JP2004516625A - ニッケル水素電池用不織布セパレータ - Google Patents
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Abstract
【課題】ニッケル水素（ＮｉＭＨ）電池のための電池セパレータを提供する。
【解決手段】１つのメルトブローン層を間に挟んでいる２つのスパンボンド層を有する、濡らすことができる弾性不織布ウェブを含有する。このウェブは、６ニュートンより大きい破壊強度、２００ニュートン／メートルより大きい引張り強度、及び２０μｍ未満の平均孔径を有するセパレータ。
【解決手段】１つのメルトブローン層を間に挟んでいる２つのスパンボンド層を有する、濡らすことができる弾性不織布ウェブを含有する。このウェブは、６ニュートンより大きい破壊強度、２００ニュートン／メートルより大きい引張り強度、及び２０μｍ未満の平均孔径を有するセパレータ。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）電池のための、不織布の電池セパレータに向けられている。
【０００２】
【従来の技術】
ニッケル水素電池用の不織布セパレータは知られている。例えば、米国特許第５，５８９，３０２号及び同第５，８３０，６０４号明細書を参照できる。これらの明細書に記載された内容は、引用することによって本明細書の一部をなすものとする。
【０００３】
ニッケル水素（ＮｉＭＨ）電池は、既に知られている。「リンデン（Ｌｉｎｄｅｎ），Ｄ．，Ｅｄ．，電池ハンドブック（Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ），第２版，マグロウヒル社（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ， Ｉｎｃ．）（１９９５），第３３章」；及び「ベーゼンハード（Ｂｅｓｅｎｈａｒｄ），Ｊ．Ｏ．，編，電池材料のハンドブック（Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ），ウィリー（Ｗｉｌｅｙ）−ＶＣＨ（１９９９），§§９．３．３．２及び９．３．５」を参照。これらは、引用することによって本明細書の一部をなすものとする。ＮｉＭＨ電池は一般に、ニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ）電池を改良したものである。ＮｉＭＨ電池の１つの利点は、より大きいエネルギー密度を達成し得ることである。このことは、とりわけ、金属水素化物電極を一層小さくすることができるため、同一体積で一層多くのエネルギーを得ることができることを意味する。今日の全ての電池技術に関し、開発のための重要な指針の１つは、一層大きいエネルギー密度を得ることである。エネルギー密度を増大させる１つの方法は、セパレータを一層薄くすることである。そのため、該セパレータは電池内で一層小さい空間を占める。セパレータを一層薄くするためには、競合する多くの要因のバランスをとる必要がある。例えば、電池を造る間、セパレータの強度は重要である。また、強度は、例えば厚さを厚くすることによって容易に得ることができる。増大した厚さは、電池のエネルギー密度、又は電池の内部電気抵抗に不利となることがある。更に、諸ＮｉＭＨ電極は、充電及び放電の間、膨張し且つ収縮する。このことによって、それら電極によって膨張し且つ収縮するセパレータが選択される。これらの要因の適切なバランスを十分に最適化することは容易ではなく、飽き飽きする程長い実験が必要である。従って、ＮｉＭＨ電池のための改善されたセパレータに対する必要性が存在する。
【０００４】
ＮｉＭＨ電池等のアルカリ電池系で使用するための、幾つかの異なる種類のセパレータが提案されてきた。「ベーゼンハード（Ｂｅｓｅｎｈａｒｄ）：アイビッド（Ｉｂｉｄ）．§９．３．５，表１５〜１７」を参照。それらのセパレータは、１）不織布材料；２）細孔材料；及び３）半透性材料として分類されてきた。本発明にとってとりわけ重要であるのは、不織布材料である。不織布材料（又は不織布）は、機械的絡み合い（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｌｏｃｋｉｎｇ）によるか、布を溶融することによるか、及び／又は（例えば、結合剤を用いて）布を結合することによってつなぎあわされた、ランダムに配置された布（例えば、ウェブ）から造られている。ウェブの形成は、乾燥積層すること、湿式積層すること、又は、移動ベルトの上にフィラメントを押し出すこと、を含む種々のプロセスによって達成することができる。