KR102254496B1 - 납축전지를 위한 겔 함침 부직포를 지닌 축전기 세퍼레이터 - Google Patents

납축전지를 위한 겔 함침 부직포를 지닌 축전기 세퍼레이터 Download PDF

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Abstract

일 실시예에서, 납축전지를 위한 축전지 세퍼레이터는 겔 함침 부직포를 포함한다. 부직포는 에시드 분리 가능 섬유 및 에시드 분리 불가능 섬유를 포함한다. 겔은 부직포의 기본 중량의 약 20-160%의 범위의 기본 중량을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 납축전지를 위한 축전기 세퍼레이터는 그것에 부착된 겔 함침 부직포를 지닌 미소공성의 막을 포함한다.

Description

납축전지를 위한 겔 함침 부직포를 지닌 축전기 세퍼레이터{BATTERY SEPARATOR WITH GEL IMPREGNATED NONWOVEN FOR LEAD ACID BATTERY}
본 출원은, 2012년 8월 22일에 출원된 미국 가출원 특허 출원 번호 제61/692,058호에 대해 우선권을 주장하고, 우선권 출원의 개시는 본 명세서에서 참조 문헌으로 포함되어 있다.
본 발명은 새로운 또는 향상된 축전기 세퍼레이터들, 부품들, 축전기들, 및/또는 생산 및/또는 사용의 관련 방법들, 납축전지에서의 사용을 위한 겔 함침 부직포를 지닌 축전기 세퍼레이터들, 겔 함침 부직포들, 및 이런 세퍼레이터들 또는 부직포들을 포함하는 축전기들에 대한 것이다.
이동식 전원의 소스에 대한 수요가 증가하면서 납축전지들은 시간이 지날수록 발달하고 있다. 이 기술은 하이브리드 자동차(HEV, hybrid electric vehicle) 또는 마이크로 HEV의 증가하는 인기와 함께 다시 한번 발달할 준비가 되어가고 있다. HEV에 대한 축전기의 수요는 종래의 가솔린 엔진 자동차의 그것과는 상이하다. 예를 들어, HEV의 축전기는 부분 충전 상태(PSoC, partial state of charge), 약 50 내지 80 % 충전 상태에서 동작할 것이다. 따라서, 충전기는 얕은 충전/재충전 사이클을 경험할 것이고, 물의 분리가 셀 내의 층상의 에시드(stratified acid )를 혼합하는 산소와 수소를 방출하는 과충전은 경험하지 않을 것이다. 추가적으로, 활성 물질의 유지 또한 검토되어야 할 이슈이다.
따라서, HEV들의 출현과 함께 떠오르는 새로운 도전들을 충족하고 극복하는 새로운 세퍼레이터 기술이 필요하다.
일 실시예에서, 납축전지를 위한 축전기 세퍼레이터는 겔 함침 부직포를 포함한다. 부직포는 가급적 에시드 분해가능 섬유 및 에시드 분해불가능 섬유를 포함한다. 겔은 부직포의 기본 무게의 20-160% 범위의 기본 무게를 갖는다. 다른 실시예에서, 납축전지를 위한 축전기 세퍼레이터는 그것에 부착된 겔 함침 부직포를 지닌 미소공성의 막을 포함한다.
발명을 설명하기 위한 목적으로, 도면에는 지금 참조되는 형태가 도시되나; 이 발명은 도시된 세심한 배열 및 수단에 제한되지 않는다는 것은 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 세퍼레이터의 실시예의 개략도이다.
유사한 부호는 유사한 구성요소를 지칭하는 도 1을 참조하면, 납축전지를 위한 세퍼레이터(10)가 도시된다. 세퍼레이터(10)는 일 실시예에서 겔 함침 부직포(14)일 수 있고, 다른 실시예에서 세퍼레이터(10)는 그것에 부착된 겔 함침 부직포(14)를 지닌 미소공성의 막(12)을 포함할 수 있다.
