DE8407061U1 - Separator aus Vliesstoff für Batterien mit alkalischen Elektrolyten - Google Patents

Separator aus Vliesstoff für Batterien mit alkalischen Elektrolyten

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Description

Dr. H. Weissenfeld-Richters '··' l»: :··5 *··? :».! "" Patentanwättin 694OWeinhein^Bergstr.
Telefon (P 62 01) 804618 Telex 4 65 531
1. Harz 1984 Ho/Sch · ON 5017/Deu
Anmelderin: Firma Carl Freudenberg, Weinheim
Separator aus Vliesstoff für Batterien mit alkalischen Elektrolyten
Die Erfindung betrifft einen Separator aus Vliesstoff für Batterien mit alkalischen Elektrolyten.
Derartige Separatoren bestehen bekanrrtsrwaiee aus Polyamidfaser- oder Polypropylenfaaer-Vlieaatoffen.
-2-
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-2-
Erstere zeichnen sich durch eine hohe Aufnahmekapazität und Haltefähigkeit für die Elektrolytflüueigkeit aus, wodurch eine hohe Entladebelaatbarkeit der Batterien erzielt wird* Ihre schwerwiegenden Nachteile liegen jedoch bei höheren Temperaturen (um 00 0C) in der mangelnden Widerstandsfähigkeit gegen alkalische Lösungen und gegen Oxidation. Vliesstoff-Separatoren mit bzw. aus PoIypropylenfaeern zeigen diese Nachteile nicht und sind sogar besondere vorteilhaft für geringe elektrische Strom' entnahme) ihre Aufnahme- und Haltefähigkeit für Elektrolytlöeungen ist jedoch in unbefriedigender Weise gering. Ein Behandeln der Polypropylenfaoern mit oberflächenaktiven Substanzen ist nur beding praktikabel} ein solchermaßen imprägnierter Separator wird bald unbraueh» bar werden, wenn Kurzzeitentladung bei hoher St?ommenge von der Batterie verlangt wird, da er unter diesen Bedingungen die erforderliehe Elektrolytmenge nicht konstant halten kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Synthese aus den bekannten vorteilhaften Eigenschaften eines Polypropylenfaser-Separators und aus der Fähigkeit 211 bilden, auch unter verschärften Temperatur- und Entladungsbedingungen eine genügende Elektrolytmenge jederzeit zur Verfugung zu halten.
Die vollkommene Losung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemä'0 darin, einen Sep^äratofen-Vliesstöff zu verwenden, der zu mindestens 20 Gew."Prozent aus Polypropylen-Hohlfasern besteht, welche eine Fadenstärke £ 5 Denier, eine Länge S. 100 mm und einen Innendurchmesser £ 15 Aim aufweisen. . «
-Z-
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Es ist aus der US-PS 4,226,921 zwar bekannt, vorzugsweise parallel angeordnete Hohlfasern aus temperaturbeständigem Material wie zum Beispiel Glas oder Keramik in Separatoren für Alkali-Sohwefel-Hochtemperaturzellen anzuwenden. Aufgebe dieser Separatoren ist Jedoch, im Gegensetz zur vorliegenden Erfindung, zwei Elektrolytschmelzen, so etwa NaxS von Na0, zu trennen sowie die Durchlässigkeit selektiv für Na+ - Ionen zu ermöglichen. Solche Batterien arbeiten bei Temperaturen um 400 0C und stellen im Wesen gänzlich andere Anforderungen an die Separatoren als Alkallelektrolyt-Batterien. Dee weiteren sind ein Verfahren zur Herstellung von Polypropylen-Hohl« fasern und deren Anwendung als Ultrafilter, Membrantröger für die umgekehrte Osmose oder als Gaatrennungsmembran bekannt aus der DE-OS 26 30 374. Die hierbei bestehenden Aufgeben (Stoffdurchgang) und Einsatzgebiete aind mit den genannten der vorliegenden Erfindung nicht vergleich* bar.
Der erfindungsgemäße Separator ist widerstandsfähig gegen Alkalien und Oxidation, hat eine hohe Elektrolyt-Aufnahmefähigkeit und gewährt euch bei hohen Entladungeraten das Beatehen einer kontinuierlichen Elektrolytschicht.
Die Hohlfasern müssen nicht notwendigerweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Jede Querschnittsform ist zulässig, insofern ein durchgehender Hohlraum in der Längsachse des Fasern vorharräen ist·
-4*
-4-
Die angegebenen Warte für Dicke, Stapellänge und Innendurchmesser der Fasern dürfen nicht überschritten werden, da ansonsten der Separator ein zu grobes GefUge erhalten würde, welches der Aufnahmekapazität für die Elektrolytlösung abträglieh ware. Aue demselben Grund ist ein Hohlfaseranteil von mindestens 20 Gew.-Prozent vorgeschrieben.
Aue diesen Erkenntnissen heraus wird ein im Hinblick auf die Aufgabenstellung besonders vorteilhafter Separator vorgeschlagen, der aus einem Vliesstoff mit 40 Gew.-Prozent Polypropylen-Hohlfasern von 3 Denier Stärke, 51 mm Faserlänge und 10yum Innendurchmesser besteht.
Die Herstellung der Faservliese kann in den vorbeschriebe* nen und folgenden Ausgestaltungen der Erfindung naeh bekannten Kardier- und Ablegeverfahren vorgenommen werden. In einer vorteilhaften Version des erfindungsgemäOen Separators besitzen die Polypropylen-Hohlfasern eine offenporige Mantelstruktur. Die Herstellung solcher Fasern ist beispielsweise in der erwähnten DE^OS 26 30 beschrieben. Die Kanalporen tragen dabei zu einer weiteren Crhöhung der im Separator fixierbaren Elektrolyt-Menge bei.
Vor allem, wenn der Vliesstoff nur aus Polypropylen-Hohlfasern besteht, ist die Verfestigung des Vlieses mit einem thermoplastischen Harz vorzunehmen, welches beispielsweise auf die Fasern ale Emulsion aufgesprüht wird* Voraussetzung ist hierbei zum einen die Resistenz des Binderharzes gegen alkalische Elektrolytlösungen,, zum anderen ist darauf zu achten» daß insbesondere bei Verwendung von porösen Polypropylen-Hohlfasern das Harz nur bereiehsweise, wie es zu einer befriedigenden Verfestigung notwendig ist, den Vliesstoff bedeckt.
