JP2012129186A - セパレータ、セパレータの製造方法及び有機電池 - Google Patents

セパレータ、セパレータの製造方法及び有機電池 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、セパレータ、セパレータの製造方法及び有機電池を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明のセパレータ１０は、高繊維材質からなる第一ダイアフラム１１と、高繊維材質に接触する葉緑素材質からなる第二ダイアフラム１２と、を備えている。本発明は、セパレータ１０の製造方法及びセパレータ１０を有する有機電池も提供する。本発明のセパレータ１０及びこのセパレータ１０を有する有機電池は、製造工程が簡単であり、且つ製造コストも低い。また、前記有機電池は、天然の環境保護物質によって従来の電池の汚染成分に取り替えるので、環境の汚染を免れ、従来の電池及び太陽電池よりさらに環境を保護することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、セパレータ、セパレータの製造方法及び有機電池に関するものである。
近来、携帯電話、携帯式ビデオカメラ、ノートパソコン、デジタルカメラ、ＰＤＡ、ＣＤプレーヤなどの軽便型電子機器が続々と出現し、且つその小型化及び軽量化を図るとともに、軽便電源とする電池にも同様に関心が持たれている。それらの電池の種類としては、乾電池、アルカリ電池、ニッケル水素電池、リチウム電池などが挙げられる。しかし、新たな環境保護が強調されるカーボン亜鉛電池、アルカリ電池及び二次電池も、製造過程で依然として少量の水銀又は亜鉛、マンガン、リチウムなどの他の重金属などの、その原料及び製造過程で汚染性を有する物質を使用するので、環境と人体に対して大きい危害を与える場合が想定される。
現状では、そのような電池のセパレータの材質として、通常ポリオレフィン（Ｐｏｌｙｏｌｅｆｉｎ）が採用され、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）又はポリプロピレン（ＰＰ）が使用される。セパレータをリチウムイオン電池に用いる場合、セパレータの厚さは一般的に１０〜４０μｍであり、細孔の大きさは３０〜２００ｎｍである。そして、９０〜１３０℃の温度でポリエチレンセパレータの細孔が消失し、１６５℃前後の温度でポリプロピレンセパレータの細孔が消失する。さらに、電池内部の温度がセパレータの融点を超えると、セパレータが熔けて収縮して、極板の接触によるショートを招く、且つ極板と電解液との間の激しい放熱反応を誘発して、電池が爆発する可能性がある。そこで、このような電池の安全性を確保するために、安全性を有するセパレータを開発することが必要である。
近来、セパレータのメーカーは、多様な先進的なセパレータを開発して電池の安全性を高めている。例えば、Ｃｅｌｇａｒｄ会社は、三層構造のセパレータを開発して、１３０℃の温度で中間のポリエチレン層の細孔が消失するが、１６５℃に達する前にポリプロピレン層は依然として機械強度及び寸法安全性を保持することができるものを開発している。しかし、このセパレータの欠点としては細孔があまりに小さいので、電解液に対する湿潤性がよくないばかりでなく、熱安定性も１６５℃以下に限定されている。Ｔｏｎｅｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｎａｓｕ社とＥｘｘｏｎＭｏｂｉｌｉ'ｓ Ａｆｆｉｌｉａｔｅが協力して開発した新しいセパレータは、熱安定性を１８５℃に高めることができ、且つ優れた機械強度を保持するものである。ドイツのＤｅｇｕｓｓａ社はＰＥＴ非織布材質の基材にナノセラミック粒子を塗布してセパレータを形成している。このセパレータでは、熱安定性を２６０℃に高めることができ、且つ電解液に対して良い湿潤性を有するが、機械強度がよくない欠点がある。Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ（ＭＢＩ）社の耐熱層（Ｈｅａｔ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｌａｙｅｒ）技術電池は、リチウム電池の安全性を高めることができ、極板とセパレータとの間に金属酸化物層を介在させて、電池が異物に刺されて局部のショートが発生する際、耐熱層を介して、ポリオレフィンセパレータが過熱により収縮して正負極の極板がショートして爆発することを防止している。このように、セパレータの異なる特性を利用して複合応用するか、又はセパレータに化学物質を添加してその機械強度及び熱安定性を改善することにより、リチウム電池の高エネルギー密度化と高パワー密度化を同時に実現している。