押出しのカテゴリーには、２つのプロセス、スパンボンディング（スパンボンデッド不織布を造ること）と、メルトブローイング（メルトブローン不織布を造ること）が含まれる。「トルバック（Ｔｕｒｂａｋ），Ａ．，編集，不織布（Ｎｏｎｗｏｖｅｎｓ）：理論、プロセス、性能及び試験，Ｃｈｐ ８，ＴＡＰＰＩ出版，ジョージア州アトランタ（１９９３）」を参照。この内容は、引用することによって本明細書の一部をなすものとする。スパンボンデッド不織布は、押し出され、延伸され、次いで、連続ベルトの上に置かれたフィラメントによって形成される。メルトブローン不織布は、ダイ（ｄｉｅ）を通して溶融ポリマーを押し出し、押し出したフィラメントを空気又は蒸気によって繊細化し、次いで、それらを移動ベルトの上に集めること、によって形成される。
【０００５】
ＮｉＭＨ電池のセパレータとして、スパンボンド不織布を使用することは知られている。米国特許第５，８３０，６０４号明細書を参照。電池のセパレータとしてメルトブローン不織布を使用することは知られている。米国特許第５，９６２，１６１号明細書を参照。アルカリ電池系にＳＭＳ不織布を使用することは知られている。特許協力条約公開Ｎｏ．ＷＯ００／４１２５４号パンフレットを参照。しかし、前述の諸セパレータは、ＮｉＭＨ電池で使用するのに必要な厳しい諸要求を満たしていなかった。とりわけ、前述の諸不織布は、大き過ぎるが、引張り強度及び破壊強度は十分である諸孔を有する（即ち、スパンボンド）か、又は、適度な大きさであるが、引張り強度及び破壊強度は不十分である諸孔を有する（即ち、メルトブローン）か、又は、非弾性的厚さ若しくは十分には弾性的ではない厚さを有している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
大抵の不織布はポリオレフィンで造られており、それら不織布は本質的に疎水性であるので、結論的には、水性電解質がセパレータを濡らすために、それら不織布は親水性にする必要がある。親水性（ｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｃ）とは、液体を濡らす（ｗｅｔ−ｏｕｔ）能力をいう。濡らす（ｗｅｔ−ｏｕｔ）とは、液体（例えば、水溶液）を一層容易に、もう１つの材料の表面の中に浸透させるか又はその表面に広げる能力をいう。疎水性（ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ）とは、液体を濡らさない能力をいう。
従って、ＮｉＭＨ電池に使用するのに十分な機械的諸特性と十分に小さい諸孔とを有する、濡らすことのできる不織布セパレータに対する要求が存在する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は好ましくは、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）電池のための電池セパレータに関する。このセパレータは、１つのメルトブローン層を間に挟んでいる２つのスパンボンド層を有する、濡らすことができる弾性不織布ウェブを含有する。このウェブは、６ニュートンより大きい破壊強度、２００ニュートン／メートルより大きい引張り強度、及び、２０μｍ未満の平均孔径を有する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
電池は通常、アノード、カソード、セパレータ、及び電解質から成る。セパレータは、アノードとカソードの間に配置される。電解質はセパレータを介してアノードとカソードの間の流体連絡をしている。本発明は、アルカリ電池系、例えば、ニッケル−カドミウム（ＮｉＣｄ）系、及びニッケル水素（ＮｉＭＨ）系において有用である。本発明は好ましくは、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）電池に向けられている。以下、本発明は、好ましい電池系、ＮｉＭＨ電池に関連して説明する。
【０００９】
