JPH0279363A - アルカリ電解質を有する金属―空気型の電気化学的電池のためのセパレータ - Google Patents

アルカリ電解質を有する金属―空気型の電気化学的電池のためのセパレータ

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JPH0279363A
JPH0279363A JP1192424A JP19242489A JPH0279363A JP H0279363 A JPH0279363 A JP H0279363A JP 1192424 A JP1192424 A JP 1192424A JP 19242489 A JP19242489 A JP 19242489A JP H0279363 A JPH0279363 A JP H0279363A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、アルカリ電解質を有する金属−空気セ警気化
学的電池のための、とりわり、酸化金属をベースとする
多孔性正極を含み、及びこの正極がこの電極の細孔を通
しての酸素拡散によって再生可能である電池のためのセ
パレータに係わる。
i米曳且I 一般に、バッテリー(再充電式であるか否かに拘らず)
に使用されるセパレータは、次の特性を有することが必
要である。即ち、 電極間を流れる短絡電流を回避するための高い電気的抵
抗性と、 カソードとアノード構成要素との間をイオンが通過する
のを可能とするのに十分な多孔性と、製造過程における
取り扱いストレスに耐え、及び、充電及び放電プロセス
の過程における電極体積の変化によるストレスに耐える
ための、高い機械的強度と、 高濃度アルカリ電解質、不純物、及び電極材料による化
学的腐食に耐える能力と、製造の低コスト性及び容易さ
とが必要である。
アルカリ−吹型池又は「バッテリー」において、及び塩
−吹型池又は「バッテリー」において従来使用されるセ
パレータは、織られた又は不織のビニル、セルロース又
はオレフィン繊維から成る。
更に、それらの品質は、多孔性、機械的強度、液による
湿潤性、及び厚みの間の適切な調整の結果として得られ
る。
どちらかの電極からの粒子がそのセパレータを通り抜け
ることを防ぎ、及び電池内側のガス発生が伴う可能性の
ある自己放電を引き起こすことになる他電極との反応を
そうした粒子が起こすことを防ぐように、セパレータの
多孔性が調整される。
この結果を得る且つの方法は、セパレータの厚みを増す
こと、及びセパレータ内の層の数を増すことであるが、
しかし、これはアノード及びカソード材料のための有効
容積を減少させるという欠陥を伴っている。
これに加えて、電気化学的電池の各々のタイプに応じて
特殊な問題が生じる。
上述のように、亜鉛をベースとする負極と、濃縮された
水酸化ナトリウム又は水酸化カリウムをベースとするア
ルカリ電解質とを含む再充電可能な電池では、連続的な
充電及び放電における亜鉛電極の電気化学的サイクリン
グが大きな欠陥の原因となっていることは公知である。
上)本のように、その集電器の中央面又は底面上の亜鉛
の優先的再析出のために、亜鉛電極の形が変化するとい
う問題がある。この現象は一定の点にその電極の厚みを
増大させ、ますます高まる電流密度を生じさせ、それに
よって充電電流の点で亜鉛の効率を低ドさせる。これに
加えて、電極の厚みの増加による、及び電極の形の変化
による機械的ストレスは、−船釣に、蓄電池の寿命にと
って致命的である。
充電の過程でそうした蓄電池に関して生じる第二の問題
は、その電極の表面上に亜鉛のデンドラ= 6− イ1〜が出現し成長することである。連続サイクルの間
に、亜鉛の負極と正極どの間の空間が架橋され、それに
よって内部短絡が生じるまで、アンドライトの成長が続
くことが可能である。この問題を避ける公知の方法の且
つは、電解質中の′IA度匂配がデンドライト成長を促
進づるが故にそうした濃度匂配を制限するために、デン
ドライトからの腐食に対Jる良好な機械的抵抗力ににっ
゛(、及び亜鉛酸塩イオンの拡散に対する低透過性によ
ってベース付けられるセパレータを使用することである
