JP2005503652A - 鉛蓄電池用強化多層セパレータ - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、酸素及びイオンの移動を損なうことなく、引張強度を改善した鉛蓄電池用電池セパレータを提供すること。
【解決手段】本発明は、少なくとも1つの繊維質層及び少なくとも1つの支持層を備え、支持層は耐酸性材料から形成され、かつ複数のマクロ開口を有している電池セパレータに関する。
【選択図】図1
【解決手段】本発明は、少なくとも1つの繊維質層及び少なくとも1つの支持層を備え、支持層は耐酸性材料から形成され、かつ複数のマクロ開口を有している電池セパレータに関する。
【選択図】図1
Description
【技術分野】
【0001】
本発明は、鉛蓄電池用の新規な多孔セパレータに関する。別の視点によれば、本発明は、そのような新規なセパレータを備える鉛蓄電池(lead-acid storage battery)に関する。
【背景技術】
【0002】
基本的に、電池セパレータは電子絶縁体及びイオン伝導体として機能する。すなわち、電池セパレータは、対極の電極間のイオンの流れを可能にするが、対極の電極の直接的な電子接触を妨げている。これら2つの機能を満たすために、セパレータは、通常、樹枝状結晶や板状粒子によって電子短絡を妨げることができるような小さい細孔を有し、かつ内部電池抵抗を最小にできるような高い気孔率を有する多孔質絶縁体である。鉛蓄電池において、セパレータは適切な極板距離をも決定し、それによりセル反応に関係する電解質の量が定まる。セパレータは、電池の寿命の間、安定でなければならない、すなわち、侵食性の強い電解質及び酸化的環境に耐えなければならない。
【0003】
これらの基本的な受動的機能のほかに、鉛蓄電池のセパレータは、多くの点において電池性能に能動的に作用することもできる。バルブ調節鉛蓄電池(VRLA電池)において、セパレータは、さらに酸素移動、電解質の配分(ないし分布)及び極板の膨張のような性質を決定する。VRLA電池の性能に顕著な影響を及ぼすため、セパレータは「第三の電極」又は「第四の活性物質」とも呼ばれる(非特許文献1)。
【0004】
VRLAは、密閉電池又は組換(recombinant)電池とも呼ばれるバルブ調節鉛蓄電池を表す。VRLA電池において、充電中に陽極で発生する酸素は、陰極で還元される。このようにして、VRLA電池は、水を消費することなく充電でき、そして過充電さえできるため、理論上メンテナンスフリーである。陰極板が完全に荷電する前に陽極板において酸素を発生させるために、例えば、陽極板より大きい陰極板を使用することによって、陰極における水素の生成を抑制する。
【0005】
VRLA電池においては、2つの技術、すなわち吸収性ガラスマット(AGM)を備えた電池とゲル電池、が優勢である。AGMを備えた電池においては、吸収性ガラスマットが電解質を不動化(固定)すると同時に、セパレータとして機能する。ゲル電池においては、酸がフュームドシリカ(fumed silica)によって固定される。また、極板距離を固定するため、及び電子短絡を防止するために、追加のセパレータが必要となる。AGM電池に比べて、ゲル電池の製造コストは高くなると考えられ、比出力(specific power)は高い内部抵抗のために低くなる。
【0006】
AGM電池において、電解質は完全にガラスマットに吸収される。AGMセパレータは、90%を超える非常に高い気孔率を有している。この高い気孔率ならびに好湿潤性は、非常に高い酸の吸収性及び低い電気抵抗に反映される。AGM電池において、AGMセパレータの酸飽和度は、通常85%〜95%の範囲にある。これにより、完全に飽和したセパレータに対し有効電気抵抗が増大するが、陽極板から陰極板への非常に効率の良い酸素移動を可能にする比較的大きな細孔のオープンチャンネルが生じる。AGMセパレータの平均孔径は通常3μm〜15μmの範囲内にあり、不均等に分布している。すなわち、電極板に平行な面であるセパレータのX−Y面に約0.5μm〜5μmの孔径、電極に垂直なZ方向に約10μm〜25μmの孔径がある。
【0007】
比較的大きい細孔及び好湿潤性のために、電池の充填工程を容易にするAGMの吸収率(wicking rate)(酸の吸い上げ速度)はかなり高い。
【0008】
AGMセパレータの大きな不利益は、どのようなバインダーも純粋なガラスセパレータには含まれていないという事実による機械的弱さである。この材料の引張強度は、繊維の接触及びいくらかの絡み合いにのみ依存する。分子レベルにおいては、これらの接触は、隣接する繊維間に確立した水素結合型であると思われる。繊維が微細になれば、これらの接触を確立する機会が多くなるので、材料の強度は接触の存在によって大きく影響されることになる。
【0009】
一方、より粗いガラス繊維は、AGMセパレータの多くの機能を発揮させる役割も果たす。例えば、粗いガラス繊維は、より大きな孔を作ることによって吸収率を改善する。
【0010】
AGMセパレータのこの機械的弱さは、エネルギー密度の着実な増加及び全体の大きさの縮小化を特徴とする最新の高性能電池の開発の進行を鑑みれば、いっそう大きな問題となる。したがって、電極間距離及びそれに伴うセパレータの厚さは薄くなっており、さらには引張強度も減少している。効率的かつ経済的な電池の製造方法において、高速加工に実用できるように、十分な引張強度を有する薄いセパレータが切望されている。
【0011】
微細及び粗大なガラス繊維の両方の利点から利益を得ようとの試みにおいて、多層AGMセパレータが提案されている。微細及び粗大な繊維を有する2層は、これらの繊維を1つのシートに分散させたかのようなより強い引張強度を示したことが明らかにされた(非特許文献2)。
【0012】
特許文献1は、スパン結合織物の1以上の薄層で強化できるメルトブロー超微細ポリマー繊維のマットで作製されたセパレータを開示する。
【0013】
特許文献2は、ガラス繊維とポリエチレン繊維の混合物を有する繊維質シートセパレータを開示する。
【0014】
セパレータの機械的性質を制御するためにセパレータシステムの一部として微細孔シートを含めることも提案されている。この例としては、2つのAGM層の間にポリマー層を配置することによってAGMセパレータの圧縮特性を改良する微細孔ポリマー材料の層の使用がある(非特許文献3)。低圧縮性のセパレータによる高いプレートグループ圧(plate group pressures)の利用が、早期の容量損失をなくし、電池の寿命を延長するので、好都合な圧縮/回復性が重要であることが明らかにされている。そのような微細孔セパレータの例としては、10kPaにおいて厚さ0.52mmの2つのAGM層の間に挟まれた、平均孔径5μm、厚さ0.57mmの微細孔PVCセパレータがある(非特許文献3;非特許文献4)。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0015】
AGMセパレータと比較すると、このセパレータ形状は改良された機械特性を提供するかもしれない。しかしながら、微細孔層の存在は、電極間のイオンの流れを阻害し、それにより内部電気電池抵抗を増大させる。スタータ電池又は予備非常電力用電池など、深放電循環(deep discharge cycle)を通常伴わない利用において、このことは不都合である。また、外側のAGM層のために、これらのセパレータはポケット形状にすることが困難である。さらに、ポリマー膜の厚みのために、これらのセパレータは、渦巻き形セルに利用できない。
【0016】
本発明は、酸素及びイオンの移動を損なうことなく、引張強度を改善した鉛蓄電池用電池セパレータを提供することを目的とする。
【0017】
また本発明は、経済的な方法で製造かつ加工することができる電池セパレータを提供することを目的とする。
【0018】
さらに本発明は、高電力性能を有する改良バルブ調節鉛蓄電池を提供することを目的とする。
【0019】
【特許文献1】
米国特許第5962161号明細書
【特許文献2】
米国特許第4908282号明細書
【非特許文献1】
Nelson B., Batteries International, April 2000, 51-60
【非特許文献2】
Ferreira A. L.; The Multilayered Approach for AGM Separators; 6th ELBC, Prague, Czech Republic, September 1998
【非特許文献3】
Weighall M. J.; ALABC Project R/S-001, October 2000
【非特許文献4】
Lambert U., A study of the effects of compressive forces applied onto the plate stack on cyclability of AGM VRLA batteries, 5th ALABC Members and Contractors' Conference Proceedings, Nice, France, March 28-31, 2000
【課題を解決するための手段】
【0020】
本発明の第一視点の基本構成によれば、少なくとも1つの繊維質層及び少なくとも1つの支持層を備える電池セパレータであって、支持層は耐酸性材料から形成され、かつ複数のマクロ開口を備えている電池セパレータを提供する。
【0021】
上記基本構成の形態1によれば、繊維質層の平均孔径が3μm〜15μmである電池セパレータ、繊維質層が本質的にガラス繊維からなる電池セパレータ、及び繊維質層が、平均直径1μm未満のガラスマイクロ繊維を20質量%〜40質量%及び平均直径約3μmの粗ガラス繊維を60質量%〜80質量%有する電池セパレータを提供する。
【0022】
上記基本構成の形態2によれば、繊維質層が本質的にポリマー繊維からなる電池セパレータ、繊維質層が、直径0.1μm〜10μmのポリマー繊維を有する電池セパレータ、繊維質層の少なくとも10質量%のポリマー繊維の直径が1μm未満であり、少なくとも60質量%のポリマー繊維の直径が5μm未満である電池セパレータ、少なくとも15質量%のポリマー繊維の直径が1μm未満である電池セパレータ、繊維質層が、平均直径1μm未満のポリマーマイクロ繊維を20質量%〜40質量%有する電池セパレータ、ポリマー繊維の直径が0.1μm〜5μmの範囲にある電池セパレータ、ポリマー繊維がポリオレフィン繊維である電池セパレータ、及びポリオレフィンがポリエチレン及び/又はポリプロピレンである電池セパレータを提供する。
【0023】
上記基本構成の形態3によれば、繊維質層がガラス繊維とポリマー繊維の混合物を有する電池セパレータ、繊維質層が、直径0.1μm〜10μmのガラス繊維を有する電池セパレータ、ガラス繊維の直径が0.1μm〜5μmの範囲にある電池セパレータ、繊維質層が、直径0.1μm〜10μmのポリマー繊維を有する電池セパレータ、ポリマー繊維の直径が0.1μm〜5μmの範囲にある電池セパレータ、ポリマー繊維がポリオレフィン繊維である電池セパレータ、及びポリオレフィンがポリエチレン及び/又はポリプロピレンである電池セパレータを提供する。
【0024】
上記基本構成の形態4によれば、繊維質層の厚さが0.2mm〜3.6mmである電池セパレータを提供する。
【0025】
上記基本構成の形態5によれば、支持層の複数の開口が、支持層の60%を超える表面を占めている電池セパレータ、支持層の複数の開口が、支持層の70%を超える表面を占めている電池セパレータ、支持層の複数の開口が、支持層の80%を超える表面を占めているこ電池セパレータ、及び支持層の複数の開口が、支持層の90%を超える表面を占めている電池セパレータを提供する。
【0026】
上記基本構成の形態6によれば、開口が0.01mm〜5mm間隔でおかれている電池セパレータを提供する。
【0027】
上記基本構成の形態7によれば、支持層が基本的に充填材入り又は充填材無しのポリマーからなる電池セパレータ、ポリマーが熱可塑性ポリマーである電池セパレータ、ポリマーはポリオレフィンである電池セパレータ、ポリオレフィンの分子量が少なくとも600,000であり、標準負荷メルトインデックスは実質0であり、及び粘度数は600ml/g以上である電池セパレータ、ポリオレフィンがポリエチレンである電池セパレータ、支持層が、平均孔径1μm未満の微細孔ポリマー層である電池セパレータ、及び微細孔ポリマー層の50%より多くの微細孔が、直径が0.5μm以下である電池セパレータを提供する。
