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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft Separatoren für
elektrische Blei-Säure-Speicherbatterien.
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Hintergrund
der Erfindung
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Blei-Säure-Speicherbatterien
weisen in der Regel mehrere positive und negative Elektrodenplatten
auf, die durch dünne
mikroporöse
Folien voneinander getrennt sind. Diese Separatoren dienen dazu, die
Elektrodenplatten zu trennen, d. h. elektrisch zu isolieren. Sie
werden üblicherweise
mit mehreren Rippen versehen, um einen direkten Kontakt der Separatorfolie
insbesondere mit den positiven Elektrodenplatten zu verhindern.
Während
des Betriebs wird an den positiven Platten während des Ladens Sauerstoff
erzeugt, der das Separatormaterial oxidiert, wodurch der Separator
altert, was nachfolgend zu Kurzschlussbildung zwischen den positiven
und negativen Platten führt.
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Diese
Rippen erhöhen
jedoch den elektrischen Widerstand und die Säureverdrängung des Separators, wodurch
die Entladungskapazität
der Batterie reduziert wird. Rippen erfordern auch die Verwendung
von weiterem Material und erhöhen
daher die Produktionskosten des Separators. Rippen können zudem
zu Problemen beitragen, wie Fehlausrichtungen bei der Eintauschung
der Elektrodenplatten, was wiederum zur Durchstechung der Separatorfolie
durch scharfe Kanten der Elektroden führen kann, wodurch eine signifikante
Verkürzung der
Gebrauchsdauer der Batterie herbeigeführt wird.
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Um
den elektrischen Widerstand, die Säureverdrängung und Rohmaterialkosten
zu reduzieren, schlägt
die
US 5,558,952 Separatoren
mit mehreren unterbrochenen, diskontinuierlichen Rippen in der Mitte
der Separatorfolie vor. Es wurde gefunden, dass Profile mit unterbrochenen
vertikalen Rippen dazu neigen, bei der Produktion von Separatortaschen
zu Problemen zu führen,
da der sogenannte "Polstereffekt" beobachtet wird.
Zudem können
unterbrochene Rippen mit kurzen erhöhten Abschnitten den direkten
Kontakt der Ränder
der Elektrodenplatten mit der Separatorfolie nicht verhindern.
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Außerdem sind
zur Herabsetzung des elektrischen Widerstands und der Säureverdrängung Separatorprofile
mit Grübchen
vorgeschfolien worden. Bei diesen Profilen ist der Separator mit
einem Muster aus Grübchen
ausgestattet, die gleichförmig über die
Separatorfolie verteilt sind. Diese Profile haben nie kommerzielles
Interesse erlangt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Batterieseparator für eine Blei-Säure-Speicherbatterie, der
eine poröse
Folie aufweist, die mit einer Vielzahl von Noppen und mindestens
einer länglichen
vertikalen Rippe auf mindestens einer Seite der Folie ausgestattet
ist. Die mindestens eine längliche
vertikale Rippe ist im Mittelbereich der Folie angeordnet und liegt,
wenn der Separator auf nur einer Seite Noppen aufweist, auf derselben
Seite wie die Noppen, d. h. der Separator weist mindestens eine
längliche
vertikale Rippe im Mittelbereich von mindestens einer Seite der
Folie auf, die mit einer Vielzahl von Noppen versehen ist. Der Schutzumfang
der Erfindung ist in den unabhängigen
Ansprüchen
1 und 12 definiert.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Batterieseparator für eine Blei-Säure-Speicherbatterie bereitzustellen,
der ei nen reduzierten elektrischen Widerstand, eine reduzierte Säureverdrängung und reduzierte
Rohmaterialanforderungen hat, ohne die Nachteile bekannter Separatoren
zu zeigen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Separator bereitzustellen,
der den Elektrodenabstand während
des Gebrauchs zuverlässig
aufrechterhält,
eine hohe Zykluslebensdauer der Batterie gewährleistet und Montageprobleme
während
des Einbringens der Elektroden in Taschen und der Batterieproduktion
vermeidet.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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1 ist
eine isometrische Ansicht eines erfindungsgemäßen Separators.
