohlung durch Plasmaexposition, eine kontrollierte Verbrennung der genannten Oberfläche bis zur Verkohlung durch UV-Bestrahlung, Tonerdruck, Tintenstrahldruck, Flexographiedruck, Lithographiedruck, Aufschlämmungsbeschichtung, Aufsprühen einer wässrigen Kohlenstoffsuspension und Kombinationen davon. Zusätzlich kann das Nukleierungsadditiv in ein beliebiges der folgenden eingeschlossen werden: ein Batteriepapier, ein Gitterstoff und Kombinationen davon.
In ausgewählten Ausführungsformen kann die Batterie in einem Teilladungszustand arbeiten. In anderen Ausführungsformen kann das Fahrzeug eines der folgenden sein: ein Auto, ein Lastwagen, ein Motorrad, ein Geländefahrzeug, ein Gabelstapler, ein Golfcart, ein Hybrid-Elektrofahrzeug, ein Elektrofahrzeug, eine e-Rikscha, ein e-Trike und ein e-Bike.
Gemäß mindestens ausgewählten Ausführungsformen, Aspekten oder Aufgaben werden hier neue oder verbesserte Separatoren, Batterieseparatoren, verstärkte geflutete Batterieseparatoren, Batterien, Zellen und/oder Verfahren zur Herstellung und/oder Verwendung von solchen Separatoren, Batterieseparatoren, verstärkten gefluteten Batterieseparatoren, Zellen und/oder Batterien geoffenbart oder bereitgestellt. Gemäß mindestens bestimmten Ausführungsformen ist die vorliegende Offenbarung oder Erfindung auf neue oder verbesserte Batterieseparatoren für verstärkte geflutete Batterien gerichtet. Zusätzlich werden hier Verfahren, Systeme und Batterieseparatoren geoffenbart, die einen reduzierten ER, eine verbesserte Durchstoßfestigkeit, eine verbesserte Separator-CMD-Steifigkeit, eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit, eine reduzierte Separatordicke, ein reduziertes Basisgewicht und Kombinationen davon aufweisen. Gemäß mindestens bestimmten Ausführungsformen ist die vorliegende Offenbarung oder Erfindung auf einen verbesserten Separator für verstärkte geflutete Batterien gerichtet, wobei der Separator einen reduzierten ER, eine verbesserte Durchstoßfestigkeit, eine verbesserte Separator-CMD-Steifigkeit, eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit, eine reduzierte Separatordicke, ein reduziertes Basisgewicht oder eine beliebige Kombination davon aufweist. Gemäß mindestens bestimmten Ausführungsformen werden Separatoren bereitgestellt in Batterieanwendungen für Batterien mit flachen Platten, rohrförmige Batterien, Fahrzeug-SLI- und HEV ISS-Anwendungen, zyklenfeste Anwendungen, Golfcar- oder Golfcart-Anwendungen und e-Rickshaw-Batterien, Batterien, die in einem Teilladungszustand arbeiten („PSOC“), Inverterbatterien und Speicherbatterien für erneuerbare Energiequellen und Kombinationen davon.
Gemäß mindestens ausgewählten Ausführungsformen kann die vorliegende Offenbarung oder Erfindung die obigen Nachteile oder Anforderungen behandeln. Gemäß mindestens bestimmten Aufgaben, Aspekten oder Ausführungsformen kann die vorliegende Offenbarung oder Erfindung einen verbesserten Separator und/oder eine verbesserte Batterie bereitstellen, welche die im Vorstehenden angegebenen Probleme überwinden, zum Beispiel indem Batterien bereitgestellt werden, welche die Bildung von Dendriten mildern, eine verbesserte Ladungsaufnahme aufweisen und/oder eine verbesserten Zyklenleistung aufweisen.
Hier werden verbesserte Separatoren für Blei-Säure-Batterien, Blei-Säure-Batterien, Systeme, Fahrzeuge und/oder Verfahren und/oder Verwendungen für dieselben geoffenbart. Die Separatoren können eine poröse Membran und ein Nukleierungsadditiv umfassen. Gemäß mindestens ausgewählten Ausführungsformen kann die vorliegende Offenbarung oder Erfindung aktuelle Nachteile oder Anforderungen behandeln und/oder kann einen verbesserten Separator und/oder eine verbesserte Batterie bereitstellen, welche die aktuellen Nachteile oder Probleme überwinden, indem zum Beispiel Batterien bereitgestellt werden, welche die Bildung von Dendriten mildern, eine verbesserte Ladungsaufnahme aufweisen und/oder eine verbesserten Zyklenleistung aufweisen.
