JP5572316B2 - 改善された微細繊維セパレータを含むバッテリー - Google Patents
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Description
ガーレイヒル多孔度(秒)×フラジール(cfm/ft2)=3.1
として表記され得る。
坪量を、本願明細書において参照により援用されるASTM D−3776により測定し、およびg/m2で報告した。
Nm=(Rセパレータ×A電極)/(ρ電解質×tセパレータ)
として表記され、
ここで、Rセパレータは、セパレータのオームでの抵抗であり、A電極は、電極のcm2での面積であり、ρ電解質は、電解質のオーム−cmでの固有抵抗であり、tセパレータは、セパレータのcmでの厚さである。40%KOH電解質の25℃での固有抵抗は2.22オーム−cmであり、およびプロピレンカーボネート:エチレンカーボネート:ジメトキシエタン(22:8:70)中の0.5Mリチウムトリフルオロメタンスルホネート(LiTFS)電解質の25℃での固有抵抗は182オーム−cmである。
1.14g/cm3の密度を有するデュポン(DuPont)ナイロン(Nylon)66−FE3218ポリマーの(デラウェア州ウィルミントン(Wilmington,Delaware)のイーアイデュポンドゥヌムールアンドカンパニー(E.I.duPont de Nemours and Company)から入手可能)24重量パーセントでのギ酸(フィンランドヘルシンキ(Helsinki,Finland)のケミラオイジ(KemiraOyj)から入手可能)中の溶液をエレクトロブローイングすることにより、ナノファイバーの層を形成した。スピニングノズルおよびガス射出ノズルを有するスピンパックを、約17℃〜約26℃の間の温度で維持し、およびスピニングノズル中の溶液の圧力を約9バール〜約13バールの間で維持した。スピナレットを電気的に絶縁しおよび65kVの電圧を、スピナレットを越えて印加した。約34℃〜約79℃の間の温度の圧縮空気を、ガス射出ノズルを介してスピンパックから、約4.7m3/分〜約6m3/分の速度および240mm H2O〜約410mm H2Oの間の圧力で射出した。繊維が、スピニングノズルから、大気圧、約50%〜約72%の間の相対湿度および約13℃〜約24℃の間の温度の空気に排出される。繊維を、パックの出口から約300mm〜約360mmの間の距離下の、約5.7m/分〜約14.7m/分の速度で移動している多孔性ベルト上に敷いた。多孔性ベルト下の減圧チャンバが繊維のレイダウンを補助した。以下に記載のとおり、繊維を、移動収集ベルト上に、スピンパック下における移動収集ベルトの単一パス(単一のナノファイバー層を形成する)またはマルチパス(複数のナノファイバー層を形成する)のいずれかで直接的に堆積することによりナノファイバー層サンプルを形成した。単一ナノファイバー層は、通常の手段によっては、ナノファイバーの2つ以上の層に引き剥がすことはできなかった。
ナノファイバーの層を、17℃の温度、13バールのスピニングノズルにおける溶液の圧力で、スピンパックを通して溶液をエレクトロブローイングすることにより形成した。34℃の温度の圧縮空気を、スピンパックから、5m3/分の速度および240mm H2Oの圧力でガス射出ノズルを介して射出した。繊維を、パックの出口から300mm下の、5.7m/分で移動する多孔性ベルト上に敷いた。ナノファイバー層サンプルを、繊維を移動収集ベルト上に直接的に堆積することにより、スピンパック下の移動収集ベルトの単一パスで、スクリム無しで形成した。
ナノファイバーの層を、実施例1のとおり、24℃の温度、11バールのスピニングノズルにおける溶液の圧力でスピンパックを通して溶液をエレクトロブローイングすることにより形成した。60℃の温度の圧縮空気を、スピンパックから、5.5m3/分の速度および320mm H2Oの圧力でガス射出ノズルを介して射出した。繊維を、パックの出口から330mm下の、7.4m/分で移動する多孔性ベルト上に敷いた。ナノファイバー層サンプルを、繊維を移動収集ベルト上に直接的に堆積することにより、スピンパック下の移動収集ベルトの単一パスで、スクリム無しで形成した。