미소공성의 막(12)은 임의의 종래의 미소공성의 막일 수 있다. 일 실시예에서, 막(12)은 납축전지들에서 종래에 사용된 막, 예를 들어, 켄터키주, 오인즈버러의 Daramic LLC에서 이용가능한 막일 수 있다. 이런 종래의 막들은 충전된 중합체(filled polymer)로 제작될 수 있고, 이때, 중합체는 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE, ultrahigh molecular weight polyethylene)과 같은 폴리올레핀일 수 있고, 충전제는 실리카일 수 있고, 여기에 참조로서 통합된 미국 특허 번호들 US3,351,495; US3,917,772; US4,927,722; US5,230,843; US5,679,479; US5,776,630; US5,789,103; US6,410,183; W001/13,442; Besenhard, J.O., Editor, Handbook of Battery Materials, Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim, Germany (1999), Chapter 9, pp. 245-292에서 예를 찾을 수 있다. 이 막들은 백웹(backweb)(18)에 서있는 복수의 골(rib)들(16)을 포함한다. 골들(16)은 일반적으로 세로 방향(MD, machine direction)으로 이어진다. 막(14)은 또한 복수의 옆모서리 골들(20)을 포함할 수 있다. 옆모서리 골들(20)도 백웹(18)에 서 있으나, 일반적으로 골들(16)보다 작은 높이를 갖는다. 옆모서리 골들(20)은 일반적으로 세로 방향으로 이어진다. 막(12)은 또한 네거티브 크로스(negative cross) 골들(22)(미도시)을 포함할 수 있다. 네거티브 크로스 골들(22)은 막의 이면(back side)(즉, 골들(16)이 있는 측과 반대측)으로부터 서 있고, 일반적으로 폭방향(TD, cross machine direction)으로 이어진다.
겔 함침 부직포(14)는 막(12)에 부착될 수 있다. 일 실시예에서 부착된은 함께 결합된 또는 접합된(bonded)을 지칭한다. 부직포(14)는 골들(16)의 맨 위에 접착될 수 있다. 접합(bond)(24)은 접착(gluing) 및/또는 용접에 의해 형성될 수 있다. 용접은 압력 용접, 열 용접, 및/또는 초음파 용접을 포함할 수 있다.
겔 함침 부직포(14)의 부직포는 임의의 부직포일 수 있다 일 실시예에서, 부직포는 에시드 분리 가능 섬유와 에시드 분리 불가능 섬유의 혼합일 수 있다. 에시드 분리 가능 섬유는 축전지의 전해액(납축전지에서, 이 에시드는 전형적으로 황산임)의 에시드에서 분리 가능하고 겔(또는 그것의 전구체)이 그것에 부착되는 것을 허용하는 임의의 섬유일 수 있다. 일 실시예에서, 분리 가능 섬유는 셀룰로오스 섬유, 폴리아미드(예를 들어, 나일론) 섬유, 그들의 코폴리머, 또는 그들의 혼합일 수 있다. 분리 불가능 섬유는 축전지의 전해질의 에시드에서 분리 가능하지 않은 임의의 섬유일 수 있고, 겔이 그것에 부착되는 것을 허용하거나 허용하지 않을 수 있다. 일 실시예에서, 분리 불가능 섬유는 합성 섬유, 유리 섬유 또는 그들의 혼합일 수 있다. 합성 섬유는 폴리올레핀(예를 들어, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리부틸렌 등), 폴리에스테르(예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈염산(PET), 폴리부틸렌 테레프탈염산(PBT) 등), 아크릴화, 그들의 코폴리머, 또는 그들의 혼합일 수 있다. 일 실시예에서, 분리 가능 섬유대 분리 불가능 섬유의 중량비는 약 20-80:20-80의 범위일 수 있고; 다른 실시예에서, 비율은 약 30-70:30-70일 수 있고; 또 다른 실시예에서, 비율은 약 40-60:40-60일 수 있고; 앞의 범위들 세트의 모든 서브 세트들을 포함할 수 있다. 부직포의 기본 중량은 약 10-50 gsm(grams/square meter)의 범위일 수 있고, 다른 실시예에서 약 20-40 gsm, 또는 다른 실시예에서 약 25-35 gsm, 앞의 범위들 세트의 모든 서브 세트들을 포함할 수 있다. 부직포는 약 1000 l/m2ㆍs, 또는 약 1200 l/m2ㆍs, 또는 약 1500 l/m2ㆍs보다 큰 다공성을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 부직포는 납축전지의 플레이트 또는 전극의 생성에서 사용되는 페이스팅 페이퍼(pasting paper)일 수 있다. 이런 페이스팅 페이퍼는 Glatfelter GmbH로부터 DYNAGRID NG 28로서 상업적으로 이용가능하다.