Gemäß mindestens ausgewählten Ausführungsformen, Aspekten oder Aufgaben kann die vorliegende Offenbarung oder Erfindung gerichtet sein auf und/oder bereitstellen:

1. Ein kompressionsbeständiges Separatorprofil kann die Kristallgröße reduzieren zusätzlich zu den Nukleierungsadditiven.
2. Die Zykluslebensdauer und Entladeschlussspannung können verbessert werden:
3. Das Kohlenstoffadditiv kann in Anwendungen verwendet werden, wo eine überlegene dynamische Ladungsaufnahme die primäre Leistungsanforderung ist. Das Kohlenstoffadditiv kann die Anforderungen von ventilgeregelten Blei-Säure-Batterien für treibstoffeffiziente Start-Stopp-Fahrzeuge und in Gitterspeicheranwendungen erfüllen.
4. Das Kohlenstoffadditiv kann:
- ♦ Eine negative Plattensulfatierung reduzieren ♦ Eine überlegene dynamische Ladungsaufnahme ermöglichen, wobei die Anforderungen mehrerer Ladungs/Entladungszyklen erfüllt werden ♦ Einen hohen Lebenszyklus unter Teilladungszustandsbedingungen verleihen, was hilft, eine längere Batterielebensdauer sicherzustellen
5. Mögliche Batterieanwendungen
- ♦ Mikrohybride Fahrzeuge ♦ Mild-hybride Fahrzeuge ♦ Antrieb ♦ Energiespeichersysteme (ESS) ♦ E-Bikes
6. In einem Beispiel weist das möglicherweise bevorzugte Kohlenstoffadditiv auf:

EIGENSCHAFT	WERTE	TESTMETHODE
BET Stickstoffoberfläche (mz/g)	1300 - 1550	ASTM D6556
Ölabsorptionszahl (OAN) (ml/100g)	140 - 200	ASTM D2414
Eisen (ppm)	<50	CTM*
Gesamt Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni (ppm)	<60	CTM*

Die vorliegende Erfindung kann in anderen Formen verkörpert werden, ohne vom Grundgedanken und den essentiellen Attributen davon abzuweichen, und demgemäß ist auf die beigeschlossenen Ansprüche Bezug zu nehmen anstelle der vorstehenden Beschreibung, um den Umfang der Erfindung anzuzeigen. Geoffenbart werden Komponenten, die verwendet werden können, um die geoffenbarten Verfahren und Systeme auszuführen. Diese und andere Komponenten werden hier geoffenbart, und es ist klar, dass, wenn Kombinationen, Teilsätze, Interaktionen, Gruppen usw. dieser Komponenten geoffenbart werden, obwohl eine spezifische Bezugnahme jeder der verschiedenen einzelnen und kollektiven Kombinationen und Permutationen davon nicht ausdrücklich geoffenbart sein kann, jede spezifisch vorgesehen und hier beschrieben wird, für alle Verfahren und Systeme. Dies gilt für alle Aspekte dieser Anmeldung, umfassend, jedoch nicht beschränkt auf Schritte in den geoffenbarten Verfahren. Wenn es verschiedenste zusätzliche Schritte gibt, die vorgenommen werden können, ist es somit klar, dass jeder dieser zusätzlichen Schritte mit einer beliebigen spezifischen Ausführungsform oder Kombination von Ausführungsformen der geoffenbarten Verfahren vorgenommen werden kann.
Die vorstehende schriftliche Beschreibung von Strukturen und Verfahren wurde nur für Zwecke der Veranschaulichung angegeben. Beispiele werden verwendet, um Beispiele von Ausführungsformen zu offenbaren, umfassend die beste Ausführungsweise, und auch um es jedem Fachmann zu gestatten, die Erfindung auszuführen, umfassend die Herstellung und Verwendung beliebiger Vorrichtungen oder Systeme und die Vornahme beliebiger eingeschlossener Verfahren. Diese Beispiele sollen nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die geoffenbarten präzisen Schritte und/oder Formen begrenzen, und viele Modifikationen und Variationen sind im Licht der obigen Lehre möglich. Hier beschriebene Merkmale können in einer beliebigen Kombination kombiniert werden. Schritte eines hier beschriebenen Verfahrens können in einer beliebigen Sequenz vorgenommen werden, die physikalisch möglich ist. Der patentierbare Umfang der Erfindung wird durch die beigeschlossenen Ansprüche definiert und kann andere Beispiele umfassen, die für Fachleute klar sind. Solche anderen Beispiele sollen innerhalb des Umfangs der Ansprüche liegen, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich nicht von der wörtlichen Sprache der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber der wörtlichen Sprache der Ansprüche umfassen.
