KR20220092536A - 개선된 압축성을 갖는 개선된 납축전지 분리기; 이를 도입한 전지, 시스템, 및 관련 방법 - Google Patents

개선된 압축성을 갖는 개선된 납축전지 분리기; 이를 도입한 전지, 시스템, 및 관련 방법 Download PDF

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에릭 에이취. 밀러
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다라믹 엘엘씨
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Abstract

압축성 전지 분리기는 납축전지에서 전극들 사이의 가변적인 간격을 수용하는 능력을 구비한다. 전지 분리기, 셀, 전지, 시스템, 및 제조 방법 및 이용 방법이 여기서 개시된다.

Description

납축전지 분리기, 전지 시스템 및 이들의 제조 방법
본 개시는 다양한 납축전지(lead acid battery) 및/또는 시스템을 위한 새롭거나 개선된 분리기(separator)에 관한 것이다. 또한, 여기서 개시되는 예시적인 실시형태는 새롭거나 개선된 전지 분리기, 이를 도입한 전지 셀(cell), 이를 도입한 전지, 이를 도입한 시스템, 및/또는 이의 제조 및/또는 이용 방법, 및/또는 이들과 유사한 것, 및/또는 이들의 조합에 관한 것이다.
예시적인 납축전지는 양극 단자 및 음극 단자를 갖는다. 교대 배치되는 양극 및 음극과 각 전극 사이에 끼워진 분리기의 어레이(array)가 전지 내에 있다. 대안적으로, 양극 또는 음극은 분리기 엔벨로프(envelope), 포켓(pocket), 슬리브(sleeve), 또는 이들과 유사한 것 내에 엔벨로핑될 수 있다. 양극은 양극 단자와 전기적으로 연결되어 있고, 음극은 음극 단자와 전기적으로 연결되어 있다. 양극은 통상적으로 양극 활성 재료("PAM")로 도핑된 이산화납(PbO2)의 그리드(grid)를 갖는다. 음극은 통상적으로 음극 활성 재료("NAM")로 도핑된 납(Pb)의 그리드를 갖는다. PAM 및 NAM 양쪽 모두는 전극의 기능성 증가에 기여한다. 양극 및 음극 그리드는 안티몬, 칼슘, 주석, 셀레늄, 및/또는 이들과 유사한 것, 및/또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 갖는 합금으로서 제공될 수 있다.
양극, 음극, 및 분리기는 실질적으로 수성 전해질 용액 내에 잠겨 있다. 전해질은 예를 들어 황산(H2SO4) 및 물(H2O)의 용액일 수 있다. 전해질 용액은 예를 들어 대략 1.215 내지 1.300의 범위로, 대략 1.28의 비중을 가질 수 있다.
분리기의 목적은 전지를 단락시키는 전극 서로 간의 전기 전도로부터 전극을 분리 및 절연시키고, 그러나 전지의 전기화학 반응에 필요한 전해질을 통한 전극 사이의 이온 전도를 유지시키는 것이다. 따라서, 분리기는 전기적으로 비-전도성이어야 하고, 그러나 이온 전도를 허용하기에 충분히 다공성이어야 한다. 만약 분리기가 너무 다공성이거나 너무 큰 기공을 갖는다면, 덴드라이트(dendrite)가 전극 사이의 틈을 가교하여 전지를 단락시키기에 충분히 크게 형성될 수 있다. 극히 큰 기공은 전극 사이의 직접적인 물리적 접촉을 허용할 수 있다.
일부 납축전지 제조 공정은 제어하기 어려워서, 전극 사이의 간격을 변화시킨다. 또한, 일부 모빌리티 애플리케이션(mobility application)은 전극을 진동시켜 간격을 변화시킬 수 있다. 현재의 최신 기술은 이들 필요 및 우려를 처리하거나 해결하지 못한다.
논의된 바와 같이, 전극 사이의 가변적인 간격을 수용하는 가변적인 두께를 갖는 분리기를 제공할 필요가 있다. 이러한 용도로서, 본 발명자들은 가변적인 및/또는 변화하는 전극 간격을 수용할 수 있는 가변적인 두께를 제공할 수 있는 전지 분리기가 없음을 알고 있다. 따라서, 본 발명은 적어도 이들 및 다른 이전의 충족되지 않은 필요를 충족시키는 것을 목표로 한다.
적어도 특정 용도 또는 전지를 위해, 본 발명의 하나 이상의 예시적인 실시형태, 측면, 또는 목적의 상세사항은 분리기에 적용된 압력의 함수로서 변하는 전체 두께와 같은 가변적인 전체 두께를 갖는 전지 분리기를 적어도 제공한다. 본 발명의 다른 특징, 목적, 및 이점은 감소된 전지 고장, 개선된 전지 사이클(cycle) 수명, 및/또는 개선된 성능을 제공한다. 더욱 구체적으로, 전지의 제조 및/또는 그 제조 후의 사용 중 적어도 하나 중에, 가변적인 전극 간격에 적응할 수 있는 분리기를 제공할 필요가 있다.
하나 이상의 예시적인 실시형태, 측면, 또는 목적의 상세사항은 이하에 기재된 상세한 설명 및 청구범위에 있다. 다른 특징, 목적, 및 이점은 이하에 기재된 상세한 설명 및 청구범위로부터 명백할 것이다. 하나 이상의 선택된 실시형태, 측면, 또는 목적에 따르면, 본 개시 또는 발명은 여기서 열거된 문제, 이슈, 또는 필요를 적어도 해결하고, 일부 경우에는 필요 및 예상을 놀랍게 및 예상 밖으로 넘어서는 해결수단을 제공한다.
적어도 특정의 예시적인 실시형태, 목적, 또는 측면에 따르면, 본 개시 또는 발명은 적어도 상술한 문제를 극복하는 새롭거나 개선된 분리기, 셀, 전지, 시스템, 이러한 새롭거나 개선된 분리기, 셀, 전지, 및/또는 시스템의 제조, 이용, 및/또는 적용 방법을 제공할 수 있다. 예를 들어, 적어도 특정의 예시적인 실시형태, 목적, 또는 측면은 그 사이에서 가변적인 간격을 갖는 전극에 적응 가능한 분리기를 포함하는 전지를 제공하고, 가변적인 두께를 갖는 분리기를 포함하는 전지를 제공한다.