ＮｉＭＨ電池のための幾つかの異なる構造：柱状一重ラップ（ｐｒｉｓｍａｔｉｃ−ｓｉｎｇｌｅ ｗｒａｐ）、柱状二重ラップ（ｐｒｉｓｍａｔｉｃ−ｄｏｕｂｌｅ ｗｒａｐ）、及びらせん状巻き（ｓｐｉｒａｌ ｗｏｕｎｄ）が存在する。柱状及びらせん状は通常、電池の形状に関係し、柱状は通常、横断面が矩形であり、らせん状は円形である。一重ラップ及び二重ラップは、セパレータ及び電極に関係する。一重ラップは、アノードとカソードの間に唯１つのセパレータを有するのに対して、二重ラップは、カソードの周りに１つのセパレータを有し且つアノードの周りに１つのセパレータを有する。更に、これら構造の各々は、異なるセパレータを必要とする。例えば、両方の構造は、弾力性のある不織布を必要とする。柱状電池は、らせん状電池に比べて一層大きい「ロフティネス（ｌｏｆｔｉｎｅｓｓ）」（又は圧縮性）を必要とする。サイクリング（充電及び放電）の間、諸電極は膨張し且つ収縮するため、ロフティネス［即ち、ウェブの硬度（ｆｉｒｍｎｅｓｓ）、レジリエンス（ｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅ）及びかさ（ｂｕｌｋ）］が必要である。二重ラップ電池は、一重ラップ電池に比べて一層小さい基本重量（ｂａｓｉｓ ｗｅｉｇｈｔｓ）を有するはずである。なぜなら、電池のエネルギー密度を減少させる二重ラップ電池内には一層多くのセパレータ材料が存在するからである。これらの構造のための必要条件は、次の通りである。
【００１０】
【表１】
【００１１】
本発明によるセパレータは、不織布ウェブを含有する。このウェブは、少なくとも１つのスパンボンド層（Ｓ）と少なくとも１つのメルトブローン層（Ｍ）とを有する。このウェブは、好ましくは１つのメルトブローン層を間に挟んでいる２つのスパンボンド層（ＳＭＳ）を有し、最も好ましくは２つのメルトブローン層を間に挟んでいる２つのスパンボンド層（ＳＭＭＳ）を有する。スパンボンド層とメルトブローン層の他の組合せ（例えば、ＭＳＭ、ＭＳＳＭ、ＳＭＳＭ、ＭＭＳＳ、ＳＭＳＭＳ、等）もまた可能である。そのようなウェブの製造は周知である。例えば、米国特許第５，３７４，２５９号、同第５，６７９，３７９号、同第５，７３３，６３５号、及び同第６，１１４，０１７号明細書を参照。それぞれ、引用することによって本明細書の一部をなすものとする。例えば、移動ベルトの上にスパンボンド層を敷き、次いで、スパンボンド層の上にメルトブローン層を敷き、最終的に、メルトブローン層の上に最後のスパンボンド層を敷く。スパンボンドとメルトブローンのプロセスに関する更なる情報については、「トルバック（Ｔｕｒｂａｋ）：アイビッド（Ｉｂｉｄ），Ｃｈｐ ８」を参照。これは、引用することによって本明細書の一部をなすものとする。
【００１２】
前述の不織布セパレータは、６ニュートンより大きい破壊強度；２００ニュートン／メートルより大きい引張り強度、好ましくは６００ニュートン／メートルより大きい引張り強度、２０μｍ未満の平均孔径、好ましくは５〜１５μｍの範囲にある平均孔径、及び、少なくとも４０％、好ましくは５０％、最も好ましくは６０％のレジリエンス、を有する。
【００１３】
記載値は全て、工業的基準方法を使用して得た。
【００１４】
平均孔径は、ニューヨーク州イサカ（Ｉｔｈａｃａ）のポーラス・マテリアル社（Ｐｏｒｏｕｓ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｉｎｃ．）から入手できる自動化キャピラリーフローポロメーター（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｃａｐｉｌｌａｒｙ Ｆｌｏｗ Ｐｏｒｏｍｅｔｅｒ） を使用し、それのキャピラリーフローポロメトリー試験ソフトウェア第６版を用いて測定する。
【００１５】
圧力（１．５ｐｓｉ及び５ｐｓｉ）での厚さは、ニューヨーク州アミティービル（Ａｍｉｔｙｖｉｌｌｅ）のテスティング・マシーンズ社（Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅｓ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ）から入手できる「ＴＭＩゲージモデル４９−７２」を用いて測定する。圧力（１００ｐｓｉ）での厚さは、既知面積の諸プレートの間に対象となる不織布１０枚を積み重ね、その後、（所要の力を加えることによって）１００ｐｓｉまで圧縮することによって測定する。平均厚さを記載する。
【００１６】
引張り強度及び伸び（破壊時）は、空気クランプ（幅は少なくとも３０ｍｍ）を用いて１００Ｎの力及び５００ｍｍの伸びまで測定することのできる「インストロン（Ｉｎｓｔｒｏｎ），モデル１１２６、１１３０」又は類似物を使用して測定する。試料は、「ドイツ工業規格５３ ４５５ Ｎｏ．４」に従って、犬の骨（ｄｏｇ−ｂｏｎｅ）形状に切断する。引張り速度は、３００ｍｍ／分に設定し、クランプ分離は８０ｍｍに設定する。
【００１７】