Die Zusammensetzungen und Verfahren der beigeschlossenen Ansprüche werden nicht im Umfang durch die spezifischen hier beschriebenen Zusammensetzungen und Verfahren eingeschränkt, die Veranschaulichungen einiger Aspekte der Ansprüche sein sollen. Beliebige Zusammensetzungen und Verfahren, die funktionell äquivalent sind, sollen in den Umfang der Ansprüche fallen. Verschiedene Modifikationen der Zusammensetzungen und Verfahren zusätzlich zu den hier gezeigten und beschriebenen sollen in den Umfang der Ansprüche fallen. Obwohl nur bestimmte hier geoffenbarte repräsentative Zusammensetzungen und Verfahrensschritte spezifisch beschrieben werden, sollen auch andere Kombinationen der Zusammensetzungen und Verfahrensschritte in den Umfang der Ansprüche fallen, auch wenn sie nicht spezifisch ausgeführt werden. Somit kann eine Kombination von Schritten, Elementen, Komponenten oder Bestandteilen hier explizit oder weniger angeführt werden, es sind jedoch andere Kombinationen von Schritten, Elementen, Komponenten und Bestandteilen eingeschlossen, auch wenn sie nicht spezifisch angegeben werden.
Wie in der Beschreibung und den beigeschlossenen Ansprüchen verwendet, umfassen die Singularformen „ein/e/r“ und „der/die/das“ Pluralbezüge, wenn der Kontext nicht klar etwas anderes vorgibt. Bereiche können hier als von „etwa“ oder „ungefähr“ einem bestimmten Wert und/oder bis zu „etwa“ oder „ungefähr“ einem anderen bestimmten Wert ausgedrückt werden. Wenn ein solcher Bereich ausgedrückt wird, umfasst eine andere Ausführungsform von dem einen bestimmten Wert und/oder bis zu dem anderen bestimmten Wert. Wenn Werte als Näherungen ausgedrückt werden, durch die Verwendung des vorausgehenden Worts „etwa“, ist es ähnlich klar, dass der bestimmte Wert eine weitere Ausführungsform bildet. Ferner ist es klar, dass die Endpunkte jedes der Bereiche sowohl in Bezug auf den anderen Endpunkt als auch unabhängig von dem anderen Endpunkt signifikant sind. „Optional“ oder „gegebenenfalls“ bedeutet, dass das anschließend beschriebene Ereignis oder der Umstand auftreten kann oder nicht, und dass die Beschreibung Fälle, wo das genannte Ereignis oder der Umstand auftritt, und Fälle, wo dies nicht zutrifft, umfasst.
In der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen dieser Beschreibung bedeuten das Wort „umfassen“ und Variationen des Worts, wie „umfassend“ und „umfasst“, „umfassend, jedoch nicht beschränkt auf“, und sie sollen zum Beispiel andere Additive, Komponenten, ganze Zahlen oder Schritte nicht ausschließen. Die Ausdrücke „im Wesentlichen bestehend aus“ und „bestehend aus“ können anstelle von „umfassend“ und „aufweisend“ verwendet werden, um spezifischere Ausführungsformen der Erfindung bereitzustellen, und werden auch geoffenbart. „Beispiel“ oder „zum Beispiel“ bedeutet „ein Beispiel von“ und soll nicht eine bevorzugte oder ideale Ausführungsform anzeigen. Ähnlich wird „wie“ nicht in einem einschränkenden Sinn verwendet, sondern für Zwecke der Erläuterung oder um Beispiele zu geben.
Wenn nichts anderes angegeben ist, sind alle Zahlen, die Geometrien, Abmessungen usw. ausdrücken und die in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet werden, als Mindestangaben zu verstehen und nicht als Versuch, die Anwendung der Äquivalenzlehre auf den Umfang der Ansprüche zu begrenzen, um im Licht der Anzahl signifikanter Stellen und üblicher Rundungsansätze ausgelegt zu werden.
Wenn nichts anderes definiert ist, haben alle hier verwendeten technischen und wissenschaftlichen Ausdrücke dieselben Bedeutungen wie sie üblicherweise von Fachleuten auf dem Gebiet verstanden werden, zu dem die Erfindung gehört. Hier zitierte Veröffentlichungen und die Materialien, für die sie angegeben werden, werden spezifisch durch Bezugnahme aufgenommen.
Zusätzlich kann die zur Veranschaulichung hier geoffenbarte Erfindung in Abwesenheit jedes Elements geeignet praktiziert werden, das hier nicht spezifisch geoffenbart ist.