【0028】
上記基本構成の形態8によれば、支持層の対向する少なくとも2つの縁領域が、縁をシールに使用するため、繊維質層によって覆われていない電池セパレータを提供する。
【0029】
上記基本構成の形態9によれば、支持層の複数の開口の最大可能直径が、1mmより大きい電池セパレータを提供する。
【0030】
上記基本構成の形態10によれば、支持層の複数の開口が、スロット又は長い穴の形状である電池セパレータを提供する。
【0031】
上記基本構成の形態11によれば、支持層が基本的にガラス繊維織物からなる電池セパレータを提供する。
【0032】
上記基本構成の形態12によれば、支持層が基本的にポリマー繊維織物からなる電池セパレータを提供する。
【0033】
上記基本構成の形態13によれば、支持層が基本的にポリマー繊維フリース層からなる電池セパレータを提供する。
【0034】
上記基本構成の形態14によれば、支持層が基本的にポリマー繊維及びガラス繊維を含むフリース層からなる電池セパレータを提供する。
【0035】
上記基本構成の形態15によれば、支持層の厚さが0.01mm〜1mmである電池セパレータを提供する。
【0036】
上記基本構成の形態16によれば、セパレータが、上部を開放し、底部とサイドを閉じたポケット形状である電池セパレータを提供する。
【0037】
本発明の第二視点によれば、密閉容器中において対極性に荷電した少なくとも2つの電極、電解質体及び(複数の)電極のうち近接する電極間にあるセパレータを備える電池であって、セパレータは上記第一視点の基本構成のセパレータであるバルブ調節鉛蓄電池を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0038】
本発明は、耐酸性材料から形成され、かつ複数のマクロ開口を有する少なくとも1つの支持層と、少なくとも1つの繊維質層を組み合わせることによって、酸素及びイオンの移動を損うことなく、それゆえに、VRLA電池内の内部電池抵抗に悪影響を与えることなく、引張強度を改善したセパレータを製造することができるという驚くべき知見に基づく。
【0039】
本発明の文言において、開口(opening)とは、支持層の厚みを完全に貫通する支持層中の穴(hole)又は孔(aperture)をいう。このようにして、開口は、支持層の広がった面に対して実質垂直に伸びる直線状の通路によって、支持層を通じて直接のイオン移動を可能にする。したがって、平面シートの形状をとる支持層において、これは、支持層面の上部の実質垂直方向からみると、支持層が物質を有する領域と物質を有さない領域を含有しているように見えることを意味する。物質を有さない領域は開口である。したがって、開口は、例えば支持層中に穴を切り取ることによって得ることができる。支持層の総面積に対する開口の総面積の割合は、支持層の開口面積として定義される。例えば、長方形の支持層面の開口面積の計算において、支持層の片面の面積は、高さに幅を掛けた積で表される。1つの開口で覆われる面積は、その幾何学的形状と寸法を考慮して計算することができる。開口で覆われた総面積は、すべての開口の面積の合計によって得ることができる。
【0040】
本発明によれば、用語「マクロ(macroscopic)」は、肉眼で容易に見ることができるような十分な大きさの対象又は構造を示すために使用される。したがって、本発明のマクロ開口の直径は、好ましくは50μmより大きく、より好ましくは100μmより大きく、最も好ましくは1mmより大きい。
【0041】
セパレータを形成するために、少なくとも1つの支持層は少なくとも1つの繊維質層と結合され、その結果繊維質層は機械的に強化される。好ましい形態によれば、セパレータは、1つの支持層と1つの繊維質層を積層することで形成される。ある数の開口、つまりはある開口面積、を有する支持層の使用は、電極間のイオン輸送を害することによる悪影響を電池の内部電気抵抗に及ぼすことなく、セパレータが高速加工の利用に十分な引張強度を有することを確保することが分かった。好ましい形態によれば、開口面積は、支持層の片面の60%超、より好ましくは70%超、さらに好ましくは80%超、最も好ましくは90%超に相当する。さらに、開口面積は、支持層片面の99%未満に相当することが好ましく、より好ましくは98%未満、さらに好ましくは97%未満、最も好ましくは95%未満である。
【0042】
本発明のセパレータは、2層より多くの層、例えば2つの支持層とその2つの支持層の間に挟まれた繊維質層、又はその逆の組み合わせ、を含むことが可能であるが、本発明の支持層は2層のみ、すなわち1つの支持層と1つの繊維質層、を有することが好ましい。
【0043】
以下に、添付図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。図1は本発明のセパレータ1を示す。セパレータは繊維質層2及び1つの支持層3を具備する。また、電池の陰極4及び陽極5も示す。セパレータ1ならびに電極4及び5は密閉容器6に入っている。
【0044】
繊維質層2はガラス繊維、ポリマー繊維又はガラス繊維とポリマー繊維の混合物から作製することができる。本発明の繊維質層として使用可能なポリマー繊維製の適当なマットは、米国特許5962161号に開示されており、その開示は本明細書に引用により繰込まれている。
【0045】
好ましい材料はガラスである。一般に、吸収性ガラスマット(AGM)を製造可能な公知技術のすべてのガラス繊維材料は、本発明の繊維質層の形成に使用することができる。好ましい繊維質材料は、バインダーやポリマー繊維のような有機成分を含まない吸収性マイクロ繊維ガラスフリースである。繊維の直径は、0.1μm〜10μmの範囲であることが好ましく、0.1μm〜5μmの範囲であることがより好ましい。繊維は、好ましくは、様々な直径の耐酸性ガラス繊維、通常マイクロ繊維と言われている平均繊維径が1μmより小さい極細繊維、と平均直径約3μmの「粗」繊維との混合物である。マイクロ繊維は内部表面を増大させ、引張強度を改善し、そして孔径を縮小させるが、製品コストをかなり増大させる。太い繊維は、上述のように、酸の吸い上げが速い大きな孔を作成することによって電池充填を容易にする。
【0046】
繊維質ガラス層は、好ましくは、20質量%〜40質量%の平均直径が1μmより小さいガラスマイクロ繊維及び60質量%〜80質量%の平均直径約3μmの粗ガラス繊維、例えばマイクロ繊維30質量%及び粗繊維70質量%、を有する。適当なガラス繊維マット及びその製造方法は、当業者に周知である(例えば、Bohnstedt W., in Handbook of Battery Materials, Editor Besenhard J. O., WileyVCH, Weinheim 1999, pages 245 to 292、及びそこに引用された文献を参照)。
【0047】
ポリマー繊維から作製された好ましい繊維質層は、繊維径が0.1μm〜10μm、好ましくは0.1μm〜5μmのウェブないし不織布(web)、マット又はフリースを有する。繊維の10質量%より多く、より好ましくは繊維の15質量%より多く、最も好ましくは繊維の20質量%〜40質量%が、1μmより細い直径、好ましくは約0.1μmの直径であることが好ましい。また、繊維の少なくとも60質量%が5μmより細い直径であることがさらに好ましい。繊維は、好ましくはポリオレフィン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリエステル、ハロゲン化ポリマー及びそれぞれの共重合体からなる群から、より好ましくはポリオレフィンから、及び特に好ましくはポリエチレン及びポリプロピレンから選択される、熱可塑性ポリマーから作られる。繊維質層を親水性にするために、押出し成形前に適当な表面活性剤をポリマーに添加するか、もしくは成形後の繊維表面に親水性基を共有結合させる。開示が本明細書に引用をもって繰込まれている米国特許5962161号に、適当な処理が記載されている。このような不織マットは、押出し工程及びブローイング工程によって製造することができる。好ましいひとつの方法は米国特許6114017号に記載されており、ポリマー加熱及び押出し手段によってポリマーを溶融する工程、本質的に均一な又は多様な直径の繊維からなる織物を得るために、直径が互いに同等であるか又は列から列へ異なっており、加熱装置によって加熱された1つ以上の規格金型上に、横方向に間隔を隔てて一以上の列に配置されたポリマーオリフィスを通じて、1g/min/holeより遅い流速で当該ポリマーを押出す工程、ポリマーオリフィスごとに2以上の不変の若しくは可変の横断空気噴射口、好ましくは超音波の吸い込み速度を実現可能な発散‐収束ノズルである可変横断空気噴射口から少なくとも95℃の加熱空気を、又は、当該フィラメントを細くする、及び本質的に連続するポリマーフィラメントを産出する当該ポリマーオリフィス出口に隣接しかつ本質的に平行に設置された2以上の連続する発散‐収束ノズル溝から10℃〜375℃の間に調温された空気を使用して、当該ポリマー押出し物をブロー成形する工程、及び当該金型内の当該ポリマーオリフィスの列数と同数の分配された連続ポリマーフィラメント層からなる自己結合ウェブを形成するために、収集手段上に当該単離ポリマーを沈積させる工程、を含んでいる。米国特許5679379号は、上記不織マットの製造に適した規格金型ユニットを開示している。米国特許6114017号及び米国特許5679379号の両開示は、本明細書に引用をもって繰込まれている。上記工程において製造された自己結合ウェブは、カレンダーロールによって模様を彫る若しくは平らにする公知の熱カレンダー技術を使用して、さらに強度を強くするために熱結合されることもできる。ウェブないし不織布、マット又はフリースは、典型的な溶融ブローウェブより、平均直径が小さく、均一性が改善され、繊維径の範囲が狭く、非結合強度がかなり強くなっている。材料が熱結合されると、同じポリマー及び坪量のスパン結合不織布と同等の強度になる。
【0048】
ガラス繊維とポリマー繊維の混合物を使用するとき、それらの異なる繊維は、表面活性剤がなくてもシートが電解質を75〜95%吸収するような割合にして使用されることが好ましい。好ましくは、上記特徴のガラス繊維とポリマー繊維が使用される。このような繊維質シートは、米国特許4908282号に記載の方法によって作製することができ、その開示は本明細書に引用をもって繰込まれている。
【0049】
繊維質層の平均孔径は、好ましくは3μm〜15μmであり、より好ましくは5μm〜12μmであり、最も好ましくは6μm〜10μmである。
【0050】
別段の記載が無ければ、本明細書において示すすべての孔径は、Ritter, H. L.及びDrake, L. C.によってInd. Eng. Chem. Anal. Ed., 17, 787 (1945)に記載された水銀貫入法によって測定した。この方法によれば、水銀は、多孔度計(porosimeter model 2000, Carlo Erba)によって水銀に加える圧力を変化させることによって様々な径の孔に押し込められる。孔径分布は、MILESTONE 200 ソフトウェアを用いて、粗データを評価して決定した。ポリマー層の微細孔の孔径は、穴(holes)を形成する前に測定した。
【0051】
平均孔径は、水銀貫入法によって決定した孔の総体積の50%は小さい孔に含まれ、50%は大きい孔に含まれる孔径と定義される。
【0052】
10kPaにおいて0.6mmの厚さであるとき、繊維質ガラス層の坪量は一般に、100g/m2であり、気孔率は93%〜95%である。繊維質層のBET表面積は、好ましくは0.5m2/g〜2.5m2/g、より好ましくは1.1m2/g〜1.3m2/gの範囲内にある。これらの数値又は他の数値は、適切に確立された手順に従い決定される(例えば、BCI試験法(BCI Test Method)、BCI/RBSM Standard Test Methods, Battery Council International, Chicago, IL, USA;別段の記載が無ければ、繊維質層の厚さは常に乾燥時の層の厚さについて言及している)。
【0053】
10kPaにおいて0.6mmの厚さであるとき、ポリマー繊維の不織布(ウェブ)の坪量は一般に、70g/m2であり、気孔率は91%〜95%である。繊維質層のBET表面積は、好ましくは1m2/g〜5m2/g、より好ましくは2m2/g〜3m2/gの範囲内にある。これらの数値は、上記記載のように決定される(例えば、BCI試験法)。