二酸化マンガン(MnO2)のような酸化金属をベース
とする多孔性の圧縮塊から構成される幾つかの又は全て
の正極を有する、及び、その電極の細孔を通って流れる
酸素によって再生可能な金属−空気破り吹型池に関して
は、亜鉛電極蓄電池において生じる問題とは全く異なっ
1c別の大きな問題が生じる。
空気に対する透過性の塊から構成される正極に関しては
、セパレータのすぐ間近までの電極の中に酸素の幾らか
の流れが存在する。より詳細に述べれば、空気中の酸素
は正極の細孔を通って電池の中に侵入し、その後で、空
気電極が存在するならば空気電極の表面上の、又は正の
活性間の二酸化マンガンの表面上の活性部位(触媒)に
おいて水に還元される。しかし、その酸素の幾らかは反
応を避けて、セパレータを通って負極に向かって拡散す
るかも知れない。そして、その後で、負極を構成する材
料が化学的に酸化される。この自己放電メツJニズムは
電気化学的電池の容量を低l;させる。そうした自己放
電は、電池の有効期間が数カ月であってよい間欠的使用
という条件の下で特に問題となる。
同様に、貯蔵中に、電池が気密パッケージで保護されて
いない場合には、負極を構成する金属が酸化され、容1
の大きな損失を引き起こすだろう。
例えば、アルカリバッテリーで現在使用されているよう
な亜鉛ベースのアノードゲルは、1年間に渡ってその容
量の20〜80%を失うかも知れない。
特許の幾つかは、銀−亜鉛、ニック゛ルー亜鉛、又は空
気−亜鉛再充電式蓄電池の中での亜鉛デンドライトの成
長及びセパレータの穿孔を避けるために、ポリビニルア
ルコールを使用し、及び、電解質中の(特に亜鉛酸塩の
中の)イオンの拡散を制限する特性を有するセパレータ
を説明している。
しかし、これらのセパレータは金属−空気型の一次電池
においては貧弱な結果をもたらすだけである。それらは
、デンドライトの貫通に抵抗する良好な機械的強度を確
保するための、及び、電界質中で亜鉛イオンの溶液内の
通過に対する隔壁を構成する巨大分子鎖の格子を作るた
めの、ボリビニルアルコールの高度な架橋によってベー
ス付けられる。
この高度の架橋は、セパレータの親水特性を減少させ、
従って、高濃度のアルカリ電解質を吸収する能力を低下
させる。
そうしたセパレータの別の欠陥は、消費者市場向は高電
流応用(ラジオ、フラッシュガン、テープレコーダー等
)でその電池が発揮できる力を制限することになる比較
的高い電解抵抗である。
米国特許筒US−A−4361632号は、イオン拡散
が制限されることを可能とする、及び特に再充電式の亜
鉛電極蓄電池内の亜鉛酸塩の拡散を制限する、高温で架
橋が行われる複合セパレータを説明している。
フランス特許箱FR−A−2251922号は、且つの
多孔性の層及びポリビニルアルコール誘導体から構成さ
れる且つの半透性膜から成る複数の層を有するレバレー
タを説明している。その説明された方法は、その多孔性
の層が深く埋め込まれてしまうことを避り、その多孔性
の層の表面領域内の含浸を制限しようとする。その結果
として得られた高度に架橋されたPVAフィルムは、亜
鉛電極を有する再充電式の蓄電池の中で亜鉛酸塩の拡散
を制限する点では疑いもなく効果的であるが、しかし、
それはガス状の形態における又は電解質に溶解された酸
素分子のような非常に小さな分子の拡散を制限しはしな
い。
フランス特許第FR−A−2110486号は、亜鉛電
極を取り凹み、亜鉛酸塩を保持する高度に架橋されたポ
リビニルアルコールのシートを含むアルカリ蓄電池を説
明している。
米国特許第113−A−3892592号及び日本特許
第JP−^−7!i67428号は、容器の形態の固体
亜鉛電極n に良好な反応f1を確保するために、C/手φ塩バッテ
リーの中において、塩電解質及び紙で作られた支持物を
伴うセパレータペーストとして、ポリ気化学的−吹型池
に特有の問題を解決することであり、そうした電池内の
使用に十分適したセパレータを発見することである。
渇1囲少1 本発明は、アルカリ電解質を有する金属−空気型の電気
化学的−吹型池のためのセパレータを提供し、その電池
は特に、亜鉛ベースの負極及び織られた又は不織の繊維