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2 ist
eine teilweise aufgebrochene isometrische Ansicht einer gefalteten
Folie eines erfindungsgemäßen Separators,
die eine Elektrodenplatte enthält.
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3 ist
eine Ansicht in der Richtung III-III von 1.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Nachfolgend
werden Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung detailliert in Bezug auf die angefügten Zeichnungen
beschrieben. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Separator 1.
Der Separator weist eine poröse
Folie 2 auf, die mit mehreren Noppen 3 in Form
von abgestumpften Kegeln und drei kontinuierlichen vertikalen Rippen 4 in
dem Mittelbereich 5 der Separatorfolie versehen ist. Die
Noppen sind auch in den lateralen Seitenbereichen 6 vorhanden.
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2 zeigt
eine Elektrodenplatte 7, nachdem sie in den mikroporösen Separator 1 eingesetzt worden
ist, jedoch vor dem Siegeln der Seitenendabschnitte 6.
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Die
Folie 2 ist vorzugsweise aus synthetischem Harz hergestellt,
wie Polyolefin, Poly(vinylchlorid) oder anderem geeignetem Material,
das mit der Batterieumgebung verträglich ist, in der es verwendet
werden soll. Das bevorzugte Separatormaterial ist Polyolefin, wie
Polypropylen, Ethylen-Buten-Copolymer und vorzugsweise Polyethylen,
insbesondere Polyethylen mit hohem Molekulargewicht, d. h. Polyethylen
mit einem Molekulargewicht von mindestens 300.000, besonders bevorzugt
Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht, d. h. Polyethylen mit
einem Molekulargewicht von mindestens 1.000.000, insbesondere mehr
als 4.000.000 und am meisten bevorzugt 5.000.000 bis 8.000.000 (gemessen
mittels Viskosimetrie und berechnet nach der Gleichung von Margolie),
einem Schmelzindex unter Standardlast von im Wesentlichen 0 (gemessen
wie in ASTM D 1238 (Bedingung E) spezifiziert, unter Verwendung
einer Standardlast von 2.160 g) und einer reduzierten Viskosität von nicht
weniger als 1.000 ml/g, vorzugsweise nicht weniger als 2.000 ml/g
(bestimmt in einer Lösung
von 0,02 g Polyolefin 100 g Decalin bei 130 °C).
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Der
fertige Separator enthält
vorzugsweise eine homogene Mischung aus 8 bis 100 Vol.% Polyolefin,
0 bis 40 Vol.% eines Plastifizierungsmittels und 0 bis 92 Vol.%
inertem Füllstoff-
material. Der bevorzugte Füllstoff
ist trockenes feinteiliges Siliciumdioxid. Das bevorzugte Plastifizierungsmittel
ist Petroleumöl.
Da das Plastifizierungsmittel die Komponente ist, die sich am leichtesten
aus der Polymer-Füllstoff-Plastifizierungsmittel-Zusammensetzung
entfernen lässt,
ist sie dazu geeignet, um dem Batterieseparator Porosität zu verleihen.
Die Endzusammensetzung des Separators hängt von der ursprünglichen
Zusammensetzung und der Komponente oder den Komponenten ab, die
extrahiert wird bzw. werden. Materialien dieser Art sind in der
Technik wohl bekannt und beispielsweise in
US 3,351,495 beschrieben, auf deren
Offenbarung hier Bezug genommen wird.
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Die
mikroporöse
Separatorfolie hat eine Porengröße, die
allgemein kleiner als 1 μm
im Durchmesser ist, und vorzugsweise haben mehr als 50% der Poren
einen Durchmesser von 0,5 μm
oder weniger. Es ist besonders bevorzugt, dass mindestens 90 der
Poren einen Durchmesser von weniger als 0,5 μm haben.