적어도 선택된 예시적인 실시형태, 측면, 또는 목적에 따르면, 본 개시 또는 발명은 구성요소 및 물리적 속성 및 특징이 상승적으로 조합되는 분리기를 제공함으로써, 개선된 전지 분리기로 납축전지 산업에서 이전에 충족되지 못한 필요를 놀랍고 예상하지 못한 방식으로 해결한다. 특정의 바람직한 예시적인 실시형태에서, 본 개시 또는 발명은 여기서 기술되는 분리기를 이용한 전지를 제공함으로써, 개선된 납축전지 분리기로 납축전지 산업에서 이전에 충족되지 못한 필요를 놀랍고 예상하지 못한 방식으로 해결한다. 특정의 바람직한 예시적인 실시형태에서, 본 개시 또는 발명은 여기서 기술되는 전지를 이용한 시스템을 제공함으로써, 여기서 기술되는 본 발명의 분리기를 이용하는 본 발명의 납축전지를 이용한 개선된 시스템으로 납축전지 산업에서 이전에 충족되지 못한 필요를 놀랍고 예상하지 못한 방식으로 해결한다.
적어도 특정 실시형태에 따르면, 본 개시 또는 발명은 새롭거나 개선된 분리기, 셀, 전지, 시스템, 및/또는 이러한 새로운 분리기, 셀, 전지, 및/또는 시스템의 제조 및/또는 이용 및/또는 적용 방법에 관한 것이다. 적어도 특정 실시형태에 따르면, 본 개시 또는 발명은: 납축전지; 침수형(flooded) 납축전지; 강화 침수형(enhanced flooded) 납축전지("EFB"); 평판 전지; 관형 전지; 딥(deep)-사이클 전지; 부분 충전 상태("PSoC")에서 작동하는 전지; 밸브 조절형(valve regulated) 납축전지("VRLA"); 겔(gel) 전지; 흡수성 유리 매트(absorptive glass mat)("AGM") 전지; 인버터 전지; 거치용(stationary) 전지; 이동 중에 사용되는 전지; 예를 들어 스팀 터빈 발전기에 의한, 예를 들어 석탄 및/또는 가스 화력 발전소, 및/또는 원자력 발전소에 의한 발전용 에너지 저장; 태양력, 풍력, 수력, 또는 다른 대체 및/또는 재생 에너지원에 의한 발전용 에너지 저장; 일반 에너지 저장 전지; 무정전 전원("UPS") 전지; 높은 저온-시동 전류(cold-cranking ampere)("CCA") 요건을 갖는 전지; 시동-점등-점화("SLI") 차량 전지, 아이들링-스타트-스톱(idling-start-stop)("ISS") 차량 전지, 해양 전지, 자동차 전지, 트럭 전지, 모터사이클 전지, 전-지형(all-terrain) 차량 전지, 지게차 전지, 골프 카트(골프 카로도 불림) 전지, 하이브리드-전기 차량("HEV") 전지, 전기 차량 전지, 경(light) 전기 차량 전지, 저속(neighborhood) 전기 차량("NEV") 전지, 전기-인력거 전지, 전기-세발자전거 전지, 전기-자전거 전지, 전기 스쿠터(scooter) 전지와 같은 차량 전지; 및/또는 이들과 유사한 것; 및/또는 이들의 조합을 위한 새롭거나 개선된 전지 분리기에 관한 것이다. 선택된 실시형태에 따르면, 본 개시 또는 발명은 상술한 전지를 도입한 시스템 또는 차량에 사용되는 전지 분리기에 관한 것이다. 적어도 특정 측면에 따르면, 본 개시 또는 발명은 이러한 개선된 분리기, 셀, 전지, 시스템, 및/또는 이들과 유사한 것을 제조 및/또는 이용하는 개선된 방법에 관한 것이다.
본 발명의 첫 번째 선택된 실시형태에 따르면, 전지 분리기는 제1표면, 및 제1표면으로부터 반대쪽 면 상에 제2표면을 갖는 다공성 멤브레인(membrane) 백웹(backweb)을 구비한다. 분리기는 제1표면으로부터 연장되는 제1복수의 리브(rib), 및 제2표면으로부터 연장되는 제2복수의 리브로 구성되는 리브의 어레이를 추가로 구비한다. 리브의 제1어레이의 적어도 일부는 제2표면 상에 배치되는 제2복수의 리브로부터의 임의의 리브의 반대쪽에 배치되지 않는다.
본 발명의 일부 예시적인 측면에 따르면, 리브의 어레이는 등거리로 이격되거나 이격되지 않을 수 있다. 또한, 제1복수의 리브 및 제2복수의 리브 중 한쪽 또는 양쪽은 등거리로 이격되거나 이격되지 않을 수 있다. 이들 리브 간격은 임의의 조합으로 존재할 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 측면에 따르면, 제1복수의 리브로부터의 하나 이상의 리브가 분리기의 폭에 걸쳐 제2복수의 리브로부터의 하나 이상의 리브와 교대 배치되도록, 리브의 어레이가 배치될 수 있다.
일부 측면에서, 분리기는 분리기 표면의 한쪽 또는 양쪽 상에 배치되는 미니(mini) 교차(cross)-리브를 가질 수 있다. 이들 미니 교차-리브(또는 네거티브(negative) 교차 리브 또는 NCR)는 제1 및 제2복수의 리브 사이에서 분리기의 기계 방향으로 또는 분리기의 교차-기계 방향으로 배치될 수 있다. 미니 교차-리브는 대략 25 ㎛ 내지 대략 75 ㎛의 높이를 가질 수 있다.
선택된 실시형태에서, 제1복수의 리브는 실질적으로 서로 평행할 수 있고, 제2복수의 리브는 실질적으로 서로 평행할 수 있으며, 및/또는 제1복수의 리브는 제2복수의 리브와 실질적으로 평행할 수 있다. 제1복수의 리브 및 제2복수의 리브는 분리기의 기계 방향과 실질적으로 평행할 수 있다.