【0054】
10kPaにおいて0.6mmの厚さであるとき、厚さ0.1μm〜10μmのガラス繊維85質量%と厚さ0.1μm〜10μmのポリマー繊維15質量%の混合物からなる繊維質シートの坪量は一般に、90g/m2〜95g/m2であり、気孔率は91%〜95%である。繊維質層のBET表面積は、好ましくは1m2/g〜3m2/g、より好ましくは1.1m2/g〜2.5m2/gの範囲内にある。これらの数値は、上記記載のように決定される(例えば、BCI試験法)。
【0055】
繊維質層の厚さは、好ましくは0.2mm〜3.6mm、より好ましくは0.3mm〜1.0mmである。繊維質層の厚さの上限は、セパレータの望ましい厚さの総計によって決定される。SLI(starting-lighting-ignition)電池とも呼ばれるスタータ電池のセパレータの厚さの総計は、好ましくは0.6mm〜1.8mmであり、据置電池などの工業用電池のセパレータにおいては2mm〜4mmである。例えば2mmの厚さの1つの繊維質層の代わりに、厚さの総計が2mmになる隣接する2以上の繊維質層を使用することができる。厚さは、BCI法を使用して、10kPaにおいて決定される(上記参照)。
【0056】
本発明の好ましい形態によれば、支持層3は、基本的にはポリマー材料から作製され、好ましくはポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、又はそれが使用される電池環境に影響されない他の適当な材料などの充填材入り又は充填材無しの熱可塑性ポリマーである。ポリマー材料の形状は、好ましくは例えば押出し成形によって得られるような膜である。熱可塑性ポリマーの使用は、ポケットの形成を容易にすることに利点がある。好ましい材料は、ポリプロピレン、エチレン‐ブテン共重合体、好ましくはポリエチレン、より好ましくは高分子量ポリエチレン、すなわち、少なくとも分子量600,000のポリエチレン、さらにより好ましくは超高分子量ポリエチレン、すなわち、少なくとも分子量1,000,000のポリエチレン、特により好ましくは分子量4,000,000超、最も好ましくは分子量5,000,000〜8,000,000(粘度計によって測定し、Margolieの式から計算した)のポリエチレン、などのポリオレフィンであり、標準負荷メルトインデックスが実質0(標準負荷2,160gを使用し、ASTM D 1238 (Condition E))の仕様で測定した)であり、そして、粘度数が600ml/g以上、好ましくは1,000ml/g以上、より好ましくは2,000ml/g以上、最も好ましくは3,000ml/g以上(130℃のデカリン100gにポリオレフィン0.02gを溶かした溶液中で測定した)である。
【0057】
微細孔はコストを増大させ、材料の機械的強度を減少させる傾向があるので、通常ポリマー材料は微細孔でないことが好ましい。しかしながら、比較的小さな開口面積を有する支持層において、微細孔材料は支持層材料を通じてイオン移動を可能にするので好都合であるかもしれない。これらの場合、支持層の微細孔の平均孔径は、直径1μm未満である。好ましくは、50%より多くの孔の直径が0.5μm以下である。少なくとも90%の孔の直径は0.5μm未満であることが特に好ましい。微細孔の平均孔径は、好ましくは0.05μm〜0.5μm、より好ましくは0.1μm〜0.2μmの範囲内にある。
【0058】
微細孔ポリマー支持層は、好ましくは、8体積%〜100体積%のポリオレフィン、0体積%〜40体積%の可塑剤、及び0%〜92%の不活性な充填材料の均一な混合物を有する。好ましい充填材は、微細分割された乾燥シリカである。好ましい可塑剤は石油オイルである。可塑剤は、ポリマー‐充填材‐可塑剤の組成から除去することが最も容易な成分であるので、電池セパレータに多孔をもたせるのに有効である。セパレータの最終組成は、最初の組成及び抽出された成分に依存するだろう。このような材料は周知技術であり、例えば、開示が本明細書において引用により繰込まれている米国特許3351495号に記載されている。
【0059】
微細孔ポリマー支持層は、少なくとも1つの熱可塑性ポリマー、好ましくは重量平均分子量少なくとも600,000の超高分子量ポリオレフィン、と少なくとも20体積%の熱成(pyrogenic)シリカ、加えて任意の1以上の充填材、好ましくは沈降シリカ、の本質的に均一な混合物から形成することもできるので、充填材の全内容物は、60体積%〜82体積%の範囲内にあり、任意には可塑剤、好ましくは水不溶性オイル及び/又は加工オイルである。このような微細孔ポリマー層は米国特許6124059号に開示されており、その開示は本明細書に引用により繰込まれている。
【0060】
微細孔ポリマー支持層に適した他の材料は、下記の工程を含む方法により製造される微細孔ポリエチレンフィルムである:(a)押出し成形された前駆フィルムを形成するため、密度が少なくとも約0.960g/cm3であり、少なくとも99質量%がエチレンであるポリエチレン樹脂を引き抜き比約20:1〜約200:1で溶融押出し成形すること;(b)押出し成形された前駆フィルムの結晶性を改善するように、及び延伸されていない焼きなまし前駆フィルムを形成するように、前記樹脂の結晶性融点より約10℃〜25℃の範囲低い温度で前記押出し成形された前駆フィルムを焼きなますこと;(c)冷延伸された前駆フィルムを形成するために、延伸されていない焼きなまし前駆フィルムの長さに基づいて、約120%〜約160%の冷延伸長になるように、約−20℃〜約70℃の範囲内の温度で、かつ前記延伸されていない焼きなまし前駆フィルムの長さに基づき、1分当たり少なくとも75%の冷延伸率で、前記焼きなまし前駆フィルムを一軸冷延伸して冷延伸長前駆フィルムを形成すること;(d)微細孔ポリエチレンフィルムを形成するように、前記延伸されていない焼きなまし前駆フィルムの長さに基づいて、約235%〜約310%の熱延伸長にするために、冷延伸した前駆フィルムの結晶性を保持するように(c)の上記温度から樹脂の結晶性融点より約10℃〜約25℃の範囲低い温度までの範囲の温度で、かつ前記延伸されていない焼きなまし前駆フィルムの長さに基づいて1分当たり75%未満の熱延伸率で、前記冷延伸と同じ一軸方向に、前記冷延伸した前駆フィルムを熱延伸すること。このようなフィルムは、米国特許4620956号に開示されており、その開示は本明細書に引用により繰込まれている。
【0061】
約−20℃〜ポリマーフィルムの結晶性融点より20℃低い温度の範囲で、非多孔性・結晶性・弾性フィルムを一軸冷延伸し、続いて、結晶性融点より約20℃低い温度〜結晶性融点より5℃低い範囲の温度で、複数の不連続延伸工程において、冷延伸したフィルムを同方向に熱延伸することによって得られる連続気泡の微細孔ポリマーフィルムも、微細孔ポリマー支持層として有用である。このようなフィルムは、米国特許3843761号に開示されており、その開示は本明細書に引用をもって繰込まれている。
【0062】
また、50%伸長からの弾性回復が25℃で少なくとも20%であり、ポリプロピレンポリマーのメルトインデックスが約8〜約30の範囲にあり、及び重量平均分子量が約100,000〜240,000である非多孔性結晶性弾性ポリプロピレン出発フィルムを、連続気泡の微細孔構造がフィルム中に形成されるまで延伸し、延伸したフィルム中の連続気泡(開孔)(open-celled)構造を安定化させるために、得られた延伸フィルムを熱処理ないし硬化(heat setting)することによって得られる連続気泡の微細孔ポリプロピレンフィルムも、微細孔ポリマー支持層として有用である。このようなフィルムは、米国特許3839240号に開示されており、その開示は本明細書に引用により繰込まれている。
【0063】
さらに、連続気泡構造ではない同じポリマーフィルムのかさ密度と比較して小さいかさ密度であり、結晶性が約30%より大きく、孔径が5000Å(500nm)未満であり、窒素フラックスが30より多く、表面積が少なくとも30m2/cm3であり、及び破壊伸びが50〜150%である連続気泡の微細孔ポリマーフィルムであって、結晶性が約20%より大きく、かつ50%ひずみからの弾性回復が25℃で少なくとも40%である非多孔性・結晶性・弾性フィルムを、延伸方向に垂直な多孔表面領域が形成されるまで冷延伸し、得られた冷延伸したフィルムを、延伸方向に平行に伸長する孔空間が形成されるまで熱延伸し、その後、得られた微細孔フィルムを引っ張った状態で加熱することによって得られる前記連続気泡微細孔ポリマーフィルムも、微細孔ポリマー支持層として適している。このようなフィルムは、米国特許3801404号及び米国特許3679538号に記載されており、その開示は本明細書に引用により繰込まれている。
【0064】
また、微細孔・連続気泡構造のフィルムであり、そのフィルムからなるポリマーの密度の約90%以下の見かけ密度であって、前記ポリマーは固体時で少なくとも40%の結晶性があり、かつポリエチレン、ポリプロピレン及びポリアセタールからなる群から選択され、そして前記フィルムは、孔空間(pore spaces)のサイズ分布が1000〜2000Å(100〜200nm)範囲で最適化されている孔空間を有する連続気泡構造を特徴とし、(a)フィルムを形成するように、前記ポリマーの結晶性融点より約100℃より高くない温度の溶融温度で前記ポリマーを押出し成形すること;(b)20:1〜約180:1の引き抜き比(drawdown ratio)で得られたフィルムを巻き上げる(taking up)こと;(c)押し出されたフィルムを引き抜いている間に急冷すること;(d)得られたフィルムにおいて、50°のひずみからの弾性回復が25℃で少なくとも50%になるように、前記ポリマーの結晶性融点より約5〜100℃低い範囲の温度で、得られたフィルムを少なくとも5秒間焼きなますこと;(e)前記フィルムはポリプロピレンからなる(comprise)ときは約200°F(93.3℃)以下、前記フィルムがポリエチレンからなる(comprise)ときは約220°F(104.4℃)以下、及び前記フィルムがポリアセタールからなる(comprise)ときは約255°F(123.9℃)以下の温度で、全長の約30%から約150%の引き抜き比で、フィルムを冷延伸すること;(f)伸長させた状態で、約80℃〜約150℃の温度で、冷延伸したフィルムを熱処理ないし硬化(heat setting)すること、によって得られる前記フィルムも、微細孔ポリマー支持層として適している。このようなフィルムは、米国特許3558764号に開示されており、その開示は本明細書に引用により繰込まれている。
【0065】
ポリマー支持層は、開口を形成する穴をポリマー支持層に打ち抜く(punching)かもしくは刺し抜く(pricking)ことによって、貫通された層として形成されることができる。または、ポリマー支持層は、切れ目を入れ、エキスパンドメタルの形状と同様の形状になるようにポリマー支持層を広げることによって、材料損失無く、エキスパンドメタルと類似の製造法で形成されることができる。そのように形成された開口は、複数の種々の形状、サイズにすることができる。例えば、穴の断面を、三角形、四角形もしくは偏菱形などの角形、円形、卵形、又は楕円形にすることができる。好ましくは、穴はスロットもしくは長い穴であり、より好ましくは横、縦、もしくは斜めを指向する。穴を形成するための方法及び設備、及び開口のサイズ及び形状を通常決定する、そこで使用される道具は、当業者に周知である。
【0066】
本発明のさらなる形態によれば、支持層3は、ガラス繊維織物、ポリマー繊維織物、又はガラス繊維とポリマー繊維の混合物から作られる織物によって構成される。メッシュのような織物、すなわちガラスの織り糸及び/又はポリマーの織り糸の間の開口空間を特徴とする織物であって、これらの開口空間が支持層の開口に相当する織物(fabric)が適している。したがって、開口の寸法は織物のメッシュ幅となる。メッシュ織物はウィービング、ニッティング、ネッティング又は当業者に一般に知られた他の方法によって製造することができる。好ましい材料はガラスである。一般に、ネットなどの十分な強度のガラス繊維織物を製作することができる、公知技術のすべてのガラス繊維材料を本発明の支持層の形成に使用することができる。ガラス繊維の平均繊維径は、好ましくは3μm〜12μm、より好ましくは5μm〜9μmである。同様に、本発明の支持層の製作に使用されるポリマー繊維織物は、好ましくは、直径が3μmより太い、できれば50μm又は100μmより太い繊維から本質的になる。適当なガラス繊維ネット及び/又はポリマー繊維ネット及びそれらの製作は当業者に周知である。
