DE69911470T2

DE69911470T2 - In situ hergestellter batterieseparator

Info

Publication number: DE69911470T2
Application number: DE69911470T
Authority: DE
Inventors: Firestone Samuel REICHERT; Shou-Hua Bernice CHANG; Kevin Keough; C. Andrew HARVEY; Francis Robert KOVAR; M. Thomas TIANO
Original assignee: Eveready Battery Co Inc
Current assignee: Edgewell Personal Care Brands LLC
Priority date: 1998-12-18
Filing date: 1999-12-17
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2019-12-18
Also published as: DE69911470D1; AU2370600A; JP2002532853A; DE69911470T3; US20010012580A1; US6656630B2; CA2354479A1; ATE250283T1; EP1149426B2; CN1348613A; US6203941B1; HK1040830B; JP4481505B2; WO2000036672A1; EP1149426B1; HK1040830A1; EP1149426A1; CN1186830C

Description

Diese Erfindung betrifft Batterien und insbesondere Separatoren für alkalische Zellen.
Alkalische Batterien sind in der Form allgemein zylindrisch und umfassen eine ringförmige Kathode, angeordnet zwischen dem äußeren Gehäuse der Batterie oder dem Behälter und dem Anodenmaterial, das ein zylindrisches Volumen mit einer longitudinalen Achse belegt, die allgemein mit derjenigen der Batterie und des Behälters übereinstimmt. Zwischen der Kathode und dem Anodenmaterial ist ein Separator angeordnet, der die Kathode von dem Anodenmaterial elektrisch isoliert, der aber ein Elektrolyt absorbiert und einen Wassemansport und einen Ionentransfer zwischen den Elektroden erlaubt. Bislang sind die Separatoren, die in alkalischen Batterien verwendet werden, allgemein auf kommerziell erhältliche Batterieseparatorpapiere und Zellophanfilme beschränkt gewesen.
Während sich ein herkömmliches Batterieseparatorpapier als zufrieden stellend erwiesen hat, würde es wünschenswert sein, Verfahren und Materialien bereitzustellen, die erlauben würden, dass der Separator bei geringeren Kosten unter Verwendung eines vereinfachten Prozesses und einer vereinfachten Vorrichtung installiert wird. Insbesondere ist das Gerät, das zum Schneiden und Anordnen der Papierseparatoren in die Batterien hinein verwendet wird, relativ kompliziert und kostenaufwändig. Zusätzlich erfordert die Vorbereitung des Geräts, das zum Schneiden und Anordnen der Papierseparatoren in die Batterien hinein verwendet wird, eine Probennahme des Papiers, welches zum Bilden der Separatoren verwendet wird, und Einstellungen des Geräts in Abhängigkeit von den besonderen Eigenschaften des Papiers, welches gerade verwendet wird.
Ein anderes Problem mit der Verwendung von Papierseparatoren besteht darin, dass eine Prozesszuverlässigkeit zu dem inneren Durchmesser der Kathode empfindlich ist. Z.B. können Veränderungen in dem internen Durchmesser der Kathode entlang der longitudinalen Länge der Batterie zu Gebieten führen, bei denen der Separator die Kathode nicht eng kontaktiert. Ferner beeinträchtigen Änderungen in dem Anodenkorbvolumen das Zellenbetriebsverhalten. Infolgedessen kann das Übergangsgebiet für einen ionischen Transport wesentlich verringert werden im Vergleich mit einer Batterie, die einen Separatorkorb mit einem internen Durchmesser aufweist, der sich entlang entweder der longitudinalen oder radialen Richtung nicht ändert, und bei der der Separator im Wesentlichen in einem kontinuierlichen Kontakt entlang der gesamten internen zylindrischen Oberfläche der Kathode ist.
Ein anderes Problem mit Papierseparatoren ist, dass wegen der relativ komplizierten Vorgänge, die zum Anordnen der Separatoren in die Batterien hinein benötigt werden, lange Prozesszykluszeiten benötigt werden und eine Prozessfähigkeit allgemein niedrig ist und sich stark zwischen Maschinen und sogar für irgendeine besondere Maschine verändert.
Ein noch weiterer Nachteil mit Papierseparatoren besteht darin, dass das Papier einen wesentlichen Betrag des Volumens innerhalb der Zelle belegt, was wiederum eine beträchtliche Menge von Elektrolyt erfordert, um den Separator zu benetzen. Papierseparatoren arbeiten gut, wenn sie nass sind, und weniger effizient, wenn sie nur feucht sind.
Ferner kontaktiert das Papier die Kathode über der gesamten Kathoden/Separator-Schnittstelle nicht eng, insbesondere an dem Boden des Separators, wo die Faltungen auftreten, die durch ein nicht verwendetes Volumen innerhalb der Zelle verursacht werden. Seitennähte von herkömmlichen Papierseparatoren verbrauchen ebenfalls das Zellenvolumen. Ein noch weiterer Nachteil mit herkömmlichen Papierseparatoren ist, dass die Defektrate größer als gewünscht ist.
Ein alternatives Verfahren zum Erstellen einer elektrochemischen Zelle, das nicht die Verwendung eines Papierseparators bedingt, umfasst die Bildung eines Polystyrol-Separators durch Anordnen einer vorgegebenen Menge einer Polystyrol-Lösung direkt auf der Oberfläche einer Kathode und durch Entfernen des organischen Lösungsmittels, wodurch eine im Wesentlichen kontinuierliche Beschichtung auf der Oberfläche der Kathode zurückgelassen wird. Dieses Verfahren ist allgemein unerwünscht und unpraktisch, weil es die Anordnung einer Verstärkungseinrichtung auf der Oberfläche der Kathode vor Anbringung der Lösung, die das Polystyrol enthält, typischerweise erfordert und das Verdampfen von großen Mengen von flüchtigen organischen Lösungsmitteln, wie Methylenchlorid, Tetrahydrofuran, Ethylacetat, Aceton, Benzol, Toluol und Trichlorethylen, erfordert. Das Anordnen einer Verstärkungseinrichtung auf der Oberfläche der Kathode trägt zu den Kosten der Batterie bei und erfordert eine komplizierte Automatisierung vergleichbar mit derjenigen, die zum automatischen Einbringen eines Papierseparators in eine Batterie hinein benötigt wird. Die Verwendung von flüchtigen organischen Lösungsmitteln ist wegen der auf die Gesundheit bezogenen Aspekte (z. B. Giftigkeit), auf die Sicherheit bezogenen Aspekte (z. B. die Entflammbarkeit) sowie der Schwierigkeit und der Kosten, die bei der Vermeidung einer Umweltverschmutzung beteiligt sind, extrem unerwünscht. Einige Lösungsmittel können dann, wenn sie nicht vollständig entfernt werden, das Zellenbetriebsverhalten stark beeinträchtigen.
Es würde deshalb wünschenswert sein, ein verbessertes Verfahren zum Konstruieren einer Batterie unter Verwendung eines Separators bereitstellen zu können, der innerhalb der Batterie ohne Faltvorgänge installiert wird, und die verschiedenen Probleme zu beseitigen, die voranstehend in Bezug auf die Verwendung von herkömmlichen Papierseparatoren und Polystyrol-Separatoren aufgezählt wurden, zu beseitigen. Es würde auch wünschenswert sein, Batterien mit einer verbesserten volumetrischen Effizienz, verbesserten Lösungsmitteltransportcharakteristiken durch den Separator, und einer verbesserten ionischen Leitfähigkeit durch den Separator bereitstellen zu können.