본 발명의 선택된 바람직한 측면에서, 제1복수의 리브 및/또는 제2복수의 리브는 대략 4 mm 내지 대략 18 mm 사이, 대략 5 mm 내지 대략 16 mm 사이, 또는 대략 6 mm 및 대략 14 mm 사이의 간격으로 이격될 수 있다. 간격은 5 mm, 6 mm, 7 mm, 8 mm, 9 mm, 10 mm, 11 mm, 12 mm, 13 mm, 14 mm, 15 mm, 16 mm, 17 mm, 18 mm, 19 mm, 또는 20 mm일 수 있다.
본 발명의 특정의 바람직한 실시형태에 따르면, 전지 분리기는 다공성 멤브레인 백웹이 일반적으로 평면인 이완된(relaxed) 상태 및 다공성 멤브레인 백웹이 일반적으로 휘어진(warped) 상이한 압축된 상태를 가질 수 있다.
선택된 바람직한 실시형태에 따르면, 분리기는 제1복수의 리브의 끝(tip)에 의해 형성되는 평면, 및 제2복수의 리브의 끝에 의해 형성되는 평면 사이의 거리로 정의되는 전체 두께를 갖는다. 선택된 실시형태에서, 압축된 상태에서의 전체 두께는 적어도 대략 500 ㎛이다. 선택된 실시형태에서, 압축된 상태에서의 전체 두께는 대략 2.0 mm 이하이다. 다른 실시형태에서, 이완된 상태에서의 전체 두께는 대략 3.0 mm 이하이다.
이완된 상태에서, 전체 두께는 다공성 멤브레인 백웹 두께, 제1복수의 리브의 높이, 및 제2복수의 리브의 높이의 합계로서의 값일 수 있다. 이러한 경우에서, 이완된 상태에서의 전체 두께는 대략 3.0 mm 이하이다.
특정의 예시적인 실시형태에서, 제1복수의 리브는 대략 200 ㎛ 내지 대략 1.5 mm의 제1리브 높이를 갖는다. 또한, 제2복수의 리브는 대략 200 ㎛ 내지 대략 1.5 mm의 제2리브 높이를 갖는다.
일부 바람직한 실시형태에서, 제1복수의 리브는 제1리브 높이를 갖고, 상기 제2복수의 리브는 제2리브 높이를 포함한다. 제1높이는 제2리브 높이의 대략 25% 내지 대략 400%와 동일하다.
본 발명의 또 다른 측면은 대략 125 ㎛ 내지 대략 250 ㎛ 사이의 두께를 갖는 다공성 멤브레인 백웹을 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 전지 분리기는 중합체, 열가소성 중합체, 폴리염화비닐("PVC"), 페놀 수지, 천연 또는 합성 고무, 합성 목재 펄프, 리그닌, 유리 섬유, 합성 섬유, 셀룰로오스 섬유, 및/또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 조성을 가질 수 있다. 천연 또는 합성 고무는 고무, 라텍스, 천연 고무, 합성 고무, 가교되거나 미가교된 천연 또는 합성 고무, 경화되거나 미경화된 고무, 크럼(crumb) 또는 분쇄 고무, 폴리이소프렌, 메틸 고무, 폴리부타디엔, 클로로프렌 고무, 부틸 고무, 브로모부틸 고무, 폴리우레탄 고무, 에피클로로히드린 고무, 폴리설파이드 고무, 클로로설포닐 폴리에틸렌, 폴리노르보르넨 고무, 아크릴레이트 고무, 불소 고무 및 실리콘 고무 및 스티렌/부타디엔 고무, 아크릴로니트릴/부타디엔 고무, 에틸렌/프로필렌 고무("EPM" 및 "EPDM") 및 에틸렌/비닐 아세테이트 고무와 같은 공중합체 고무, 및/또는 이들의 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 측면에서, 전지 분리기는 실리카, 건조 미분 실리카, 침강 실리카, 비정질 실리카, 고-파쇄성(friable) 실리카, 알루미나, 탈크, 어분(fish meal), 어골분(fish bone meal), 황산 바륨(BaSO4), 탄소, 전도성 탄소, 흑연, 인조 흑연, 활성탄, 탄소 종이, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 고-표면적 카본 블랙, 그래핀, 고-표면적 그래핀, 케첸(keitjen) 블랙, 탄소 섬유, 탄소 필라멘트, 탄소 나노튜브, 개방(open)-셀 탄소 폼(foam), 탄소 매트, 탄소 펠트(felt), 탄소 풀러렌(Buckminsterfullerene)("Bucky Ball"), 수성 탄소 현탁액, 편상(flake) 흑연, 산화된 탄소, 및/또는 이들의 조합 중 적어도 하나인 충전제를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서, 전지 분리기는 황산 바륨(BaSO4), 아연, 황산 아연, 탄소, 전도성 탄소, 흑연, 인조 흑연, 활성탄, 탄소 종이, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 고-표면적 카본 블랙, 그래핀, 고-표면적 그래핀, 케첸 블랙, 탄소 섬유, 탄소 필라멘트, 탄소 나노튜브, 개방-셀 탄소 폼, 탄소 매트, 탄소 펠트, 탄소 풀러렌("Bucky Ball"), 수성 탄소 현탁액, 편상 흑연, 산화된 탄소, 및/또는 이들의 조합 중 적어도 하나인 코팅을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 예시적인 측면에서, 제1복수의 리브 및 제2복수의 리브 중 한쪽 또는 양쪽은: 솔리드(solid) 리브, 이산형 단속적(discrete broken) 리브, 연속적 리브, 불연속적 리브, 각진(angled) 리브, 선형 리브, 실질적으로 다공성 멤브레인의 기계 방향으로 연장되는 길이방향(longitudinal) 리브, 실질적으로 다공성 멤브레인의 교차-기계 방향으로 연장되는 측방향(lateral) 리브, 실질적으로 다공성 멤브레인의 교차-기계 방향으로 연장되는 횡방향(transverse) 리브, 실질적으로 다공성 멤브레인의 교차-기계 방향으로 연장되는 교차 리브(또는 네거티브 교차 리브 또는 NCR), 이산형 치형(teeth) 또는 치형상(toothed) 리브, 톱니(serration), 톱니형(serrated) 리브, 배틀먼트(battlement) 또는 배틀먼트형(battlemented) 리브, 곡선형(curved) 또는 사인파형(sinusoidal) 리브, 솔리드 또는 단속적 지그-재그형 패션(zig-zag-like fashion)으로 배치, 홈(groove), 채널(channel), 텍스처드(textured) 영역, 범프(bump), 필러(pillar), 엠보스먼트(embossment), 딤플(dimple), 다공성, 비-다공성, 미니 리브 또는 교차-미니 리브, 및 이들의 조합 중 적어도 하나이다. 또 다른 측면에서, 예시적인 전지 분리기는 네거티브 교차-리브(NCR)를 가질 수 있다.