ナノファイバーの層を、実施例1のとおり、22℃の温度、10バールのスピニングノズルにおける溶液の圧力でスピンパックを通して溶液をエレクトロブローイングすることにより形成した。70℃の温度の圧縮空気を、スピンパックから、6m3/分の速度および290mm H2Oの圧力でガス射出ノズルを介して射出した。繊維を、パックの出口から330mm下の、7.4m/分で移動する多孔性ベルト上に敷いた。ナノファイバー層サンプルを、繊維を移動収集ベルト上に直接的に堆積することにより、スピンパック下の移動収集ベルトの単一パスで、スクリム無しで形成した。
ナノファイバーの層を、実施例1のとおり、20℃の温度、12バールのスピニングノズルにおける溶液の圧力でスピンパックを通して溶液をエレクトロブローイングすることにより形成した。35℃の温度の圧縮空気を、スピンパックから、5m3/分の速度および260mm H2Oの圧力でガス射出ノズルを介して射出した。繊維を、パックの出口から300mm下の、11.3m/分で移動する多孔性ベルト上に敷いた。ナノファイバー層サンプルを、繊維を移動収集ベルト上に直接的に堆積することにより、スピンパック下の移動ベルトの3パスで、スクリム無しで形成した。
ナノファイバーの層を、実施例1のとおり、26℃の温度、11バールのスピニングノズルにおける溶液の圧力でスピンパックを通して溶液をエレクトロブローイングすることにより形成した。60℃の温度の圧縮空気を、スピンパックから、5.5m3/分の速度および400mm H2Oの圧力でガス射出ノズルを介して射出した。繊維を、パックの出口から330mm下の、14.7m/分で移動する多孔性ベルト上に敷いた。ナノファイバー層サンプルを、繊維を移動収集ベルト上に直接的に堆積することにより、スピンパック下の移動ベルトの3パスで、スクリム無しで形成した。
ナノファイバーの層を、実施例1のとおり、21℃の温度、10バールのスピニングノズルにおける溶液の圧力でスピンパックを通して溶液をエレクトロブローイングすることにより形成した。71℃の温度の圧縮空気を、スピンパックから、5m3/分の速度および410mm H2Oの圧力でガス射出ノズルを介して射出した。繊維を、パックの出口から330mm下の、14.7m/分で移動する多孔性ベルト上に敷いた。ナノファイバー層サンプルを、繊維を移動収集ベルト上に直接的に堆積することにより、スピンパック下の移動ベルトの3パスで、スクリム無しで形成した。
ナノファイバーの層を、実施例1のとおり、20℃の温度、13バールのスピニングノズルにおける溶液の圧力でスピンパックを通して溶液をエレクトロブローイングすることにより形成した。34℃の温度の圧縮空気を、スピンパックから、5m3/分の速度および280mm H2Oの圧力でガス射出ノズルを介して射出した。繊維を、パックの出口から300mm下の、5.7m/分で移動する多孔性ベルト上に敷いた。ナノファイバー層サンプルを、繊維を移動収集ベルト上に直接的に堆積することにより、スピンパック下の移動ベルトの4パスで、スクリム無しで形成した。
ナノファイバーの層を、実施例1のとおり、26℃の温度、12バールのスピニングノズルにおける溶液の圧力でスピンパックを通して溶液をエレクトロブローイングすることにより形成した。54℃の温度の圧縮空気を、スピンパックから、5.7m3/分の速度および360mm H2Oの圧力でガス射出ノズルを介して射出した。繊維を、パックの出口から330mm下の、7.4m/分で移動する多孔性ベルト上に敷いた。ナノファイバー層サンプルを、繊維を移動収集ベルト上に直接的に堆積することにより、スピンパック下の移動ベルトの4パスで、スクリム無しで形成した。
ナノファイバーの層を、実施例1のとおり、13℃の温度、9バールのスピニングノズルにおける溶液の圧力でスピンパックを通して溶液をエレクトロブローイングすることにより形成した。79℃の温度の圧縮空気を、スピンパックから、5.5m3/分の速度および360mm H2Oの圧力でガス射出ノズルを介して射出した。繊維を、パックの出口から360mm下の、7.4m/分で移動する多孔性ベルト上に敷いた。ナノファイバー層サンプルを、繊維を移動収集ベルト上に直接的に堆積することにより、スピンパック下の移動ベルトの4パスで、スクリム無しで形成した。
ナノファイバーの層を、実施例1のとおり、23℃の温度、13バールのスピニングノズルにおける溶液の圧力でスピンパックを通して溶液をエレクトロブローイングすることにより形成した。45℃の温度の圧縮空気を、スピンパックから、5.5m3/分の速度でガス射出ノズルを介して射出した。繊維を、パックの出口から300mm下の、5m/分で移動する多孔性ベルト上に敷いた。ナノファイバー層サンプルを、繊維を移動収集ベルト上に直接的に堆積することにより、スピンパック下の移動ベルトの4パスで、スクリム無しで形成した。接合の効果を例示するために、実施例10のナノファイバー層サンプルを表1に列記した条件を用いて圧延した。