Es wurde hier nun festgestellt, dass die obigen Aufgaben gelöst werden können und die Nachteile mit Papierseparatoren, die voranstehend aufgezählt wurden, beseitigt werden können durch eine Batterie mit einem Separator, der direkt auf einer Elektrode gebildet wird, indem eine Beschichtungsverbindung, die ein Polymer oder ein Gel umfasst, das in einem polaren Lösungsmittel verteilt ist, auf die Oberfläche der Elektrode angebracht und Materialien in der angebrachten Beschichtungsverbindung verfestigt werden.
Dementsprechend stellt in einem ersten Aspekt die vorliegende Erfindung eine Batterie bereit, umfassend erste und zweite Elektroden, ein alkalisches Elektrolyt, und einen ionisch leitenden Separator, der zwischen den Elektroden angeordnet ist, wobei der Separator durch Anwenden einer Beschichtungsverbindung auf die Oberfläche von wenigstens einer der Elektroden und Verfestigen von Material, das in der Beschichtungsverbindung enthalten ist, gebildet wird, wobei die Beschichtungsverbindung ein Gel oder Polymer umfasst, das/der in einem polaren Lösungsmittel verteilt ist, wobei der Separator einen Lösungsmittelgehalt von größer als 50 Gewichts-% aufweist.
In einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bereitstellen eines Separators auf einer Elektrode für eine alkalische Batterie bereit, umfassend die folgenden Schritte:
Anwenden bzw. Anbringen einer flüssigen wasserhaltigen Beschichtungsverbindung auf eine Elektrodenoberfläche; wobei die Beschichtungsverbindung ein Gel oder Polymer aufweist, das/der in einem polaren Lösungsmittel verteilt ist; und
Verfestigen der Beschichtungsverbindung auf der Elektrodenoberfläche, um eine Separatormembran zu bilden, wobei der Separator einen Lösungsmittelgehalt von größer als 50 Gewichts-% aufweist.
Die vorliegende Erfindung wird ferner durch Bezugnahme auf die Zeichnungen verständlich. In den Zeichnungen zeigen:
1–3 ein Verfahren zum Bilden eines Separators direkt auf einer Kathode durch Anbringen bzw. Anwenden einer Beschichtungsverbindung auf die Kathodenoberfläche und dadurch, dass der Beschichtungsverbindung erlaubt wird, sich zu verfestigen; und
4 eine alternative Vorrichtung zum Anbringen bzw. Anwenden einer Beschichtungsverbindung auf eine Kathodenoberfläche einer alkalischen Batterie.
Die Erfindung umfasst Batterien mit einem Separator, der direkt auf einer Elektrode gebildet ist durch Anbringen einer Beschichtungsverbindung auf der Basis eines polaren Lösungsmittels, beispielsweise einer wasserhaltigen Beschichtungsverbindung, auf die Elektrodenoberfläche und dadurch, dass der Beschichtungsverbindung erlaubt wird, sich zu verfestigen. Obwohl die Erfindung vorwiegend in Bezug auf zylindrische Batterien beschrieben wird, ist sie nicht auf die zylindrisch ausgeformten Batterien beschränkt, sondern kann anstelle davon auf Batterien mit verschiedenen anderen Formen angewendet werden.
Der Ausdruck "Beschichtungsverbindung auf der Basis eines polaren Lösungsmittels" bezieht sich auf eine Verbindung, die auf eine Oberfläche unter Verwendung von Flüssigkeitsbeschichtungstechniken angebracht werden kann und bei der der Lösungsmittelabschnitt der Verbindung hauptsächlich aus polaren Molekülen gebildet ist. Beispiele von polaren Lösungsmitteln umfassen Wasser, Alkohol und Schwefelsäure. Die Erfindung wird allgemein in Bezug auf wasserhaltige (wässrige) Beschichtungsverbindungen beschrieben, wobei darauf hingewiesen wird, dass andere polare Lösungsmittel in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
Das Verfahren beinhaltet die Verwendung von verschiedenen herkömmlichen Beschichtungsanbringungstechniken, einschließlich, aber nicht beschränkt auf ein zentrifugales Gießen, eine Rotationsdiskbeschichtung, ein Eintauchgießverfahren, eine elektrostatische Besprühung und eine Thermoausbildung. Andere Anbringungstechniken, die verwendet werden können, umfassen eine Sprühbeschichtung mit einem umgedrehten Behälter, bei der die Beschichtungsverbindung vertikal nach oben in einen umgedrehten Batteriebehälter, der eine Kathode enthält, gesprüht wird, eine Eintauchbeschichtung, bei der der Batteriebehälter, der die Kathode enthält, mit dem Beschichtungsmaterial gefüllt wird und überschüssiges Beschichtungsmaterial danach von dem Batteriebehälter herausgegossen wird, eine Kissenbeschichtung, bei der ein zylindrisches Einwegkissen mit der Beschichtungsverbindung benetzt wird und an die innere Oberfläche der Kathode gedrückt wird, um die Beschichtungsverbindung an die Kathodenoberfläche zu transferieren, eine Bürstenbeschichtung, eine Rollenbeschichtung, eine Schlitzextrusionsbeschichtung, bei der die Beschichtungsverbindung auf die Kathodenoberfläche von einem Extrusionswerkzeug aufgebracht wird, eine Vakuumbildung, eine Blasformung, und eine Vergällung mit einem Gießen-an-die-Stelle, bei der ein Gel-Vorläufer in die Kathode gegossen wird und ein Bildungspfropfen danach in die Kathode eingefügt wird, gefolgt von einer schnellen Aushärtung, oder eine Kombination von diesen Techniken. Gegenwärtig bevorzugte Beschichtungsanbringungstechniken umfassen eine Rammenbildung, ein zentrifugales Gießen und eine Sprühbeschichtung. Somit wird der Separator vorzugsweise im Wesentlichen in einem kontinuierlichen Kontakt mit der Oberfläche der Elektrode sein, auf der er gebildet wird.
Die Rammenformungstechnik zum Anbringen der Beschichtungsverbindung an den internen Oberflächen der Kathode ist in den 1–3 dargestellt. Wie in 1 gezeigt, wird die Beschichtungsverbindung 10 in den Boden der Batterie 12 eingeführt, die eine Kathode 14 aufweist. Als nächstes wird, wie in 2 gezeigt, eine Formungsramme 16 in die Kathode eingeführt, um zu bewirken, dass die Beschichtungsverbindung zwischen der Ramme und der inneren Oberfläche der Kathode nach oben fließt. Nachdem sich die Beschichtungsverbindung aushärtet oder setzt, wird die Ramme 16 von der Batterie 12 entfernt, wobei ein Separator 18 zurückgelassen wird, der direkt auf der Kathode gebildet ist.
In 4 ist eine alternative Formungsramme 20 mit einem internen Kanal oder einer Bohrung 22 mit einem Auslassanschluss 24 an seinem unteren Ende gezeigt. Die Formungsramme 20 wird zunächst in die Batterie 12 eingefügt, die eine Kathode 14 aufweist, wie in 4 gezeigt. Danach wird eine Beschichtungsverbindung in den Boden der Batterie durch den Kanal 22 von dem Auslassanschluss 24 eingefügt. Die Beschichtungsverbindung fließt durch die Ramme, in den Boden der Batterie hinein, und herauf in den Annulus zwischen der Ramme und der inneren Oberfläche der Kathode 14.