본 발명의 선택된 바람직한 실시형태에서, 납축전지는 하나 이상의 양극, 및 하나 이상의 음극, 그리고 이들 사이에 배치되는 여기서 일반적으로 기술되고 청구되는 일 실시형태의 전지 분리기를 구비한다.
본 발명의 특정 측면에서, 납축전지는: 침수형 납축전지; 강화 침수형 납축전지("EFB"); 평판 전지; 관형 전지; 딥-사이클 전지; 부분 충전 상태("PSoC")에서 작동하는 전지; 밸브 조절형 납축전지("VRLA"); 겔 전지; 흡수성 유리 매트("AGM") 전지; 인버터 전지; 거치용 전지; 이동 중에 사용되는 전지; 발전용 에너지 저장 전지; 일반적인 에너지 저장 전지; 무정전 전원("UPS") 전지; 높은 저온-시동 전류("CCA") 요건을 갖는 전지; 시동-점등-점화("SLI") 차량 전지, 아이들링-스타트-스톱("ISS") 차량 전지, 해양 전지, 자동차 전지, 트럭 전지, 모터사이클 전지, 전-지형 차량 전지, 지게차 전지, 골프 카트(골프 카로도 불림) 전지, 하이브리드-전기 차량("HEV") 전지, 전기 차량 전지, 경 전기 차량 전지, 저속 전기 차량("NEV") 전지, 전기-인력거 전지, 전기-세발자전거 전지, 전기-자전거 전지, 전기 스쿠터 전지와 같은 차량 전지; 및/또는 이들과 유사한 것; 및/또는 이들의 조합 중 하나일 수 있다.
특정의 바람직한 예시적인 실시형태에서, 본 발명은 여기서 일반적으로 기술되고 청구되는 전지 분리기를 이용하는, 여기서 일반적으로 기술되고 청구되는 납축전지를 이용하는 차량, 장치, 또는 시스템을 제공할 수 있다. 상기 차량, 장치, 또는 시스템은: 예를 들어 석탄 및/또는 가스 화력 발전소, 및/또는 원자력 발전소에 의한 스팀 터빈 발전기와 같은 발전 시스템; 예를 들어 태양력, 풍력, 수력, 또는 다른 대체 및/또는 재생 에너지원에 의한 발전 시스템; 무정전 전원("UPS"); 선박; 자동차; 트럭; 모터사이클; 전-지형 차량; 지게차; 골프 카트(골프 카로도 불림); 하이브리드-전기 차량("HEV"); 전기 차량; 경 전기 차량; 저속 전기 차량("NEV"); 전기-인력거; 전기-세발자전거; 전기-자전거; 전기 스쿠터; 및/또는 이들과 유사한 것; 및/또는 이들의 조합 중 적어도 하나일 수 있다.
또한, 섬유질(fibrous) 매트가 제공될 수 있다. 매트는: 유리 섬유, 합성 섬유, 실리카, 적어도 하나의 성능 향상용 첨가제, 라텍스, 천연 고무, 합성 고무, 및 이들의 조합 중 하나일 수 있고, 부직포, 직포, 메시(mesh), 플리스(fleece), 네트(net), 및 이들의 조합일 수 있다.
또한, 전지 분리기는 바닥에 개구를 갖는 컷-피스(cut-piece), 리프(leaf), 포켓, 슬리브, 랩(wrap), 엔벨로프, 및 하이브리드 엔벨로프로서 제공될 수 있다.
제1복수의 리브가 추가로 제공됨으로써 특히 전지의 움직임 중에 전지에서 산 혼합을 향상시킬 수 있다. 분리기는 제1 및 제2표면이 전지의 스타트 및 스톱 모션과 평행하도록 배치될 수 있다. 분리기는 양극, 음극, 또는 분리기와 인접한 매트를 구비할 수 있다. 매트는 적어도 부분적으로 유리 섬유, 합성 섬유, 실리카, 적어도 하나의 성능 향상용 첨가제, 라텍스, 천연 고무, 합성 고무, 및 이들의 임의의 조합으로 제조될 수 있다. 매트는 부직포, 직포, 메시, 플리스, 네트, 및 이들의 조합일 수 있다.
특정 실시형태에서, 전지는 대략 1% 및 대략 99% 사이의 방전 심도(depth of discharge)에서 작동할 수 있다.
적어도 선택된 예시적인 실시형태, 측면, 또는 목적에 따르면, 본 발명은 현재 최신 기술에 의해 이전에 미해결, 미충족, 및/또는 처리되지 못한 문제, 필요, 및/또는 이슈를 적어도 해결, 충족, 및/또는 극복한다. 적어도 특정 목적에 따르면, 본 발명은 개선된 분리기, 개선된 분리기를 이용한 개선된 전지, 및/또는 적어도 상술한 문제를 극복하는, 일부 경우에서는 놀랍게 및 예상 밖으로 극복하는 개선된 전지를 이용한 개선된 시스템을 제공한다.
도 1은 복수의 교대 배치되는 양(+) 전극 및 음(-) 전극, 그리고 이들 사이에 끼워진 분리기를 갖는 통상적인 납축전지의 개략적인 절개 측면도이다.
도 2a는 제1표면과 그 위에 길이방향으로 배치되고 그로부터 연장되며 기계 방향과 실질적으로 평행한 복수의 리브를 갖는 통상적인 분리기의 평면도를 나타낸다. 도 2b는 제1표면과 반대쪽의 제2표면과 그 위에 측방향으로 배치되고 그로부터 연장되며 교차-기계 방향과 실질적으로 평행한 복수의 교차-미니 리브를 갖는 도 2a에 도시된 분리기의 평면도를 나타낸다.