【0067】
ポリマー繊維を有する織物の場合、ポリマーが熱可塑性ポリマー、好ましくはポリオレフィン、最も好ましくはポリエチレンであると好都合である。
【0068】
本発明のさらに好ましい形態によれば、支持層3は、ポリマー繊維フリースもしくはマット、又はガラス繊維とポリマー繊維の混合物を有するフリースもしくはマットで形成される。この場合、ポリマーは熱可塑性ポリマーである。したがって、フリースを加熱すると、繊維が接触点で融合され、支持層の引張強度を増大させることができる。熱可塑性ポリマーはポリオレフィンであることが好ましく、最も好ましくはポリエチレンである。本発明の支持層として使用可能なポリマー繊維製の適当なマットは、米国特許5962161号に開示され、ガラス繊維及びポリマー繊維製の適当な繊維質シートは米国特許4908282に開示されている。両文献の開示は、本明細書に引用により繰込まれている。
【0069】
さらに、支持層は、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール−ホルムアルデヒド樹脂、又はそれが使用される電池環境に影響されない適当な他の材料などの合成樹脂を直接繊維質層上に連続した縞状に塗布し、続いて、例えば光硬化又は熱硬化により、樹脂を硬化させることによって形成されることができる。
【0070】
本発明の支持層の開口サイズは、開口の対向する端を結ぶ直線の最大限可能な長さである最大可能直径(GPD)によって、特徴づけることができる。例えば、正方形の開口の場合、GPDは対角線に相当し、円形の開口の場合、直径に相当する。ポリマー支持層の開口のGPDは、好ましくは1mm以上、より好ましくは10mm以上、最も好ましくは30mm以上である。さらに、ポリマー支持層の各個々の開口は支持層面積の30%以下の範囲であることが好ましく、より好ましくは10%以下、さらに好ましくは2%以下、最も好ましくは1%以下である。
【0071】
開口は、好ましくは0.01mm〜5mm間隔でおかれる、すなわち、2つの開口間の最短距離は、好ましくは、方向に関係なく0.01mm〜5mmの範囲内にある。開口は整列させて、又は互い違いにもしくはランダムに分布させて配置することができる。90%を超える開口面積を有する最も好ましい形態の場合、開口(複数)は、密接な間隔で形成され、材料の薄い領域範囲のみによって分離されている。開口(複数)は規則的な又は不規則なパターンで配置されることができるが、開口はセパレータの横辺に平行に伸びる列で配置されると好都合である。これによれば、これらの列の中間に、セパレータの全長にわたって伸び、かつ電池製造業者に通常ロールで供給されるセパレータ製品の高速加工中にかかる主な引張応力の方向に伸びる、材料の連続する領域範囲を生じさせる。
【0072】
開口(複数)は、電池内の効率の良い酸素循環及び大きく損なわれない電極間のイオン移動を確保することにより、低い内部電気抵抗を実現する。
【0073】
支持層の厚さは、好ましくは0.01mm〜1mmの範囲内、より好ましくは0.02mm〜0.3mmの範囲内、最も好ましくは約0.2mmである。本発明の好ましい形態(1つの繊維質層と1つの支持層の結合)において、スタータ電池の場合、セパレータの繊維質層の厚さは、好ましくは0.2mm〜1.2mm、より好ましくは0.3mm〜1.0mmである。工業用電池の場合、繊維質層の厚さは、好ましくは1.4mm〜3.5mmの範囲内、より好ましくは1.5mm〜2.0mmn範囲内にある。
【0074】
本発明のセパレータはシート形状で提供することができる。ポリマー材料を含んでいる支持層(複数)を有する本発明のセパレータは、上部を開放し底部とサイドを閉じたポケット形状で提供することもできる(ポケット形状にする場合、2つ折りにしてポケット状にしたポリマー支持層の中に電極板を入れるようにして、電極板を繊維質層で包む。)。これらの場合、支持層の対向する少なくとも2つの縁領域は、例えば接着剤を用いたシール、熱シール、又は渦巻き形セル用の縁全体のリボンシール、などのシールに縁を利用するために、繊維質層で覆われていないことが好ましい。そのようなポケットの製造は、当業者に周知である。本発明のこれらのセパレータは、外側に2つのAGM層を備える先行技術の多層セパレータより容易にポケット形状にすることができることが見出された。また、幅が繊維質層の2倍を超える支持層の上に繊維質層を第一に置くことによって、セパレータを形成することもできる。この工程において、繊維質層は、完全に支持層の第一半分(first half)にあるように、かつ第一半分の縁領域が繊維質層によって覆われないように、配置される。次の工程において、支持層の第二半分(second half)は、支持層の縁領域が互いに接して位置するように、第一半分及びその上にある繊維質層上に折り重ねられる。それによって、これらの縁領域は、繊維質層を包含する支持層材料の筒を形成するためのシール、例えば熱シール、を可能にする。
【0075】
本発明のセパレータは、少なくとも1つの支持層と少なくとも1つの繊維質層を積層することによっても形成することができる。種々の層は接着剤、超音波シール又は縫い付けによって接合(結合)させることができる。好ましくは、アクリル又はポリエチレンのホットメルトなどの接着剤が支持層と繊維質層間の接合の改良に使用される。接着剤は、好ましくは、斑点又は連続する縞模様でセパレータの層間に塗られる。そのような積層の製造は当業者に周知である。
【0076】
本発明のセパレータは、熱成(pyrogenic)シリカ、又はマイクロ繊維のとても高価な部分を有するAGMに基づく先行技術のセパレータよりかなり低コストで製造及び加工されることができる。さらに、非多孔質支持層を使用することにより、さらなる節約が可能である。加えて、強化した引張強度によって、普通のAGM及び他の繊維質層セパレータよりも高速で加工することができ、例えば渦巻型セルなどの鉛蓄電池の製造を著しく加速させることができる。後者の製造中、セパレータは、高い引張応力を受けながら引っ張られることによって、大きな慣性モーメントを有するロールから広げられる。さらに、本発明のセパレータは容易なシール能力を備える。改良された引張強度の他にも、本発明のセパレータは、早期機能不良の防止に効果のある良好な酸素及びイオンの移動性、及び高電力性能に必要な電池の低内部電気抵抗を示す。また、本発明のセパレータは薄いので、起動用電池などの高電力密度を有する電池の製造に有用である。さらに、支持層はセパレータの圧縮特性を改善し、より均一な圧縮を確保する。
【0077】
本発明はさらに、密閉容器中で対極性に荷電した少なくとも2つ電極、電解質体、及び(複数の)前記電極のうち隣接する電極間にあるセパレータを備える電池であって、前記セパレータは上記で記載したようなセパレータであるバルブ調節鉛蓄電池に関係する。好ましくは、電解質はセパレータと電極板にすべて吸収される。電池は、起動燃焼エンジン用のような利用、又は予備利用に使用されることが好ましく、深放電循環(deep discharge cycle)を頻繁にされやすく、それに伴う短絡の形成のおそれの高い利用には好ましくない。
【0078】
本発明は以下の実施例からより完全に理解されるであろうが、実施例は、単に例示目的のために示され、限定として解釈されるものではない。
【実施例1】
【0079】
シリカを充填した高さ270mm、幅165mm、厚さ0.2mmの長方形の超高分子量ポリエチレン膜をガラス繊維層に積層した。本実施例において使用したポリエチレンは、平均分子量が7,000,000、標準負荷メルトインデックスが0、及び粘度数が3,000ml/gであった。充填材料として使用したシリカは、平均粒径約0.02μm、表面積165m2/gの微細分割シリカ(「Hisil 233」)であった。膜はポリエチレン50体積%とシリカ50体積%で構成され、平均孔径が0.1μmであった。
【0080】
規則的なパターンの平行な長穴を形成するために、慣用の道具でポリエチレン膜に穴をあけた。穴は、幅11mmであり、穴の縦軸に垂直な方向に0.3mm間隔でおかれた。膜の4つの各辺にそって、4mm幅の領域は穴のあけられていないままであり、それによって内部領域が画定された。長穴のパターンは、内部領域を覆うように配置され、長穴の縦軸は長方形の膜のサイドに平行に伸びていた。その結果、開口面積は90%〜91%であった。
【0081】
1μmまでの太さのガラス繊維約35質量%と太さ約3μmのガラス繊維約65質量%からガラス繊維層を作った。繊維質層の気孔率は95%、平均孔径は12μm、及びBET表面積は1.1m2/g(HovosorbTM BG 1305; Hollingsworth & Vose Co.)であった。
【0082】
ガラス繊維層の厚さは、10kPaにおいて0.86mmであった。積層は接着剤(アクリル接着剤;RhoplexTM N-495)を縞状にして行った。最終的に、2層のセパレータの厚さは1.1mm(10kPaにおいて)であり、サイズは約、270mm×165mmであった。
【0083】
セパレータの下半分を上半分上に折り重ね、左右の外縁を熱シールすることによって、このセパレータをポケット形状にすることができる。得られたポケットセパレータは、開放した上部、閉じた底部及び閉じたサイドを備え、高さ135mm、幅165mmである。
【実施例2】
【0084】
2つのポリエチレン膜をガラス繊維層と積層したことを除いて、実施例1の手順で電池セパレータを作製した。ガラス繊維層を2つのポリエチレン膜の間に挟んだ。3層のセパレータの厚さは、10kPaにおいて1.3mmである。
【図面の簡単な説明】
【0085】
図1は本発明の電池の断面概略図である。
【符号の説明】
【0086】
1:セパレータ
2:繊維質層
3:支持層
4:陰極
5:陽極
6:密閉容器
【0001】
本発明は、鉛蓄電池用の新規な多孔セパレータに関する。別の視点によれば、本発明は、そのような新規なセパレータを備える鉛蓄電池(lead-acid storage battery)に関する。
【背景技術】
【0002】
基本的に、電池セパレータは電子絶縁体及びイオン伝導体として機能する。すなわち、電池セパレータは、対極の電極間のイオンの流れを可能にするが、対極の電極の直接的な電子接触を妨げている。これら2つの機能を満たすために、セパレータは、通常、樹枝状結晶や板状粒子によって電子短絡を妨げることができるような小さい細孔を有し、かつ内部電池抵抗を最小にできるような高い気孔率を有する多孔質絶縁体である。鉛蓄電池において、セパレータは適切な極板距離をも決定し、それによりセル反応に関係する電解質の量が定まる。セパレータは、電池の寿命の間、安定でなければならない、すなわち、侵食性の強い電解質及び酸化的環境に耐えなければならない。
【0003】
これらの基本的な受動的機能のほかに、鉛蓄電池のセパレータは、多くの点において電池性能に能動的に作用することもできる。バルブ調節鉛蓄電池(VRLA電池)において、セパレータは、さらに酸素移動、電解質の配分(ないし分布)及び極板の膨張のような性質を決定する。VRLA電池の性能に顕著な影響を及ぼすため、セパレータは「第三の電極」又は「第四の活性物質」とも呼ばれる(非特許文献1)。
【0004】
VRLAは、密閉電池又は組換(recombinant)電池とも呼ばれるバルブ調節鉛蓄電池を表す。VRLA電池において、充電中に陽極で発生する酸素は、陰極で還元される。このようにして、VRLA電池は、水を消費することなく充電でき、そして過充電さえできるため、理論上メンテナンスフリーである。陰極板が完全に荷電する前に陽極板において酸素を発生させるために、例えば、陽極板より大きい陰極板を使用することによって、陰極における水素の生成を抑制する。
【0005】
VRLA電池においては、2つの技術、すなわち吸収性ガラスマット(AGM)を備えた電池とゲル電池、が優勢である。AGMを備えた電池においては、吸収性ガラスマットが電解質を不動化(固定)すると同時に、セパレータとして機能する。ゲル電池においては、酸がフュームドシリカ(fumed silica)によって固定される。また、極板距離を固定するため、及び電子短絡を防止するために、追加のセパレータが必要となる。AGM電池に比べて、ゲル電池の製造コストは高くなると考えられ、比出力(specific power)は高い内部抵抗のために低くなる。
【0006】