Die folgenden Ausführungsformen sind ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung:

1. Blei-Säure-Batterieseparator, umfassend:
- eine poröse Membran;
- wobei die genannte poröse Membran eines oder mehrere von einem leitfähigen Element oder einem Nukleierungsadditiv darin und/oder darauf umfasst.
2. Blei-Säure-Batterieseparator nach Ausführungsform 1, wobei die genannte poröse Membran ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Polyolefin, Polyethylen, Polypropylen, Kautschuk, Polyvinylchlorid, Phenolharzen, cellulosischem, synthetischen Zellstoff, Glasfasern, synthetischen Fasern, Naturkautschuken, Synthesekautschuken, Latex, Bisphenolformaldehyd und Kombinationen davon.
3. Blei-Säure-Batterieseparator nach Ausführungsform 2, wobei die genannte poröse Membran Polyethylen ist.
4. Blei-Säure-Batterieseparator nach Ausführungsform 3, wobei das genannte Polyethylen ein Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht ist.
5. Blei-Säure-Batterieseparator nach Ausführungsform 1, wobei die genannte poröse Membran eine Porosität von mindestens ungefähr 50 % aufweist.
6. Blei-Säure-Batterieseparator nach Ausführungsform 1, wobei die genannte poröse Membran eine Porosität von mindestens ungefähr 60 % aufweist.
7. Blei-Säure-Batterieseparator nach Ausführungsform 1, wobei die genannte poröse Membran eine Porosität von mindestens ungefähr 65 % aufweist.
8. Blei-Säure-Batterieseparator nach Ausführungsform 1, wobei das genannte Nukleierungsadditiv leitfähig ist.
9. Blei-Säure-Batterieseparator nach Ausführungsform 1, wobei das genannte Nukleierungsadditiv mindestens eines von Kohlenstoff und Bariumsulfat (BaSO₄) ist.
10. Blei-Säure-Batterieseparator nach Ausführungsform 1, wobei das genannte leitfähige Element ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Kohlenstoff, leitfähigem Kohlenstoff, Graphit, künstlichem Graphit, Aktivkohle, Kohlepapier, Acetylenruß, Ruß, Ruß mit großer Oberfläche, Graphen, Graphen mit großer Oberfläche, Keitjen Black, Kohlefasern, Kohlefilamenten, Kohlenstoffnanoröhrchen, offenzelligem Kohlenstoffschaum, einer Kohlenstoffmatte, Kohlenstofffilz, Kohlenstoff Buckminsterfulleren („Bucky Balls“), einer wässrigen Kohlenstoffsuspension, Flockengraphit, oxidiertem Kohlenstoff und Kombinationen davon.
11. Blei-Säure-Batterieseparator nach Ausführungsform 1, wobei das genannte leitfähige Element eine spezifische Oberfläche von mindestens ungefähr 1.250 m²/g bis ungefähr 1.750 m²/g aufweist.
12. Blei-Säure-Batterieseparator nach Ausführungsform 1, wobei das genannte leitfähige Element eine spezifische Oberfläche von mindestens ungefähr 1.750 m²/g aufweist.
13. Blei-Säure-Batterieseparator nach Ausführungsform 1, wobei das genannte leitfähige Element oder Nukleierungsadditiv innerhalb der genannten porösen Membran ist.
14. Blei-Säure-Batterieseparator nach Ausführungsform 1, wobei das genannte leitfähige Element oder Nukleierungsadditiv auf einer Oberfläche der genannten porösen Membran ist.
15. Blei-Säure-Batterieseparator nach Anspruch 1, wobei das genannte leitfähige Element oder Nukleierungsadditiv auf die genannte Oberfläche der genannten porösen Membran, des Gitterstoffs und/oder der Matte durch ein Verfahren aufgebracht wird, das ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus: Walzbeschichtung, chemischer Dampfabscheidung, Coextrusion, einer kontrollierten Verbrennung der genannten Oberfläche bis zur Verkohlung, einer kontrollierten Verbrennung der genannten Oberfläche durch Plasmaexposition, einer kontrollierten Verbrennung der genannten Oberfläche durch UV-Bestrahlung, Tonerdruck, Tintenstrahldruck, Flexographiedruck, Lithographiedruck, Aufschlämmungsbeschichtung, Aufsprühen einer wässrigen Kohlenstoffsuspension, Imprägnierung und Kombinationen davon.
16. Blei-Säure-Batterieseparator nach Ausführungsform 1, wobei die genannte poröse Membran ein AGM-Separator ist oder einem AGM-Separator benachbart ist.