本発明の目的は、前記した課題を解決し、製造工程が簡単であり、製造コストも低く、環境を保護することができるセパレータ、セパレータの製造方法及び有機電池を提供することにある。
本発明の第１の観点に係るセパレータは、高繊維材質と、前記高繊維材質に接触する葉緑素材質と、を備えることを特徴とする。
前記葉緑素材質は粉末状であり、粉末状の前記葉緑素材質の粒子の直径は０．０１μｍ〜１ｍｍであることが好ましい。
前記高繊維材質は積層構造であり、前記葉緑素材質は、前記高繊維材質の１つの表面に設けられ、前記葉緑素材質は、押圧又は塗布によって、前記高繊維材質の表面に形成されることが好ましい。
前記葉緑素材質は、天然の木葉から抽出し且つ葉緑素分解酵素の作用により形成されることが好ましい。
前記高繊維材質は、有機塩類水溶液又は無機塩類水溶液を吸着した高繊維材質であり、前記有機塩類水溶液又は前記無機塩類水溶液の導電度は、１０〜５００ｍｓ/ｃｍであり、前記高繊維材質の細孔の直径は、０．０１μｍ〜１ｃｍであることが好ましい。
前記葉緑素材質は、浸み込ませ又は吹き付けによって、前記高繊維材質上に形成されることが好ましい。
前記セパレータの厚さは、０．０１〜０．１ｍｍであることが好ましい。
本発明の第２の観点に係る有機電池は、前記セパレータを有することを特徴とする。
本発明の第３の観点に係るセパレータの製造方法は、高繊維材質によって第一ダイアフラムを製造する第１のステップと、葉緑素材質を使用して、前記第一ダイアフラム上に第二ダイアフラムを形成する第２のステップと、を備える。
前記セパレータの製造方法は、高繊維材質を前記第二ダイアフラム上に配置して第三ダイアフラムを形成する第３のステップをさらに備えることが好ましい。
前記第１のステップにおいて、２５〜３００℃に温度設定されたオーブンで有機塩類水溶液又は無機塩類水溶液を吸着した前記高繊維材質を焼き上げることが好ましい。
前記高繊維材質を焼き上げる時間は、４〜１０分であることが好ましい。
前記第２のステップにおいて、前記葉緑素材質を前記第一ダイアフラム上に押圧するか又は塗布することで第二ダイアフラムを形成することが好ましい。
前記第２のステップにおいて、前記葉緑素材質を前記第一ダイアフラム上に液滴するか又は吹き付けて第二ダイアフラムを形成することが好ましい。
前記第２のステップにおいて、前記第一ダイアフラムをオーブンに入れて焼き上げ、前記葉緑素材質からなる第二ダイアフラムを前記第一ダイアフラムに付着させることが好ましい。
本発明のセパレータ及びこのセパレータを有する有機電池は、製造工程が簡単であり、且つ製造コストも低い。また、前記有機電池は、天然の環境保護物質によって従来の電池の汚染成分に取り替えるので、環境の汚染を免れ、従来の電池及び太陽電池よりさらに環境を保護することができる。
本発明の第一実施形態に係るセパレータの構造を示す図である。 本発明の第二実施形態に係るセパレータの構造を示す図である。 本発明の第一実施形態に係るセパレータの製造方法を示すフローチャートである。 本発明の第二実施形態に係るセパレータの製造方法を示すフローチャートである。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第一実施形態に係るセパレータ１０の構造を示す図である。図１を参照すると、本発明の第一実施形態に係るセパレータ１０は、第一ダイアフラム１１と、前記第一ダイアフラム１１上に形成される第二ダイアフラム１２と、前記第二ダイアフラム１２上に形成される第三ダイアフラム１３と、を備える。前記セパレータ１０の厚さは、０．０１〜０．１ｍｍであることがよく、好ましくは０．０５ｍｍである。
前記第一ダイアフラム１１は、高繊維材質を備えている。前記高繊維材質は、積層構造を呈しており、セロファン（ｃｅｌｌｏｐｈａｎｅ）、単面銅版紙（ｏｎｅ ｓｉｄｅ ｃｏａｔｅｄ）、綿紙、絹紙（ｓｉｌｋ ｐａｐｅｒ）、画仙紙（ｒｉｃｅ ｐａｐｅｒ）及びコーヒーフィルター紙（ｃｏｆｆｅｅ ｆｉｌｔｅｒ）などのような紙類であることが好ましい。本実施形態において、前記高繊維材質は、有機塩類水溶液又は無機塩類水溶液を吸着するものであり、且つ当該高繊維材質の細孔の直径は、０．０１μｍ〜１ｃｍである。前記高繊維材質に吸着された前記有機塩類水溶液又は前記無機塩類水溶液の導電度は、１０〜５００ｍｓ/ｃｍであり、前記有機塩類又は無機塩類は、リチウムを含まない塩類である。前記有機塩類又は無機塩類は、ヨウ化ナトリウム及び塩化ナトリウムのようなイオン化合物から選ばれる一種又は複数種を備える。