AGM電池において、電解質は完全にガラスマットに吸収される。AGMセパレータは、90%を超える非常に高い気孔率を有している。この高い気孔率ならびに好湿潤性は、非常に高い酸の吸収性及び低い電気抵抗に反映される。AGM電池において、AGMセパレータの酸飽和度は、通常85%〜95%の範囲にある。これにより、完全に飽和したセパレータに対し有効電気抵抗が増大するが、陽極板から陰極板への非常に効率の良い酸素移動を可能にする比較的大きな細孔のオープンチャンネルが生じる。AGMセパレータの平均孔径は通常3μm〜15μmの範囲内にあり、不均等に分布している。すなわち、電極板に平行な面であるセパレータのX−Y面に約0.5μm〜5μmの孔径、電極に垂直なZ方向に約10μm〜25μmの孔径がある。
【0007】
比較的大きい細孔及び好湿潤性のために、電池の充填工程を容易にするAGMの吸収率(wicking rate)(酸の吸い上げ速度)はかなり高い。
【0008】
AGMセパレータの大きな不利益は、どのようなバインダーも純粋なガラスセパレータには含まれていないという事実による機械的弱さである。この材料の引張強度は、繊維の接触及びいくらかの絡み合いにのみ依存する。分子レベルにおいては、これらの接触は、隣接する繊維間に確立した水素結合型であると思われる。繊維が微細になれば、これらの接触を確立する機会が多くなるので、材料の強度は接触の存在によって大きく影響されることになる。
【0009】
一方、より粗いガラス繊維は、AGMセパレータの多くの機能を発揮させる役割も果たす。例えば、粗いガラス繊維は、より大きな孔を作ることによって吸収率を改善する。
【0010】
AGMセパレータのこの機械的弱さは、エネルギー密度の着実な増加及び全体の大きさの縮小化を特徴とする最新の高性能電池の開発の進行を鑑みれば、いっそう大きな問題となる。したがって、電極間距離及びそれに伴うセパレータの厚さは薄くなっており、さらには引張強度も減少している。効率的かつ経済的な電池の製造方法において、高速加工に実用できるように、十分な引張強度を有する薄いセパレータが切望されている。
【0011】
微細及び粗大なガラス繊維の両方の利点から利益を得ようとの試みにおいて、多層AGMセパレータが提案されている。微細及び粗大な繊維を有する2層は、これらの繊維を1つのシートに分散させたかのようなより強い引張強度を示したことが明らかにされた(非特許文献2)。
【0012】
特許文献1は、スパン結合織物の1以上の薄層で強化できるメルトブロー超微細ポリマー繊維のマットで作製されたセパレータを開示する。
【0013】
特許文献2は、ガラス繊維とポリエチレン繊維の混合物を有する繊維質シートセパレータを開示する。
【0014】
セパレータの機械的性質を制御するためにセパレータシステムの一部として微細孔シートを含めることも提案されている。この例としては、2つのAGM層の間にポリマー層を配置することによってAGMセパレータの圧縮特性を改良する微細孔ポリマー材料の層の使用がある(非特許文献3)。低圧縮性のセパレータによる高いプレートグループ圧(plate group pressures)の利用が、早期の容量損失をなくし、電池の寿命を延長するので、好都合な圧縮/回復性が重要であることが明らかにされている。そのような微細孔セパレータの例としては、10kPaにおいて厚さ0.52mmの2つのAGM層の間に挟まれた、平均孔径5μm、厚さ0.57mmの微細孔PVCセパレータがある(非特許文献3;非特許文献4)。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0015】
AGMセパレータと比較すると、このセパレータ形状は改良された機械特性を提供するかもしれない。しかしながら、微細孔層の存在は、電極間のイオンの流れを阻害し、それにより内部電気電池抵抗を増大させる。スタータ電池又は予備非常電力用電池など、深放電循環(deep discharge cycle)を通常伴わない利用において、このことは不都合である。また、外側のAGM層のために、これらのセパレータはポケット形状にすることが困難である。さらに、ポリマー膜の厚みのために、これらのセパレータは、渦巻き形セルに利用できない。
【0016】
本発明は、酸素及びイオンの移動を損なうことなく、引張強度を改善した鉛蓄電池用電池セパレータを提供することを目的とする。
【0017】
また本発明は、経済的な方法で製造かつ加工することができる電池セパレータを提供することを目的とする。
【0018】
さらに本発明は、高電力性能を有する改良バルブ調節鉛蓄電池を提供することを目的とする。
【0019】
【特許文献1】
米国特許第5962161号明細書
【特許文献2】
米国特許第4908282号明細書
【非特許文献1】
Nelson B., Batteries International, April 2000, 51-60
【非特許文献2】
Ferreira A. L.; The Multilayered Approach for AGM Separators; 6th ELBC, Prague, Czech Republic, September 1998
【非特許文献3】
Weighall M. J.; ALABC Project R/S-001, October 2000
【非特許文献4】
Lambert U., A study of the effects of compressive forces applied onto the plate stack on cyclability of AGM VRLA batteries, 5th ALABC Members and Contractors' Conference Proceedings, Nice, France, March 28-31, 2000
【課題を解決するための手段】
【0020】
本発明の第一視点の基本構成によれば、少なくとも1つの繊維質層及び少なくとも1つの支持層を備える電池セパレータであって、支持層は耐酸性材料から形成され、かつ複数のマクロ開口を備えている電池セパレータを提供する。
【0021】
上記基本構成の形態1によれば、繊維質層の平均孔径が3μm〜15μmである電池セパレータ、繊維質層が本質的にガラス繊維からなる電池セパレータ、及び繊維質層が、平均直径1μm未満のガラスマイクロ繊維を20質量%〜40質量%及び平均直径約3μmの粗ガラス繊維を60質量%〜80質量%有する電池セパレータを提供する。
【0022】
上記基本構成の形態2によれば、繊維質層が本質的にポリマー繊維からなる電池セパレータ、繊維質層が、直径0.1μm〜10μmのポリマー繊維を有する電池セパレータ、繊維質層の少なくとも10質量%のポリマー繊維の直径が1μm未満であり、少なくとも60質量%のポリマー繊維の直径が5μm未満である電池セパレータ、少なくとも15質量%のポリマー繊維の直径が1μm未満である電池セパレータ、繊維質層が、平均直径1μm未満のポリマーマイクロ繊維を20質量%〜40質量%有する電池セパレータ、ポリマー繊維の直径が0.1μm〜5μmの範囲にある電池セパレータ、ポリマー繊維がポリオレフィン繊維である電池セパレータ、及びポリオレフィンがポリエチレン及び/又はポリプロピレンである電池セパレータを提供する。
【0023】
上記基本構成の形態3によれば、繊維質層がガラス繊維とポリマー繊維の混合物を有する電池セパレータ、繊維質層が、直径0.1μm〜10μmのガラス繊維を有する電池セパレータ、ガラス繊維の直径が0.1μm〜5μmの範囲にある電池セパレータ、繊維質層が、直径0.1μm〜10μmのポリマー繊維を有する電池セパレータ、ポリマー繊維の直径が0.1μm〜5μmの範囲にある電池セパレータ、ポリマー繊維がポリオレフィン繊維である電池セパレータ、及びポリオレフィンがポリエチレン及び/又はポリプロピレンである電池セパレータを提供する。
【0024】
上記基本構成の形態4によれば、繊維質層の厚さが0.2mm〜3.6mmである電池セパレータを提供する。
【0025】
上記基本構成の形態5によれば、支持層の複数の開口が、支持層の60%を超える表面を占めている電池セパレータ、支持層の複数の開口が、支持層の70%を超える表面を占めている電池セパレータ、支持層の複数の開口が、支持層の80%を超える表面を占めているこ電池セパレータ、及び支持層の複数の開口が、支持層の90%を超える表面を占めている電池セパレータを提供する。
【0026】
上記基本構成の形態6によれば、開口が0.01mm〜5mm間隔でおかれている電池セパレータを提供する。
【0027】
上記基本構成の形態7によれば、支持層が基本的に充填材入り又は充填材無しのポリマーからなる電池セパレータ、ポリマーが熱可塑性ポリマーである電池セパレータ、ポリマーはポリオレフィンである電池セパレータ、ポリオレフィンの分子量が少なくとも600,000であり、標準負荷メルトインデックスは実質0であり、及び粘度数は600ml/g以上である電池セパレータ、ポリオレフィンがポリエチレンである電池セパレータ、支持層が、平均孔径1μm未満の微細孔ポリマー層である電池セパレータ、及び微細孔ポリマー層の50%より多くの微細孔が、直径が0.5μm以下である電池セパレータを提供する。
【0028】
上記基本構成の形態8によれば、支持層の対向する少なくとも2つの縁領域が、縁をシールに使用するため、繊維質層によって覆われていない電池セパレータを提供する。
【0029】
上記基本構成の形態9によれば、支持層の複数の開口の最大可能直径が、1mmより大きい電池セパレータを提供する。
【0030】
上記基本構成の形態10によれば、支持層の複数の開口が、スロット又は長い穴の形状である電池セパレータを提供する。
【0031】
上記基本構成の形態11によれば、支持層が基本的にガラス繊維織物からなる電池セパレータを提供する。
【0032】
上記基本構成の形態12によれば、支持層が基本的にポリマー繊維織物からなる電池セパレータを提供する。
【0033】
上記基本構成の形態13によれば、支持層が基本的にポリマー繊維フリース層からなる電池セパレータを提供する。
【0034】
上記基本構成の形態14によれば、支持層が基本的にポリマー繊維及びガラス繊維を含むフリース層からなる電池セパレータを提供する。
【0035】
上記基本構成の形態15によれば、支持層の厚さが0.01mm〜1mmである電池セパレータを提供する。
【0036】
上記基本構成の形態16によれば、セパレータが、上部を開放し、底部とサイドを閉じたポケット形状である電池セパレータを提供する。
【0037】
本発明の第二視点によれば、密閉容器中において対極性に荷電した少なくとも2つの電極、電解質体及び(複数の)電極のうち近接する電極間にあるセパレータを備える電池であって、セパレータは上記第一視点の基本構成のセパレータであるバルブ調節鉛蓄電池を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0038】
本発明は、耐酸性材料から形成され、かつ複数のマクロ開口を有する少なくとも1つの支持層と、少なくとも1つの繊維質層を組み合わせることによって、酸素及びイオンの移動を損うことなく、それゆえに、VRLA電池内の内部電池抵抗に悪影響を与えることなく、引張強度を改善したセパレータを製造することができるという驚くべき知見に基づく。
【0039】
本発明の文言において、開口(opening)とは、支持層の厚みを完全に貫通する支持層中の穴(hole)又は孔(aperture)をいう。このようにして、開口は、支持層の広がった面に対して実質垂直に伸びる直線状の通路によって、支持層を通じて直接のイオン移動を可能にする。したがって、平面シートの形状をとる支持層において、これは、支持層面の上部の実質垂直方向からみると、支持層が物質を有する領域と物質を有さない領域を含有しているように見えることを意味する。物質を有さない領域は開口である。したがって、開口は、例えば支持層中に穴を切り取ることによって得ることができる。支持層の総面積に対する開口の総面積の割合は、支持層の開口面積として定義される。例えば、長方形の支持層面の開口面積の計算において、支持層の片面の面積は、高さに幅を掛けた積で表される。1つの開口で覆われる面積は、その幾何学的形状と寸法を考慮して計算することができる。開口で覆われた総面積は、すべての開口の面積の合計によって得ることができる。
【0040】