耐破壊性は、シャティヨン・フォースゲージ（Ｃｈａｔｉｌｌｏｎ ｆｏｒｃｅ ｇａｕｇｅ）（シャティヨンＤＦＩ−１０、又は類似物）、シャティヨン試験台（シャティヨンＴＣＭ−２００、又は代替物）、及び（直径１．９３０ｍｍの）丸い先端を有する破壊先端（ｐｕｎｃｔｕｒｅ ｔｉｐ）を用いて測定する。この装置は、破壊ベース（ｐｕｎｃｔｕｒｅ ｂａｓｅ）の上方に約６ｍｍの移動上限と、破壊ベースの下方に約４〜８ｍｍの移動下限と、３００ｍ／分の先端移動速度とが設定される。
【００１８】
レジリエンスとは、曲げられた後又は圧縮された後、元の形状（又は実質的にそれの元の形状）に戻ることのできる能力を言う。レジリエンスはここでは、ウェブが存続することができ、実質的にそれの元の厚さに戻ることのできる圧縮量によって測定する。圧縮量は、１．５ｐｓｉでの厚さで割った、１．５ｐｓｉでの厚さと１００ｐｓｉでの厚さとの差異である。
【００１９】
好ましい態様である、ＳＭＭＳ構造は、次の表を参照して更に説明する。
【００２０】
【表２】
【００２１】
不織布ウェブは濡らすことができなければならない、即ち、親水性でなければならない。不織布は主として熱可塑性物質［例えば、ポリエチレン及び／又はポリプロピレン（後者が好ましい）のようなポリオレフィン］で造られているので、それら不織布は、親水性になるように処理する必要がある。そのような処理の１つは、米国特許第５，９６２，１６１号明細書に開示されている。この米国特許明細書は、引用することによって本明細書の一部をなすものとする。しかし、本発明は、ポリオレフィンの如何なる親水性化処理をも使用することができる。ポリオレフィンのための他の親水性化処理には、表面活性剤（又は界面活性剤又は湿潤剤）で被覆すること、ポリオレフィンと異なる（即ち、ポリオレフィンより一層優れた）表面活性を有する１種以上のポリマーで被覆すること、（例えば、プラズマ処理によって）表面活性化すること、粗面処理して表面積を増大すること（例えば、表面を形成すること）、及び、ポリオレフィンを別の１種以上のポリマーと混合して、ポリオレフィンと異なる（即ち、ポリオレフィンより優れた）表面活性を有する混合物を得ること、が含まれる。前述の諸例は、特開平２−１３３６０８号公報（１９９０年５月２２日公開）、特開平２−１３３６０７号公報（１９９０年５月２２日公開）、特開平３−５５７５５号公報（１９９１年３月１１日公開）、特開平４−３４６８２５号公報（１９９２年１２月２日公開）、及び特開平５−１０６１１２号公報（１９９３年４月１７日公開）、及び欧州特許公開Ｎｏ．９８１，１７２Ａ１（２０００年２月２３日）、同Ｎｏ．４９８，４１４Ａ２（１９９２年８月１２日）、同Ｎｏ．６３４，８０２Ａ１（１９９５年１月１８日）、及び同Ｎｏ．２０３，４５９Ａ２（１９８６年１２月３日）に説明されている。
【００２２】
本発明は、その趣旨又は本質的事項から逸脱することなく、他の実施の形態によっても具体化することができる。従って、本発明の範囲は、前述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲の記載によって定められる。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）電池のための、不織布の電池セパレータに向けられている。
【０００２】
【従来の技術】
ニッケル水素電池用の不織布セパレータは知られている。例えば、米国特許第５，５８９，３０２号及び同第５，８３０，６０４号明細書を参照できる。これらの明細書に記載された内容は、引用することによって本明細書の一部をなすものとする。
【０００３】
ニッケル水素（ＮｉＭＨ）電池は、既に知られている。「リンデン（Ｌｉｎｄｅｎ），Ｄ．，Ｅｄ．，電池ハンドブック（Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ），第２版，マグロウヒル社（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ， Ｉｎｃ．）（１９９５），第３３章」；及び「ベーゼンハード（Ｂｅｓｅｎｈａｒｄ），Ｊ．Ｏ．，編，電池材料のハンドブック（Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ），ウィリー（Ｗｉｌｅｙ）−ＶＣＨ（１９９９），§§９．３．３．２及び９．３．５」を参照。これらは、引用することによって本明細書の一部をなすものとする。ＮｉＭＨ電池は一般に、ニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ）電池を改良したものである。