도 3a는 교차-기계 방향(cmd)과 직교하여 바라본 도 2a 및 2b에 도시된 분리기의 단면도이다. 도 3b는 기계 방향(md)과 직교하여 바라본 도 3a에 도시된 분리기의 단면도이다.
도 4는 양극과 접촉하는 메이저 리브 및 음극과 접촉하는 마이너 리브를 갖는, 도 2a 및 2b 그리고 도 3a 및 3b에 도시된 분리기를 포함하는 전극/분리기 조립체의 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 발명 분리기의 예시적인 실시형태의 두 표면의 평면도를 나타낸다. 도 5a는 제1표면과 그 위에 길이방향으로 배치되고 그로부터 연장되며 기계 방향과 실질적으로 평행한 제1복수의 리브를 나타낸다. 도 5b는 제1표면과 반대쪽의 제2표면과 그 위에 길이방향으로 배치되고 그로부터 연장되며 제1표면 상의 리브와 실질적으로 동일한 방향으로 배치되는 제2복수의 리브를 나타낸다. 도 5a 및 5b는 제1복수의 리브 및 제2복수의 리브가 서로 오프셋(offset)되고 서로에 대해 정렬되지 않음을 추가로 나타낸다.
도 6a 및 도 6b는 물리적인 치수에 의해 예시적인 실시형태를 특정하는 도 5a 및 5b에 도시된 본 발명 분리기의 예시적인 실시형태의 단면도이다.
도 7a 및 도 7b는 도 5a 내지 6b에 도시된 본 발명 분리기의 예시적인 실시형태를 포함하는 전극/분리기 조립체의 단면도이다. 도 7a는 이완된 상태에서의 예시적인 분리기를 나타낸다. 도 7b는 압축된 상태에서의 예시적인 분리기를 나타낸다.
도 8 및 도 9는 본 발명 분리기의 별개의 예시적인 본 발명 실시형태의 단면도이다.
도 10은 미니 교차-리브를 갖는 본 발명 분리기의 예시적인 실시형태의 평면도이다.
도 11은 톱니형 리브 또는 배틀먼트형 리브 상에 톱니의 끝을 갖는 본 발명 분리기의 예시적인 실시형태의 평면도이다.
도 12는 리브 대신에 이산형 돌기를 갖는 본 발명 분리기의 예시적인 실시형태의 평면도이다.
도 13은 4개의 프로토타입(prototype) 분리기 및 1개의 대조예 분리기에 대해 4단계의 압축을 통한 전체 분리기 두께(㎛)를 나타내는 그래프이다.
도 14는 4개의 프로토타입 분리기 및 1개의 대조예 분리기에 대해 이전의 압축 단계로부터 전체 두께(㎛)에서의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 15는 4개의 프로토타입 분리기 및 1개의 대조예 분리기에 대해 이전의 압축 단계로부터 전체 두께에서의 백분율(%) 변화를 나타내는 그래프이다.
여기서 도시되고 기술되는 도면은 일정한 축적으로 또는 실제 실시형태에 비례하여 반드시 도시되지 않고, 도면에서 일부 특징의 크기는 명확함을 위해 과장되거나 줄어들 수 있는 것으로 인식된다.
전지 제조사가 전극 간격을 제어하려고 고전함에 따라, 그리고 전지에 움직임 및 진동을 주는 사용이 전극을 움직이고 달가닥거리게 함에 따라, 가변적인 전극 간격을 수용할 수 있는 전지 분리기를 제공할 필요가 있다.
적어도 특정의 예시적인 실시형태, 목적, 또는 측면에 따르면, 본 개시 또는 발명은 적어도 상술한 문제를 극복하는 새롭거나 개선된 분리기, 셀, 전지, 시스템, 이러한 새롭거나 개선된 분리기, 셀, 전지, 및/또는 시스템의 제조, 이용, 및/또는 적용 방법을 제공할 수 있다. 예를 들어, 적어도 특정의 예시적인 실시형태, 목적, 또는 측면은 현재 최신 기술의 통상적인 전지와 비교하여, 그 사이에서 더 작고 압축된 간격을 갖는 전극에 적응 가능한 분리기를 포함하는 전지를 제공하며, 감소된 크기를 갖고 증가된 출력 대 부피 비율을 갖는 전지를 제공한다.
적어도 특정 실시형태에 따르면, 본 개시 또는 발명은 새롭거나 개선된 분리기, 셀, 전지, 시스템, 및/또는 이러한 새로운 분리기, 셀, 전지, 및/또는 시스템의 제조 및/또는 이용 및/또는 적용 방법에 관한 것이다. 적어도 특정 실시형태에 따르면, 본 개시 또는 발명은: 납축전지; 침수형 납축전지; 강화 침수형 납축전지("EFB"); 평판 전지; 관형 전지; 딥-사이클 전지; 부분 충전 상태("PSoC")에서 작동하는 전지; 밸브 조절형 납축전지("VRLA"); 겔 전지; 흡수성 유리 매트("AGM") 전지; 인버터 전지; 예를 들어 스팀 터빈 발전기에 의한, 예를 들어 석탄 및/또는 가스 화력 발전소, 및/또는 원자력 발전소에 의한 발전용 에너지 저장; 태양력, 풍력, 수력, 또는 다른 대체 및/또는 재생 에너지원에 의한 발전용 에너지 저장; 일반 에너지 저장 전지; 무정전 전원("UPS") 전지; 높은 저온-시동 전류("CCA") 요건을 갖는 전지; 시동-점등-점화("SLI") 차량 전지, 아이들링-스타트-스톱("ISS") 차량 전지, 자동차 전지, 트럭 전지, 모터사이클 전지, 전-지형 차량 전지, 지게차 전지, 골프 카트(골프 카로도 불림) 전지, 하이브리드-전기 차량("HEV") 전지, 전기 차량 전지, 경 전기 차량 전지, 전기-인력거 전지, 전기-세발자전거 전지, 전기-자전거 전지, 전기 스쿠터 전지와 같은 차량 전지; 및/또는 이들과 유사한 것을 위한 새롭거나 개선된 전지 분리기에 관한 것이다. 적어도 특정 측면에 따르면, 본 개시 또는 발명은 이러한 개선된 분리기, 셀, 전지, 시스템, 및/또는 이들과 유사한 것을 제조 및/또는 이용하는 개선된 방법에 관한 것이다.