1.26g/cm3の密度を有するデュポン(DuPont)エルバノル(Elvanol)(登録商標)ポリビニルアルコール(PVA)ポリマー80−18(デラウェア州ウィルミントン(Wilmington,Delaware)の、イーアイデュポンドゥヌムールアンドカンパニー(E.I.duPont de Nemours and Company)から入手可能)の、16重量%での水中の溶液を、実質的に実施例1に規定のとおり、エレクトロブローイングすることによりナノファイバーの層を形成した。パック中の溶液の温度は42℃であり、スピニングノズル中の溶液の圧力は2.5バールであった。スピナレットを電気的に絶縁し、80kVの電圧を印加した。60℃の温度の圧縮空気を、スピンパックから、1000L/分の速度でガス射出ノズルを介して射出した。繊維を、パックの出口から300mm下の、1m/分で移動する多孔性ベルト上に敷いた。多孔性ベルト下の減圧チャンバが繊維のレイダウンを補助した。ナノファイバー層サンプルを、多孔性ベルト上に置いたスクリム(韓国(Korea)のコーロンインダストリーズ社(Kolon Industries、Inc.)から入手可能である30g/m2PETスパンボンド織物)上に、スピンパック下の移動収集ベルトの2パスで敷いた。ナノファイバー層サンプルを100℃で乾燥機を通過させた。
ナノファイバーの層を、溶液を、印加した電圧は76kVであり、およびライン速度が0.5m/分であったこと以外は、実施例11と同一の条件でエレクトロブローイングすることにより形成した。ナノファイバー層サンプルを、多孔性ベルト上に置いたスクリム(韓国(Korea)のコーロンインダストリーズ社(Kolon Industries、 Inc.)から入手可能である30g/m2PETスパンボンド織物)上にスピンパック下の移動収集ベルトの2パスで敷いた。
ナノファイバーの層を、溶液を、印加した電圧は75kVであり、およびライン速度が0.3m/分であったこと以外は、実施例11と同一の条件でエレクトロブローイングすることにより形成した。ナノファイバー層サンプルを、多孔性ベルト上に置いたスクリムインダストリーズ社(韓国(Korea)のコーロン(Kolon Industries、Inc.)から入手可能である30g/m2PETスパンボンド織物)上にスピンパック下の移動収集ベルトの2パスで敷いた。
ナノファイバーの層を、溶液を、以下の例外と共に実施例11に記載のとおりエレクトロブローイングすることにより形成した。パック中の溶液の温度が62℃であり、スピニングノズル中の溶液の圧力が3.4バールであった。スピナレットを電気的に絶縁し、および70kVの電圧を印加した。92℃の温度での圧縮空気を、ガス射出ノズルを介して、スピンパックから700L/分の速度で射出した。繊維を、パックの出口から450mm下の、1.3m/分で移動する多孔性ベルト上に敷いた。ナノファイバー層サンプルを、多孔性ベルト上に置いたスクリム(韓国(Korea)のコーロンインダストリーズ社(Kolon Industries、 Inc.)から入手可能である30g/m2PETスパンボンド織物)上に、スピンパック下の移動収集ベルトの単一パスで敷いた。
次に、本発明の好ましい態様を示す。
1. 約50nm〜約3000nmの範囲の平均直径を有する高分子繊維の多孔性微細繊維層を含んでなるセパレータを有するバッテリーであって、多孔性微細繊維層が約0.01μm〜約15μmの間の平均流孔サイズ、約0.1ミル(0.0025mm)〜約12ミル(0.3mm)の間の厚さ、約20%〜約90%の間の多孔度、約1g/m 2 〜約90g/m 2 の間の坪量、約150cfm/ft 2 (46m 3 /分/m 2 )未満のフラジール通気度および約2〜約15の間のマックムリン数を有するバッテリー。
2. 多孔性微細繊維層が約25cfm/ft 2 (8m 3 /分/m 2 )未満のフラジール通気度を有する上記1に記載のバッテリー。
3. 繊維が、脂肪族ポリアミド、半芳香族ポリアミド、ポリビニルアルコール、セルロース、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリスルホン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロペン、ポリメチルペンテン、ポリアクリロニトリル、ポリメチルメタクリレート、ポリフェニレンスルフィド、ポリアセチル、ポリウレタン、芳香族ポリアミド、ならびにこれらのブレンド、混合物およびコポリマーよりなる群から選択されるポリマーを含んでなる上記1に記載のバッテリー。