17. Blei-Säure-Batterieseparator nach Ausführungsform 2, wobei die genannte poröse Membran einen partikelartigen Füllstoff umfasst.
18. Blei-Säure-Batterieseparator nach Ausführungsform 17, wobei das genannte leitfähige Element oder Nukleierungsadditiv auf der genannten Oberfläche der genannten porösen Membran mit einer Menge eines partikelartigen Füllstoffs ist.
19. Blei-Säure-Batterieseparator nach den Ausführungsform 17 oder 18, wobei der genannte partikelartige Füllstoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: trockenem fein zerteilten Siliciumdioxid, gefälltem Siliciumdioxid, amorphem Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Talk und Kombinationen davon.
20. Blei-Säure-Batterieseparator nach Ausführungsform 2, wobei die genannte poröse Membran ein leistungsverstärkendes Additiv umfasst.
21. Blei-Säure-Batterieseparator nach Ausführungsform 20, wobei das genannte leistungsverstärkende Additiv ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einem grenzflächenaktiven Mittel, Netzmitteln, Färbemitteln, antistatischen Additiven, UV-Schutzmitteln, Antioxidantien und Kombinationen davon.
22. Blei-Säure-Batterieseparator nach Ausführungsform 1, wobei die genannte poröse Membran eines von der Gruppe umfasst, bestehend aus: durchgehenden Rippen, diskreten durchbrochenen Rippen, kontinuierlichen Rippen, diskontinuierlichen Rippen, diskontinuierlichen Spitzen, diskontinuierlichen Vorsprüngen, abgewinkelten Rippen, linearen Rippen, Längsrippen, die sich im Wesentlichen in einer Maschinenrichtung der genannten porösen Membran erstrecken, lateralen Rippen, die sich im Wesentlichen in einer Maschinenquerrichtung der genannten porösen Membran erstrecken, transversalen Rippen, die sich im Wesentlichen in der genannten Maschinenquerrichtung des Separators erstrecken, diskreten Zähnen, gezahnten Rippen, Verzahnungen, verzahnten Rippen, Zinnen, Rippen mit Zinnen, gekrümmten Rippen, sinusförmigen Rippen, die in einer kontinuierlichen Zick-Zack-Sägezahn-artigen Weise angeordnet sind, die in einer durchbrochenen diskontinuierlichen ZickZack-Sägezahn-artigen Weise angeordnet sind, Rillen, Kanälen, texturierten Bereichen, Prägungen, Vertiefungen, Säulen, Minisäulen, porösen, nicht porösen Minirippen, Miniquerrippen und Kombinationen davon.
23. Blei-Säure-Batterie, umfassend:
- einen Elektrolyten,
- eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und einen dazwischen angeordneten Separator, und
- eines oder mehrere von einem leitfähigen Element oder einem Nukleierungsadditiv.
24. Blei-Säure-Batterie nach Ausführungsform 23, wobei das genannte leitfähige Element eine spezifische Oberfläche von mindestens ungefähr 1.250 m²/g bis ungefähr 1.750 m²/g aufweist.
25. Blei-Säure-Batterie nach Ausführungsform 23, wobei das genannte leitfähige Element eine spezifische Oberfläche von mindestens ungefähr 1.750 m²/g aufweist.
26. Blei-Säure-Batterie nach Ausführungsform 23, ferner umfassend eine dynamische Ladungsaufnahme von ungefähr 0,75 A/Ah bis ungefähr 2,50 A/Ah.
27. Blei-Säure-Batterie nach Ausführungsform 23, wobei das genannte leitfähige Element oder Nukleierungsadditiv in dem genannten Elektrolyten stabil ist.
28. Blei-Säure-Batterie nach Ausführungsform 23, wobei das genannte leitfähige Element oder Nukleierungsadditiv in dem genannten Elektrolyten dispergiert ist.
29. Blei-Säure-Batterie nach Ausführungsform 23, wobei das genannte leitfähige Element oder Nukleierungsadditiv mindestens halbleitfähig ist.
30. Blei-Säure-Batterie nach Ausführungsform 23, wobei der genannte Separator das genannte leitfähige Element oder Nukleierungsadditiv umfasst.
31. Blei-Säure-Batterie nach Ausführungsform 23, wobei das genannte leitfähige Element oder Nukleierungsadditiv mindestens eines von Kohlenstoff und Bariumsulfat ist.