前記第二ダイアフラム１２は、葉緑素を含む葉緑素材質から形成されている。前記第二ダイアフラム１２は、前記第一ダイアフラム１１において１つの表面に設けられる。本実施形態において、前記葉緑素は、葉緑素ａ、葉緑素ｂ、葉緑素ｃ１、葉緑素ｃ２、葉緑素ｄ及び葉緑素ｅのから選ばれる一種又は複数種である。前記葉緑素材質は、粉末状又は液体状である。本実施形態で使用する前記葉緑素は、天然木葉から抽出し且つ葉緑素分解酵素の作用により形成されたものであり、既に葉緑素酸化酵素が除去されたものである。前記葉緑素材質が粉末状である場合、葉緑素粒子の直径は、０．０１μｍ〜１ｍｍである。前記葉緑素材質が液体状である場合、この葉緑素材質の溶液は飽和溶液である。
前記第三ダイアフラム１３及び前記第一ダイアフラム１１はいずれも高繊維材質である。前記第三ダイアフラム１３及び前記第一ダイアフラム１１は、前記第二ダイアフラム１２を挟持している。
図２は、本発明の第二実施形態に係るセパレータ２０の構造を示す図である。前記第一実施形態に係るセパレータ１０は、三層構造であり、二層の高繊維材質及び一層の葉緑素材質を備えるが、本実施形態に係るセパレータ２０は、二層構造であり、一層の高繊維材質及び一層の葉緑素材質を備える。
本発明の第一実施形態に係るセパレータ１０及び第二実施形態に係るセパレータ２０によって有機電池を製造することができる。本発明の実施形態では、前記セパレータ１０又は前記セパレータ２０を有する有機電池も提供する。
図３は、本発明の第一実施形態に係るセパレータ１０の製造方法のフローチャートである。図３に示したように、この方法は以下のステップを備える。
ステップＳ１：高繊維材質によって第一ダイアフラム１１を製造する。
ステップＳ２：葉緑素材質を使用して、前記第一ダイアフラム１１上に第二ダイアフラム１２を形成する。
ステップＳ３：高繊維材質を前記第二ダイアフラム１２上に配置して第三ダイアフラム１３を形成する。
図４は、本発明の第二実施形態に係るセパレータ２０の製造方法のフローチャートである。図４に示したように、この方法は以下のステップを備える。
ステップＳ１１：高繊維材質によって第一ダイアフラム２１を製造する。
ステップＳ１２：葉緑素材質を使用して、前記第一ダイアフラム２１上に第二ダイアフラム２２を形成する。
上述の方法におけるステップＳ１又はＳ１１において、前記高繊維材質に有機塩類水溶液又は無機塩類水溶液を吸着させた後、２５〜３００℃に温度設定されたオーブンで有機塩類水溶液又は無機塩類水溶液を吸着した前記高繊維材質を焼き上げる。本発明の実施形態において、有機塩類水溶液又は無機塩類水溶液を吸着した前記高繊維材質を焼き上げるための好ましい温度は１００℃である。前記高繊維材質を焼き上げる時間は、４〜１０分であることがよく、好ましくは６分程度である。
ステップＳ２又はＳ１２において、前記第一ダイアフラム１１、２１上に葉緑素材質を押圧又は塗布した後、前記第一ダイアフラム１１、２１をオーブンに入れて焼き上げることにより、葉緑素材質からなる第二ダイアフラム１２、２２を前記第一ダイアフラム１１、２１に付着させる。
ステップＳ３において、前記第一ダイアフラム１１の製造方法によって高繊維材質を製造した後、前記高繊維材質を前記第二ダイアフラム１２上に配置して第三ダイアフラム１３を形成する。
上述の方法において、いかなる従来の技術によっても葉緑素材質を前記第一ダイアフラム１１、２１の上に形成することができる。例えば、葉緑素材質が粉末状である場合には、ステップＳ２又はＳ１２において、葉緑素材質を前記第一ダイアフラム１１、２１上に押圧して第二ダイアフラム１２、２２を形成することができる。また、葉緑素材質が液体状である場合には、ステップＳ２又はＳ１２において、葉緑素材質を前記第一ダイアフラム１１、２１上に塗布して第二ダイアフラム１２、２２を形成することができる。さらに、葉緑素材質を前記第一ダイアフラム１１、２１上に押圧又は塗布する以外に、ステップＳ２又はＳ１２において、葉緑素材質を前記第一ダイアフラム１１、２１上に液滴するか又は吹き付けることで第二ダイアフラム１２、２２を形成することもできる。
本発明の実施形態において、高繊維材質及び葉緑素材質をダイアフラム状に製造する目的は、葉緑素の使用量を高めるため、接触面積を拡大して、電池の反応面積を拡大することにある。また、葉緑素の使用量を高めるため、接触面積を拡大して、電池の反応面積を拡大するいかなる従来の技術をも適用することができる。