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Die
Dicke der Separatorfolie liegt vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis
0,6 mm, vorzugsweise im Bereich von 0,15 bis 0,25 μm und am
meisten bevorzugt bei etwa 0,2 mm.
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Die
mikroporöse
Separatorfolie wird auf einer Seite der Folie mit mehreren Noppen
und mindestens einer vertikalen Rippe im Mittelbereich der Folie
versehen Der Separator kann jedoch zusätzlich Rippen und/oder Noppen
auf der anderen Seite der Folie aufweisen. Der Separator enthält vorzugsweise mehrere
Noppen und mindestens eine vertikale Rippe auf nur einer Seite der
Folie Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
enthält
der Separator 2 bis 4 vertikale Rippen, insbesondere 2 oder 3 vertikale Rippen.
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Die
Rippen haben vorzugsweise eine Höhe von
etwa 0,3 bis 1,3 mm, vorzugsweise etwa 0,4 bis 0,9 mm und am meisten
bevorzugt etwa 0,5 mm und eine Basisbreite von etwa 0,5 bis 1,5
mm, vorzugsweise etwa 0,7 mm. Sie können jeden geeigneten Querschnitt
haben, wobei runde und dreieckige Querschnitte bevorzugt und trapezförmige Querschnitte
am meisten bevorzugt sind. Die Höhe
der Rippen kann die selbe wie die der Bolzen sein, wie in 3 dargestellt
ist, oder kann niedriger sein.
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Die
mindestens eine vertikale Rippe ist eine längliche Rippe, d. h. eine Rippe
mit einer Länge
von mindestens 2 cm. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
hat die vertikale Rippe/haben die vertikalen Rippen die Form kontinuierlicher
Rip pen, die sich über
die gesamte Separatorfolie erstrecken, wie in 1 zu
sehen ist.
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Separatoren
für Starterbatterien
haben in der Regel eine Breite von etwa 160 mm, Elektroden von etwa
145 bis etwa 148 mm. Separatoren des Standes der Technik haben Rippen,
die mit einem Abstand von etwa 6 bis 13 mm beabstandet sind. Ein
typischer Separator weist daher etwa 12 bis 25 Rippen auf, die zu
dem Gesamtvolumen des Separators und somit zu dem elektrischen Widerstand
und der Säureverdrängung wesentlich
beitragen. Das Rippenmaterial stellt zudem einen erheblichen Anteil
des gesamten Separatormaterials dar. Die erfindungsgemäßen Separatoren
enthalten eine und vorzugsweise nicht mehr als 4 vertikale Rippen,
und da der Beitrag der Noppen zu dem Gesamtvolumen des Separators minimal
ist, wird eine deutliche Abnahme des Separatorvolumens, des elektrischen
Widerstands und der Säureverdrängung erreicht.
Durch das erfindungsgemäße Separatorprofil
kann das Gesamtvolumen der Rippen und Noppen auf etwa 10% bis 30% des
Rippenvolumens eines Rippen aufweisenden Separators gemäß dem Stand
der Technik reduziert werden. Die für die Produktion des Separators
erforderliche Materialmenge und die Kosten werden somit deutlich
herabgesetzt.
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Der
Begriff "Noppen" bezieht sich auf
erhöhte
Bereiche, die sich über
die Separatorfolie 2 erheben und die Form von geprägten und
vorzugsweise massiven Körpern
haben. Sie haben die Funktion eines Distanzhalters, der die Separatorfolie 2 von
der positiven Elektrodenplatte 7 weghält und somit einen direkten
Kontakt der Folie mit der Elektrode verhindert.