4. 多孔性微細繊維層が約0.01μm〜約5μmの間の平均流孔サイズを有する上記1に記載のバッテリー。
5. 多孔性微細繊維層が約0.5ミル(0.0127mm)〜約5ミル(0.127mm)の間の厚さを有する上記1に記載のバッテリー。
6. 多孔性微細繊維層が約5g/m 2 〜約30g/m 2 の間の坪量を有する上記1に記載のバッテリー。
7. 繊維が約50nm〜約1000nmの間の平均直径を有する上記1に記載のバッテリー。
8. ポリマーが架橋されている上記3に記載のバッテリー。
9. 多孔性微細繊維層が、約10ミリオーム−cm 2 〜約60ミリオーム−cm 2 の間のイオン抵抗を40%水酸化カリウム電解質溶液中で有する上記1に記載のバッテリー。
10. 多孔性微細繊維層が、約1オーム−cm 2 〜約5オーム−cm 2 の間のイオン抵抗を、0.5モル濃度のリチウムトリフルオロメタンスルホネート(LiTFS)、プロピレンカーボネート:エチレンカーボネート:ジメトキシエタン(22:8:70)電解質溶液中で有する上記1に記載のバッテリー。
11. セパレータが多層多孔性微細繊維層を含んでなる上記1に記載のバッテリー。
12. セパレータが、異なるポリマーを含んでなる多層多孔性微細繊維層を含んでなる上記11に記載のバッテリー。
13. セパレータが、厚さ、坪量、孔径、繊維サイズ、多孔度、通気度、イオン抵抗および引張強度からなるリストから選択される異なる特徴を有する多層多孔性微細繊維層を含んでなる上記11に記載のバッテリー。
14. アルカリバッテリーである上記1に記載のバッテリー。
15. バッテリーセパレータが、約100ミリオーム−cm 2 未満のイオン抵抗を、40%水酸化カリウム電解質溶液中で有する上記14に記載のアルカリバッテリー。
16. バッテリーセパレータが、約2〜約6の間のマックムリン数および、約10ミリオーム−cm 2 〜約60ミリオーム−cm 2 の間のイオン抵抗を40%水酸化カリウム電解質溶液中で有する上記14に記載のアルカリバッテリー。
17. 繊維が、脂肪族ポリアミド、半芳香族ポリアミド、ポリビニルアルコール、セルロース、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリスルホン、ポリフッ化ビニリデン、ポリメチルペンテン、ポリフェニレンスルフィド、ポリアセチル、ポリウレタン、芳香族ポリアミド、ならびにこれらのブレンド、混合物およびコポリマーからなるリストから選択されるポリマーから形成される上記14に記載のアルカリバッテリー。
18. アルカリバッテリーが、Zn−MnO 2 一次、Zn−MnO 2 二次、Zn−空気、Zn−AgO、Ni−Zn、Cd−AgO、Zn−HgO、Cd−HgO Ni−Cd、Ni−金属水素化物、またはNi−H 2 バッテリーである上記14に記載のアルカリバッテリー。
19. 約50nm〜約1000nmの範囲の平均直径を有する高分子繊維の多孔性ナノファイバー層を含んでなるセパレータを有するリチウムバッテリーであって、ナノファイバー層が、約0.01μm〜約10μmの間の平均流孔サイズ、約0.1ミル(0.0025mm)〜約5ミル(0.127mm)の間の厚さ、約1g/m 2 〜約30g/m 2 の間の坪量、約20%〜約90%の間の多孔度、約50cfm/ft 2 (15m 3 /分/m 2 )未満のフラジール通気度および約2〜約15の間のマックムリン数を有するリチウムバッテリー。
20. バッテリーセパレータが、約10オーム−cm 2 未満のイオン抵抗を、0.5モル濃度のリチウムトリフルオロメタンスルホネート(LiTFS)、プロピレンカーボネート:エチレンカーボネート:ジメトキシエタン(22:8:70)電解質溶液中で有する上記19に記載のリチウムバッテリー。
21. バッテリーセパレータが、約4〜約10の間のマックムリン数ならびに、約1オーム−cm 2 〜約5オーム−cm 2 の間のイオン抵抗を0.5モル濃度のリチウムトリフルオロメタンスルホネート(LiTFS)、プロピレンカーボネート:エチレンカーボネート:ジメトキシエタン(22:8:70)電解質溶液中で有する上記19に記載のリチウムバッテリー。