本発明の実施形態に係るセパレータ１０、２０及びこのセパレータ１０、２０を有する有機電池は、製造工程が簡単であり、且つ製造コストも低い。前記有機電池は、天然の環境保護物質によって従来の電池の汚染成分に取り替えることで、環境の汚染を免れ、従来の電池及び太陽電池よりさらに環境を保護することができる。
以上、本発明をその実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想を逸脱しない範囲において、種種の変更が可能であることは勿論である。
１０，２０ セパレータ
１１，２１ 第一ダイアフラム
１２，２２ 第二ダイアフラム
１３ 第三ダイアフラム

Claims (15)

  1. 高繊維材質と、
    前記高繊維材質に接触する葉緑素材質と、
    を備えることを特徴とするセパレータ。
  2. 前記葉緑素材質は粉末状であり、粉末状の前記葉緑素材質の粒子の直径は０．０１μｍ〜１ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載のセパレータ。
  3. 前記高繊維材質は積層構造であり、前記葉緑素材質は、前記高繊維材質の１つの表面に設けられ、前記葉緑素材質は、押圧又は塗布によって、前記高繊維材質の表面に形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のセパレータ。
  4. 前記葉緑素材質は、天然木葉から抽出し且つ葉緑素分解酵素の作用により形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセパレータ。
  5. 前記高繊維材質は、有機塩類水溶液又は無機塩類水溶液を吸着した高繊維材質であり、前記有機塩類水溶液又は前記無機塩類水溶液の導電度は、１０〜５００ｍｓ/ｃｍであり、前記高繊維材質の細孔の直径は、０．０１μｍ〜１ｃｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセパレータ。
  6. 前記葉緑素材質は、浸み込ませ又は吹き付けによって、前記高繊維材質上に形成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のセパレータ。
  7. 前記セパレータの厚さは、０．０１〜０．１ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のセパレータ。
  8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載のセパレータを有することを特徴とする有機電池。
  9. 高繊維材質によって第一ダイアフラムを製造する第１のステップと、
    葉緑素材質を使用して、前記第一ダイアフラム上に第二ダイアフラムを形成する第２のステップと、
    を備えることを特徴とするセパレータの製造方法。
  10. 高繊維材質を前記第二ダイアフラム上に配置して第三ダイアフラムを形成する第３のステップをさらに備えることを特徴とする請求項９に記載のセパレータの製造方法。
  11. 前記第１のステップにおいて、２５〜３００℃に温度設定されたオーブンで有機塩類水溶液又は無機塩類水溶液を吸着した前記高繊維材質を焼き上げることを特徴とする請求項９又は１０に記載のセパレータの製造方法。
  12. 前記高繊維材質を焼き上げる時間は、４〜１０分であることを特徴とする請求項１１に記載のセパレータの製造方法。
  13. 前記第２のステップにおいて、前記葉緑素材質を前記第一ダイアフラム上に押圧するか又は塗布して第二ダイアフラムを形成することを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか１項に記載のセパレータの製造方法。
  14. 前記第２のステップにおいて、前記葉緑素材質を前記第一ダイアフラム上に液滴するか又は吹き付けることで第二ダイアフラムを形成することを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか１項に記載のセパレータの製造方法。
  15. 前記第２のステップにおいて、前記第一ダイアフラムをオーブンに入れて焼き上げ、前記葉緑素材質からなる第二ダイアフラムを前記第一ダイアフラムに付着させることを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか１項に記載のセパレータの製造方法。
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