또한, 전지 크기의 감소; 전지 출력 대 부피 비율의 증가; 전지 성능 및/또는 전지 수명의 증가, 향상, 또는 개선; 전극에서 산 가용성의 증가, 향상, 또는 개선; 산 확산의 증가, 향상, 또는 개선; 전지 고장의 감소 또는 완화; 산 층화(stratification)의 감소 또는 완화; 덴드라이트 형성 및 성장의 감소 또는 완화; 산화 안정성의 증가, 향상, 또는 개선; 공극률의 최적화; 비틀림성(tortuosity)의 최적화; 부동 전류의 개선, 유지, 및/또는 감소; 충전 종료 전류의 개선; 딥 사이클 전지를 충전 및/또는 완전 충전하는데 필요한 전류 및/또는 전압의 감소; 충전 수입성(acceptance)의 증가; 내부 전기 저항의 감소; 안티몬 피독의 감소 또는 완화; 습윤성의 증가; 납축전지에서 균일성의 개선; 사이클 성능의 개선 및/또는 이들과 유사한 것을 위한 예시적인 본 발명의 전지 분리기, 방법, 및 시스템이 여기서 개시된다. 적어도 특정 실시형태에 따르면, 본 개시 또는 발명은 새로운 분리기가 이완된 상태 또는 구성 및 압축된 상태 또는 구성, 새롭고 개선된 리브 설계, 성능 향상용 첨가제 또는 코팅, 개선된 충전제, 네거티브 교차 리브, 및/또는 이들과 유사한 것, 및 이들의 조합을 포함하는 개선된 분리기에 관한 것이다.
이하 도 1을 참고하면, 예시적인 납축전지(50)는 교대 배치되는 양극(52) 및 음극(54), 그리고 각 양극(52) 및 음극(54) 사이에 배치되어 끼워지는 분리기(100)를 구비하는 전극/분리기 어레이(50a)를 구비한다. 전극/분리기 어레이(50a)는 리프 또는 컷-피스 분리기(100)로 도시되어 있지만, 이들은 대안적으로 포지티브(positive) 엔벨로프(즉, 양극 엔벨로핑), 네거티브 엔벨로프(즉, 음극 엔벨로핑), 하이브리드 엔벨로프, 포켓, 슬리브, 랩, 및/또는 이들과 유사한 것, 및/또는 이들의 조합으로서 형성될 수 있다.
양극(52)은 통상적으로 양극 활성 재료("PAM")로 도핑되는 이산화 납(PbO2)의 그리드를 갖는다. 음극(54)은 통상적으로 음극 활성 재료("NAM")로 도핑되는 납(Pb)의 그리드를 갖는다. PAM 및 NAM의 양쪽은 전극의 기능성 증가에 기여한다. 양극 및 음극 그리드는 안티몬(Sb), 칼슘(Ca), 주석(Sn), 셀레늄(Se), 및/또는 이들과 유사한 것, 또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 갖는 합금으로서 제공될 수 있다.
예시적인 납축전지(50)는 양극 단자(51) 및 음극 단자(53)를 추가로 구비한다. 양극 단자(51)는 양극(52)과 전기적으로 연결된다. 마찬가지로, 음극 단자(53)는 음극(54)과 전기적으로 연결된다. 단자(51, 53)는 통상적으로 전지(50)의 상단 또는 측면 상에 배치된다.
전극(52, 54) 및 분리기(100)는 실질적으로 전해질(56)에 잠겨 있다. 전해질은 바람직하게는 물 및 황산(H2SO4)의 용액이다. 전해질 용액은 바람직하게는 대략 1.215 내지 대략 1.300의 범위로, 대략 1.28의 비중을 갖는다.
분리기의 목적은 전지를 단락시키는 전극 서로 간의 전기 전도로부터 전극을 분리 및 절연시키고, 그러나 전지의 전기화학 반응에 필요한 전해질을 통한 전극 사이의 이온 전도를 유지시키는 것이다. 따라서, 분리기는 전기적으로 비-전도성이어야 하고, 그러나 이온 전도를 허용하기에 충분히 다공성이어야 한다. 만약 분리기가 너무 다공성이거나 너무 큰 기공을 갖는다면, 덴드라이가 전극 사이의 틈을 가교하여 전지를 단락시키기에 충분히 크게 형성될 수 있다. 극히 큰 기공은 전극 사이의 직접적인 물리적 접촉을 허용할 수 있다.
예시적인 전지(50)의 상단 및 바닥이 도 1에 표시되어 있다. 도 1은 분리기(100)의 기계 방향 및 교차-기계 방향에 해당하는 길이방향 또는 기계 방향(md) 화살표 및 횡방향 또는 교차-기계 방향(cmd) 화살표를 추가로 표시한다. 기계 방향(md)은 통상적으로 전지(50)의 상단부터 바닥까지 연장되고 분리기(100)와 실질적으로 평행하며, 교차-기계 방향(cmd)은 기계 방향(md)과 실질적으로 직교하고 분리기(100)와 실질적으로 평행하다.
이하 도 2a 및 도 2b를 참고하면, 통상적인 분리기(100)는 2개의 주요한 대향하는 표면(102p, 102n)을 갖는 실질적으로 평탄한 웹인 다공성 멤브레인 백웹(102)을 구비하고, 도시된 바와 같이 주요한 대향하는 표면(102p, 102n)으로부터 연장되는 리브(104, 106)을 갖는다. 예시적인 다공성 멤브레인은 약 5 ㎛ 미만, 바람직하게는 약 1 ㎛ 미만의 기공을 갖는 마이크로다공성(microporous) 멤브레인, 약 1 ㎛ 초과의 기공을 갖는 메조(meso)다공성 멤브레인, 또는 매크로(macro)다공성 멤브레인일 수 있다. 다공성 멤브레인은 바람직하게는 100 ㎛까지의 서브-마이크론(sub-micron), 특정 실시형태에서는 약 0.1 ㎛ 내지 약 10 ㎛ 사이의 기공 크기를 가질 수 있다. 특정 실시형태에서, 여기서 기술되는 다공성 멤브레인 공극률은 대략 50% 내지 약 65% 초과일 수 있고, 심지어 대략 70%, 75% 또는 심지어 80%까지 또는 그 이상일 수 있다. 특정의 선택된 실시형태에서, 다공성 멤브레인은 평탄하거나, 이의 하나 이상의 주요 표면(102p, 102n)으로부터 연장되는 리브(104, 106)를 가질 수 있다.