Man nimmt an, dass die Rammenbildungstechnik mehrere potenzielle Vorteile aufweist. Zunächst kann die Form des gebildeten Separators 18 durch Steuern der Dimensionen der Ramme und des inneren Durchmessers der Kathode gesteuert werden. Veränderungen in der Temperatur, der Viskosität und den Festkörpern, die in die Flüssigkeitsbeschichtungsverbindung geladen sind, können toleriert werden. Dies erlaubt, dass Verbesserungen in der Beschichtungsverbindung durchgeführt werden können, ohne den Anwendungsprozess zu ändern. Die Rammenkonstruktion kann erlauben, dass die Form des Separators zugeschnitten werden kann, um Betriebsverhaltens-Charakteristiken zu verbessern. Z. B. können die Kanten der Ramme abgeschrägt sein, um Anstiege der mechanischen Spannung in der Separatormembran zu verringern. Ferner kann die Dicke der Membran an verschiedenen Stellen verändert werden. Die Rammengeometrie erlaubt, dass die Beschichtungsverbindung genau auf den Oberteil der Kathodenhülle 26, entlang der Seiten 28, und auf der Bodenfläche des Behälters angebracht wird. Das Anodenvolumen, das durch die Rammenformung gebildet wird, kann im Vergleich mit herkömmlichen Batterien, die einen Separator mit einem gefalteten Papier aufweisen, sehr genau gesteuert werden.
Eine andere wünschenswerte Technik zum Anbringen der Beschichtungsverbindung auf die innere Oberfläche der Kathode ist ein zentrifugales Gießen oder eine Spin-Beschichtung. Diese Technik bedingt zunächst die Einführung der Beschichtungsverbindung in eine Kathodenkappe, die in einem zylindrischen Behälter angeordnet und integral damit verbunden ist. Danach werden die Kathodenkappe und der zylindrische Behälter bei einer hohen Geschwindigkeit gedreht, oder können sich bereits bei einer hohen Geschwindigkeit drehen, wenn das Material eingeführt wird. Wenn sich die Kathode dreht, fließt das Material entlang der inneren Oberfläche der Kathode nach oben und verfestigt sich oder härtet an der Stelle aus. Die Drehachse des zylindrischen Behälters, in dem die Kathode angeordnet ist, kann bei irgendeinem Winkel zwischen und einschließlich einer vertikalen Achse und einer horizontalen Achse angeordnet sein. Der Behälter kann umgedreht werden, so dass eine Gravitationsbeschleunigung den Fluss der Beschichtungsverbindung von dem Behälter heraus unterstützt.
Man nimmt an, dass ein zentrifugales Gießen mehrere Vorteile aufweist, einschließlich einer gleichmäßigen Beschichtung der inneren Kathodenoberfläche unabhängig von Oberflächenunregelmäßigkeiten auf der Kathodenoberfläche, das Füllen von Leerstellen in der Kathodenoberfläche, beispielsweise dort, wo das Kathodenmaterial während einer Kathodenformung abblättert, und die Fähigkeit, ein festes oder vorgegebenes Separatormaterialvolumen bereitzustellen. Die Zentrifugalgießtechnik ist tolerant gegenüber losen Partikeln des Kathodenmaterials, die von der Kathodenformung zurückgelassen werden. Ein anderer Vorteil eines zentrifugalen Gießens oder einer Spin-Beschichtung ist, dass die innere Oberfläche des Separators sehr glatt sein wird.
Eine andere wünschenswerte Technik zum Anbringen der Beschichtungsverbindung an der inneren Oberfläche der Kathode ist eine Sprühbeschichtung. Mit dieser Technik wird die flüssige Separatorbeschichtungsverbindung auf die Oberfläche der Kathode gesprüht und verfestigt sich an der Stelle oder härtet aus. Ein großer Vorteil des Sprühbeschichtungsprozesses ist dessen mechanische Einfachheit.
Die wasserhaltige Separatorbeschichtungsverbindung kann eine wasserhaltige Lösung, ein Gel, eine Dispersion, ein Schlamm oder Kombinationen davon sein, die in flüssiger Form unter Verwendung von Flüssigkeitsbeschichtungs-Anbringungstechniken angebracht werden können, und die sich verfestigen werden, um einen Separator direkt auf der Kathodenoberfläche zu bilden. Eine Verfestigung der Beschichtungsverbindung bezieht sich auf irgendeinen Prozess eines Trocknens, eines Aushärtens, eines Vergällens, einer Vernetzung, einer Polymerisation, einer Einfrierung (d. h. thermischen Verfestigung), oder einer Kombination davon, die zu einer stabilen elektrisch leitenden Barriere führt, die einen ionischen Transport zwischen den Elektroden erlauben wird und die an der Kathode während der Herstellung anhaften wird und nützlich für die Lebensdauer einer Batterie sein wird.
Die verfestigte Beschichtung ist vorzugsweise weniger als 510 μm (0,020 Zoll) dick, weiter vorzugsweise weniger als 130 μm (0,005 Zoll), wobei dünne Beschichtungen wünschenswert sind, um ein Anodenkorbvolumen zu maximieren. Die Separatorbeschichtungsverbindungen ebnen vorzugsweise irgendwelche Oberflächenunregelmäßigkeiten in der Kathodenoberfläche aus oder füllen diese und weisen vorzugsweise eine kontrollierbare Dicke, einschließlich einer gleichförmigen und variablen Dicke, auf.
Ein Vorteil mit den in situ gebildeten Separatoren besteht darin, dass sie in einem engen und vollständigen Kontakt mit der Elektrodenoberfläche sind, auf der sie gebildet werden, d. h. der Separator ist im Wesentlichen in einem kontinuierlichen Kontakt mit der Oberfläche der Elektrode, auf der der Separator gebildet wird. Dies unterscheidet sich wesentlich von Papierseparatoren, die normalerweise beträchtliche Flächen aufweisen, die nicht in einem Kontakt mit angrenzenden Elektrodenoberflächen sind. Der verbesserte Kontakt, der durch die in situ gebildeten Separatoren bereitgestellt wird, stellt verbesserte Ionentransporteigenschaften und ein verbessertes Zellenbetriebsverhalten bereit. Die in situ gebildeten Separatoren können dünner als Papierseparatoren gebildet werden und können deshalb weniger Platz als ein Papierseparator belegen, wodurch mehr Platz für Elektrodenmaterial in einer Batterie ermöglicht wird, und somit ein verbessertes Batteriebetriebsverhalten ermöglicht wird. Z. B. können die in situ gebildeten Separatoren verwendet werden, um Batterien bereitzustellen, bei denen der Separator weniger als 10% des Zellenvolumens belegt.
Die verfestigten oder ausgehärteten Separatoren sollten mechanisch fest, gegenüber einem mechanischen Stoß widerstandsfähig und nicht leicht zerrissen oder beschädigt werden, sobald sie ausgehärtet sind. Der sich ergebende Separator sollte auch eine ausreichende Reißfestigkeit aufzeigen, um Zerreißungen über Spalten zwischen den Kathodenringen, den Kathoden-zu-Behälter-Übergangsflächen, oder den Oberflächen der Kathode zu verhindern. Die Separatorbeschichtungsverbindung sollte sich auch verfestigen oder aushärten, um eine Separatormembran mit einer ausreichenden Elastizität zu bilden, um wenigstens eine Ausdehnung von 25% der Kathodendimensionen während einer Entladung auszuhalten, ohne zu reißen oder sich von der Elektrode zu trennen. Der Separator sollte auch einen ausreichenden Eindringungswiderstand aufzeigen, um einer Eindringung von Zinkdendriten entgegenzuwirken, und sollte nicht einen Pfad zum Bilden von Zinkdendriten bereitstellen, sowie dies Papierseparatoren tun. Die Kompressionsfestigkeit des Separators sollte ausreichend sein, um ein Herausdrücken von Flüssigkeit unter einer vollen Kompression zwischen einer entladenen Anode und Kathode zu verhindern. Der Separator sollte effiziente mechanische Eigenschaften über den gesamten Betriebstemperaturbereich von –20°C bis 71°C, aber auch –40° bis 85°C Missbrauchtemperaturen, beibehalten.