겔 함침 부직포(14)의 겔(또는 겔화제)는 축전지의 전해액과 접촉하게 될 때 겔을 형성할 수 있는 임의의 물질일 수 있다. 이 물질이 전해액과 접촉할 때 겔은 형성된다. 이 겔들은 예를 들어, 반-용해(semi-dissolution)를 가능하게 하는 가용성과 물리적 흡착 특성을 갖는 전지의 전해액에서도 생존할 수 있을 것이고, 축전지의 전해질의 pH 제약에서 겔 형성 및 에시드 결합을 야기한다. 예를 들어, 겔화제는 슬러리(겔화제), 유동체(선택적), 바인더(binder)(선택적)에서 부직포에 적용될 수 있다. 그리고, 슬러리는 건조될 수 있고, 그에 의해 겔이 부직포에 부착된다(또는 함침된다). 겔 함침 세퍼레이터가 전해액에 담그어지면, 겔화제는 전해액의 에시드를 흡수하고, 부풀어 올라서 겔을 형성한다. 일 실시예에서, 겔은 실리카(SiO2) 기반 겔이다. 실리카는 침전된, 암모니아로 그을린, 콜로이드의 및/또는 화학적으로 변경된 것을 포함하는 임의의 실리카일 수 있다. 다른 실시예에서, 겔화제는 규산염 및/또는 비규산염 미네랄 또는 화학적 복합체 또는 고흡수성 수지일 수 있다.
겔은 부직포에 함침된다. 함침은 부직포의 다공성의 적어도 몇몇은 유지되면서 겔이 부직포의 섬유의 모두 또는 대부분에 부착되는 것을 의미한다. 겔은 임의의 방법으로 부직포에 함침될 수 있다. 겔(또는 그것의 전구체)는 일반적으로 겔이 아닌 상태(즉, 전구체)로 부직포에 적용될 수 있다. 겔은 커튼-코팅(curtain- coating), 담그기(dipping), 스프레잉(spraying), 롤링(rolling), 브러싱(brushing)에 의해 부직포에 적용될 수 있다. 일 실시예에서, 겔은 부직포의 기본 중량의 약 20-160 중량%; 다른 실시예에서 약 25-150 중량%; 또 다른 실시예에서 약 40-100 중량%; 또 다른 실시예에서 약 50-80 중량%를 포함할 수 있고; 및 상기 범위들 세트의 모든 서브 세트들을 포함할 수 있다. 부직포로의 적용 전에 바인더가 겔화제(또는 그것의 전구체)에 추가되어, 부직포로의 이 물질의 접착력을 도울 수 있다. 바인더는 임의의 바인더일 수 있다. 일 실시예에서, 바인더는 라텍스, 폴리비닐 알코올(PVA), 및 그들의 조합일 수 있다.
사용 시, 겔 함침 부직포는 양극(축전지 방전이라 지칭됨) 및 미소공성의 막에 근접하게 위치(및 밀착)할 수 있고, 사용되면 음극(방전이라 지칭됨)에 근접하게 위치할 수 있다. 임의의 특정 이론에 얽매이지 않으면, 독창적인 세퍼레이터가 축전지의 극에 위치할 때 에시드는 분리 가능 섬유를 분해하고 잔여물의 중공관(hollow tube)을 형성하는 겔만 온전히 남긴 것으로 여겨진다. 이 중공관은 매우 구멍이 많아서, 온전한 분리 가능한 섬유를 지닌 겔 함침 부직포와 비교하여 세퍼레이터의 저항을 줄인다.
앞서 말한 세퍼레이터는 임의의 축전지에서 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 축전지는 납축전지일 수 있다. 세퍼레이터는 예를 들어, 다음 예시적인 애플리케이션들:ISS (idle stop start batteries), HEV (hybrid electric vehicle batteries), 및 EFB (electric fuel batteries)에서의 사용을 위한 축전지에서 사용될 수 있다.