-5-
-5-
Dieae Ausgestaltung dee Separators stellt »ine besondere kostengünstige Variante der Erfindung dar.
Dem Separatoren-Vliesstoff Mtnnen in den Grenzen dee Anepruohe 1 aueh andere synthetische Fasern beigemischt werden, ineofern diese ebenfalle gegen Alkalien reeistett sind. So besteht eine «eitere vorteilhafte Auegcetaltung der Erfindung darin, dae Vlies in an eich bekannter Weise mit thernoplaatioohen olefinischen Bindefaaern thermie>oh zu verfestigen. Hiermit wird eine sichere Verfestigung durch nur punktveieea Verkleben erzielt, wodurch Porosität und Hohlreunvolunen dee Separators nicht beeinträchtigt werden.
In besonderer Weise eind zu diesem Zweck {!!komponentenfasern nit eine« Polypropylen-Kern und einem Polyethylen-Hantel geeignet} diese Bikomponsntenfasern bewirken bereits in geringer An2shl eine erhebliehe Verfestigung dee Vliesstoffes, eodaß die Menge der Polypropylen-Hohlfaeern im Interesse einer hohen Flüsslgkeitsaufnahnie groß gewählt werden kann.
Eine als besonders vorteilhaft zu wertende Variante besteht darin, daß das gesamte Separatorenmaterial aus Biköflipenefttenfatiefn besteht, deren Kern eine Polypropylen* Hohlfaser gemäß Anspruch 1 ist und deren Hantel aus Polyolefin besteht« Der Vliesstoff ist wiederum nur an den Faserkfeuzungspunkten thermisch verbunden. Dec Vorteil besteht darin, daß hier jeder Faser die Aufgabe zukontftt, Elektrolytlosung in ihrem Hohlraum festzuhalten. In gleicher Weise wirken die Faserzwischenräume.
-6-
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-6-
Kein aufgebrachtes Bindemittel verschlechtert die Aufnawmekapazität des Separators für den Elektrolyten. Die genannten Vorteile wiegen bei weitem den Umstand auf, daß bei dieser Ausführungsform eine Porosität des Polypropylen-Fasermantels nicht gegeben ist.
Eine weitere Verbesserung der Elektrolytaufnahmefähigkeit des erfindungsgemäßen Batterieseparators ist möglich, wenn der gesamte Faserverbund mit einem der bekannten, gegen alkalische Lösungen resistenten Tensid behandelt wird, dessen HLB-Wert zwischen 12 und 15 liegt.
Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen näher erläutert.
Beispiel 1
Eine Mischung von 50 Gew.-Prozent an 51 mm langen Polypropylen-Hohlfasern mit 3 Denier und 5.0 Gew.-Prozent an 51 mm langen Bikomponentenfasern mit 1,5 Denier, bestehend aus einem Polypropylen-Kern und einem Polyethylen-Mantel, wurde zu einem Vlies mit 75 g/m9 verformt. Dieses wurde sodann ohne Druck thermisch behandelt für 1 Minute bei 140 0C. Es folgte ein Kalandrieren unter einem Druck von 100 kg/m3·
Vergleichsbeispiel 1 β
Ein Vlies von 75 g/m* aus 51 mm langen Bikomponentenfeeern mit 1,5 Denier und einem Polypropylen-Kern sowie einem Polyefchylen-Mantel wurde einer Wärmebehandlung und einem Kalandriervorgnng unter denselben Bedingungen wie in Anspruch 1 unterzogen»
-7-
I t t 9 · t 9 I I nil
-7-
AnschlieOend wurde der Faserverbund mit Polyoxyethylennonylphenyläther behandelt, einem nichtionischen Tensid mit einem HLB-Wert von 13,1.
Vergleichsbeispiel 1 b
Ein Vlies von 75 g/m2 wurde aus 100 % 51 mm langen Bikomponentenfasern mit 3 Denier Stärke und mit einem Faserkern auch hochschmelzendem Polyamid sowie einem Fasermantel aus niedrigschmelzendem Polyamid hergestellt. Der Faserverbund wurde Für 1 Minute ohne Druck wärmebehandelt und sodann einem Kalandrierverfahren unterzogen.
Beispiel 2
Der Vliesstoff aus Beispiel 1 wurde zusätzlich mit PoIyoxyethylen-Nonylphenyläther mit einem HLB-Wert von 13,1 behandelt.
Die Elektrolyt-Haltefähigkeit der verschiedenen Separatoren wurde nach der folgenden Methode gemessen und die Messungen verglichen. Das Anfangsgewicht jeder Probe war a (g). Die Probe wurde in eine Kaliumhydroxidlösung mit einer Dichte von 1,3 g/cm9 bei Raumtemperatur getaucht und dann mit einer Zentrifuge bei 2500 U/min 5 Minuten lang entfeuchtet. Nach dieser Behandlung wurde die Probe erneut gewogen. Der ermittelte Wert war a. (g). Die Elektrolythaltefähigkeit A (%) errechnet sich nach der folgenden Gleichung!
A s Jj ÜL X 100
-8-
ί ·'
-8-
Nach derselben Gleichung wurde die Elektrolythaltefähigkeit B (S) berechnet. Diese gilt für den Fall, daß die Probe in eine Kaliumhydroxid-Lösung mit einer Dichte von 1,3 g/cm3 einen Monat lang bei 80 0C getaucht wurde.
Das Verhalten der Separatoren bezüglich der Elektrolythaltefähigkeit bei hoher Entladebelastung wurde wie folgt bewertet: Wenn unter wiederholter Entladebelastung bei 60 0C kein Elektrolytverlust auftrat, wurde der Separator als sehr gut eingestuft. Ein Verlust an Elektrolyt wurde mit schlecht bewertet.
Die Ergebnisse der obigen Messungen sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.
3eispiel
1		 Ver
gleichs-
beispiel
1 a		 Ver
gleichs-
beispiel		 Beispie] MeQtemp.
Elektrolyt
haltefähig
keit
8.1 5.5 8.2 12.5 Zimmertemp.
6.2 3.2 6.1 11.4 800C
A % sehr
gut		 gut schlecht sehr
gut		 60eC
B %
l/erhalten bei
lohe'r Entla-
debelastung
-9-
; i