Der Separator sollte auch eine hohe Einschlussmöglichkeit der Elektrolytlösung aufzeigen, sogar unter einer Kompression und wenn entweder die Anode oder Kathode ausgetrocknet ist, d. h. der Separator sollte die letzte Komponente zum Austrocknen während einer Zellenentladung sein. Der Separator muss bei der Anwesenheit von 45% Kaliumhydroxid stabil bleiben und sollte bei der Anwesenheit von Wasser oder Kaliumhydroxid nicht anschwellen oder schrumpfen und eine mechanische Integrität beibehalten. Ferner sollten die Separatoren vorzugsweise an Ring-geformten und Aufschlag-geformten Elektroden anhaften. Die Separatoren sollten auch vorzugsweise an Stab-förmigen, Ring-förmigen, Streifen-förmigen, Unterlegscheiben-förmigen, oder anders ausgeformten Elektrodenoberflächen anhaften.
Zusätzlich zu den obigen mechanischen Anforderungen sollte der Separator bestimmte elektrische Eigenschaften aufzeigen. Zunächst sollte der Separator nicht elektrisch leitend sein, d. h. er sollte als ein elektrischer Isolator zwischen der Anode und der Kathode wirken. Der Separator sollte die elektrischen Isolationscharakteristiken über die vorhergesehene Lebensdauer der Batterie, die wenigstens ungefähr 5 Jahre ist, beibehalten. Der Separator sollte auch eine hohe ionische Leitfähigkeit aufweisen, die die Hydroxyl-Ionenflussdichte der Diode an der Anoden/Separator-Schnittfläche erfüllt oder übersteigt, und die die Hydroxyl-Ionenflussdichte der Kathode an der Kathoden/Separator-Schnittfläche erfüllt oder übersteigt, d. h. der Separator sollte nicht Raten-begrenzend sein. Der Separator sollte auch Oberflächen-zu-Oberflächen-Ionenleitwege aufweisen, sogar in einer teilweise dehydrierten Bedingung.
Der Separator sollte auch bestimmte chemische Eigenschaften aufzeigen. Zunächst sollte der Separator in einer 45% Kaliumhydroxidlösung chemisch stabil oder beständig sein (d. h. darf sich nicht zersetzen). Der Separator sollte eine chemische Stabilität unter einer Potenzialdifferenz von bis zu 2 Volt aufzeigen. Der Separator sollte auch eine hohe Gaspermeabilität aufzeigen. Um lokale Bedingungen zu verhindern, die für eine Zinkoxid-Ausfällung günstig sind, sollte der Separator einen guten Kurzschlusswiderstand aufzeigen. Der Separator darf nicht eine Korrosion von Nickel-plattiertem Stahl bei dem Kathodenpotenzial verursachen, und sollte eine minimale permanente Bindung von Elektrolyt und Wasser aufzeigen. Der Separator sollte auch gegenüber einer katalytischen Zerlegung durch die Metalle, die bei der Konstruktion der Batterie verwendet werden, widerstandsfähig sein.
Wasser- und ionische Transporteigenschaften sind auch ein wichtiger Gesichtspunkt. Wasser sollte leicht durch den Separator diffundieren, so dass kleine Konzentrationsgradienten zu hohen Diffusionsraten führen werden. Eine schlechte Diffusion würde zu einer Zellenpolarisation bei einem starken Abfluss führen. Der Separator muss Hydroxylionen von der Kathode an die Anode übergeben und muss Kaliumionen von der Anode an die Kathode übergeben. Der Weg für einen Ionentransport sollte etwas kurvenförmig sein. Eine geeignete Transferenzzahl von Hydroxylionen in Kaliumhydroxid ist 0,73. Die Hydrierungszahl von Kaliumionen sollte von ungefähr 1 bis ungefähr 2 sein. Der Separator sollte als eine Barriere wirken, um eine Bewegung von Elektrodenmaterialien von der Kathode an die Anode und von der Anode an die Kathode zu verhindern. In einer wünschenswerten Weise sollten die Beschichtungsverbindungen die Fähigkeit anbieten, sich auf Transportcharakteristiken zuzuschneiden.
Die Beschichtungsverbindungen dieser Erfindung verfestigen sich oder frieren ein, um einen wasserhaltigen Gelseparator mit einem Lösungsmittelgehalt von größer als 50 Gewichts-%, vorzugsweise größer als 90 Gewichts-%, zu bilden. Der hohe Lösungsmittelgehalt ermöglicht dem Separator, sich wie ein Elektrolytreservoir zu verhalten.
Es wird angenommen, dass eine breite Vielfalt von wasserhaltigen Gels und Polymerdispersionen formuliert werden können, um die gewünschten Separatorcharakteristiken zu erzielen. Beispiele von Beschichtungsverbindungen, die sich zum Bilden eines Separators direkt auf der Oberfläche einer Kathode als geeignet erwiesen haben, umfassen nahtlose Gele, die Kappa-Canageenan, Hydroxyethyl-Zellulose, und ein Gemisch von Kappa-Canageenan und Hydroxyethyl-Zellulose umfassen. Andere geeignete Verbindungen können Lambda- oder Iota-Carrageenan, andere Hydroxyalkyl-Zellulosen wie Hydroxymethyl- und/oder Hydroxypropyl-Zellulose, und Kombinationen davon einschließen. Z. B. bildet Kappa-Carrageenan einen starken Film, wenn es als ein 2–5 Gewichtsprozent-Film mit Wasser gegossen wird. Hydroxyethyl-Zellulose, die mit Vinylschwefel vernetzt ist, bildet ein starkes Gel mit einer sehr hohen ionischen Leitfähigkeit. Jedoch sind Separatoren, die aus Kappa-Canageenan alleine gebildet sind, nicht so stark wie dies gewünscht würde, und Separatoren, die aus Hydroxyethyl-Zellulose alleine gegossen sind, zeigen eine Schrumpfung auf, die im Allgemeinen größer als diejenige ist, die für Zellen der Größe AAA und Zellen mit größerer Größe wünschenswert sein würden, ist aber für kleinere Zellen akzeptabel. Andere Beschichtungsverbindungen, die verwendet werden können, umfassen wasserhaltige Verbindungen, die Polyvinylpynolidon enthalten, beispielsweise Verbindungen, die aus Canageenan (z. B. Kappa-, Lambda- und/oder Iota-Carrageenan) und Polyvinylpynolidon bestehen.
Es ist entdeckt worden, dass Separatorbeschichtungsverbindungen, die ein Gemisch von Kappa-Canageenan und Hydroxyethyl-Zellulose enthalten, in der Lage sind, Separatoren zu bilden, die eine sehr hohe ionische Leitfähigkeit mit exzeptionellen Festigkeits- und Schrumpfcharakteristiken aufzeigen. Somit kann ein Gemisch von zwei unterschiedlichen Polymeren verwendet werden, um eine Verbindung bereitzustellen, die verwendet werden kann, um in situ Separatoren mit einer herausstehenden Kombination von Eigenschaften zu bilden.