예
표는 겔화제를 가진 부직포와 겔화제를 가지지 않은 부직포의 비교를 보여준다. 사용된 부직포는 Glatfelter의 DYNAGRID 328NG 페이스팅 페이퍼(기본 중량 28 gsm)일 수 있고, 40 wt% 분리가능 섬유(셀룰로오스 화합물) 및 60 wt% 분리 불가능 섬유(폴리에스테르)를 가질 수 있다.
각 부직포는 다음과 같이 처리되었다:A - 겔화제가 없는 부직포가 황산에 24시간 동안 흠뻑 적셔짐; B - 실리카의 11 gsm을 가진 부직포가 2주 후에 셀에 적셔짐; C - 실리카의 16 gsm을 가진 부직포가 2주 후에 셀에 적셔짐; 및 D - 실리카의 21 gsm을 가진 부직포가 2주후에 셀에 적셔짐. 5 개의 시트들이 테스트되고 평균 저항이 보고되었다.
샘플 저항(mQ-in2)
A(겔화제가 없음) 2.1
B(11 gsm 실리카) 1.3
C(16 gsm 실리카) 1.5
D(21 gsm 실리카) 2.1
적어도 선택된 실시예들, 측면들 또는 목적들에 따르면, 본 발명은 새롭거나 향상된 배터리 세퍼레이터들, 구성요소들, 축전기들 및/또는 생산 및/또는 사용의 관련 방법들, 납축전지들에서 사용을 위한 겔 함침 부직포를 지닌 축전지 세퍼레이터들, 겔 함침 부직포들, 및/또는 이런 세퍼레이터 또는 부직포를 포함하는 축전기들에 대한 필요성을 다루거나, 제공하거나, 겨냥한다. 적어도 선택된 실시예들, 측면들 또는 목적들에 따르면, 본 발명은 겔 함침 부직포를 포함하는 납축전지를 위한 축전지 세퍼레이터에 대한 필요성을 다루거나, 제공하거나, 겨냥하고, 상기 부직포는 에시드 분리 가능 섬유 및 에시드 분리 불가능 섬유를 포함한다. 위의 축전지 세퍼레이터에서 상기 부직포는 기본 중량을 갖고 상기 겔은 상기 부직포 기본 중량의 약 20-160 %의 범위의 기본 중량을 갖는다. 위의 축전지 세퍼레이터에서 상기 겔은 실리카 겔이다. 위의 축전지 세퍼레이터에서 상기 에시드 분리 가능 섬유는 셀룰로오스 섬유이다. 위의 축전지 세퍼레이터에서 상기 분리 불가능 섬유는 폴리머 및/또는 유리 섬유이다. 위의 축전지 세퍼레이터에서 분리 불가능 섬유에 대한 분리 가능 섬유의 중량비는 약 20-80:80-20의 범위에 있다. 위의 축전지 세퍼레이터는 상기 겔 함침 부직포에 부착된 미소공성 막을 더 포함한다. 위의 축전지 세퍼레이터에서 상기 막은 폴리머가 채워진 막이다. 위의 축전지 세퍼레이터에서 상기 폴리머는 폴리올레핀이다. 위의 축전지 세퍼레이터에서 상기 필러는 실리카 기반 물질이다. 위의 축전지 세퍼레이터에서 상기 막은 골들을 가진다. 위의 축전지 세퍼레이터에서 상기 골들은 세로 방향 및/또는 폭 방향으로 이어지고 한면 또는 이면에 있다. 위의 축전지 세퍼레이터에서 상기 부직포는 상기 막에 접합(bonding)에 의해 부착된다. 위의 축전지 세퍼레이터에서 상기 접합은 접착(gluing) 및/또는 용접이다. 위의 축전지 세퍼레이터에서 상기 용접은 압력, 열, 및/또는 초음파를 포함한다. 축전지에서, 향상은 위의 축전지 세퍼레이터를 포함한다. 납축전지를 위한 축전지 세퍼레이터는 분리 불가능 섬유를 갖는 부직포, 및 겔로 형성된 튜브들을 포함한다. 축전지에서, 향상은 위의 축전지 세퍼레이터를 포함한다.
ISS, HEV, 또는 EFB 축전지와 같은 납축전지를 위한 합성 축전지 세퍼레이터에서의 사용을 위한 겔 함침 부직포는 분리 불가 섬유 및 겔로부터 형성된 튜브들을 갖는 겔 함침 부직포를 포함한다. 축전지에서, 향성은 위의 부직포를 포함한다.