ＮｉＭＨ電池の１つの利点は、より大きいエネルギー密度を達成し得ることである。このことは、とりわけ、金属水素化物電極を一層小さくすることができるため、同一体積で一層多くのエネルギーを得ることができることを意味する。今日の全ての電池技術に関し、開発のための重要な指針の１つは、一層大きいエネルギー密度を得ることである。エネルギー密度を増大させる１つの方法は、セパレータを一層薄くすることである。そのため、該セパレータは電池内で一層小さい空間を占める。セパレータを一層薄くするためには、競合する多くの要因のバランスをとる必要がある。例えば、電池を造る間、セパレータの強度は重要である。また、強度は、例えば厚さを厚くすることによって容易に得ることができる。増大した厚さは、電池のエネルギー密度、又は電池の内部電気抵抗に不利となることがある。更に、諸ＮｉＭＨ電極は、充電及び放電の間、膨張し且つ収縮する。このことによって、それら電極によって膨張し且つ収縮するセパレータが選択される。これらの要因の適切なバランスを十分に最適化することは容易ではなく、飽き飽きする程長い実験が必要である。従って、ＮｉＭＨ電池のための改善されたセパレータに対する必要性が存在する。
【０００４】
ＮｉＭＨ電池等のアルカリ電池系で使用するための、幾つかの異なる種類のセパレータが提案されてきた。「ベーゼンハード（Ｂｅｓｅｎｈａｒｄ）：アイビッド（Ｉｂｉｄ）．§９．３．５，表１５〜１７」を参照。それらのセパレータは、１）不織布材料；２）細孔材料；及び３）半透性材料として分類されてきた。本発明にとってとりわけ重要であるのは、不織布材料である。不織布材料（又は不織布）は、機械的絡み合い（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｌｏｃｋｉｎｇ）によるか、布を溶融することによるか、及び／又は（例えば、結合剤を用いて）布を結合することによってつなぎあわされた、ランダムに配置された布（例えば、ウェブ）から造られている。ウェブの形成は、乾燥積層すること、湿式積層すること、又は、移動ベルトの上にフィラメントを押し出すこと、を含む種々のプロセスによって達成することができる。押出しのカテゴリーには、２つのプロセス、スパンボンディング（スパンボンデッド不織布を造ること）と、メルトブローイング（メルトブローン不織布を造ること）が含まれる。「トルバック（Ｔｕｒｂａｋ），Ａ．，編集，不織布（Ｎｏｎｗｏｖｅｎｓ）：理論、プロセス、性能及び試験，Ｃｈｐ ８，ＴＡＰＰＩ出版，ジョージア州アトランタ（１９９３）」を参照。この内容は、引用することによって本明細書の一部をなすものとする。スパンボンデッド不織布は、押し出され、延伸され、次いで、連続ベルトの上に置かれたフィラメントによって形成される。メルトブローン不織布は、ダイ（ｄｉｅ）を通して溶融ポリマーを押し出し、押し出したフィラメントを空気又は蒸気によって繊細化し、次いで、それらを移動ベルトの上に集めること、によって形成される。
【０００５】
ＮｉＭＨ電池のセパレータとして、スパンボンド不織布を使用することは知られている。米国特許第５，８３０，６０４号明細書を参照。電池のセパレータとしてメルトブローン不織布を使用することは知られている。米国特許第５，９６２，１６１号明細書を参照。アルカリ電池系にＳＭＳ不織布を使用することは知られている。特許協力条約公開Ｎｏ．ＷＯ００／４１２５４号パンフレットを参照。しかし、前述の諸セパレータは、ＮｉＭＨ電池で使用するのに必要な厳しい諸要求を満たしていなかった。とりわけ、前述の諸不織布は、大き過ぎるが、引張り強度及び破壊強度は十分である諸孔を有する（即ち、スパンボンド）か、又は、適度な大きさであるが、引張り強度及び破壊強度は不十分である諸孔を有する（即ち、メルトブローン）か、又は、非弾性的厚さ若しくは十分には弾性的ではない厚さを有している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
大抵の不織布はポリオレフィンで造られており、それら不織布は本質的に疎水性であるので、結論的には、水性電解質がセパレータを濡らすために、それら不織布は親水性にする必要がある。親水性（ｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｃ）とは、液体を濡らす（ｗｅｔ−ｏｕｔ）能力をいう。濡らす（ｗｅｔ−ｏｕｔ）とは、液体（例えば、水溶液）を一層容易に、もう１つの材料の表面の中に浸透させるか又はその表面に広げる能力をいう。疎水性（ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ）とは、液体を濡らさない能力をいう。