Kappa-Carrageenan ist ein natürlich auftretendes Marine-Kolloid. Insbesondere ist Kappa-Carrageenan ein Schwefel-Phycokolloid (ein Polysaccharid), das in Algen auftritt. Ein starker potenzieller Vorteil von Kappa-Carrageenan als ein Separator besteht darin, dass es ein bei niedrigen Temperaturen Thermo-formbares thermoplastisches Gel ist, vorzugsweise mit einem Schmelzpunkt größer als 71°C. Andere potenzielle Vorteile bestehen darin, dass es nicht-giftig, wasserlöslich, sehr kostengünstig und bereits kommerziell verfügbar ist. Die Separatoren können aus einer Beschichtungsverbindung gegossen werden, die ungefähr 1 bis 10 Gewichts-%, und mehr bevorzugt 2 bis 5 Gewichts-%, der Verbindung enthält. Jedoch können höhere und niedrigere Konzentrationen verwendet werden.
Hydroxyethyl-Zellulose ist ein nicht-ionischer, wasserlöslicher, Zellulose-Ether. Die möglichen Vorteile von Hydroxyethyl-Zellulose als ein Batterieseparatormaterial sind, dass es wasserlöslich ist, kostengünstig ist, kommerziell verfügbar ist, chemisch vernetzt werden kann (mit Divinylschwefel, z. B.) und mit anderen wasserhaltigen gestützten Polymeren kompatibel ist. Eine geeignete Separatorbeschichtungsverbindung, die verwendet werden kann, um einen Batterieseparator zu bilden, kann als ein 5 Gewichtsprozent Gemisch von Hydroxyethyl-Zellulose in Wasser vorbereitet werden, obwohl höhere und niedrigere Konzentrationen ebenfalls verwendet werden können. Ein Divinylsulfonvernetzendes Mittel wird in wünschenswerter Weise zu der Beschichtungsverbindung in einer Menge von ungefähr 0,05 bis ungefähr 2 Gewichts-% der Hydroxyethyl-Zellulose, und mehr bevorzugt von ungefähr 0.10 bis ungefähr 1 Gewichts-%, hinzugefügt. Im Allgemeinen stellen höhere Mengen eines Vernetzungsmittels Separatoren bereit, die einen höheren elektrischen Widerstand und eine größere Festigkeit aufweisen, auf Kosten der ionischen Leitfähigkeit.
Ein anderes Material, welches sich zum Vorbereiten eines Separators direkt auf einer Kathodenoberfläche als geeignet erwiesen hat, ist Zellulose-Viskose. Zellulose-Viskose ist eine viskose Flüssigkeit, die aus einem konzentrierten wasserhaltigen Alkali besteht, der eine Lösung eines Zellulose/Xanthat-Komplexes enthält. Sie kann in einer verdünnten (z. B. 10%) Schwefelsäure koaguliert werden, um eine regenerierte Zellulose zu bilden. Die potenziellen Vorteile von Zellulose-Viskose sind, dass sie wasserlöslich, kostengünstig, stabil zu einem konzentrierten Alkali, ist und eine existierende Betriebsverhaltensgeschichte in alkalischen Batterien aufweist. Separatoren können aus Lösungen gegossen werden, die einen Zellulose/Xanthat-Komplex mit 5 Gewichtsprozent enthalten, obwohl höhere und niedrigere Konzentrationen ebenfalls verwendet werden können.
Beispiele von anderen Materialien, die bei der Vorbereitung der Beschichtungsverbindungen verwendet werden können, die auf die Oberfläche zum Bilden eines Separators angebracht werden, umfassen verschiedene synthetische Polymere, die als wasserhaltige bzw. wässrige Dispersionen vorbereitet werden. Beispiele umfassen wasserhaltige Dispersionen von Zellulose, Polyurethan, acrylische Polymere, Polyvinyl-Acetat, und Epoxypolymere; und Dispersionen von Zellulose in polaren organischen Lösungsmitteln wie N-Methyl-Morpholin-Oxid.
Die Beschichtungsverbindungen können Fasern enthalten und tun dies oft in wünschenswerter Weise, beispielsweise Holzwolle, Polyolefin, Zellulose, Baumwolle, Rayon, Bor, Borcarbid, Bornitrid, Kohlenstoff, Aluminiumsilikat, und/oder verschmolzene Siliziumdioxid-Fasern. Polyolefm-Fasern umfassen halogenisierte Polyolefin-Fasern, wie diejenigen, die aus fluoriniertem Polypropylen erstellt werden. Die Menge der Fasern in der Verbindung ist in einer wünschenswerten Weise von ungefähr 3% bis ungefähr 50%, und weiter bevorzugt von ungefähr 3% bis ungefähr 20% des Gewichts des Polymers oder des Gelmaterials in der Verbindung. Fasern sind eingeschlossen, um eine physikalische Barriereintegrität bereitzustellen und den Separator zu verstärken und strukturell zu stärken.
Besonders bevorzugte Beschichtungsverbindungen sind diejenigen, die Kappa-Carrageenan, Hydroxyethyl-Zellulose, und Zellulose-Fasern umfassen. Die Hydroxyethyl-Zellulose-, Kappa-Carrageenan-, und Zellulose-Fasern werden vorzugsweise in Wasser dispergiert, um die Separatorbeschichtungsverbindung zu bilden. Das Gewichtsverhältnis von Hydroxyethyl-Zellulose zu Kappa-Carrageenan ist vorzugsweise von ungefähr 1 : 3 bis 3 : 1, und mehr bevorzugt von ungefähr 1 : 1 bis ungefähr 3 : 1, obwohl höhere und niedrigere Verhältnisse ebenfalls verwendet werden können. Die Menge der Hydroxyethyl-Zellulose und des Kappa-Carrageenans in der Beschichtungsverbindung kann stark variieren, ist aber im Allgemeinen von ungefähr 1 bis ungefähr 10 Gewichts-%, obwohl höhere und niedrigere Konzentrationen ebenfalls verwendet werden können.
Quervernetzende Mittel, wie Divinylsulfon, können in Mengen von bis zu ungefähr 2 Gewichts-% der Verbindung verwendet werden. Ein anderes geeignetes quervernetzendes Mittel, welches verwendet werden kann, ist Trishydroxy-Methyl-Zyanurat, welches kommerziell von American Cyanamid verfügbar ist und unter der Marke CYMEL^® verkauft wird. Die Beschichtungsverbindungen weisen einen Lösungsmittelgehalt von größer als 50 Gewichts-% während der Anbringung auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Beschichtungsverbindung eine Polymerdispersion, die aus Hydroxyethyl-Zellulose in Wasser besteht und ein Divinylsulfon-quervernetzendes Mittel in einer Menge von ungefähr 0,05 bis ungefähr 2 Gewichts-% der Verbindung enthält.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Beschichtungsverbindung eine Polymer-Dispersion, die Kappa-Carrageenan, Lambda-Carrageenan, Iod-Carrageenan, Hydroxymethyl-Zellulose, Hydroxyethyl-Zellulose, Hydroxypropyl-Zellulose, oder eine Kombination davon umfasst.
In noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Beschichtungsverbindung gebildet aus Kappa-Canageenan, Hydroxyethyl-Zellulose und einem Divinylschwefel-quervernetzenden Mittel, das Gewichtsverhältnis von Hydroxyethyl-Zellulose zu Kappa-Carrageenan ist von ungefähr 1 : 3 bis ungefähr 3 : 1, und der Betrag einer Quervernetzung ist von ungefähr 0,05 bis ungefähr 2 Gewichts-% der Verbindung. In einer mehr bevorzugten Weise ist die Menge von Hydroxyethyl-Zellulose und Kappa-Carrageenan in der Beschichtungsverbindung von ungefähr 1 bis ungefähr 10 Gewichts-%. Vorzugsweise enthält diese Beschichtungsverbindung ferner eine Menge von Fasern, die von ungefähr 3% bis ungefähr 50% des Gewichts der Verbindung ist.
Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die folgenden nicht-beschränkenden Beispiele beschrieben:
BEISPIELE
HERSTELLUNG VON FUNKTIONALEN BATTERIEN
Drei Mastergruppen von Separatorbeschichtungsverbindungen wurden hergestellt. Die erste Beschichtungsverbindung enthielt 5 Gewichts-% Kappa-Carrageenan in Wasser. Die zweite Beschichtungsverbindung enthielt 5 Gewichtsprozent Hydroxyethyl-Zellulose in Wasser mit 1 Gewichtsprozent Kaliumhydroxid. Die dritte Beschichtungsverbindung war eine 3 : 1-Mischung der Kappa-Carrageenan-Mastergruppe mit der Hydroxyethyl-Zellulose-Mastergruppe. Die Kappa-Carrageenan- und Kappa-Carrageenan-Hydroxyethyl-Zellulosegemische wurden über 90°C erwärmt, um das Kappa-Canageenan zu schmelzen, und wurden zwischen 90°C und 100°C in einem Doppelkessel gehalten. Eine Ramme aus rostfreiem Stahl wurde hergestellt, die im Durchmesser 1 mm (40 Mils) kleiner als der innere Durchmesser einer D Zellenkathode ist. Die Ramme oder der Dorn wurde in einer Hülse auf einer vertikalen Mühlmaschine angebracht. Ein V-Block wurde auf einem Maschinentisch derart positioniert, dass dann, als eine D Zelle in dem V-Block geklemmt war, die Mittellinie der Ramme in einer Linie zu der Mitte der Zelle war. Ein Spindelanschlag auf der Maschine war so eingestellt, dass die Ramme ungefähr 1,6 mm (1/16 Zoll) über dem Boden des Behälters anhalten würde. Mit dieser Konfiguration sollte der gebildete Separator eine Dicke von 0,5 mm (0,020 Zoll) auf der Kathodenoberfläche und eine Dicke von 1,6 mm (0,062 Zoll) auf dem Boden aufweisen. Der Separator konnte tatsächlich wesentlich dünner als dies sein. Während der Entwicklungsarbeiten wurde jedoch bevorzugt, einen dickeren Separator als benötigt zu haben, um z. B. irgendwelche Werkzeugbehandlungsungenauigkeiten, Kathodenpartikeleinschlüsse, oder Blasen in dem flüssigen Separator zu kompensieren. Separatoren wurden aus der Kappa-Carrageenan-Beschichtungsverbindung und aus dem Kappa-Carrageenan/Hydroxyethyl-Zellulose-Gemisch in den Zellen gebildet, indem die Zellen bis oben hin mit der flüssigen Separatorbeschichtungsverbindung gefüllt wurden und die Ramme in die Kathode abgesenkt wurde. Als die Ramme in die Kathode eintrat, floss überschüssige Flüssigkeit heraus. Nachdem das Separatormaterial ausgehärtet oder verfestigt war, wurde die Ramme entfernt. Für den Fall von der Hydroxyethyl-Zellulose-Formulierung wurde ein Vinylsulfon-Quervernetzer hinzugefügt und vor dem Gießen des Materials in die Kathoden hinein gemischt. Der Füll- and Rammenbildungsprozess wurde zweimal bei jeder Zelle ausgeführt, um irgendwelche Leerstellen zu füllen, die z. B. durch Luftblasen oder einen ungleichmäßigen Separatormaterialfluss verursacht werden könnten. Eine Anodenpaste wurde hinzugefügt, um die Zellen bis zum oberen Teil der Kathode zu füllen, und Kollektoranordnungen wurden auf den Zellen angeordnet.
Neun Zellen wurden mit dem Kappa-Carrageenan-Separatormaterial gebildet. Sämtliche Zellen wiesen eine anfängliche Spannung von 1,51 bis 1,64 Volt auf. Sieben funktionale Zellen wurden auf einem 71°C Regallebensdauer-Test ausgesetzt. Zwei der Zellen hatten eine Leerlaufspannung (OCV) über 1,2 nach einer Speicherung über 5 Wochen bei 71°C.
Vier Zellen wurden unter Verwendung des Kappa-Carrageenan/Hydroxyethyl-Zellulose-Gemischs hergestellt. Zwei der Zellen hatten eine anfängliche Spannung über 1,5. Die anderen zwei Zellen wiesen Spannungen unter 1,2 auf.
Auf Grundlage dieser Tests wurde bestimmt, dass Batterieseparatormembrane, die aus Kappa-Carrageenan-Beschichtungsverbindungen und Kappa-Carrageenan/Hydroxyethyl-Zellulose-Beschichtungsverbindungen gebildet sind, in alkalischen Zellen verwendet werden können. Diese Tests demonstrierten auch, dass der Rammenformungsprozess zum Bilden der Separatormembrane durchführbar ist.
HERSTELLUNG VON AA-BATTERIEN
AA alkalische Batterien wurden wie folgt hergestellt. Eine 5 Gewichtsprozent Lösung von Kappa-Canageenan in Wasser wurde vorbereitet. Die Kappa-Carrageenan-Lösung wurde in einem heißen Wasserbad auf 90°C gehalten. Eine große Spritze mit einer hypodermischen Nadel wurde mit der Kappa-Carrageenan-Lösung gefüllt. Die Kappa-Carrageenan-Beschichtungsverbindung wurde auf den Boden des AA-Behälters, der die Kathode enthielt, eingeführt. Der Behälter, der die Kathode enthielt, wurde bis oben hin mit der Kappa-Carrageenan-Beschichtungsverbindung gefüllt. Dies beseitigte die Notwendigkeit für ein genaues Abmessen des Kappa-Carrageenans. Während des Formungsprozesses wurde dem Überschuss ermöglicht, über das Oberteil des Behälters zu fließen. Unmittelbar nachdem Kappa-Carrageenan eingeführt war, wurde die Formungsramme abgesenkt in die Kathode hinein und die Kappa-Carrageenan-Beschichtungsverbindung floss zwischen der äußeren Oberfläche der Ramme und der inneren Oberfläche der Kathode. Nachdem sich die Beschichtungsverbindung verfestigte wurde die Ramme angehoben und die Kathode wurde von der Ramme entfernt. Überschüssiges Kappa-Carrageenan-Material wurde von dem Gebiet über dem Kathodenregal entfernt. Eine Anodenpaste wurde in die Kathode eingeführt, bei der der Separator direkt darauf gebildet war, und eine Kollektor-Baugruppe wurde auf dem Behälter platziert und an die Stelle unter Verwendung einer kleinen Handpresse gedrückt. Die Zellen wurden hinsichtlich ihrer Leelaufspannung unmittelbar nach der Herstellung für eine kurze Periode danach getestet. Die Zellen wurden einer 71° Selbsttesteinheit und einem 71°C, 0,8 Volt Post-Teilentladungs-(Post-Partial-Enladungs-; PPD) Test ausgesetzt. Kontrollen wurden durchgeführt, indem eine Anodenpaste zu Kathoden hinzugefügt wurden, die mit herkömmlichen Papierseparatoren ausgekleidet waren, und dadurch, dass Kollektoranordnungen an die Stelle gedrückt wurden.