적어도 하나의 특정 실시예에서, 납축전지를 위한 축전지 세퍼레이터는 겔 함침 부직포를 포함한다. 부직포는 에시드 분리 가능 섬유 및 에시드 분리 불가능 섬유를 포함한다. 겔은 부직포의 기본 중량의 약 20-160 %의 범위에서 기본 중량을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 남축전지를 위한 축전지 세퍼레이터는 그것에 부착된 겔 함침 부직포를 지닌 미소공성의 막을 포함한다.
본 발명은 그것의 개념 및 필수적인 특성으로부터 벗어나지 않고 다른 형태로 실시될 수 있고, 따라서, 발명의 범위를 지정할 때 앞의 상세한 설명보다는 첨부된 청구항들에 대한 참조가 이루어져야 한다.

Claims (20)

  1. 납축전지를 위한 축전기 세퍼레이터에 있어서,
    겔 함침 부직포를 포함하고, 상기 부직포는 에시드(acid) 분리 가능 섬유 및 에시드 분리 불가능 섬유를 포함하며,
    분리 불가능 섬유에 대한 분리 가능 섬유의 중량비는 20-80:80-20의 범위이고,
    부직포의 기본 중량은 10-50 gsm(grams/square meter)인 축전기 세퍼레이터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 부직포는 1000 l/m2ㆍs보다 큰 다공성을 가지는 축전기 세퍼레이터.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 겔은 상기 부직포 기본 중량의 20-160 %의 범위의 기본 중량을 갖는 축전기 세퍼레이터.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 겔은 실리카 겔인 축전기 세퍼레이터.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 에시드 분리 가능 섬유는 셀룰로오스 섬유인 축전기 세퍼레이터.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리 불가능 섬유는 폴리머 및/또는 유리 섬유인 축전기 세퍼레이터.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 겔 함침 부직포에 부착된 미소공성 막을 더 포함하는 축전기 세퍼레이터.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 막은 폴리머가 채워진 막인 축전기 세퍼레이터.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 폴리머는 폴리올레핀인 축전기 세퍼레이터.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 막은 필러를 포함하고, 상기 필러는 실리카 기반 물질인 축전기 세퍼레이터.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 막은 골들을 갖는 축전기 세퍼레이터.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 골들은 세로 방향 및/또는 폭 방향으로 이어지는 골들인 축전기 세퍼레이터.
  13. 청구항 7에 있어서,
    상기 부직포는 상기 막에 접합(bonding)에 의해 부착되는 축전기 세퍼레이터.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 접합은 접착(gluing) 및/또는 용접인 축전기 세퍼레이터.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 용접은 압력, 열, 및/또는 초음파 용접을 포함하는 축전기 세퍼레이터.
  16. 청구항 1의 축전기 세퍼레이터를 포함하는 축전기.
  17. 납축전지를 위한 축전지 세퍼레이터에 있어서,
    에시드 분리 불가능 섬유에 대한 에시드 분리 가능 섬유의 중량비가 20-80:80-20의 범위인 에시드 분리 불가능 섬유를 갖는 부직포와 에시드 분리 가능 섬유, 및 겔로 형성된 튜브들을 포함하고,
    상기 부직포는 1000 l/m2ㆍs보다 큰 다공성을 가지고, 부직포의 기본 중량은 10-50 gsm(grams/square meter)인 축전지 세퍼레이터.
  18. 청구항 17의 축전지 세퍼레이터를 포함하는 축전기.
  19. 납축전지용 합성 축전지 세퍼레이터에서의 사용을 위한 겔 함침 부직포로서,
    에시드 분리 불가능 섬유에 대한 에시드 분리 가능 섬유의 중량비가 20-80:80-20의 범위인 에시드 분리 불가능 섬유와 에시드 분리 가능 섬유 및 겔로 형성된 튜브들을 포함하고,
    상기 부직포는 1000 l/m2ㆍs보다 큰 다공성을 가지고, 부직포의 기본 중량은 10-50 gsm(grams/square meter)인 겔 함침 부직포.
  20. 청구항 19의 부직포를 포함하는 축전기.
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