-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine alkalische Speicherbatterie,
insbesondere auf eine Verbesserung des darin verwendeten Separators.
-
In
den letzten Jahren haben alkalische Speicherbatterien wie Nickel-Cadmium-Speicherbatterien
und Nickel-Metallhydrid-Speicherbatterien als Energiequelle zum
Betreiben von elektrischen Fahrzeugen Aufmerksamkeit auf sich gezogen,
weil erwartet wird, dass diese Batterien eine hohe Ausgangsspannung,
eine hohe Energiedichte und eine lange Zyklenlebensdauer besitzen.
Daher steigt der Bedarf nach einer weiteren Verbesserung der Leistung
derartiger alkalischer Speicherbatterien.
-
Als
eine Gegenmaßnahme
zum Verbessern der Leistung der alkalischen Speicherbatterien wird
ein Separator zum Abtrennen einer positiven Elektrode von einer
negativen Elektrode untersucht. Für die Separatoren in alkalischen
Speicherbatterien wurde ein Vliesstoff verwendet, zusammengesetzt
aus Fasern, hergestellt aus einem Olefinharz wie Polypropylen oder
einem Amidharz. Der aus dem Amidharz hergestellte Separator zeigt
eine hohe flüssigkeitsabsorbierende
Eigenschaft, weil das Amidharz eine sehr hydrophile Eigenschaft
besitzt. Allerdings hat das Amidharz eine geringe Alkali-Beständigkeit
und Wärmebeständigkeit.
Daher kann der aus dem Amidharz hergestellte Separator nicht über einen
langen Zeitraum bei einer hohen Temperatur stabil bleiben, was anzunehmen
ist in einem Fall, wenn die Batterie in einem elektrischen Fahrzeug
verwendet wird.
-
Aus
diesem Grund widmen sich die Untersuchungen hauptsächlich der
Verbesserung des Separators, hergestellt aus dem Olefinharz, welches
ausgezeichnet ist in der mechanischen Festigkeit, der Alkali-Beständigkeit
und der Wärmebeständigkeit.
Allerdings zeigt der Separator, der aus dem Olefinharz hergestellt
ist, eine geringe flüssigkeitsabsorbierende
Eigenschaft für
einen Elektrolyt, weil das Olefinharz eine geringe hydrophile Eigenschaft
besitzt. Daher wurden zahlreiche Verfahren zum Erhöhen der
hydrophilen Eigenschaft und der flüssigkeitsabsorbierenden Eigenschaft
des Separators vorgeschlagen, um somit die Lebensdauereigenschaften
und die Entladungseigenschaften der Batterie zu verbessern.
-
Beispielsweise,
gemäß der offengelegten
japanischen Patentveröffentlichung
Sho 62-115657 oder der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung
Sho 64-57568 wird
die hydrophile Eigenschaft eines Separators, hergestellt aus einem
Olefinharz, welches eine schlechte hydrophile Eigenschaft aufweist,
durch eine Sulfonierungsbehandlung verbessert, in welcher der Separator
in eine konzentrierte Sulfonsäure
eingetaucht wird. Allerdings weist die Sulfonierungsbehandlung ein
Problem des Verringerns einer mechanischen Festigkeit des Separators
auf, weil die Behandlung zu einem Trennen der Kohlenstoff-Kohlenstoffbindungen
im Harz führt.
-
Ferner
schlägt
die offengelegte japanische Patentveröffentlichung Hei. 7-130392
ein Verfahren vor zum Verbessern einer hydrophilen Eigenschaft eines
Separators durch Anwenden eines oberflächenaktiven Stoffes, welcher
Sulfongruppen enthält,
bei dem Separator. Auch wenn alkalische Speicherbatterien, ausgestattet
mit derartigen Separatoren, günstige
Eigenschaften bei Raumtemperatur zeigen, können sie keine ausreichenden
Lebensdauereigenschaften bei hoher Temperatur aufweisen, weil sich
der oberflächenaktive
Stoff allmählich
von der Oberfläche
des Separators löst.