도 2a를 계속 참고하면, 통상적인 예시적인 분리기(100)는 다공성 멤브레인 백웹(102), 및 제1주요 표면(102p) 상에 배치되고 이로부터 연장되며, 실질적으로 분리기(100)의 기계 방향(md)으로 정렬되는 길이방향으로 실질적으로 정렬되는 복수, 시리즈, 어레이, 또는 세트의 리브(104)를 갖는 것으로 도시되어 있다. 도 2b를 참고하면, 통상적인 예시적인 분리기(100)는 다공성 멤브레인 백웹(102), 및 제2주요 표면(102n) 상에 배치되고 이로부터 연장되며, 실질적으로 분리기(100)의 교차-기계 방향(cmd)으로 정렬되는 실질적인 측방향에서 횡방향으로 정렬되는 복수, 시리즈, 어레이, 또는 세트의 리브(106)를 갖는 것으로 도시되어 있다. 다시 도 1을 참고하면, 기계 방향(md)은 실질적으로 전지(50)의 상단으로부터 바닥으로 정렬되고 분리기(100)의 주요 표면(102p, 102n)과 실질적으로 평행하며, 반면에 교차-기계 방향(cmd)은 기계 방향과 실질적으로 직교하여 실질적으로 정렬되고, 분리기(100)의 주요 표면(102p, 102n)과 실질적으로 평행하다. 도면을 통해 도시된 바와 같이, 기계 방향은 md로 표시된 화살표 라인으로 도시되어 있고, 교차-기계 방향은 cmd로 표시된 화살표 라인으로 도시되어 있다.
상술한 바와 같이, Daramic®로 일부 제조되고 판매되는 것과 같은 통상적인 상업적으로 이용가능한 전지 분리기(100)는 제1표면(102p), 및 반대쪽의 제2표면(102n)을 갖는 다공성 멤브레인 백웹(102)을 구비한다. 제1표면(102p)은 분리기(100)가 전지 또는 전지 셀 조립체 내에 배치될 경우 양극과 마주보는 표면일 수 있고, 제2표면(102n)은 분리기(100)가 전지 또는 전지 셀 내에 배치될 경우 음극과 마주보는 표면일 수 있다. 복수, 시리즈, 어레이, 또는 세트의 포지티브 리브(104)는 통상적으로 제1표면(102p)(포지티브 표면) 상에 배치되고 이로부터 연장되며, 반면에 복수, 시리즈, 어레이, 또는 세트의 네거티브 리브(106)는 통상적으로 제2표면(102n)(네거티브 표면) 상에 배치되고 이로부터 연장된다. 포지티브 리브(104)는 때때로 메이저 리브로 불리는데, 이들은 때때로 마이너 리브로 불리는 네거티브 리브(106)보다 통상적으로 크기 때문이다. 도 2a, 2b, 3a, 3b 및 4에 도시된 바와 같이, 제2복수, 시리즈, 어레이, 또는 세트의 리브(106)는 포지티브 리브보다 짧은 높이, 및 포지티브 리브보다 빽빽한 간격을 갖는 교차-네거티브 리브로 도시되어 있다.
이하 도 3a, 3b 및 4를 참고하면, 통상적인 상업적으로 이용가능한 분리기(100)가 수 개의 치수로 특정된다. 도 3a 및 3b는 통상적인 상업적으로 이용가능한 분리기(100)를 전지 또는 전지 셀 조립체 없이 나타내고, 반면에 도 4는 전지 또는 전지 셀 조립체 내의 통상적인 상업적으로 이용가능한 분리기(100)를 나타낸다. 도 3a는 제1복수, 시리즈, 어레이, 또는 세트의 리브(104)(즉, 포지티브 리브)의 포지티브 리브 간격(SpacingPos)을 나타내고 특정한다. 포지티브 리브 간격(SpacingPos)은 제1복수의 리브(104)의 적어도 일부, 가능하게는 심지어 분리기의 폭(WidthSep)에 걸쳐 거의 모든 제1복수의 리브(104)에 대해 통상적으로 고정된다. 따라서, 포지티브 리브 간격(SpacingPos)은 분리기 폭(WidthSep)에 걸쳐 변할 수 있다. 도 3a 및 3b는 제1복수의 리브(104)(즉, 포지티브 리브)의 높이(HeightPos), 제2복수의 리브(106)(즉, 네거티브 리브)의 높이(HeightNeg), 백웹 두께(ThicknessBW), 및 전체 두께(ThicknessOA)를 추가로 나타내고 특정한다(도 4에도 도시됨). 전체 두께(ThicknessOA)는 통상적으로 포지티브 리브 높이(HeightPos), 네거티브 리브 높이(HeightNeg), 및 백웹 두께(ThicknessBW)의 합계이다. 통상적인 상업적으로 이용가능한 분리기(100)의 경우, 전체 두께(ThicknessOA)는 분리기(100)가 전지 또는 전지 셀 조립체 내에 또는 이들 없이 배치되든 아니든 실질적으로 고정된 일정한 값이다. 리브 높이 치수(HeightPos, HeightNeg)는 주어진 분리기(100)에 대해 가변적일 수 있다. 최고 높이 값을 갖는 높이 치수는 전체 두께(ThicknessOA)를 결정하는데 사용될 것이다. 도시된 바와 같이, 리브 높이 치수(HeightPos, HeightNeg)는 각각의 높이 치수에 대해 고정된 값을 갖는다. 도 4는 전지 셀 조립체 내에 그리고 양극(52) 및 음극(54) 사이에 배치된 분리기(100)를 나타낸다.