従って、ＮｉＭＨ電池に使用するのに十分な機械的諸特性と十分に小さい諸孔とを有する、濡らすことのできる不織布セパレータに対する要求が存在する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は好ましくは、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）電池のための電池セパレータに関する。このセパレータは、１つのメルトブローン層を間に挟んでいる２つのスパンボンド層を有する、濡らすことができる弾性不織布ウェブを含有する。このウェブは、６ニュートンより大きい破壊強度、２００ニュートン／メートルより大きい引張り強度、及び、２０μｍ未満の平均孔径を有する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
電池は通常、アノード、カソード、セパレータ、及び電解質から成る。セパレータは、アノードとカソードの間に配置される。電解質はセパレータを介してアノードとカソードの間の流体連絡をしている。本発明は、アルカリ電池系、例えば、ニッケル−カドミウム（ＮｉＣｄ）系、及びニッケル水素（ＮｉＭＨ）系において有用である。本発明は好ましくは、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）電池に向けられている。以下、本発明は、好ましい電池系、ＮｉＭＨ電池に関連して説明する。
【０００９】
ＮｉＭＨ電池のための幾つかの異なる構造：柱状一重ラップ（ｐｒｉｓｍａｔｉｃ−ｓｉｎｇｌｅ ｗｒａｐ）、柱状二重ラップ（ｐｒｉｓｍａｔｉｃ−ｄｏｕｂｌｅ ｗｒａｐ）、及びらせん状巻き（ｓｐｉｒａｌ ｗｏｕｎｄ）が存在する。柱状及びらせん状は通常、電池の形状に関係し、柱状は通常、横断面が矩形であり、らせん状は円形である。一重ラップ及び二重ラップは、セパレータ及び電極に関係する。一重ラップは、アノードとカソードの間に唯１つのセパレータを有するのに対して、二重ラップは、カソードの周りに１つのセパレータを有し且つアノードの周りに１つのセパレータを有する。更に、これら構造の各々は、異なるセパレータを必要とする。例えば、両方の構造は、弾力性のある不織布を必要とする。柱状電池は、らせん状電池に比べて一層大きい「ロフティネス（ｌｏｆｔｉｎｅｓｓ）」（又は圧縮性）を必要とする。サイクリング（充電及び放電）の間、諸電極は膨張し且つ収縮するため、ロフティネス［即ち、ウェブの硬度（ｆｉｒｍｎｅｓｓ）、レジリエンス（ｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅ）及びかさ（ｂｕｌｋ）］が必要である。二重ラップ電池は、一重ラップ電池に比べて一層小さい基本重量（ｂａｓｉｓ ｗｅｉｇｈｔｓ）を有するはずである。なぜなら、電池のエネルギー密度を減少させる二重ラップ電池内には一層多くのセパレータ材料が存在するからである。これらの構造のための必要条件は、次の通りである。
【００１０】
【表１】
本発明によるセパレータは、不織布ウェブを含有する。このウェブは、少なくとも１つのスパンボンド層（Ｓ）と少なくとも１つのメルトブローン層（Ｍ）とを有する。このウェブは、好ましくは１つのメルトブローン層を間に挟んでいる２つのスパンボンド層（ＳＭＳ）を有し、最も好ましくは２つのメルトブローン層を間に挟んでいる２つのスパンボンド層（ＳＭＭＳ）を有する。スパンボンド層とメルトブローン層の他の組合せ（例えば、ＭＳＭ、ＭＳＳＭ、ＳＭＳＭ、ＭＭＳＳ、ＳＭＳＭＳ、等）もまた可能である。そのようなウェブの製造は周知である。例えば、米国特許第５，３７４，２５９号、同第５，６７９，３７９号、同第５，７３３，６３５号、及び同第６，１１４，０１７号明細書を参照。それぞれ、引用することによって本明細書の一部をなすものとする。例えば、移動ベルトの上にスパンボンド層を敷き、次いで、スパンボンド層の上にメルトブローン層を敷き、最終的に、メルトブローン層の上に最後のスパンボンド層を敷く。スパンボンドとメルトブローンのプロセスに関する更なる情報については、「トルバック（Ｔｕｒｂａｋ）：アイビッド（Ｉｂｉｄ），Ｃｈｐ ８」を参照。これは、引用することによって本明細書の一部をなすものとする。
【００１２】
前述の不織布セパレータは、６ニュートンより大きい破壊強度；２００ニュートン／メートルより大きい引張り強度、好ましくは６００ニュートン／メートルより大きい引張り強度、２０μｍ未満の平均孔径、好ましくは５〜１５μｍの範囲にある平均孔径、及び、少なくとも４０％、好ましくは５０％、最も好ましくは６０％のレジリエンス、を有する。