32. Blei-Säure-Batterie nach Ausführungsform 31, wobei der genannte Kohlenstoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: leitfähigem Kohlenstoff, Graphit, künstlichem Graphit, Aktivkohle, Kohlepapier, Acetylenruß, Ruß, Ruß mit großer Oberfläche, Graphen, Graphen mit großer Oberfläche, Keitjen Black, Kohlefasern, Kohlefilamenten, Kohlenstoffnanoröhrchen, offenzelligem Kohlenstoffschaum, einer Kohlenstoffmatte, Kohlenstofffilz, Kohlenstoff Buckminsterfulleren (Bucky Balls), einer wässrigen Kohlenstoffsuspension, Flockengraphit, oxidiertem Kohlenstoff und Kombinationen davon.
33. Blei-Säure-Batterie nach Ausführungsform 23, wobei das genannte Nukleierungsadditiv Bariumsulfat (BaSO₄) ist.
34. Blei-Säure-Batterie nach Ausführungsform 23, wobei das genannte leitfähige Element oder Nukleierungsadditiv auf einer Oberfläche des genannten Separators ist.
35. Blei-Säure-Batterie nach Ausführungsform 23, wobei das genannte leitfähige Element oder Nukleierungsadditiv der genannten negativen Elektrode benachbart ist.
36. Blei-Säure-Batterie nach Ausführungsform 23, wobei das genannte leitfähige Element oder Nukleierungsadditiv innerhalb des Separators ist.
37. Blei-Säure-Batterie nach Ausführungsform 23, wobei das genannte leitfähige Element oder Nukleierungsadditiv auf die genannte Oberfläche des genannten Separators durch ein Verfahren aufgebracht wird, das ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus: Walzbeschichtung, chemischer Dampfabscheidung, Coextrusion, einer kontrollierten Verbrennung der genannten Oberfläche bis zur Verkohlung, einer kontrollierten Verbrennung der genannten Oberfläche bis zur Verkohlung durch Plasmaexposition, einer kontrollierten Verbrennung der genannten Oberfläche bis zur Verkohlung durch UV-Bestrahlung, Tonerdruck, Tintenstrahldruck, Flexographiedruck, Lithographiedruck, Aufschlämmungsbeschichtung, Aufsprühen einer wässrigen Kohlenstoffsuspension und Kombinationen davon.
38. Blei-Säure-Batterie nach Ausführungsform 23, wobei der genannte Separator mindestens eines umfasst von: einem Batteriepapier, einem Gitterstoff, einer mikroporösen Membran und Kombinationen davon.
39. Blei-Säure-Batterie nach Ausführungsform 23, wobei der genannte Separator mindestens eines von der Gruppe umfasst, bestehend aus: Polyolefin, Polyethylen, Polypropylen, Kautschuk, Polyvinylchlorid, Phenolharzen, cellulosischem, synthetischen Zellstoff, Glasfasern, synthetischen Fasern, Naturkautschuken, Synthesekautschuken, Latex, Bisphenolformaldehyd und Kombinationen davon.
40. Blei-Säure-Batterieseparator nach Ausführungsform 39, wobei der genannte Separator Polyethylen ist.
41. Blei-Säure-Batterieseparator nach Ausführungsform 40, wobei das genannte Polyethylen ein Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht ist.
42. Blei-Säure-Batterieseparator nach Ausführungsform 23, wobei der genannte Separator ein AGM-Separator ist.
43. Blei-Säure-Batterie nach Ausführungsform 23, wobei die genannte Batterie ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einer Batterie mit flachen Platten, einer mit Blei-Säure gefluteten Batterie, einer verstärkten mit Blei-Säure gefluteten Batterie, einer zyklenfesten Batterie, einer absorptiven Glasmatten-Batterie, einer rohrförmigen Batterie, einer Inverterbatterie, einer Fahrzeugbatterie, einer SLI Batterie, einer ISS Batterie, einer Autobatterie, einer Lastwagenbatterie, einer Motorradbatterie, einer Geländefahrzeug-Batterie, einer Gabelstapler-Batterie, einer Golfcart-Batterie, einer Hybrid-Elektrofahrzeug-Batterie, einer Elektrofahrzeug-Batterie, einer e-Rikscha-Batterie, einer e-Trike-Batterie und einer e-Bike-Batterie.
44. Blei-Säure-Batterie nach einem der Ausführungsform 23 bis 37, wobei die genannte Batterie in einem Teilladungszustand arbeitet.
45. Blei-Säure-Batterie nach einem der Ausführungsform 23 bis 37, wobei die genannte Batterie arbeitet, während sie in Bewegung ist.
46. Blei-Säure-Batterie nach einem der Ausführungsform 23 bis 37, wobei die genannte Batterie arbeitet, während sie stationär ist.