をベースとする支持物を含む前記セパレータを含み、そ
の支持物は溶解した酸素の拡散に対して非常に低い透過
性を有するポリビニルアルコールをベースとする少なく
とも且つのフィルムを備え、前記ポリビニルアル二1−
ルは適度に架橋され、前記セパレータは、150g/一
〜300g/−の8.5N水酸化カリウム溶液を吸収し
、前記電解質は電池との流体力学的交換が不可能なよう
にポリビニルアルコール格子の中に拘束され、前記セパ
レータは、OmΩ/cA〜2mΩ/Cβの範囲内にある
電解抵抗、及び0.2#未満の厚みを有する。
前記フィルムの厚みは、例えば、25〜60ミクロンの
範囲内にあってよい。
前記セパレータの厚みは、例えば、100・〜200ミ
ク1」ンの範囲内にあってよく、好ましくは約150ミ
クロンである。
第一の変形では、前記支持物は織られておらず、ポリア
ミド、ポリエチレン、セルロース、ポリエステル、ポリ
プロピレン、及びガラスの中から選択された有機又は無
機繊維をベースとする。
第二の変形では、前記支持物は織られテd3す、ポリア
ミド、ポリエチレン、セルロース、ポリエステル、ポリ
プロピレン、及びガラスの中から選択された有機又は無
機繊維をベースとする。
このように、本発明のセパレータはその厚みによって非
常に低い酸素拡散速度を有し、高濃度アルカリ溶液を強
力に吸収するのに適している。
その電池の中では、一定量のアルノJり電解質がそのセ
パレータの構造の中に吸収され、その後で、前記の吸収
された電解質が、電池の他部分との流体力学的交換が全
く不可能であるように高度に固定される。
そのセパレータは、一般消費者用の高電流一次バッテリ
ーに特に適した低電解抵抗を有している。。
別の著しい特性は、電極容量の変化によるストレスに耐
える車越した機械的強度である。
本発明はまた、本発明のセパレータの製造方法を提供す
る。
第一の方法では、ポリビニルアルコールの水溶液の被膜
を支持物の少なくとも且つの部分の上に塗り、その後で
溶剤を取り除くことによって、ポリビニルアルコールの
フィルムが得られる。
第二の方法では、市販されている高度に加水分解された
ポリビニルアルコールフィルムが支持物表面の一部又は
全部の上に熱定着される。
ポリビニルアル」−ルのフィルムは片面又は両面に、随
意に複数の連続層の形で、塗布されるか又は熱定着され
る。
ポリビニルアルコールのフィルムは片面又は両面に、随
意に複数の連続層の形で、塗布されるか又は熱定着され
る。
本発明の具体例は、非限定的な実施例によって以下で説
明される。
詳細な説明 第一の方法では、混合物をFJij製し、その後で支持
物の北に塗布又はペースhする。この混合物は次の組成
(重量表示)を有する。
脱イオン水      80〜90重量%ポリビニルア
ルコール 10〜20重量%保  存  剤     
      O〜5 重量%溶解の間は、活発な撹拌が
維持される。その後、その溶液は撹拌されながら80〜
100℃の範囲内にある温度まで加熱される。有機又は
無機系のの架橋剤が随意に加えられる。24時間貯蔵後
の溶液の25℃にお()る粘度ば5O−100t?ンブ
〜ポアズの範囲内にある。
更に、その結果得られた粘性溶液は、織られた又は不織
の支持物の上に塗布されるか又はペーストされる。支持
物上の塗布はガイドレールに沿って動くことによって行
われてもよい。支持物の上部に配置されたスクレーパに
溶液が送り込まれる。
そのスクレーパに溶液が送り込まれる割合は、その支持
物に関するスクレーパの角度及び速度の関−16〜 数である。要求される結果に応じて、その支持物の月面
又は両面に、随意に連続層の形で、溶液が塗られてよい
その組成、粘度、塗布速度は、織られた又は不織の支持
物に溶液を深く含浸さ1士るように調整され、即ち、1
50〜300g/−の電解質(K O+−1の8.5N
溶液)を吸収し、従って、0〜2mΩ/、Jの範囲内に
ある電解抵抗を得て、以下で述べられる実験装置によっ
て測定されるにうに、0.2mm未満の厚み合計で、1
7cJ、 −、h−某満の酸素透過率を得るように調整
される。
上述のようなベースがその表面上のあらゆる箇所におい