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Die
Noppen können
jede geeignete Form haben, und haben vorzugsweise die Form kugelförmiger Kappen,
wie Halbkugeln und/oder abgestumpften Pyramiden, wobei abgestumpfte
Kegel am meisten bevorzugt sind. Sie haben vorzugsweise eine Höhe von etwa
0,3 bis etwa 1,3 mm, vorzugsweise etwa 0,4 bis 0,9 mm und am meisten
bevorzugt etwa 0,5 mm und eine Basisbreite von etwa 0,5 bis etwa 1,5
mm, vorzugsweise etwa 0,7 mm.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
haben die Noppen die Form mehrerer nicht kontinuierlicher, unterbrochener
Rippen ähnlich
denjenigen, die beispielsweise in
US
5,558,952 offenbart sind. Die erhöhten Teile dieser nicht-kontinuierlichen
Rippen haben vorzugsweise eine Länge
von nicht mehr als 1 cm, insbesondere nicht mehr als 0,5 cm. Die
Lücken zwischen
den erhöhten
Teilen der nicht-kontinuierlichen Rippen haben vorzugsweise eine
Länge von mindestens
etwa der doppelten Länge
der erhöhten Teile.
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Die
Anzahl der Noppen hängt
von dem Separatormaterial ab. Die Separatorfolie ist in der Regel mit
etwa 0,2 bis 2 Noppen pro cm2 der Folienfläche versehen,
vorzugsweise etwa 1 Noppen pro cm2. Der maximale
Abstand zwischen zwei Noppen liegt vorzugsweise im Bereich von etwa
4 bis 25 mm. Die Noppen können
fluchtend angeordnet sein, wie in 1 gezeigt
ist, oder sie können
alternierend oder statistisch verteilt sein.
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Die
Noppen und die mindestens eine vertikale Rippe sind feste Körper, die
vorzugsweise integral aus demselben Material wie die Separatorfolie
gebildet sind, wie nachfolgend erläutert wird.
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Die
mindestens eine längliche
vertikale Rippe ist im Mittelbereich 5 der Separatorfolie
angeordnet, d. h. dem Teil der Folie, der in Kontakt mit den Elektrodenplatten
steht. Der Begriff "Mitte" bezieht sich auf
die horizontal bestimmte. Mitte der Folie. Die Noppen müssen auch
in dem Mittelbereich 5 vorhanden sein, sind jedoch vorzugsweise
auch in den Seitenbereichen oder Randbereichen 6 der Separators (Bodenflächen) vorhanden.
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Die
Separatoren können
auch eine Vielzahl eng beabstandeter Rippen in den lateralen Seitenbereichen
6 der
Separatorfo lie aufweisen. In diesem Fall weisen die Seitenränder des
Separators vorzugsweise mindestens etwa 10 bis 12 Rippen pro cm auf,
wie beispielsweise in
EP
0 899 801 A1 offenbart ist. Die Separatoren können auch
mehrere kurze, sich schneidende, vertikal beabstandete Rippen in den
lateralen Seitenbereichen der Separatorfolie aufweisen, wie beispielsweise
in
US 5,716,734 offenbart ist,
oder eine Kombination aus sowohl eng beabstandeten vertikalen Rippen
als auch sich schneidenden Rippen, wie in
US 5,558,952 offenbart ist. Diese
sich schneidenden Rippen, falls vorhanden, beginnen an einem Ende
der Noppen und erstrecken sich zu dem linken oder rechten Rand der
Separatorfolie. Es ist auch bevorzugt, dass die Höhe dieser
sich schneidenden Rippen von der Innenseite der Folie zu der Außenseite
abnimmt. Am inneren Ende können
die Rippen beispielsweise die gleiche Höhe wie die Noppen haben, am äußeren Ende
kann die Höhe
nahezu Null sein. Die kurzen, sich kreuzenden Rippen können horizontal
angeordnet oder relativ zur Horizontallinie. schräg sein.