-
JP 04036954 offenbart einen
Separator, hergestellt aus einem Gemisch von zwei Gruppen von Polypropylenfasern,
einer mit einem mittleren Faserdurchmesser unter 5 μm, und die
andere mit einem mittleren Faserdurchmesser oberhalb von 5 μm.
-
Zwischenzeitlich
wird ein weiteres Mittel zum Verbessern der Entladungseigenschaften
einer alkalischen Speicherbatterie untersucht, um einen Separator
dünner
zu machen. Die verringerte Dicke des Separators beeinflusst herabgesetzte
elektrische und physikalische Widerstände zwischen einer positiven
Elektrode und einer negativen Elektrode, und beeinflusst auch einen
erhöhten
Anteil eines Raums, besetzt durch die Elektroden, die an einer elektrochemischen
Reaktion der Batterie teilnehmen. Allerdings, im Falle des Dünnermachens
des Separators durch einfaches Verringern einer Menge oder der Stücke von
Fasern pro Flächeneinheit
(das sogenannte „METSUKE"), wird die flüssigkeitsabsorbierende
Eigenschaft des Separators für
einen Elektrolyt verringert, und die Kapazität der Batterie wird auch verringert.
Zusätzlich,
weil die mechanische Festigkeit des Separators verringert wird,
ist wahrscheinlich, dass der Separator zum Zeitpunkt des Zusammenbauens
der Batterie beschädigt
wird. Kurzschließen
zwischen den Elektroden tritt auch leicht nach dem Zusammenbau auf.
In einem Fall des Verringerns eines Durchmessers der Faser, während die
Stücke
der Fasern bei der der konventionellen beibehalten werden, ist es
möglich,
die Dicke des Separators zu verringern, während die flüssigkeitsabsorbierende
Eigenschaft für
den Elektrolyt und die Kurzschluss-Resistenz beibehalten wird. Allerdings
steigt die Gefahr des Verringerns der mechanischen Festigkeit und
des Beschädigens
des Separators.
-
Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die obenstehenden Probleme
zu lösen,
und eine alkalische Speicherbatterie bereitzustellen, die in der
Zuverlässigkeit
und der Leistung bei einer hohen Temperatur ausgezeichnet ist. Die
alkalische Speicherbatterie wird durch Anwenden eines Separators
realisiert, der eine ausreichende mechanische Festigkeit hat, der
nicht beschädigt
wird beim Zusammenfügen
oder bei Betrieb und in dauerhafter Weise eine ausgezeichnete Elektrolyt-absorbierende
Eigenschaft bei einer hohen Temperatur von 40°C oder höher aufweist.
-
Eine
alkalische Speicherbatterie der vorliegenden Erfindung umfasst:
eine Elektrodengruppe, aufgebaut aus positiven Elektroden und negativen
Elektroden, die abwechselnd gestapelt sind, und dazwischen eingefügten Separatoren;
und ein Batteriegehäuse,
das die Elektrodengruppe unterbringt, wobei die Separatoren hergestellt
sind aus Vliesstoff eines Olefinharzes mit Fasern mit Durchmessern
in einem Bereich von 3 bis 10 μm
als Hauptbestandteil, und weiteren Fasern mit Durchmessern in einem
Bereich von 20 bis 40 μm,
enthalten zu 1/200 bis 1/10 der gesamten Fasern.
-
Es
wird bevorzugt, dass die Separatoren Sulfongruppen haben, die auf
ihren Oberflächen
eingeführt sind.
-
Es
wird auch bevorzugt, dass das Olefinharz Polypropylen ist.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es möglich,
einen Separator bereitzustellen, der in dauerhafter Weise eine hohe
Elektroden-absorbierende Eigenschaft zeigt, sogar bei einer hohen
Temperatur, und eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit besitzt.
Durch Anwendung des Separators wird es möglich, eine alkalische Speicherbatterie
bereitzustellen, die eine ausgezeichnete Zykluslebensdauer bei einer
hohen Temperatur hat.