本発明によれば、用語「マクロ(macroscopic)」は、肉眼で容易に見ることができるような十分な大きさの対象又は構造を示すために使用される。したがって、本発明のマクロ開口の直径は、好ましくは50μmより大きく、より好ましくは100μmより大きく、最も好ましくは1mmより大きい。
【0041】
セパレータを形成するために、少なくとも1つの支持層は少なくとも1つの繊維質層と結合され、その結果繊維質層は機械的に強化される。好ましい形態によれば、セパレータは、1つの支持層と1つの繊維質層を積層することで形成される。ある数の開口、つまりはある開口面積、を有する支持層の使用は、電極間のイオン輸送を害することによる悪影響を電池の内部電気抵抗に及ぼすことなく、セパレータが高速加工の利用に十分な引張強度を有することを確保することが分かった。好ましい形態によれば、開口面積は、支持層の片面の60%超、より好ましくは70%超、さらに好ましくは80%超、最も好ましくは90%超に相当する。さらに、開口面積は、支持層片面の99%未満に相当することが好ましく、より好ましくは98%未満、さらに好ましくは97%未満、最も好ましくは95%未満である。
【0042】
本発明のセパレータは、2層より多くの層、例えば2つの支持層とその2つの支持層の間に挟まれた繊維質層、又はその逆の組み合わせ、を含むことが可能であるが、本発明の支持層は2層のみ、すなわち1つの支持層と1つの繊維質層、を有することが好ましい。
【0043】
以下に、添付図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。図1は本発明のセパレータ1を示す。セパレータは繊維質層2及び1つの支持層3を具備する。また、電池の陰極4及び陽極5も示す。セパレータ1ならびに電極4及び5は密閉容器6に入っている。
【0044】
繊維質層2はガラス繊維、ポリマー繊維又はガラス繊維とポリマー繊維の混合物から作製することができる。本発明の繊維質層として使用可能なポリマー繊維製の適当なマットは、米国特許5962161号に開示されており、その開示は本明細書に引用により繰込まれている。
【0045】
好ましい材料はガラスである。一般に、吸収性ガラスマット(AGM)を製造可能な公知技術のすべてのガラス繊維材料は、本発明の繊維質層の形成に使用することができる。好ましい繊維質材料は、バインダーやポリマー繊維のような有機成分を含まない吸収性マイクロ繊維ガラスフリースである。繊維の直径は、0.1μm〜10μmの範囲であることが好ましく、0.1μm〜5μmの範囲であることがより好ましい。繊維は、好ましくは、様々な直径の耐酸性ガラス繊維、通常マイクロ繊維と言われている平均繊維径が1μmより小さい極細繊維、と平均直径約3μmの「粗」繊維との混合物である。マイクロ繊維は内部表面を増大させ、引張強度を改善し、そして孔径を縮小させるが、製品コストをかなり増大させる。太い繊維は、上述のように、酸の吸い上げが速い大きな孔を作成することによって電池充填を容易にする。
【0046】
繊維質ガラス層は、好ましくは、20質量%〜40質量%の平均直径が1μmより小さいガラスマイクロ繊維及び60質量%〜80質量%の平均直径約3μmの粗ガラス繊維、例えばマイクロ繊維30質量%及び粗繊維70質量%、を有する。適当なガラス繊維マット及びその製造方法は、当業者に周知である(例えば、Bohnstedt W., in Handbook of Battery Materials, Editor Besenhard J. O., WileyVCH, Weinheim 1999, pages 245 to 292、及びそこに引用された文献を参照)。
【0047】
ポリマー繊維から作製された好ましい繊維質層は、繊維径が0.1μm〜10μm、好ましくは0.1μm〜5μmのウェブないし不織布(web)、マット又はフリースを有する。繊維の10質量%より多く、より好ましくは繊維の15質量%より多く、最も好ましくは繊維の20質量%〜40質量%が、1μmより細い直径、好ましくは約0.1μmの直径であることが好ましい。また、繊維の少なくとも60質量%が5μmより細い直径であることがさらに好ましい。繊維は、好ましくはポリオレフィン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリエステル、ハロゲン化ポリマー及びそれぞれの共重合体からなる群から、より好ましくはポリオレフィンから、及び特に好ましくはポリエチレン及びポリプロピレンから選択される、熱可塑性ポリマーから作られる。繊維質層を親水性にするために、押出し成形前に適当な表面活性剤をポリマーに添加するか、もしくは成形後の繊維表面に親水性基を共有結合させる。開示が本明細書に引用をもって繰込まれている米国特許5962161号に、適当な処理が記載されている。このような不織マットは、押出し工程及びブローイング工程によって製造することができる。好ましいひとつの方法は米国特許6114017号に記載されており、ポリマー加熱及び押出し手段によってポリマーを溶融する工程、本質的に均一な又は多様な直径の繊維からなる織物を得るために、直径が互いに同等であるか又は列から列へ異なっており、加熱装置によって加熱された1つ以上の規格金型上に、横方向に間隔を隔てて一以上の列に配置されたポリマーオリフィスを通じて、1g/min/holeより遅い流速で当該ポリマーを押出す工程、ポリマーオリフィスごとに2以上の不変の若しくは可変の横断空気噴射口、好ましくは超音波の吸い込み速度を実現可能な発散‐収束ノズルである可変横断空気噴射口から少なくとも95℃の加熱空気を、又は、当該フィラメントを細くする、及び本質的に連続するポリマーフィラメントを産出する当該ポリマーオリフィス出口に隣接しかつ本質的に平行に設置された2以上の連続する発散‐収束ノズル溝から10℃〜375℃の間に調温された空気を使用して、当該ポリマー押出し物をブロー成形する工程、及び当該金型内の当該ポリマーオリフィスの列数と同数の分配された連続ポリマーフィラメント層からなる自己結合ウェブを形成するために、収集手段上に当該単離ポリマーを沈積させる工程、を含んでいる。米国特許5679379号は、上記不織マットの製造に適した規格金型ユニットを開示している。米国特許6114017号及び米国特許5679379号の両開示は、本明細書に引用をもって繰込まれている。上記工程において製造された自己結合ウェブは、カレンダーロールによって模様を彫る若しくは平らにする公知の熱カレンダー技術を使用して、さらに強度を強くするために熱結合されることもできる。ウェブないし不織布、マット又はフリースは、典型的な溶融ブローウェブより、平均直径が小さく、均一性が改善され、繊維径の範囲が狭く、非結合強度がかなり強くなっている。材料が熱結合されると、同じポリマー及び坪量のスパン結合不織布と同等の強度になる。
【0048】
ガラス繊維とポリマー繊維の混合物を使用するとき、それらの異なる繊維は、表面活性剤がなくてもシートが電解質を75〜95%吸収するような割合にして使用されることが好ましい。好ましくは、上記特徴のガラス繊維とポリマー繊維が使用される。このような繊維質シートは、米国特許4908282号に記載の方法によって作製することができ、その開示は本明細書に引用をもって繰込まれている。
【0049】
繊維質層の平均孔径は、好ましくは3μm〜15μmであり、より好ましくは5μm〜12μmであり、最も好ましくは6μm〜10μmである。
【0050】
別段の記載が無ければ、本明細書において示すすべての孔径は、Ritter, H. L.及びDrake, L. C.によってInd. Eng. Chem. Anal. Ed., 17, 787 (1945)に記載された水銀貫入法によって測定した。この方法によれば、水銀は、多孔度計(porosimeter model 2000, Carlo Erba)によって水銀に加える圧力を変化させることによって様々な径の孔に押し込められる。孔径分布は、MILESTONE 200 ソフトウェアを用いて、粗データを評価して決定した。ポリマー層の微細孔の孔径は、穴(holes)を形成する前に測定した。
【0051】
平均孔径は、水銀貫入法によって決定した孔の総体積の50%は小さい孔に含まれ、50%は大きい孔に含まれる孔径と定義される。
【0052】
10kPaにおいて0.6mmの厚さであるとき、繊維質ガラス層の坪量は一般に、100g/m2であり、気孔率は93%〜95%である。繊維質層のBET表面積は、好ましくは0.5m2/g〜2.5m2/g、より好ましくは1.1m2/g〜1.3m2/gの範囲内にある。これらの数値又は他の数値は、適切に確立された手順に従い決定される(例えば、BCI試験法(BCI Test Method)、BCI/RBSM Standard Test Methods, Battery Council International, Chicago, IL, USA;別段の記載が無ければ、繊維質層の厚さは常に乾燥時の層の厚さについて言及している)。
【0053】
10kPaにおいて0.6mmの厚さであるとき、ポリマー繊維の不織布(ウェブ)の坪量は一般に、70g/m2であり、気孔率は91%〜95%である。繊維質層のBET表面積は、好ましくは1m2/g〜5m2/g、より好ましくは2m2/g〜3m2/gの範囲内にある。これらの数値は、上記記載のように決定される(例えば、BCI試験法)。
【0054】
10kPaにおいて0.6mmの厚さであるとき、厚さ0.1μm〜10μmのガラス繊維85質量%と厚さ0.1μm〜10μmのポリマー繊維15質量%の混合物からなる繊維質シートの坪量は一般に、90g/m2〜95g/m2であり、気孔率は91%〜95%である。繊維質層のBET表面積は、好ましくは1m2/g〜3m2/g、より好ましくは1.1m2/g〜2.5m2/gの範囲内にある。これらの数値は、上記記載のように決定される(例えば、BCI試験法)。
【0055】
繊維質層の厚さは、好ましくは0.2mm〜3.6mm、より好ましくは0.3mm〜1.0mmである。繊維質層の厚さの上限は、セパレータの望ましい厚さの総計によって決定される。SLI(starting-lighting-ignition)電池とも呼ばれるスタータ電池のセパレータの厚さの総計は、好ましくは0.6mm〜1.8mmであり、据置電池などの工業用電池のセパレータにおいては2mm〜4mmである。例えば2mmの厚さの1つの繊維質層の代わりに、厚さの総計が2mmになる隣接する2以上の繊維質層を使用することができる。厚さは、BCI法を使用して、10kPaにおいて決定される(上記参照)。
【0056】
本発明の好ましい形態によれば、支持層3は、基本的にはポリマー材料から作製され、好ましくはポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、又はそれが使用される電池環境に影響されない他の適当な材料などの充填材入り又は充填材無しの熱可塑性ポリマーである。ポリマー材料の形状は、好ましくは例えば押出し成形によって得られるような膜である。熱可塑性ポリマーの使用は、ポケットの形成を容易にすることに利点がある。好ましい材料は、ポリプロピレン、エチレン‐ブテン共重合体、好ましくはポリエチレン、より好ましくは高分子量ポリエチレン、すなわち、少なくとも分子量600,000のポリエチレン、さらにより好ましくは超高分子量ポリエチレン、すなわち、少なくとも分子量1,000,000のポリエチレン、特により好ましくは分子量4,000,000超、最も好ましくは分子量5,000,000〜8,000,000(粘度計によって測定し、Margolieの式から計算した)のポリエチレン、などのポリオレフィンであり、標準負荷メルトインデックスが実質0(標準負荷2,160gを使用し、ASTM D 1238 (Condition E))の仕様で測定した)であり、そして、粘度数が600ml/g以上、好ましくは1,000ml/g以上、より好ましくは2,000ml/g以上、最も好ましくは3,000ml/g以上(130℃のデカリン100gにポリオレフィン0.02gを溶かした溶液中で測定した)である。
【0057】
微細孔はコストを増大させ、材料の機械的強度を減少させる傾向があるので、通常ポリマー材料は微細孔でないことが好ましい。しかしながら、比較的小さな開口面積を有する支持層において、微細孔材料は支持層材料を通じてイオン移動を可能にするので好都合であるかもしれない。これらの場合、支持層の微細孔の平均孔径は、直径1μm未満である。好ましくは、50%より多くの孔の直径が0.5μm以下である。少なくとも90%の孔の直径は0.5μm未満であることが特に好ましい。微細孔の平均孔径は、好ましくは0.05μm〜0.5μm、より好ましくは0.1μm〜0.2μmの範囲内にある。