47. Fahrzeug, umfassend:
- eine Blei-Säure-Batterie mit Elektroden, einem Elektrolyten, mindestens einem Separator und mindestens einem von einem leitfähigen Element und einem Nukleierungsadditiv.
48. Fahrzeug nach Ausführungsform 47, wobei das genannte leitfähige Element oder Nukleierungsadditiv mindestens eines von Kohlenstoff und Bariumsulfat ist.
49. Fahrzeug nach Ausführungsform 48, wobei der genannte Kohlenstoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: leitfähigem Kohlenstoff, Graphit, künstlichem Graphit, Aktivkohle, Kohlepapier, Acetylenruß, Ruß, Ruß mit großer Oberfläche, Graphen, Graphen mit großer Oberfläche, Keitjen Black, Kohlefasern, Kohlefilamenten, Kohlenstoffnanoröhrchen, offenzelligem Kohlenstoffschaum, einer Kohlenstoffmatte, Kohlenstofffilz, Kohlenstoff Buckminsterfulleren (Bucky Balls), einer wässrigen Kohlenstoffsuspension, Flockengraphit, oxidiertem Kohlenstoff und Kombinationen davon.
50. Fahrzeug nach Ausführungsform 47, wobei das genannte leitfähige Element oder Nukleierungsadditiv Bariumsulfat (BaSO₄) ist.
51. Fahrzeug nach Ausführungsform 47, wobei das genannte leitfähige Element oder Nukleierungsadditiv in und/oder auf mindestens einer Oberfläche mindestens eines der genannten Separatoren ist.
52. Fahrzeug nach Ausführungsform 47, wobei das genannte leitfähige Element oder Nukleierungsadditiv auf jedem und/oder innerhalb jedes der genannten Separatoren ist.
53. Fahrzeug nach einer der Ausführungsformen 45 und 46, wobei das genannte leitfähige Element oder Nukleierungsadditiv auf mindestens eine Oberfläche jedes des genannten einen oder der mehreren Separatoren durch ein Verfahren aufgebracht wird, das ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus: Walzbeschichtung, chemischer Dampfabscheidung, Coextrusion, einer kontrollierten Verbrennung der genannten Oberfläche bis zur Verkohlung, einer kontrollierten Verbrennung der genannten Oberfläche bis zur Verkohlung durch Plasmaexposition, einer kontrollierten Verbrennung der genannten Oberfläche bis zur Verkohlung durch UV-Bestrahlung, Tonerdruck, Tintenstrahldruck, Flexographiedruck, Lithographiedruck, Aufschlämmungsbeschichtung, Aufsprühen einer wässrigen Kohlenstoffsuspension und Kombinationen davon.
54. Fahrzeug nach Ausführungsform 47, wobei die genannte Batterie in einem Teilladungszustand arbeitet.
55. Fahrzeug nach Ausführungsform 47, wobei das genannte Fahrzeug eines aus der Gruppe umfasst, bestehend aus: einem Auto, einem Lastwagen, einem Motorrad, einem Geländefahrzeug, einem Gabelstapler, einem Golfcart, einem Hybrid-Elektrofahrzeug, einem Elektrofahrzeug, einer e-Rikscha, einem e-Trike und einem e-Bike.
56. Blei-Säure-Batterieseparator, umfassend:
- eine Fasermatte; und
- eines oder mehrere von einem leitfähigen Element oder einem Nukleierungsadditiv darin und/oder darauf.
57. Blei-Säure-Batterie nach Ausführungsform 56, wobei das genannte leitfähige Element oder Nukleierungsadditiv in und/oder auf der genannten Fasermatte ist, eine Schicht ist, eine Beschichtung ist, und Kombinationen davon.
58. Blei-Säure-Batterie nach Ausführungsform 56, wobei die genannte Fasermatte eines von der Gruppe ist, bestehend aus: einem AGM-Separator, einem Batteriepapier, einem Gitterstoff, einer Membran und Kombinationen davon.
59. Blei-Säure-Batterie nach Ausführungsform 56, wobei das genannte leitfähige Element oder Nukleierungsadditiv mindestens eines von Kohlenstoff und Bariumsulfat ist.
60. Blei-Säure-Batterie nach Ausführungsform 59, wobei der genannte Kohlenstoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: leitfähigem Kohlenstoff, Graphit, künstlichem Graphit, Aktivkohle, Kohlepapier, Acetylenruß, Ruß, Ruß mit großer Oberfläche, Graphen, Graphen mit großer Oberfläche, Keitjen Black, Kohlefasern, Kohlefilamenten, Kohlenstoffnanoröhrchen, offenzelligem Kohlenstoffschaum, einer Kohlenstoffmatte, Kohlenstofffilz, Kohlenstoff Buckminsterfulleren (Bucky Balls), einer wässrigen Kohlenstoffsuspension, Flockengraphit, oxidiertem Kohlenstoff und Kombinationen davon.