-
Während die
neuen Merkmale der Erfindung insbesondere in den beigefügten Ansprüchen dargelegt werden,
wird die Erfindung sowohl bezüglich
des Aufbaus, als auch bezüglich
des Inhalts zusammen mit anderen Objekten und deren Merkmalen anhand
der folgenden ausführlichen
Beschreibung, in Zusammenhang mit den Zeichnungen, besser verstanden.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
-
1 ist
ein Diagramm, das Veränderungen
der Kapazität
mit Ladungs-/Entladungs-Zyklen einer alkalischen Speicherbatterie
des Beispiels der vorliegenden Erfindung zeigt.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN
BEISPIELS
-
In
den folgenden Absätzen
wird ein bevorzugtes Beispiel der vorliegenden Erfindung mit Bezug
auf die Zeichnung ausführlich
beschrieben.
-
Im
folgenden Beispiel wurde Polypropylen als ein Beispiel eines Olefinharzes
für das
Material des Separators verwendet.
-
BEISPIEL
-
Eine
Polypropylenfaser, zusammengesetzt aus dünneren Fasern von 3 bis 10 μm im Durchmesser, und
einer weiteren Faser, hergestellt aus dem gleichen Polypropylen
und zusammengesetzt aus dickeren Fasern von 20 bis 40 μm im Durchmesser,
wurden bei den jeweiligen Verhältnissen
gegenseitig gemischt, um Separatoren aus Vliesstoff zu erhalten,
die eine Dicke von etwa 210 μm
und ein Gewicht von 70 bis 80 g/m2 besitzen.
Die dünneren
Fasern, die hier verwendet wurden, waren durch Aufteilen der dickeren
Fasern in mehrere dünnere
Fasern hergestellt worden.
-
Die
jeweiligen Eigenschaften der hergestellten Separatoren wurden untersucht.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle
1
-
Wie
in Tabelle 1 gezeigt, zeigt der allein aus dünneren Fasern hergestellte
Separator eine hohe Elektrolyt-absorbierende Rate. Dies ist auf
die Tatsache zurückzuführen, dass
der Separator unter Verwendung der dünneren Fasern mit einem Elektrolyt
bei einer größeren Oberfläche in Kontakt
kommen kann, und diesen in einfacher Weise tragen kann, weil der
Separator eine größere spezifische
Oberfläche
und kleinere Lücken
zwischen den Fasern besitzt. Allerdings besitzt der allein aus der
dünneren
Faser bestehende Separator eine geringe Festigkeit von etwa 1/5mal
derjenigen des Separators, der allein aus den dickeren Fasern besteht.
Er birgt daher eine hohe Gefahr des Zerstörtwerdens zum Zeitpunkt des
Zusammenfügens
einer Batterie, oder während
des Betriebs nach dem Zusammenfügen.
Der allein aus den dickeren Fasern bestehende Separator, dagegen,
besitzt eine geringe Elektrolyt-absorbierende Rate, weil er eine geringere
spezifische Oberfläche und
größere Lücken zwischen
den Fasern besitzt.
-
Im
Gegensatz dazu zeigt der Separator, der ein Stück der dickeren Faser pro 200
Stücke
enthält,
eine größere Zugfestigkeit,
während
die Elektrolyt-absorbierende Rate beibehalten wird, um im Wesentlichen
derjenigen zu gleichen, bei der der Separator allein aus den dünneren Fasern
besteht. Durch diese Verbesserung in der Festigkeit ist es möglich geworden,
in hohem Maße
das Auftreten der Rate der Beschädigung
insbesondere beim Zusammenfügen
zu verringern.
-
Ferner
kann der Separator, der ein Stück
der dickeren Fasern pro 10 Stücke
enthält,
die Elektrolytabsorbierende Rate verbessern, während die Festigkeit beibehalten
wird, um im Wesentlichen gleich derjenigen zu sein, bei der der
Separator allein aus den dickeren Fasern besteht.