22. 繊維が、脂肪族ポリアミド、半芳香族ポリアミド、ポリアクリロニトリル、ポリビニルアルコール、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリプロピレンテレフタレート、ポリスルホン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロペン、ポリメチルペンテン、ポリフェニレンスルフィド、ポリテトラフルオロエチレン、エチレン テトラフルオロエチレン、ポリアセチル、ポリウレタン、芳香族ポリアミド、ならびにこれらのブレンド、混合物およびコポリマーからなるリストから選択されるポリマーから形成される上記19に記載のリチウムバッテリー。
23. リチウムバッテリーが、リチウム一次、リチウムイオン二次またはリチウムイオンゲルポリマーバッテリーである上記19に記載のリチウムバッテリー。
24. リチウムバッテリーが、Li−MnO 2 またはLi−FeS 2 リチウム一次バッテリーである上記19に記載のリチウムバッテリー。
25. ポリマーが架橋されている上記22に記載のリチウムバッテリー。
Claims (6)
- 50nm〜1000nmの範囲の平均直径を有する高分子繊維の多孔性微細繊維層を含んでなるセパレータを有するバッテリーであって、多孔性微細繊維層が0.01μm〜1μmの間の平均流孔サイズ、0.1ミル(0.0025mm)〜12ミル(0.3mm)の間の厚さ、20%〜90%の間の多孔度、1g/m2〜90g/m2の間の坪量、150cfm/ft2(46m3/分/m2)未満のフラジール通気度および2〜15の間のマックムリン数を有し、かつ、前記多孔性微細繊維層がエレクトロブローイングプロセスにより作製される、バッテリー。
- 50nm〜1000nmの範囲の平均直径を有する高分子繊維の多孔性ナノファイバー層を含んでなるセパレータを有するリチウムバッテリーであって、ナノファイバー層が、0.01μm〜1μmの間の平均流孔サイズ、0.1ミル(0.0025mm)〜5ミル(0.127mm)の間の厚さ、1g/m2〜30g/m2の間の坪量、20%〜90%の間の多孔度、50cfm/ft2(15m3/分/m2)未満のフラジール通気度および2〜15の間のマックムリン数を有し、かつ、前記多孔性ナノファイバー層がエレクトロブローイングプロセスにより作製される、リチウムバッテリー。
- 多孔性ナノファイバー層が接合され、前記層の中の高分子繊維が個別の繊維としての構造を維持する、請求項2に記載のリチウムバッテリー。
- 高分子繊維が、ポリビニルアルコール、脂肪族ポリアミド、半芳香族ポリアミド、芳香族ポリアミド、ポリスルホン、セルロースアセテート、セルロース、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリプロピレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン、ポリエチレンオキシド、ポリメチルペンテン、ポリアクリロニトリルポリフェニレンスルフィド、ポリアセチル、ポリウレタン、ポリアクリロニトリル、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、ポリテトラフルオロエチレン、エチレン テトラフルオロエチレン、ならびにこれらのコポリマーおよびこれらの組み合わせから選択されるポリマーを含む、請求項2に記載のリチウムバッテリー。
- 多孔性微細繊維層が接合され、前記層の中の高分子繊維が個別の繊維としての構造を維持する、請求項1に記載のバッテリー。
- 高分子繊維が、ポリビニルアルコール、脂肪族ポリアミド、半芳香族ポリアミド、芳香族ポリアミド、ポリスルホン、セルロースアセテート、セルロース、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリプロピレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン、ポリエチレンオキシド、ポリメチルペンテン、ポリアクリロニトリルポリフェニレンスルフィド、ポリアセチル、ポリウレタン、ポリアクリロニトリル、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、ポリテトラフルオロエチレン、エチレン テトラフルオロエチレン、ならびにこれらのコポリマーおよびこれらの組み合わせから選択されるポリマーを含む、請求項1に記載のバッテリー。
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