Einhundert und drei (103) betriebsfähige Zellen wurden mit Kappa-Carrageenan-Separatoren hergestellt. Sämtliche der Kappa-Carrageenan Separatoren wurden unter Verwendung der Rammenformungstechnik hergestellt. Diese Tests haben bewiesen, dass betriebsfähige Batterien mit Separatormembranen hergestellt werden könnten, die durch Anwenden einer Beschichtungsverbindung auf die Kathodenoberfläche und dadurch, dass der Beschichtungsverbindung ermöglicht wird, sich zu verfestigen, gebildet sind.
HERSTELLUNG VON ALKALISCHEN ZELLEN MIT KAPPA-CARRAGEENAN/HYDROXYETHYL-ZELLULOSE-GEMISCH-SEPARATOREN
Zwei Mastergruppen wurden erstellt, mit einer ersten, die 5% Kappa-Carrageenan in Wasser enthielt, und einer zweiten, die 5% Hydroxyethyl-Zellulose in Wasser (beide auf einer Gewichtsbasis) enthielt. Der pH der Hydroxyethyl-Zellulose-Gruppe wurde durch Hinzufügung von Festkörper-Kaliumhydroxid auf 12 erhöht. Die Gruppen wurden in einem Verhältnis von drei Teilen der Verbindung, die Kappa-Carrageenan enthielt, zu einem Teil der Verbindung, die die Hydroxyethyl-Zellulose enthielt, gemischt. Die AA-Batterien wurden in Übereinstimmung mit dem voranstehend beschriebenen Verfahren erstellt. Sechzig (60) betriebsfähige Zellen wurden mit den Kappa-Carrageenan/Hydroxyethyl-Zellulose-Gemisch-Separatoren hergestellt, und 50 Kontrollen wurden mit herkömmlichen Papierseparatoren gebildet. Die Leerlaufspannungen für die Batterien, die die Kappa-Carrageenan/Hydroxyethyl-Zellulose-Separatoren enthielten, waren vergleichbar mit herkömmlichen Batterien, die einen Papierseparator enthalten. Drei (3) der Zellen, die die mit einer Ramme geformten Kappa-Carrageenan/Hydroxyethyl- Zellulose-Separatoren enthalten, hielten 8 Wochen mit einer abschließenden durchschnittlichen Leerlaufspannungsmessung von 1,236 Volt. Der Rest der Zellen fiel nach 2 bis 3 Wochen aus. Diese Ergebnisse demonstrieren, dass alkalische Batterien erfolgreich mit einem Separator hergestellt werden können, der durch Anbringen einer Beschichtungsverbindung auf die Kathodenoberfläche und dadurch, dass der Beschichtungsverbindung erlaubt wird, sich zu verfestigen, gebildet wird.
ZENTRIFUGAL GEGOSSENE SEPARATOREN
Ein Kappa-Carrageenan/Hydroxyethyl-Zellulose-Gemisch, wie voranstehend beschrieben, wurde erfolgreich auf der inneren Oberfläche einer Kathode für eine zylindrische AA-alkalische Zelle gegossen. Die AA-Zellen wurden in eine Halterungsvorrichtung eingefügt, die an der Ausgangswelle eines DC-Motors angebracht ist, und wurden bei ungefähr 20° zur Horizontalen gedreht. Die Drehachse stimmte mit der longitudinalen Achse der zylindrischen Zelle überein. Die Beschichtungsverbindung, die Kappa-Carrageenan und Hydroxyethyl-Zellulose enthält, wurde in die Kathode unter Verwendung einer Spritze eingeführt, wie voranstehend beschrieben. Die Zelle wurde dann schnell auf 2500 UpM beschleunigt und auf dieser Geschwindigkeit für ungefähr 2 Minuten gehalten, was bewirkte, dass die Flüssigkeit die Seiten der Kathode hinauf floss und sich verfestigte oder aushärtete. Um Komplikationen beim Messen der Menge der Flüssigkeit, die in die Zelle injiziert wurde, zu vermeiden, wurden die Zellen überfüllt. Während des Spin- bzw. Drehbetriebs kam die überschüssige Flüssigkeit oben bei der Zelle heraus. Nachdem die Separatoren ausgehärtet waren, wurden die Kathoden von den Spinvorrichtungen entfernt und zusätzliches Kaliumhydroxid wurde hinzugefügt. Die Anodenpaste wurde dann zusammen mit dem zusätzlichen Kaliumhydroxid hinzugefügt, und der Kollektor wurde installiert. Elf (11) betriebsfähige Zellen wurden durch die Zentrifugal-Gießtechnik hergestellt. Dieser Test demonstrierte, dass ein zentrifugales Gießen effektiv zum Anbringen einer Beschichtungsverbindung an einer Kathodenoberfläche zum Bilden eines Separators direkt auf der Kathodenoberfläche verwendet werden kann.
POLYVINYLACETAT-SEPARATOREN
Der obige zentrifugale Gießprozess wurde unter Verwendung einer Polyvinylacetat-wasserhaltigen Dispersion wiederholt. Drei (3) betriebsfähige Zellen wurden mit Polyvinylacetat-Membranen gebildet.
EINE HERSTELLUNG VON ZELLEN UNTER VERWENDUNG EINER SEPARATORBESCHICHTUNGSVERBINDUNG, DIE FESTKÖRPER-ZELLULOSE-FASERN ENTHÄLT
Eine Mastergruppe von 5% Kappa-Carrageenan (auf einer Gewichtsbasis) in Wasser wurde bei 90°C hergestellt. Eine Mastergruppe von 5% Hydroxyethyl-Zellulose (nach dem Gewicht) in 1% Kaliumhydroxid (nach dem Gewicht) wurde hergestellt. Die Kappa-Carrageenan-Verbindung und die Hydroxyethyl-Zellulose-Verbindung wurden bei einem 3 : 1-Verhältnis bei 90°C gemischt. zu diesem Gemisch wurden 15 Gewichts-% Zellulosefasern hinzugefügt. Eine Rammenformung, wie voranstehend beschrieben, wurde zum Erstellen von AA-Zellen mit einem Separator verwendet, der aus der Beschichtungsverbindung gebildet ist, die eine Kappa-Carrageenan/Hydroxyethyl-Zellulose/Zellulose-Faser enthält. Siebenundsiebzig (77) betriebsfähige Zellen wurden mit dem Kappa-Canageenan/Hydroxyethyl-Zellulose/Zellulose-Faser-Gemisch erstellt. Neun von zehn Batterien, die einem 71°C Regaltest ausgesetzt wurden, waren nach 8 Wochen betriebsfähig, und vier von fünf Batterien, die einem 0,8 Volt PPD-Test ausgesetzt wurden, waren betriebsfähig.

Claims

Batterie (12), umfassend erste und zweite Elektroden, ein alkalisches Elektrolyt, und einen ionisch leitenden Separator (18), der zwischen den Elektroden angeordnet ist, wobei der Separator (18) durch Anwenden einer Beschichtungsverbindung (10) auf die Oberfläche von wenigstens einer der Elektroden und Verfestigen von Material, das in der Beschichtungsverbindung (10) enthalten ist, gebildet wird, wobei die Beschichtungsverbindung (10) ein Gel oder Polymer umfasst, das/der in einem polaren Lösungsmittel verteilt ist, wobei der Separator (18) einen Lösungsmittelgehalt von größer als 50 Gewichts-% aufweist.