-
Daher
wird es möglich,
einen Separator für
eine alkalische Speicherbatterie zu erhalten, welcher eine ausreichende
mechanische Festigkeit und eine hohe Elektrolyt-absorbierende Eigenschaft
bei einer hohen Temperatur besitzt, durch Bewerkstelligen, dass
der Separator aus dem Vliesstoff hauptsächlich aus Olefinharz-Fasern
besteht, die einen Durchmesser von 3 bis 10 μm aufweisen, und dass er weitere
Olefinharz-Fasern
eines Durchmessers von 20 bis 40 μm
bei 1/200 bis 1/10 enthält.
-
Ein
Vliesstoff, der 10 Stücke
der dickeren Fasern pro 100 Stücke
enthält,
wurde einer Sulfonierungsbehandlung des Eintauchens in konzentrierte
Schwefelsäure
unterzogen, neutralisiert und danach mit Wasser gewaschen, um einen
Separator für
eine alkalische Speicherbatterie zu erhalten.
-
Durch
Anwenden der somit erhaltenen Separatoren wurde eine Nickel-Metallhydrid-Speicherbatterie in
der folgenden Weise aufgebaut.
-
Eine
positive Elektrode wurde wie folgt hergestellt. Zuerst wurde eine
Paste, die ein aktives Material aus Nickelhydroxidpulver und Cobaltoxidpulver
als Hauptbestandteile enthält,
hergestellt. Danach wurde eine geschäumte Nickelplatte als Hülse mit
der somit hergestellten Paste gefüllt, getrocknet, gepresst und
danach zu einer festgelegten Größe geschnitten,
um auf diese Weise eine positive Elektrode herzustellen.
-
Eine
negative Elektrode wurde wie folgt hergestellt. Zuerst wurde ein
Wasserstoffspeicher-Legierungspulver mit einer Zusammensetzung von
MmNi3,7Al0,3Mn0,4Co0,6 (Mm: Mischmetall)
zu einer Paste mit Styrol-Butadien-Kautschuk und einer wässrigen
Lösung
von Carboxymethylcellulose geknetet. Danach wurde diese Paste auf
eine gelochte Metallschicht aufgebracht, getrocknet und gepresst.
Danach wurde die gelochte Metallschicht zu einer festgelegten Größe geschnitten,
um somit eine negative Elektrode herzustellen.
-
Die
somit erhaltenen positiven Elektroden und negativen Elektroden wurden
abwechselnd mit den dazwischen eingefügten Separatoren gestapelt,
um eine Elektrodengruppe herzustellen. Die Elektrodengruppe wurde
dann in einem Batteriegehäuse
untergebracht, um somit eine verschlossene Nickel-Metallhydrid-Speicherbatterie
mit einer Nominal-Batteriekapazität von 100 Ah zu erhalten.
-
Vergleichsbeispiel 1
-
Ein
Vliesstoff, bestehend allein aus dickeren Fasern, wurde einer ähnlichen
Sulfonierungsbehandlung unterzogen, um somit einen Separator zu
erhalten. Durch Anwenden der somit erhaltenen Separatoren wurde eine weitere
verschlossene Nickel-Metallhydrid-Speicherbatterie, ähnlich der des Beispiels, zusammengefügt.
-
Vergleichsbeispiel 2
-
Noch
eine weitere verschlossene Nickel-Metallhydrid-Speicherbatterie, ähnlich der des Beispiels, wurde
durch Anwenden der Separatoren des gleichen Vliesstoffes wie in
Vergleichsbeispiel 1 zusammengefügt, behandelt
mit einem Sulfonat-basierenden oberflächenaktiven Stoff und einem
nicht-ionischen oberflächenaktiven
Stoff anstelle der Sulfonierungsbehandlung.
-
Eine
Untersuchung wurde durchgeführt
bezüglich
der Ladungs-/Entladungs-Eigenschaften der verschlossenen Nickel-Metallhydrid-Speicherbatterien
des Beispiels und der Vergleichsbeispiele, die oben erhalten wurden.