【００１３】
記載値は全て、工業的基準方法を使用して得た。
【００１４】
平均孔径は、ニューヨーク州イサカ（Ｉｔｈａｃａ）のポーラス・マテリアル社（Ｐｏｒｏｕｓ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｉｎｃ．）から入手できる自動化キャピラリーフローポロメーター（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｃａｐｉｌｌａｒｙ Ｆｌｏｗ Ｐｏｒｏｍｅｔｅｒ） を使用し、それのキャピラリーフローポロメトリー試験ソフトウェア第６版を用いて測定する。
【００１５】
圧力（１．５ｐｓｉ及び５ｐｓｉ）での厚さは、ニューヨーク州アミティービル（Ａｍｉｔｙｖｉｌｌｅ）のテスティング・マシーンズ社（Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅｓ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ）から入手できる「ＴＭＩゲージモデル４９−７２」を用いて測定する。圧力（１００ｐｓｉ）での厚さは、既知面積の諸プレートの間に対象となる不織布１０枚を積み重ね、その後、（所要の力を加えることによって）１００ｐｓｉまで圧縮することによって測定する。平均厚さを記載する。
【００１６】
引張り強度及び伸び（破壊時）は、空気クランプ（幅は少なくとも３０ｍｍ）を用いて１００Ｎの力及び５００ｍｍの伸びまで測定することのできる「インストロン（Ｉｎｓｔｒｏｎ），モデル１１２６、１１３０」又は類似物を使用して測定する。試料は、「ドイツ工業規格５３ ４５５ Ｎｏ．４」に従って、犬の骨（ｄｏｇ−ｂｏｎｅ）形状に切断する。引張り速度は、３００ｍｍ／分に設定し、クランプ分離は８０ｍｍに設定する。
【００１７】
耐破壊性は、シャティヨン・フォースゲージ（Ｃｈａｔｉｌｌｏｎ ｆｏｒｃｅ ｇａｕｇｅ）（シャティヨンＤＦＩ−１０、又は類似物）、シャティヨン試験台（シャティヨンＴＣＭ−２００、又は代替物）、及び（直径１．９３０ｍｍの）丸い先端を有する破壊先端（ｐｕｎｃｔｕｒｅ ｔｉｐ）を用いて測定する。この装置は、破壊ベース（ｐｕｎｃｔｕｒｅ ｂａｓｅ）の上方に約６ｍｍの移動上限と、破壊ベースの下方に約４〜８ｍｍの移動下限と、３００ｍ／分の先端移動速度とが設定される。
【００１８】
レジリエンスとは、曲げられた後又は圧縮された後、元の形状（又は実質的にそれの元の形状）に戻ることのできる能力を言う。レジリエンスはここでは、ウェブが存続することができ、実質的にそれの元の厚さに戻ることのできる圧縮量によって測定する。圧縮量は、１．５ｐｓｉでの厚さで割った、１．５ｐｓｉでの厚さと１００ｐｓｉでの厚さとの差異である。
【００１９】
好ましい態様である、ＳＭＭＳ構造は、次の表を参照して更に説明する。
【００２０】
【表２】
不織布ウェブは濡らすことができなければならない、即ち、親水性でなければならない。不織布は主として熱可塑性物質［例えば、ポリエチレン及び／又はポリプロピレン（後者が好ましい）のようなポリオレフィン］で造られているので、それら不織布は、親水性になるように処理する必要がある。そのような処理の１つは、米国特許第５，９６２，１６１号明細書に開示されている。この米国特許明細書は、引用することによって本明細書の一部をなすものとする。しかし、本発明は、ポリオレフィンの如何なる親水性化処理をも使用することができる。ポリオレフィンのための他の親水性化処理には、表面活性剤（又は界面活性剤又は湿潤剤）で被覆すること、ポリオレフィンと異なる（即ち、ポリオレフィンより一層優れた）表面活性を有する１種以上のポリマーで被覆すること、（例えば、プラズマ処理によって）表面活性化すること、粗面処理して表面積を増大すること（例えば、表面を形成すること）、及び、ポリオレフィンを別の１種以上のポリマーと混合して、ポリオレフィンと異なる（即ち、ポリオレフィンより優れた）表面活性を有する混合物を得ること、が含まれる。前述の諸例は、特開平２−１３３６０８号公報（１９９０年５月２２日公開）、特開平２−１３３６０７号公報（１９９０年５月２２日公開）、特開平３−５５７５５号公報（１９９１年３月１１日公開）、特開平４−３４６８２５号公報（１９９２年１２月２日公開）、及び特開平５−１０６１１２号公報（１９９３年４月１７日公開）、及び欧州特許公開Ｎｏ．９８１，１７２Ａ１（２０００年２月２３日）、同Ｎｏ．４９８，４１４Ａ２（１９９２年８月１２日）、同Ｎｏ．６３４，８０２Ａ１（１９９５年１月１８日）、及び同Ｎｏ．２０３，４５９Ａ２（１９８６年１２月３日）に説明されている。