で均等に同一・であるレバレータを得ることが重要であ
る。
特に、粗雑に表面が覆われた又は不十分な厚みのポリビ
ニルアルコールで覆われた最大の細孔を避けることが重
要である。更に、その結果として得られるセパレータは
、過剰な架橋を避けるように選択された温度において乾
燥される。好ましくは、乾燥は外界温度で行われる。
例えば、アルカリバッテリーに従来使用されるような織
られていない支持物は、上記の混合物が表面に塗られて
いた。
その支持物のベースは次のものだった。
重   量   39g/ゴ 厚   み  100ミクロン 電解抵抗  1mΩ/楢 片面上に毎分10メートルの速度(m/n+n)でその
ペーストを塗り続けた後、次のベースを有するセパレー
タが得られた。
重量    70g/TIT! 厚み   150ミクロン 電解抵抗  1.5mΩ/ cA 電解吸収 180#/i 酸素透過率 15J、 cl、 h 支持物の両表面にそのペーストが塗られた時には、その
ベースは次のものだった。
重量    90g/d 厚み   200ミクロン 電解抵抗  3.5mΩ/c& 電解吸収 1409/d 酸素透過率 20cd1.cl、h−1片面にたり被覆
されたセパレータは、両面に被覆されたセパレータの半
分の抵抗を有する。セパレータの高すぎる抵抗は、平均
電圧レベルを減少させ、その結果と1ノで電力の損失を
表すが故に、電気化学的電池では欠陥である。
この実施例では、前記のペーストされたセパレータを製
造する技術が、そのセパレータの電解抵抗を許容限界内
に保持しながら、良好に表面を覆われた支持物が得られ
ることを可能にづるということが理解され得る。
電解吸収を増加させるにつれで酸素透過率が低下するこ
とさえ観察される。
このように、亜鉛電極を有する及び高度の架橋をベース
とする蓄電池に通常使用されるようなポリビニルアルコ
ールをベースとするセパレータは、貧弱な電解吸収のた
めに、本発明のセパレータよりも効果がはるかに小ざい
。架橋巨大分子類の格子による隔壁効果は、電解質中に
溶解した酸素分子に対しては効果的ではない。
それと対照的に、本発明のセパレータの有効性は、ポリ
ビニルアルコール格子の中に閉じ込められているアルカ
リ電解質の効果によって説明されるかも知れない。濃水
酸化カリウムの中にお【ノる酸素拡散の非常に低い溶解
度及び非常に低い速度が、又、その電池内におけるセパ
レータ上に吸収された電解質と自由電解質との間の流体
力学的交換の不在が、溶液中の酸素がセパレータを通り
抜けることを防ぐ非常に著しい隔壁効果を生じさせると
仮定されてよい。
熱間圧延を使用する第二の方法では、ポリビニルアルコ
ールの不溶性スクリーンフィルムを織られた又は不織の
支持物の上に熱定着によって加えることによって、多層
のセパレータが作られる。
ポリビニルアル:コールのフィルムはアルカリ媒質中で
不溶性でなければならず、例えば、NEDI社から市販
されているポリビニルアルコールフィルムによって構成
されてよい。
その重量は31g/−であり、その厚みは25〜60ミ
クロンの範囲内にあり、その電解抵抗は0.5mΩ/C
λである。熱定着は支持物及びポリビニルアルコールフ
ィルムを2つの加熱[I−ラーの間を通過さゼることに
よって連続的に行われてもよい。その密着性の品質は、
加えられる圧力、接触時間、及びそのローラーの温度に
よって決定される。例えば、1.5〜5 K’J / 
clの範囲内にある圧力及び60〜80℃の範囲内の、
好ましくは80℃の温度が用いられてよい。
この方法で得られたセパレータのベースは、次のもので
あった。
ポリビニルアルコールフィルム(NEDI):厚み 3
0ミクロン 不織の支持物:厚み100ミクロン 熱定着層を有するセパレータS2: 厚み130ミクロン 電解抵抗:1.5mΩ/d 電解吸収=150g/−rrl 酸素透過率: 13cIIt、 e;i、 hこの製造
方法を使用する場合、非常に低い酸素透過率を保ちなが
ら、低厚み及び低電解質抵抗を得ることがb]能である
。この変形の別の利点は、その結果として得られたセパ
レータの織られていない側が電解吸収特性を保持し、そ