Messungen wurden durchgeführt
durch Wiederholen eines Zyklus des Aufladens bei einem Strom von
0,3 CmA bis zu einer Ladungstiefe von 90% bei einer Außentemperatur
von 45°C,
und des Entladens bei einem Strom von 0,3 CmA, bis die abschließende Spannung
auf 1 Volt fiel. Die Ergebnisse sind in 1 gezeigt.
-
Wie
in 1 gezeigt, zeigt die Batterie des Beispiels eine
ausgezeichnete Zyklus-Eigenschaft, weil die spezifische Oberfläche des
Separators groß ist,
und eine Menge des absorbierten Elektrolyts ist dementsprechend
groß,
verglichen mit der Batterie des Vergleichsbeispiels 1, welche die
Separatoren verwendet, erhalten durch Unterziehen des Vliesstoffes,
bestehend allein aus den dickeren Fasern, der Sulfonierungsbehandlung. Ferner,
im Vergleich mit der Batterie des Vergleichsbeispiels 2, welche
die Separatoren verwendet, erhalten durch Unterziehen des Vliesstoffes,
bestehend allein aus dickeren Fasern, der Behandlung mit den oberflächenaktiven
Stoffen, wird die Zyklus-Eigenschaft in hohem Maße verbessert. Dies ist auf
die Tatsache zurückzuführen, dass
der in der Batterie des Beispiels verwendete Separator eine dauerhafte
hydrophile Eigenschaft zeigt, sogar bei einer hohen Temperatur,
wegen seiner großen
spezifischen Oberfläche
und der beibehaltenen Elektrolyt-absorbierenden Eigenschaft, wohingegen
in der Batterie des Vergleichsbeispiels 2 sich die auf die Oberfläche der
Separatoren aufgebrachten oberflächenaktiven
Stoffe von den Separatoren lösten
und die hydrophile Eigenschaft der Separatoren dementsprechend abnahm.
-
Wie
obenstehend beschrieben, kann ein Vliesstoff, der eine ausreichende
mechanische Festigkeit und eine große spezifische Oberfläche besitzt,
erhalten werden durch Verwenden von Fasern mit geringem Faserdurchmesser
als Hauptbestandteil, und Vermischen mit Fasern mit großem Faserdurchmesser.
Durch Unterziehen des Vliesstoffes einer Sulfonierungsbehandlung
wird ein Separator mit einer hohen Elektrolyt-absorbierenden Eigenschaft
erhalten. Ferner, weil eine ausreichende Elektrolyt-absorbierende
Eigenschaft erhalten wird, selbst wenn der Grad der Sulfonierungsbehandlung
kleiner gemacht wird, verglichen mit dem konventionellen Separator,
ist es möglich,
eine durch die Sulfonierungsbehandlung verursachte Verringerung
der mechanischen Festigkeit zu unterdrücken.
-
Der
Separator, der dickere Fasern und dünnere Fasern umfasst, kann
erhalten werden durch Mischen der vorher hergestellten dickeren
Fasern mit dünneren
Fasern, wie in den obenstehenden Beispielen. Zusätzlich kann ein ähnlicher
Separator auch durch ein bekanntes Verfahren erhalten werden, beispielsweise
ein Verfahren, das ein Auftrennen der dickeren Fasern in mehrere
dünnere
Fasern durch Ausströmen
eines Hochdruck-Wasserstrahls auf einen Vliesstoff, der allein aus
dickeren Fasern hergestellt worden ist, einbezieht.
-
Auch
wenn die vorliegende Erfindung anhand der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen
beschrieben wurde, sollte verstanden werden, dass eine derartige
Offenbarung nicht als einschränkend
aufgefasst werden soll. Zahlreiche Veränderungen und Modifikationen
werden dem Fachmann, an den die vorliegende Erfindung gerichtet
ist, zweifelsfrei ersichtlich sein, nachdem dieser die obige Offenbarung
gelesen hat.