Batterie (12) nach Anspruch 1, wobei die Beschichtungsverbindung (10) umfasst: Kappa-Carrageenan, Lambda-Carrageenan, Jota-Carrageenan, Hydroxymethyl-Zellulose, Hydroxyehtyl-Zellulose, Hydroxypropyl-Zellulose, oder eine Kombination davon, und vorzugsweise umfasst: Kappa-Carrageenan, Hydroxyethyl-Zellulose, oder ein Gemisch von Kappa-Carrageenan und Hydroxyethyl-Zellulose.
Batterie (12) nach Anspruch 2, wobei die Beschichtungsverbindung (10) von ungefähr 1 bis ungefähr 10 Gewichts-% Kappa-Carrageenan umfasst.
Batterie (12) nach Anspruch 1, wobei die Beschichtungsverbindung (10) einen synthetischen Polymer umfasst.
Batterie (12) nach Anspruch 4, wobei der synthetische Polymer Polyvinyl-Acetat ist.
Batterie (12) nach Anspruch 4, wobei der synthetische Polymer Polyurethan, einen akrylischen Polymer, einen Epoxidpolymer, oder eine Verbindung davon umfasst.
Batterie (12) nach Anspruch 1, wobei die Beschichtungsverbindung (10) eine Zellulose-Viskose umfasst.
Batterie (12) nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei die Beschichtungsverbindung (10) Fasern, vorzugsweise Fasern, die aus Zellulose, Baumwolle, Rayon, Bor, Borkarbid, Bornitrid, Aluminiumsilikat, verschmolzenen Siliziumdioxyd-Fasern, einer Holzmasse, und Polyolefm-Fasern gewählt sind, einschließt.
Batterie (12) nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei die Beschichtungsverbindung (10) ein quervernetzendes Mittel, vorzugsweise Butadiensulphon oder Trishydroxymethyl-Zyanurat, einschließt.
Batterie (12) nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei der Separator (18) weniger als 10% des Volumens der Batterie belegt.
Batterie (12) nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei der Separator (18) einen Lösungsmittelgehalt von größer als 90 Gewichts-% aufweist.
Batterie (12) nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei der Separator (18) eine kontrollierte Veränderung in der Dicke aufweist.
Batterie (12) nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei der Separator (18) eine ausreichende Elastizität aufweist, um wenigstens eine 25% Ausdehnung der Kathoden-(14)-Dimensionen während einer Entladung aushalten.
Batterie (12) nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei die Beschichtungsverbindung (10) ein Polymergemisch ist, welches wenigstens zwei unterschiedliche Polymere umfasst.
Batterie (12) nach Anspruch 1, wobei die Beschichtungsverbindung (10) ein thermoplastisches Gel umfasst, vorzugsweise ein thermoplastisches Gel mit einem Schmelzpunkt von größer als 71°C.
Batterie (12) nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei das Material in der Beschichtungsverbindung (10) durch ein Trocknen, Aushärten, Gelieren, Quervernetzen, eine Polymerisation, eine Einfrierung, oder eine Kombination von diesen Techniken verfestigt wird.
Verfahren zum Bereitstellen eines Separators (18) auf einer Elektrode für eine alkalische Batterie (12), umfassend die folgenden Schritte: Anwenden einer flüssigen wasserhaltigen Beschichtungsverbindung (10) auf eine Elektrodenoberfläche, wobei die Beschichtungsverbindung (10) ein Gel oder Polymer aufweist, das in einem polaren Lösungsmittel verteilt ist; und Verfestigen der Beschichtungsverbindung (10) auf der Elektrodenoberfläche, um eine Separator(18)-Membran zu bilden, wobei der Separator (18) einen Lösungsmittelgehalt von größer als 50 Gewichts- aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Beschichtungsverbindung (10) durch Einführen der Beschichtungsverbindung (10) in den Boden einer Kathode (14) und Einführen einer Bildungsramme (16) in die Kathode (14), um einen ringförmigen Raum zwischen der inneren Oberfläche der Kathode (14) und der äußeren Oberfläche der Ramme (16) zu bilden und um zu bewirken, dass die Beschichtungsverbindung (10) in den ringförmigen Raum nach oben fließt, Verfestigen der Beschichtungsverbindung (10) und Entfernen der Ramme (16) von der Kathode (14) angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Beschichtungsverbindung (10) auf die Kathode-(14)-Oberfläche durch Einführen einer Ramme (20) mit einer Beschichtungsverbindungs-Auslassöffnung (24) in die Kathode (14) hinein, Einführen der Beschichtungsverbindung (10) in die Zelle hinein durch die Öffnung (24), Bewirken, dass das Separatormaterial in einen ringförmigen Raum zwischen der Ramme (20) und der inneren Oberfläche der Kathode (14) fließt, Verfestigen der Beschichtungsverbindung (10) und Entfernen der Ramme (20) von der Kathode (14), angebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Beschichtungsverbindung (10) auf die Oberfläche einer Kathode (14) durch eine Zentrifugal-Benetzung angewendet wird, vorzugsweise durch Einführen der Beschichtungsverbindung (10) in eine Kathoden-(14)-Kappe, die in einem zylindrischen Behälter angeordnet ist, und Drehen des zylindrischen Behälters bei einer hohen Geschwindigkeit, um zu bewirken, dass die Beschichtungsverbindung (10) entlang der inneren Oberfläche der Kathoden-(14)-Kappe fließt und sich verfestigt, wobei die Drehungsachse mit der Längsachse des zylindrischen Behälters übereinstimmt, wobei die Drehungsachse des zylindrischen Behälters, in dem die Kathode (14) angeordnet ist, unter einem Winkel zwischen und einschließlich einer vertikalen Achse und einer horizontalen Achse ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Beschichtungsverbindung (10) durch eine Besprühung angebracht wird.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 17 bis 21, wobei der Separator (18) einen Lösungsmittelgehalt von größer als 90 Gewichts-% aufweist.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 17 bis 22, wobei die Beschichtungsverbindung (10) umfasst: Kappa-Carrageenan, Lambda-Carrageenan, Iota-Carrageenan, Hydroxymethyl-Zellulose, Hydroxyehtyl-Zellulose, Hydroxypropyl-Zellulose, oder eine Kombination davon, und vorzugsweise umfasst: Kappa-Carrageenan, Hydroxyethyl-Zellulose, oder ein Gemisch von Kappa-Carrageenan und Hydroxyethyl-Zellulose.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 17 bis 22, wobei die Beschichtungsverbindung (10) einen synthetischen Polymer umfasst.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei der synthetische Polymer ein Polyvinylacetat ist.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei der synthetische Polymer Polyurethan, einen akrylischen Polymer, einen Epoxidpolymer, oder eine Verbindung davon umfasst.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 17 bis 22, wobei die Beschichtungsverbindung (10) eine Zellulose-Viskose umfasst.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 17 bis 27, wobei die Beschichtungsverbindung (10) Fasern, vorzugsweise Fasern, die aus Zellulose, Baumwolle, Rayon, Bor, Borkarbid, Bornitrid, Aluminiumsilikat, verschmolzenen Siliziumdioxid-Fasern, einer Holzmasse, und Polyolefin-Fasern gewählt sind, einschließt.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 17 bis 28, ferner umfassend ein quervernetzendes Mittel, vorzugsweise Divinylsulphon oder Trishydroxymethyl-Zyanurat.