れによってアノードとカソードとの間のイオン伝導度を
改善するということである。従って、この方法は一次電
池での使用に特に有利である。
フィルムを支持物の上に接着するための他の方法は、接
着剤のために、上記の数値より50−100%大きな電
解抵抗を生じさせる。
さて、上述のように得られたセパレータに対して行われ
た様々な試験が説明される。
試験は次の廿パレータに対しで行われた。
不織のフェルト繊維によって構成される、−・送電気化
学的電池に従来使用される標準セパレータTと、 上述の組成(1)を有するポリビニルアルコール溶液を
用いて両面が被覆された標準セパレータによ 23 一 つて構成された、本発明によるセパレータS、と、及び
、 ポリビニルアルコールのフィルムと共に熱間圧延された
標準セパレータによって構成された、本発明によるセパ
レータS2 本発明のセパレータは、電圧レベル及び容量に関するこ
れらのセパレータの影響をオ価するために、亜鉛/二酸
化マンガン型のアルカリバッテリーの中で試験された。
標準電池は、不織のIli雑のセパレータを有するLR
6ザイズ(08標準)アルカリバッテリーだった。電池
P1は、そのセパレータS3が本発明のポリビニルアル
コール溶液で片面が被覆されていたことを除いては、同
じバッテリーだった。
電池P2は、そのセパレータS2が本発明のポリビニル
アルコールのフィルムと共に熱間圧延されたことを除い
ては、同じバッテリーだった。
表1は2つの放電状況(ボルト表示の起電力、5オーム
の抵抗を挿んで接続された電池を用いた瞬時電圧試験−
U15Ω、及び、時間単位で計測された、0.9ボルト
の停止電圧までの放出保、待時間)に関する結果を与え
る。
表ル コーダーレート、10オームを通しでの放出、1日当た
り1時間起電力   t115Ω  停止Uに到る時間
の 収  率(ボルト)  (ボルト)    (時 
間)     %標準 1.57  1.52  15
.66  68%P    1.58    1.53
     15.75     69%P    1.
57    1.53     15.87     
71%ラジオレート、15オームを通しての放出、1日
当たり4時間起電力   U15Ω  停止りに到る時
間の 収  率(ボルト)  (ボルト)    (時
 間)     %標準 1.58  1.53  1
34.42  81.7%P11.58  1.52 
  137.23   88.5%P21.57  1
.52   140.0Q    B7.2%調査され
たセパレータは性能に影響をおよ1よさず、そして特に
表1の測定数値が同一であることが理解できる。
前記セパレータの酸素透過率が、−上記の実験装置を使
用して測定された。試験されるセパレータが気□密容器
の2つの構成要素A及びBの間に直方\れる。構成要素
へには酸素入口及び酸素出口が備えられる。金ト空気九
池の使用条件にできる限り近付くために、構成要素Aの
ガス圧は1バー・ルに調節される。酸素の流量は1時間
当たり4リットルに調節される。構成要素Bは、最初は
窒素で充填されるガス回収チャンバへの出口を有する。
規則的な間隔で、ガスのザンブルがガス回収チャンバか
ら採取され、その酸素含量が分析される。
この含量は、構成型mA及びBの間をセパレータを通し
て酸素が拡散り″る速度の尺度である。
次の幾つかのタイプのセパレータが試験された。
即ち、 アルカリバッテリーで通常使用される、上記の標準レバ
レータTと、 ポリビニルアルコール溶液で片面が被覆された標準セパ
レータである、上記のセパレータ$3と、及び、 ポリビニルアルコール溶液で両面が被覆された標準セパ
レータである、」−記のけパレータS1と、NED’I
礼から市販されているようなポリビニルアルコールフィ
ルムをその上に熱間圧延された標準セパレータである、
上記のセパレータS2である。
アルカリバッテリー中の電解質を構成する8、5Nの水
酸化カリウムで含浸させた後で、全てのせパレータが試
験された。
時間t(時間)の関数として拡散酸素量V<cl/−)
を示す、T151、S2、及びS3に関する相応的な曲