61. Verbesserte Separatormembran, verbessertes Batteriepapier, verbesserter Gitterstoff und/oder verbesserte Matte, umfassend mindestens eines von einem leitfähigen Element oder einem Nukleierungsadditiv.
62. Separatormembran, Batteriepapier, Gitterstoff und/oder Matte nach Ausführungsform 61, umfassend mindestens zwei von einem leitfähigen Element oder einem Nukleierungsadditiv.
63. Verbesserter Separator und/oder verbesserte Batterie, wie hier gezeigt oder beschrieben, welche vorzugsweise die aktuellen Nachteile oder Probleme überwinden, indem zum Beispiel Batterien bereitgestellt werden, welche die Bildung von Dendriten mildern, eine verbesserte Ladungsaufnahme aufweisen und/oder eine verbesserte Zyklenleistung aufweisen, wie hier gezeigt oder beschrieben.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9564623 [0092]
US 9876209 [0111]

Claims

Batterieseparator, umfassend: eine poröse Membran, ein Gitterstoff, eine Matte, ein Batteriepapier oder Kombinationen davon, vorzugsweise ein Substrat gebildet durch die poröse Membran, den Gitterstoff, die Matte, das Batteriepapier oder Kombinationen davon, und Kohlenstoff auf mindestens einer Oberfläche der porösen Membran, des Gitterstoffs, der Matte, des Batteriepapiers oder Kombinationen davon, vorzugsweise auf einer Oberfläche des Substrats, wobei der Kohlenstoff eine Oberfläche von mindestens 1.250 m²/g aufweist.
Batterieseparator nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche von 1.250 m²/g bis 1.750 m²/g beträgt.
Batterieseparator nach Anspruch 1, wobei die poröse Membran Polyolefin, Polyethylen, Polypropylen, Kautschuk, Polyvinylchlorid, Phenolharze, cellulosischen, synthetischen Zellstoff, Glasfasern, synthetische Fasern, Naturkautschuke, Synthesekautschuke, Latex, Bisphenolformaldehyd oder Kombinationen davon umfasst.
Batterieseparator nach Anspruch 3, wobei die poröse Membran ein Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMWPE) umfasst.
Batterieseparator nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Separator, vorzugsweise das Substrat, eine poröse Membran und einen Gitterstoff umfasst.
Batterieseparator nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Separator, vorzugsweise das Substrat eine poröse Membran und eine Matte umfasst.
Batterieseparator nach Anspruch 6, wobei die Matte eine Fasermatte ist.
Batterieseparator nach Anspruch 7, wobei die Fasermatte gewebt, nicht gewebt, ein Vlies, ein Geflecht oder ein Netz ist.
Batterieseparator nach Anspruch 7, wobei die Fasermatte Glasfasern, synthetische Fasern oder Kombinationen davon umfasst.
Batterieseparator nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Separator, vorzugsweise das Substrat, ein Batteriepapier umfasst.
Blei-Säure-Batterieseparator nach Anspruch 1, wobei der Kohlenstoff auf mindestens einer Oberfläche der porösen Membran, des Gitterstoffs, der Matte, dem Batteriepapier oder Kombinationen davon, vorzugsweise auf der Oberfläche des Substrats, gemeinsam mit fein zerteiltem Siliciumdioxid, gefälltem Siliciumdioxid, amorphem Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Talk oder Kombinationen davon ist.
Blei-Säure-Batterieseparator nach Anspruch 1, wobei der Separator ein absorptiver Glasmatten-(AGM) Separator ist.
Blei-Säure-Batterie, umfassend eine negative Elektrode, eine positive Elektrode, den Separator nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und einen Elektrolyten.
Blei-Säure-Batterie nach Anspruch 13, wobei die Oberfläche der porösen Membran, des Gitterstoffs, der Matte, dem Batteriepapier oder Kombinationen davon, vorzugsweise des Substrats, mit dem Kohlenstoff darauf der negativen Elektrode zugewandt ist.
Blei-Säure-Batterie nach Anspruch 13, wobei die Oberfläche der porösen Membran, des Gitterstoffs, der Matte, dem Batteriepapier oder Kombinationen davon, vorzugsweise des Substrats, mit dem Kohlenstoff darauf der positiven Elektrode zugewandt ist.
Blei-Säure-Batterie nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Batterie eine geflutete Batterie oder eine absorptive Glasmatten- (AGM) Batterie ist.