Gemäß einer
anderen Ausführungsform
kann die Dicke der Seitenbereiche der Folie größer als die Dicke des Mittelbereichs
der Folie sein, z. B. um einen Faktor von 2, wie in der Europäischen Patentschrift
EP-B1-0 484 295 beschrieben ist. Die obigen Verstärkungen
der Stegbereiche
6 tragen dazu bei, ein Durchstechen der
Separatorfolie durch Ränder
der Elektrodenplatte zu verhindern. Separatoren mit verstärkten Seitenbereichen
6 weisen
vorzugsweise keine Noppen in den Seitenbereichen
6 auf.
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Um
die Steifheit in Querrichtung zu erhöhen, können die erfindungsgemäßen Separatoren
mit mehreren kontinuierlichen Querrippen versehen werden, wie in
US 5,776,630 offenbart ist.
Querrippen haben vorzugsweise eine niedrigere Höhe als die mindestens eine
vertikale Rippe.
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Die
erfindungsgemäßen Batterieseparatoren haben
vorzugsweise die Form einer Tasche, die oben offen ist, einen geschlossenen
Boden und geschlossene Seiten aufweist. Diese Taschen werden im
wesentlichen hergestellt, indem mittels einer Formungsmaschine,
wie eines Extruders, synthetisches Harz allein oder eine Mischung
von synthetischem Harz mit anorganischem Pulver und Porenbildner
zu einer bandförmigen
Folie geformt wird. Das extrudierte Separatormaterial wird zwischen
ein Paar Kalanderwalzen geführt,
das die Noppen und/oder die Rippenmuster auf der Materialsbahn bildet.
Der Porenbildner wird danach mittels eines Lösungsmittels aus der geformten
Folie extrahiert. Die Folie wird danach getrocknet, so dass eine
poröse
bahnförmige
Folie erhalten wird. Die poröse
Folie wird in eine Anzahl von Stücken
mit festgelegter Länge
und mit rechteckiger Form geschnitten. Der Folienseparator wird
danach mittig gefaltet, wobei zwei sich gegenüberliegende Seiten mit Seitenendbereichen 6 gebildet
werden, die an den linken und rechten Rändern des gefalteten Folienseparators
liegen. Eine negative oder vorzugsweise positive Elektrodenplatte 7 für eine Blei-Säure-Speicherbatterie
wird dann wie in 2 gezeigt in die gefaltete Separatorfolie
eingebracht, und danach werden die Seitenränder des Separators mittels Heißsiegelung,
wie z.B. Ultraschallsiegelung oder mechanische Siegelung, wie z.B.
Druckschweißen oder
dergleichen, miteinander versiegelt. Die gesiegelten Bereiche werden
an gegenüberliegenden
Seitenrändern
des resultierenden Taschenseparators gebildet, wobei der untere
Rand durch die oben genannte Falte gebildet wird und die linken
und rechten Seitenränder
geschlossen sind, und die obere Seite offen ist. Die Bildung der
Taschenseparatoren ist in der Technik wohl bekannt.
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Das
obige Verfahren führt
zu festen Rippen und Noppen, die integral aus demselben Material
wie die Separatorfolie gebil det sind, wie in 3 illustriert ist.
Dies ist eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung. Es ist jedoch auch möglich, die Separatorfolie,
die Noppen und/oder die Rippen in separaten Stufen unter Verwendung
der gleichen oder anderer Materialien zu bilden. Zu geeigneten Rippenmaterialien
gehören
Polyethylen, Polypropylen und Poly(vinylchlorid). Diese Materialien
können
ungefüllt
oder gefüllt
sein, z. B. mit Siliciumdioxid oder Luft. Die Verwendung von Luft
als Füllstoff
führt zu
den sogenannten "geblasenen
Rippen". Ein mit
mehreren integral gebildeten Noppen ausgestatteter Separator wird beispielsweise
in einer ersten Stufe gebildet, und später wird eine längliche
vertikale Rippe darauf aufgebracht, z. B. durch Extrusion. Es ist
offensichtlich, dass in dieser Ausführungsform die längliche
Rippe auch auf die Elektrodenplatte anstelle der Separatorfolie
aufgebracht werden kann. Die Elektrode wird dann in die Tasche eingeführt, wobei
der Separator die Vielzahl an Rippen aufweist.