線によって、その試験結果が第1図に示される。標準セ
パレータと本発明のレバレータとの間における透過率の
非常に大きな差異が理解できる。こうして、24時間後
には、標準セパレータを通して拡散する酸素量は、セパ
レータS1、S2、及びS3を通1ノで拡散するのが観
察される酸素量の約2倍である。これに加えて、酸素拡
散率は本発明のセパレータ内では速やかに安定づるが、
一方、標準セパレータ内ではそれは増大し続(プ る 
こうして、電気化学的電池の中で、特に金属−空気型の
電池の中で本発明に従って作られたセパレータを使用す
ることは、負極を構成する亜鉛の腐食を著しく制限する
ことを可能にするということが観察される。上記の製造
方法が、厚みが小さく、電解抵抗が低く、電解質による
湿潤性が良好で、及び、機械的強度が良好なセパレータ
を得ることを可能にするが故に、この利点が電池の電気
的性能を低Fさせることなく得られるのである。
特に有利な形状は、酸素拡散を防止するために袋のよう
に作られたセパレータで亜鉛の負極を包むことである。
轟然のことながら、負極を包むための他の形態が使用可
能であり、それは当業者の権限に属するものである。
それに加えて、特にこの型のセパレータの余分なコスト
を制限するために、塗布又は熱定着によって繊維状の支
持物の−・部分だ【プを覆うことが可能である。負極の
容量に対し効果的な保護を与えるように、覆われる面積
が選択される。
【図面の簡単な説明】
図は、曲線が従来技術のセパレータのIll抵拡散性び
本発明のセパレータの酸素拡散性を示すグラフである。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)アルカリ電解質を有する金属−空気型の電気化学
    的一次電池のためのセパレータであつて、特に前記電池
    が亜鉛ベースの負極及び織られた又は不織の繊維をベー
    スとする支持物を含む前記セパレータを含み、前記支持
    物が溶存酸素の拡散に対して非常に低い透過率を有する
    ポリビニルアルコールをベースとする少なくとも1つの
    フィルムを備え、前記ポリビニルアルコールが適度に架
    橋され、前記セパレータが、150g/m^2〜300
    g/m^2の8.5N水酸化カリウム溶液を吸収し、前
    記電解質が電池との流体力学的交換が不可能なようにポ
    リビニルアルコール格子の中に拘束され、前記セパレー
    タが、0〜2mΩ/cm^2の範囲内にある電解抵抗、
    及び0.2mm未満の厚みを有する電気化学的一次電池
    のためのセパレータ。
  2. (2)前記フィルムの厚みが25〜60ミクロンの範囲
    内にある請求項1に記載のセパレータ。
  3. (3)100〜200ミクロンの範囲内にある厚みを有
    する請求項1に記載のセパレータ。
  4. (4)約150ミクロンの厚みを有する、請求項3に記
    載のセパレータ。
  5. (5)前記支持物が不織であり、且つポリアミド、ポリ
    エチレン、セルロース、ポリエステル、ポリプロピレン
    、及びガラスの中から選択された有機又は無機繊維をベ
    ースとする請求項1に記載のセパレータ。
  6. (6)前記支持物が織られており、且つポリアミド、ポ
    リエチレン、セルロース、ポリエステル、ポリプロピレ
    ン、及びガラスの中から選択された有機又は無機繊維を
    ベースとする、請求項1に記載のセパレータ。
  7. (7)結合される電極の形に適合され、袋の形状に作ら
    れた請求項1に記載のセパレータ。
  8. (8)ポリビニルアルコールの水溶液の被膜を支持物の
    少なくとも1部の上に塗り、その後で溶剤を取り除くこ
    とによって、ポリビニルアルコールのフィルムを得る請
    求項1に記載のセパレータの製造方法。
  9. (9)ポリビニルアルコールのフィルムが、前記支持物
    表面の一部分の上にだけ熱定着される請求項1に記載の
    セパレータの製造方法。
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