【００２２】
本発明は、その趣旨又は本質的事項から逸脱することなく、他の実施の形態によっても具体化することができる。従って、本発明の範囲は、前述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲の記載によって定められる。
Claims (19)
- 少なくとも１つのスパンボンド層と少なくとも１つのメルトブローン層とを有する、濡らすことができる弾性不織布ウェブを含む電池セパレータであって、
前記ウェブが、６ニュートンより大きい破壊強度、２００ニュートン／メートルより大きい引張り強度、および、２０μｍ未満の平均孔径を有することを特徴とする電池セパレータ。 - １つのメルトブローン層を間に挟んでいる２つのスパンボンド層を有する、濡らすことができる弾性不織布ウェブを含む電池セパレータであって、
前記ウェブが、６ニュートンより大きい破壊強度、２００ニュートン／メートルより大きい引張り強度、および、２０μｍ未満の平均孔径を有することを特徴とする電池セパレータ。 - １つのメルトブローン層を間に挟んでいる２つのスパンボンド層を有する、濡らすことができる弾性不織布ウェブを含むセパレータを備えるニッケル水素電池であって、
前記ウェブが、６ニュートンより大きい破壊強度、２００ニュートン／メートルより大きい引張り強度、および、２０μｍ未満の平均孔径を有することを特徴とするニッケル水素電池。 - 弾性不織布ウェブが、少なくとも４０％のレジリエンスを有することを特徴とする請求項２又は３に記載のセパレータ。
- 弾性不織布ウェブが、少なくとも６０％のレジリエンスを有することを特徴とする請求項２又は３に記載のセパレータ。
- 破壊強度が、９ニュートンより大きいことを特徴とする請求項２又は３に記載のセパレータ。
- 引張り強度が、６００ニュートン／メートルより大きいことを特徴とする請求項２又は３に記載のセパレータ。
- 平均孔径が、５〜１５μｍの範囲にあることを特徴とする請求項２又は３に記載のセパレータ。
- 弾性不織布ウェブが、２つのメルトブローン層を間に挟んでいる２つのスパンボンド層を更に有することを特徴とする請求項２又は３に記載のセパレータ。
- 弾性不織布ウェブは、表面活性剤で被覆すること、ポリマーで被覆すること、表面活性化すること、粗面処理すること、該ウェブの中にもう１つのポリマーを混ぜること、及びそれらの組合せから成る群から選ばれる処理によって濡らすことができる状態になっていることを特徴とする請求項２又は３に記載のセパレータ。
- ニッケル電極と、
金属水素化物電極と、
前記諸電極の間に配置されているセパレータであって、１つのメルトブローン層を間に挟んでいる２つのスパンボンド層を有する、濡らすことができる弾性不織布ウェブを含有する該セパレータと、
前記セパレータを介して前記諸電極を流体連絡させている水性電解質と、
を有することを特徴とする電池。 - 弾性不織布ウェブが、６ニュートンより大きい破壊強度、２００ニュートン／メートルより大きい引張り強度、及び２０μｍ未満の平均孔径を有することを特徴とする請求項１１に記載の電池。
- 弾性不織布ウェブが、少なくとも４０％のレジリエンスを有することを特徴とする請求項１２に記載のセパレータ。
- 弾性不織布ウェブが、少なくとも６０％のレジリエンスを有することを特徴とする請求項１２に記載のセパレータ。
- 破壊強度が、９ニュートンより大きいことを特徴とする請求項１２に記載のセパレータ。
- 引張り強度が、６００ニュートン／メートルより大きいことを特徴とする請求項１２に記載のセパレータ。
- 平均孔径が、５〜１５μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１２に記載のセパレータ。
- 弾性不織布ウェブが、２つのメルトブローン層を間に挟んでいる２つのスパンボンド層を更に有することを特徴とする請求項１２に記載のセパレータ。
- 弾性不織布ウェブが、表面活性剤で被覆すること、ポリマーで被覆すること、表面活性化すること、粗面処理すること、該ウェブの中にもう１つのポリマーを混ぜること、および、それらの組合せから成る群から選ばれる処理によって濡らすことができる状態になっていることを特徴とする請求項１２に記載のセパレータ。
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