Claims (8)

Anspriiche;
1. Separator aus Vliesstoff für Batterien mit alkalischen Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, daß der Vliesstoff zu mindestens 20 Gew.-Prozent aus Polypropylen-Hohlfasern besteht, welche eine Fadenstärke £5 Denier, eine Länge ^ 100 mm und einen Innendurchmesser j4 15 Aim aufweisen.
2. Separator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Vliesstoff zu 40 Gew.-Prozent aus Polypropylen-Hohlfasern mit 3 Denier Stärke, 51 mm Länge und 10 yum Innendurchmesser besteht.
3. Separator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, .daß die Polypropylen-Hohlfasern eine offenporige Mantelstruktur besitzen.
4. Separator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Vlies durch ein thermoplastisches Harz bereichsweise gebunden ist.
5. Separator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Vlies über olefinische Bindefasern punktweise thermisch verfestigt ist.
6. Separator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die thermoplastischen Bindefasern aus einem Polypropylen-Kern und einem Polyethylen-Mantel bestehen.
-10-
I < ■( ti ·· ·>
-10-
7. Separator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Vlies zu 100 % aus Bikomponentenfasern besteht, deren Kern eiae Polypropylen-Hohlfaser gemäß Anspruch 1 ist und deren Mantel aus Polyethylen besteht, und daß es an dan Faserkreuzungspunkten thermisch gebunden ist.
8. Separator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Fasern des Vliesstoffes mit einem nichtionischen, gegenüber Alkalien beständigen Tensid mit einem HLB-Wert zwischen 12 und 15 behandelt sind.'
-11-
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