【0058】
微細孔ポリマー支持層は、好ましくは、8体積%〜100体積%のポリオレフィン、0体積%〜40体積%の可塑剤、及び0%〜92%の不活性な充填材料の均一な混合物を有する。好ましい充填材は、微細分割された乾燥シリカである。好ましい可塑剤は石油オイルである。可塑剤は、ポリマー‐充填材‐可塑剤の組成から除去することが最も容易な成分であるので、電池セパレータに多孔をもたせるのに有効である。セパレータの最終組成は、最初の組成及び抽出された成分に依存するだろう。このような材料は周知技術であり、例えば、開示が本明細書において引用により繰込まれている米国特許3351495号に記載されている。
【0059】
微細孔ポリマー支持層は、少なくとも1つの熱可塑性ポリマー、好ましくは重量平均分子量少なくとも600,000の超高分子量ポリオレフィン、と少なくとも20体積%の熱成(pyrogenic)シリカ、加えて任意の1以上の充填材、好ましくは沈降シリカ、の本質的に均一な混合物から形成することもできるので、充填材の全内容物は、60体積%〜82体積%の範囲内にあり、任意には可塑剤、好ましくは水不溶性オイル及び/又は加工オイルである。このような微細孔ポリマー層は米国特許6124059号に開示されており、その開示は本明細書に引用により繰込まれている。
【0060】
微細孔ポリマー支持層に適した他の材料は、下記の工程を含む方法により製造される微細孔ポリエチレンフィルムである:(a)押出し成形された前駆フィルムを形成するため、密度が少なくとも約0.960g/cm3であり、少なくとも99質量%がエチレンであるポリエチレン樹脂を引き抜き比約20:1〜約200:1で溶融押出し成形すること;(b)押出し成形された前駆フィルムの結晶性を改善するように、及び延伸されていない焼きなまし前駆フィルムを形成するように、前記樹脂の結晶性融点より約10℃〜25℃の範囲低い温度で前記押出し成形された前駆フィルムを焼きなますこと;(c)冷延伸された前駆フィルムを形成するために、延伸されていない焼きなまし前駆フィルムの長さに基づいて、約120%〜約160%の冷延伸長になるように、約−20℃〜約70℃の範囲内の温度で、かつ前記延伸されていない焼きなまし前駆フィルムの長さに基づき、1分当たり少なくとも75%の冷延伸率で、前記焼きなまし前駆フィルムを一軸冷延伸して冷延伸長前駆フィルムを形成すること;(d)微細孔ポリエチレンフィルムを形成するように、前記延伸されていない焼きなまし前駆フィルムの長さに基づいて、約235%〜約310%の熱延伸長にするために、冷延伸した前駆フィルムの結晶性を保持するように(c)の上記温度から樹脂の結晶性融点より約10℃〜約25℃の範囲低い温度までの範囲の温度で、かつ前記延伸されていない焼きなまし前駆フィルムの長さに基づいて1分当たり75%未満の熱延伸率で、前記冷延伸と同じ一軸方向に、前記冷延伸した前駆フィルムを熱延伸すること。このようなフィルムは、米国特許4620956号に開示されており、その開示は本明細書に引用により繰込まれている。
【0061】
約−20℃〜ポリマーフィルムの結晶性融点より20℃低い温度の範囲で、非多孔性・結晶性・弾性フィルムを一軸冷延伸し、続いて、結晶性融点より約20℃低い温度〜結晶性融点より5℃低い範囲の温度で、複数の不連続延伸工程において、冷延伸したフィルムを同方向に熱延伸することによって得られる連続気泡の微細孔ポリマーフィルムも、微細孔ポリマー支持層として有用である。このようなフィルムは、米国特許3843761号に開示されており、その開示は本明細書に引用をもって繰込まれている。
【0062】
また、50%伸長からの弾性回復が25℃で少なくとも20%であり、ポリプロピレンポリマーのメルトインデックスが約8〜約30の範囲にあり、及び重量平均分子量が約100,000〜240,000である非多孔性結晶性弾性ポリプロピレン出発フィルムを、連続気泡の微細孔構造がフィルム中に形成されるまで延伸し、延伸したフィルム中の連続気泡(開孔)(open-celled)構造を安定化させるために、得られた延伸フィルムを熱処理ないし硬化(heat setting)することによって得られる連続気泡の微細孔ポリプロピレンフィルムも、微細孔ポリマー支持層として有用である。このようなフィルムは、米国特許3839240号に開示されており、その開示は本明細書に引用により繰込まれている。
【0063】
さらに、連続気泡構造ではない同じポリマーフィルムのかさ密度と比較して小さいかさ密度であり、結晶性が約30%より大きく、孔径が5000Å(500nm)未満であり、窒素フラックスが30より多く、表面積が少なくとも30m2/cm3であり、及び破壊伸びが50〜150%である連続気泡の微細孔ポリマーフィルムであって、結晶性が約20%より大きく、かつ50%ひずみからの弾性回復が25℃で少なくとも40%である非多孔性・結晶性・弾性フィルムを、延伸方向に垂直な多孔表面領域が形成されるまで冷延伸し、得られた冷延伸したフィルムを、延伸方向に平行に伸長する孔空間が形成されるまで熱延伸し、その後、得られた微細孔フィルムを引っ張った状態で加熱することによって得られる前記連続気泡微細孔ポリマーフィルムも、微細孔ポリマー支持層として適している。このようなフィルムは、米国特許3801404号及び米国特許3679538号に記載されており、その開示は本明細書に引用により繰込まれている。
【0064】
また、微細孔・連続気泡構造のフィルムであり、そのフィルムからなるポリマーの密度の約90%以下の見かけ密度であって、前記ポリマーは固体時で少なくとも40%の結晶性があり、かつポリエチレン、ポリプロピレン及びポリアセタールからなる群から選択され、そして前記フィルムは、孔空間(pore spaces)のサイズ分布が1000〜2000Å(100〜200nm)範囲で最適化されている孔空間を有する連続気泡構造を特徴とし、(a)フィルムを形成するように、前記ポリマーの結晶性融点より約100℃より高くない温度の溶融温度で前記ポリマーを押出し成形すること;(b)20:1〜約180:1の引き抜き比(drawdown ratio)で得られたフィルムを巻き上げる(taking up)こと;(c)押し出されたフィルムを引き抜いている間に急冷すること;(d)得られたフィルムにおいて、50°のひずみからの弾性回復が25℃で少なくとも50%になるように、前記ポリマーの結晶性融点より約5〜100℃低い範囲の温度で、得られたフィルムを少なくとも5秒間焼きなますこと;(e)前記フィルムはポリプロピレンからなる(comprise)ときは約200°F(93.3℃)以下、前記フィルムがポリエチレンからなる(comprise)ときは約220°F(104.4℃)以下、及び前記フィルムがポリアセタールからなる(comprise)ときは約255°F(123.9℃)以下の温度で、全長の約30%から約150%の引き抜き比で、フィルムを冷延伸すること;(f)伸長させた状態で、約80℃〜約150℃の温度で、冷延伸したフィルムを熱処理ないし硬化(heat setting)すること、によって得られる前記フィルムも、微細孔ポリマー支持層として適している。このようなフィルムは、米国特許3558764号に開示されており、その開示は本明細書に引用により繰込まれている。
【0065】
ポリマー支持層は、開口を形成する穴をポリマー支持層に打ち抜く(punching)かもしくは刺し抜く(pricking)ことによって、貫通された層として形成されることができる。または、ポリマー支持層は、切れ目を入れ、エキスパンドメタルの形状と同様の形状になるようにポリマー支持層を広げることによって、材料損失無く、エキスパンドメタルと類似の製造法で形成されることができる。そのように形成された開口は、複数の種々の形状、サイズにすることができる。例えば、穴の断面を、三角形、四角形もしくは偏菱形などの角形、円形、卵形、又は楕円形にすることができる。好ましくは、穴はスロットもしくは長い穴であり、より好ましくは横、縦、もしくは斜めを指向する。穴を形成するための方法及び設備、及び開口のサイズ及び形状を通常決定する、そこで使用される道具は、当業者に周知である。
【0066】
本発明のさらなる形態によれば、支持層3は、ガラス繊維織物、ポリマー繊維織物、又はガラス繊維とポリマー繊維の混合物から作られる織物によって構成される。メッシュのような織物、すなわちガラスの織り糸及び/又はポリマーの織り糸の間の開口空間を特徴とする織物であって、これらの開口空間が支持層の開口に相当する織物(fabric)が適している。したがって、開口の寸法は織物のメッシュ幅となる。メッシュ織物はウィービング、ニッティング、ネッティング又は当業者に一般に知られた他の方法によって製造することができる。好ましい材料はガラスである。一般に、ネットなどの十分な強度のガラス繊維織物を製作することができる、公知技術のすべてのガラス繊維材料を本発明の支持層の形成に使用することができる。ガラス繊維の平均繊維径は、好ましくは3μm〜12μm、より好ましくは5μm〜9μmである。同様に、本発明の支持層の製作に使用されるポリマー繊維織物は、好ましくは、直径が3μmより太い、できれば50μm又は100μmより太い繊維から本質的になる。適当なガラス繊維ネット及び/又はポリマー繊維ネット及びそれらの製作は当業者に周知である。
【0067】
ポリマー繊維を有する織物の場合、ポリマーが熱可塑性ポリマー、好ましくはポリオレフィン、最も好ましくはポリエチレンであると好都合である。
【0068】
本発明のさらに好ましい形態によれば、支持層3は、ポリマー繊維フリースもしくはマット、又はガラス繊維とポリマー繊維の混合物を有するフリースもしくはマットで形成される。この場合、ポリマーは熱可塑性ポリマーである。したがって、フリースを加熱すると、繊維が接触点で融合され、支持層の引張強度を増大させることができる。熱可塑性ポリマーはポリオレフィンであることが好ましく、最も好ましくはポリエチレンである。本発明の支持層として使用可能なポリマー繊維製の適当なマットは、米国特許5962161号に開示され、ガラス繊維及びポリマー繊維製の適当な繊維質シートは米国特許4908282に開示されている。両文献の開示は、本明細書に引用により繰込まれている。
【0069】
さらに、支持層は、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール−ホルムアルデヒド樹脂、又はそれが使用される電池環境に影響されない適当な他の材料などの合成樹脂を直接繊維質層上に連続した縞状に塗布し、続いて、例えば光硬化又は熱硬化により、樹脂を硬化させることによって形成されることができる。
【0070】
本発明の支持層の開口サイズは、開口の対向する端を結ぶ直線の最大限可能な長さである最大可能直径(GPD)によって、特徴づけることができる。例えば、正方形の開口の場合、GPDは対角線に相当し、円形の開口の場合、直径に相当する。ポリマー支持層の開口のGPDは、好ましくは1mm以上、より好ましくは10mm以上、最も好ましくは30mm以上である。さらに、ポリマー支持層の各個々の開口は支持層面積の30%以下の範囲であることが好ましく、より好ましくは10%以下、さらに好ましくは2%以下、最も好ましくは1%以下である。
【0071】
開口は、好ましくは0.01mm〜5mm間隔でおかれる、すなわち、2つの開口間の最短距離は、好ましくは、方向に関係なく0.01mm〜5mmの範囲内にある。開口は整列させて、又は互い違いにもしくはランダムに分布させて配置することができる。90%を超える開口面積を有する最も好ましい形態の場合、開口(複数)は、密接な間隔で形成され、材料の薄い領域範囲のみによって分離されている。開口(複数)は規則的な又は不規則なパターンで配置されることができるが、開口はセパレータの横辺に平行に伸びる列で配置されると好都合である。これによれば、これらの列の中間に、セパレータの全長にわたって伸び、かつ電池製造業者に通常ロールで供給されるセパレータ製品の高速加工中にかかる主な引張応力の方向に伸びる、材料の連続する領域範囲を生じさせる。
【0072】
開口(複数)は、電池内の効率の良い酸素循環及び大きく損なわれない電極間のイオン移動を確保することにより、低い内部電気抵抗を実現する。
【0073】