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Wenn
die mindestens eine vertikale Rippe nicht die Form einer kontinuierlichen
Rippe hat, ist es wichtig, die Rippe nicht nur in dem Mittelbereich
der Folie anzuordnen, sondern auch am unteren Randbereich der Separatortasche
(der vertikalen Mitte der nicht gefalteten Folie). Dies kann beispielsweise
erreicht werden, indem eine längliche
Rippe auf den Separator extrudiert wird, nachdem der Separator geschnitten
worden ist, oder indem durch Extrusion eine kontinuierliche Rippe
gebildet wird, diese kontinuierliche Rippe in Stücke mit einer Länge von
nicht weniger als 2 cm geschnitten wird und danach diese Stücke gefaltet
werden, um Stücke
mit einer U-Form bereitzustellen. Die U-förmigen Stücke werden auf den unteren
Rand der Elektrodenplatte aufgebracht, die nachfolgend mit einem
Separator, der mit mehreren Noppen ausgestattet ist, in Taschen
eingebracht wird.
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Derartige
zwei- (oder mehr)-stückige
Separatoren sind zwar nicht bevorzugt, liegen aber eindeutig innerhalb
des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung.
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Schließlich werden
mehrere positive Elektroden, die in ihren jeweiligen Separatoren
enthalten sind, zusammen mit mehreren negativen Elektrodenplatten
zu einer Zellanordnung der Blei-Säure-Speicherbatterie zusammengestellt.
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Die
Separatorproduktion und die Herstellung von Taschen erfolgen üblicherweise
an unterschiedlichen Orten. Es ist daher bevorzugt, dass der bahnförmige Separator
in die zur Taschenproduktion erforderliche Breite geschnitten und
danach aufgewickelt wird. Diese Rollenwerden an den Batteriehersteller
verkauft und geliefert, der das aufgerollte Material in Stücke für die Taschenproduktion
schneidet.
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Die
mehreren Noppen und die mindestens eine vertikale Rippe der erfindungsgemäßen Separatoren
werden vorzugsweise auf der Seite der Separatorfolie angeordnet,
die der positiven Elektrode gegenüberliegt. In Taschen, die eine
positive Elektrodenplatte aufnehmen sollen, werden die Noppen und vertikalen
Rippen somit auf den Innenflächen
der Tasche angeordnet. Zusätzliche
Rippen und Noppen können
jedoch auf anderen Flächen
bereitgestellt werden, wie oben beschrieben ist. Die erfindungsgemäßen Separatoren
können
zu erheblich niedrigeren Kosten hergestellt werden als gerippte
Separatoren des Standes der Technik, weil weniger Rohmaterial gebraucht
wird und mit höherer
Produktionsgeschwindigkeit gearbeitet werden kann. Sie zeigen nicht
die Nachteile der Separatoren, die mit gebrochenen Rippen ausgestattet
sind, d. h. es wird bei der Taschenproduktion kein Polstereffekt
beobachtet, und ein direkter Kontakt zwischen der Separatorfolie 2 und
den Elektrodenrändern
wird zuverlässig
verhindert. Sie halten zudem sicher den Abstand zwischen den Elektroden
und vermeiden Probleme während der
Batteriemontage, wodurch eine hohe Zykluslebensdauer gewährleistet
ist. Es ist zudem gefunden worden, dass die erfindungsgemäßen Separatoren
höhere
Kaltstartleistung geben, verglichen mit bekannten Separatoren. Separatoren,
bei denen zwei oder mehr Merkmale die oben definierten, bevorzugten
Definitionen erfüllen,
sind besonders bevorzugt.