支持層の厚さは、好ましくは0.01mm〜1mmの範囲内、より好ましくは0.02mm〜0.3mmの範囲内、最も好ましくは約0.2mmである。本発明の好ましい形態(1つの繊維質層と1つの支持層の結合)において、スタータ電池の場合、セパレータの繊維質層の厚さは、好ましくは0.2mm〜1.2mm、より好ましくは0.3mm〜1.0mmである。工業用電池の場合、繊維質層の厚さは、好ましくは1.4mm〜3.5mmの範囲内、より好ましくは1.5mm〜2.0mmn範囲内にある。
【0074】
本発明のセパレータはシート形状で提供することができる。ポリマー材料を含んでいる支持層(複数)を有する本発明のセパレータは、上部を開放し底部とサイドを閉じたポケット形状で提供することもできる(ポケット形状にする場合、2つ折りにしてポケット状にしたポリマー支持層の中に電極板を入れるようにして、電極板を繊維質層で包む。)。これらの場合、支持層の対向する少なくとも2つの縁領域は、例えば接着剤を用いたシール、熱シール、又は渦巻き形セル用の縁全体のリボンシール、などのシールに縁を利用するために、繊維質層で覆われていないことが好ましい。そのようなポケットの製造は、当業者に周知である。本発明のこれらのセパレータは、外側に2つのAGM層を備える先行技術の多層セパレータより容易にポケット形状にすることができることが見出された。また、幅が繊維質層の2倍を超える支持層の上に繊維質層を第一に置くことによって、セパレータを形成することもできる。この工程において、繊維質層は、完全に支持層の第一半分(first half)にあるように、かつ第一半分の縁領域が繊維質層によって覆われないように、配置される。次の工程において、支持層の第二半分(second half)は、支持層の縁領域が互いに接して位置するように、第一半分及びその上にある繊維質層上に折り重ねられる。それによって、これらの縁領域は、繊維質層を包含する支持層材料の筒を形成するためのシール、例えば熱シール、を可能にする。
【0075】
本発明のセパレータは、少なくとも1つの支持層と少なくとも1つの繊維質層を積層することによっても形成することができる。種々の層は接着剤、超音波シール又は縫い付けによって接合(結合)させることができる。好ましくは、アクリル又はポリエチレンのホットメルトなどの接着剤が支持層と繊維質層間の接合の改良に使用される。接着剤は、好ましくは、斑点又は連続する縞模様でセパレータの層間に塗られる。そのような積層の製造は当業者に周知である。
【0076】
本発明のセパレータは、熱成(pyrogenic)シリカ、又はマイクロ繊維のとても高価な部分を有するAGMに基づく先行技術のセパレータよりかなり低コストで製造及び加工されることができる。さらに、非多孔質支持層を使用することにより、さらなる節約が可能である。加えて、強化した引張強度によって、普通のAGM及び他の繊維質層セパレータよりも高速で加工することができ、例えば渦巻型セルなどの鉛蓄電池の製造を著しく加速させることができる。後者の製造中、セパレータは、高い引張応力を受けながら引っ張られることによって、大きな慣性モーメントを有するロールから広げられる。さらに、本発明のセパレータは容易なシール能力を備える。改良された引張強度の他にも、本発明のセパレータは、早期機能不良の防止に効果のある良好な酸素及びイオンの移動性、及び高電力性能に必要な電池の低内部電気抵抗を示す。また、本発明のセパレータは薄いので、起動用電池などの高電力密度を有する電池の製造に有用である。さらに、支持層はセパレータの圧縮特性を改善し、より均一な圧縮を確保する。
【0077】
本発明はさらに、密閉容器中で対極性に荷電した少なくとも2つ電極、電解質体、及び(複数の)前記電極のうち隣接する電極間にあるセパレータを備える電池であって、前記セパレータは上記で記載したようなセパレータであるバルブ調節鉛蓄電池に関係する。好ましくは、電解質はセパレータと電極板にすべて吸収される。電池は、起動燃焼エンジン用のような利用、又は予備利用に使用されることが好ましく、深放電循環(deep discharge cycle)を頻繁にされやすく、それに伴う短絡の形成のおそれの高い利用には好ましくない。
【0078】
本発明は以下の実施例からより完全に理解されるであろうが、実施例は、単に例示目的のために示され、限定として解釈されるものではない。
【実施例1】
【0079】
シリカを充填した高さ270mm、幅165mm、厚さ0.2mmの長方形の超高分子量ポリエチレン膜をガラス繊維層に積層した。本実施例において使用したポリエチレンは、平均分子量が7,000,000、標準負荷メルトインデックスが0、及び粘度数が3,000ml/gであった。充填材料として使用したシリカは、平均粒径約0.02μm、表面積165m2/gの微細分割シリカ(「Hisil 233」)であった。膜はポリエチレン50体積%とシリカ50体積%で構成され、平均孔径が0.1μmであった。
【0080】
規則的なパターンの平行な長穴を形成するために、慣用の道具でポリエチレン膜に穴をあけた。穴は、幅11mmであり、穴の縦軸に垂直な方向に0.3mm間隔でおかれた。膜の4つの各辺にそって、4mm幅の領域は穴のあけられていないままであり、それによって内部領域が画定された。長穴のパターンは、内部領域を覆うように配置され、長穴の縦軸は長方形の膜のサイドに平行に伸びていた。その結果、開口面積は90%〜91%であった。
【0081】
1μmまでの太さのガラス繊維約35質量%と太さ約3μmのガラス繊維約65質量%からガラス繊維層を作った。繊維質層の気孔率は95%、平均孔径は12μm、及びBET表面積は1.1m2/g(HovosorbTM BG 1305; Hollingsworth & Vose Co.)であった。
【0082】
ガラス繊維層の厚さは、10kPaにおいて0.86mmであった。積層は接着剤(アクリル接着剤;RhoplexTM N-495)を縞状にして行った。最終的に、2層のセパレータの厚さは1.1mm(10kPaにおいて)であり、サイズは約、270mm×165mmであった。
【0083】
セパレータの下半分を上半分上に折り重ね、左右の外縁を熱シールすることによって、このセパレータをポケット形状にすることができる。得られたポケットセパレータは、開放した上部、閉じた底部及び閉じたサイドを備え、高さ135mm、幅165mmである。
【実施例2】
【0084】
2つのポリエチレン膜をガラス繊維層と積層したことを除いて、実施例1の手順で電池セパレータを作製した。ガラス繊維層を2つのポリエチレン膜の間に挟んだ。3層のセパレータの厚さは、10kPaにおいて1.3mmである。
【図面の簡単な説明】
【0085】
図1は本発明の電池の断面概略図である。
【符号の説明】
【0086】
1:セパレータ
2:繊維質層
3:支持層
4:陰極
5:陽極
6:密閉容器
Claims (42)
- 少なくとも1つの繊維質層及び少なくとも1つの支持層を備える電池セパレータであって、前記支持層は耐酸性材料から形成され、かつ複数のマクロ開口を備えていることを特徴とする電池セパレータ。
- 前記繊維質層の平均孔径は3μm〜15μmであることを特徴とする請求項1記載の電池セパレータ。
- 前記繊維質層は本質的にガラス繊維からなることを特徴とする請求項1記載の電池セパレータ。
- 前記繊維質層は、平均直径1μm未満のガラスマイクロ繊維を20質量%〜40質量%及び平均直径約3μmの粗ガラス繊維を60質量%〜80質量%有することを特徴とする請求項3記載の電池セパレータ。
- 前記繊維質層は本質的にポリマー繊維からなることを特徴とする請求項1記載の電池セパレータ。
- 前記繊維質層は、直径0.1μm〜10μmのポリマー繊維を有することを特徴とする請求項5記載の電池セパレータ。
- 前記繊維質層の少なくとも10質量%のポリマー繊維の直径は1μm未満であり、少なくとも60質量%のポリマー繊維の直径は5μm未満であることを特徴とする請求項6記載の電池セパレータ。
- 少なくとも15質量%のポリマー繊維の直径は1μm未満であることを特徴とする請求項7記載の電池セパレータ。
- 前記繊維質層は、平均直径1μm未満のポリマーマイクロ繊維を20質量%〜40質量%有することを特徴とする請求項8記載の電池セパレータ。
- 前記ポリマー繊維の直径は0.1μm〜5μmの範囲にあることを特徴とする請求項6記載の電池セパレータ。
- 前記ポリマー繊維はポリオレフィン繊維であることを特徴とする請求項5記載の電池セパレータ。
- 前記ポリオレフィンはポリエチレン及び/又はポリプロピレンであることを特徴とする請求項11記載の電池セパレータ。
- 前記繊維質層はガラス繊維とポリマー繊維の混合物を有することを特徴とする請求項1記載の電池セパレータ。
- 前記繊維質層は、直径0.1μm〜10μmのガラス繊維を有することを特徴とする請求項13記載の電池セパレータ。
- 前記ガラス繊維の直径は0.1μm〜5μmの範囲にあることを特徴とする請求項14記載の電池セパレータ。
- 前記繊維質層は、直径0.1μm〜10μmのポリマー繊維を有することを特徴とする請求項13記載の電池セパレータ。
- 前記ポリマー繊維の直径は0.1μm〜5μmの範囲にあることを特徴とする請求項16記載の電池セパレータ。
- 前記ポリマー繊維はポリオレフィン繊維であることを特徴とする請求項13記載の電池セパレータ。
- 前記ポリオレフィンはポリエチレン及び/又はポリプロピレンであることを特徴とする請求項18記載の電池セパレータ。
- 前記繊維質層の厚さは0.2mm〜3.6mmであることを特徴とする請求項1記載の電池セパレータ。
- 前記支持層の前記複数の開口は、前記支持層の60%を超える表面を占めていることを特徴とする請求項1記載の電池セパレータ。
- 前記支持層の前記複数の開口は、前記支持層の70%を超える表面を占めていることを特徴とする請求項21記載の電池セパレータ。
- 前記支持層の前記複数の開口は、前記支持層の80%を超える表面を占めていることを特徴とする請求項22記載の電池セパレータ。
- 前記支持層の前記複数の開口は、前記支持層の90%を超える表面を占めていることを特徴とする請求項23記載の電池セパレータ。
- 前記開口は0.01mm〜5mm間隔でおかれていることを特徴とする請求項1記載の電池セパレータ。
- 前記支持層は基本的に充填材入り又は充填材無しのポリマーからなることを特徴とする請求項1記載の電池セパレータ。
- 前記ポリマーは熱可塑性ポリマーであることを特徴とする請求項26記載の電池セパレータ。
- 前記ポリマーはポリオレフィンであることを特徴とする請求項26記載の電池セパレータ。
- 前記ポリオレフィンの分子量は少なくとも600,000であり、標準負荷メルトインデックスは実質0であり、及び粘度数は600ml/g以上であることを特徴とする請求項28記載の電池セパレータ。
- 前記ポリオレフィンはポリエチレンであることを特徴とする請求項28記載の電池セパレータ。
- 前記支持層は、平均孔径1μm未満の微細孔ポリマー層であることを特徴とする請求項26記載の電池セパレータ。
- 前記微細孔ポリマー層の50%より多くの微細孔は、直径が0.5μm以下であることを特徴とする請求項31記載の電池セパレータ。
- 前記支持層の対向する少なくとも2つの縁領域は、縁をシールに使用するため、前記繊維質層によって覆われていないことを特徴とする請求項1記載の電池セパレータ。
- 前記支持層の前記複数の開口の最大可能直径は、1mmより大きいことを特徴とする請求項1記載の電池セパレータ。
- 前記支持層の前記複数の開口は、スロット又は長い穴の形状であることを特徴とする請求項1記載の電池セパレータ。
- 前記支持層は基本的にガラス繊維織物からなることを特徴とする請求項1記載の電池セパレータ。
- 前記支持層は基本的にポリマー繊維織物からなることを特徴とする請求項1記載の電池セパレータ。
- 前記支持層は基本的にポリマー繊維フリース層からなることを特徴とする請求項1記載の電池セパレータ。
- 前記支持層は基本的にポリマー繊維及びガラス繊維を含むフリース層からなることを特徴とする請求項1記載の電池セパレータ。
- 前記支持層の厚さは0.01mm〜1mmであることを特徴とする請求項1記載の電池セパレータ。
- 前記セパレータは、上部を開放し、底部とサイドを閉じたポケット形状であることを特徴とする請求項1記載の電池セパレータ。
- 密閉容器中において対極性に荷電した少なくとも2つの電極、電解質体及び(複数の)前記電極のうち近接する電極間にあるセパレータを備える電池であって、前記セパレータは請求項1記載のセパレータであることを特徴とするバルブ調節鉛蓄電池。
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