이하, 도 5a 내지 도 9를 참고하면, 본 개시 또는 발명의 발명 분리기(200)의 예시적인 실시형태는 다공성 멤브레인 백웹(202)을 구비한다. 예시적인 본 발명 분리기(200)의 예시적인 다공성 멤브레인은 약 5 ㎛ 미만, 바람직하게는 약 1 ㎛ 미만의 기공을 갖는 마이크로다공성 멤브레인, 약 1 ㎛ 초과의 기공을 갖는 메조다공성 멤브레인, 또는 매크로다공성 멤브레인일 수 있다. 다공성 멤브레인은 바람직하게는 100 ㎛까지의 서브-마이크론, 특정 실시형태에서는 약 0.1 ㎛ 내지 약 10 ㎛ 사이의 기공 크기를 가질 수 있다. 특정 실시형태에서, 여기서 기술되는 다공성 멤브레인 공극률은 대략 50% 내지 약 65% 초과일 수 있고, 심지어 대략 70%, 75% 또는 심지어 80%까지 또는 그 이상일 수 있다. 특정의 선택된 실시형태에서, 다공성 멤브레인은 평탄하거나, 이의 하나 이상의 주요 표면(202p, 202n)으로부터 연장되는 리브(204, 206)를 가질 수 있다.
본 개시 또는 발명의 예시적인 본 발명 분리기(200)는 2개의 주요한 대향하는 표면(202p, 202n)을 갖는 실질적으로 평탄한 웹인 다공성 멤브레인 백웹(202)을 구비한다. 제1복수, 시리즈, 어레이, 또는 세트의 리브(204)는 제1표면(202p) 상에 배치되고 이로부터 연장되며, 반면에 제2복수, 시리즈, 어레이, 또는 세트의 리브(206)는 제2표면(202n) 상에 배치되고 이로부터 연장된다. 제1표면(202p)은 분리기(200)가 전지 또는 전지 셀 조립체 내에 배치될 경우 양극과 마주보는 표면일 수 있다. 제2표면(202n)은 분리기(200)가 전지 또는 전지 셀 조립체 내에 배치될 경우 음극과 마주보는 표면일 수 있다. 따라서, 제1복수, 시리즈, 어레이, 또는 세트의 리브(204)는 포지티브 리브(204)로 불릴 수 있고 전지 또는 전지 셀 조립체 내에 배치될 경우 양극(52)과 인접할 수 있으며, 제2복수, 시리즈, 어레이, 또는 세트의 리브(206)는 네거티브 리브(206)로 불릴 수 있고 전지 또는 전지 셀 조립체 내에 배치될 경우 음극(54)과 인접할 수 있다. 도시된 바와 같이, 제1복수의 리브(204) 및 제2복수의 리브(206)는 분리기(200)의 기계 방향과 그리고 서로와 실질적으로 정렬되고 이들과 평행하다. 또한, 제1복수의 리브(204)의 적어도 일부는 제2복수의 리브(206)의 임의의 리브로부터 오프셋되고 이들과 정렬되지 않는다. 도 5a 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 제1복수의 리브(204)의 어느 것도 제2복수의 리브(206)의 임의의 리브와 정렬되지 않는다.
이하 도 6a를 참고하면, 예시적인 분리기(200)의 실시형태가 수 개의 물리적 치수로 특정된다. 제1복수, 시리즈, 어레이, 또는 세트의 리브(204)(즉, 포지티브 리브)는 분리기 폭(WidthSep)에 걸쳐 높이 치수(HeightPos) 및 간격 치수(SpacingPos)를 갖는다. 포지티브 리브 간격(SpacingPos)은 제1복수의 리브(204)의 적어도 일부, 가능하게는 심지어 분리기의 폭(WidthSep)에 걸쳐 거의 모든 제1복수의 리브(204)에 대해 고정되거나 일정할 수 있다. 따라서, 포지티브 리브 간격(SpacingPos)은 분리기 폭(WidthSep)에 걸쳐 고정되거나 일정하고, 및/또는 변할 수 있다. 포지티브 리브 간격(SpacingPos)이 고정되거나 일정할 경우, 포지티브 리브(204)는 분리기 폭(WidthSep)에 걸쳐 등거리로 배치된다. 도시된 바와 같이, 포지티브 리브 간격(SpacingPos)은 고정된다. 제2복수, 시리즈, 어레이, 또는 세트의 리브(206)(즉, 네거티브 리브)는 분리기 폭(WidthSep)에 걸쳐 높이 치수(HeightNeg) 및 간격 치수(SpacingNeg)를 갖는다. 네거티브 리브 간격(SpacingNeg)은 제2복수의 리브(206)의 적어도 일부, 가능하게는 심지어 분리기의 폭(WidthSep)에 걸쳐 거의 모든 제2복수의 리브(206)에 대해 고정될 수 있다. 따라서, 네거티브 리브 간격(SpacingNeg)은 분리기 폭(WidthSep)에 걸쳐 고정되거나 일정하고, 및/또는 변할 수 있다. 도시된 바와 같이, 네거티브 리브 간격(SpacingNeg)은 고정된다. 네거티브 리브 간격(SpacingNeg)이 고정되거나 일정할 경우, 네거티브 리브(206)는 분리기 폭(WidthSep)에 걸쳐 등거리로 배치된다. 높이 치수(HeightPos, HeightNeg)는 리브(204, 206)가 연장되는 백웹(202)의 각 표면(202p, 202n)으로부터 측정되는 리브(204, 206)의 높이로서 정의된다. 높이 치수(HeightPos, HeightNeg)는 동일하거나 동일하지 않을 수 있다. 또한, 높이 치수(HeightPos, HeightNeg)는 모든 리브에 대해 고정되거나 일정할 수 있는데 - 이는 모든 리브가 동일한 높이인 것을 의미한다. 반대로, 포지티브 리브 높이(HeightPos)는 포지티브 리브(204) 중에서 변할 수 있고, 네거티브 리브 높이(HeightNeg)는 네거티브 리브(206) 중에서 변할 수 있다.
도 6a를 계속 참고하면, 예시적인 새로운 분리기(200)의 실시형태는 리브가 배치되는 백웹의 면과 상관 없이 하나의 리브로부터 다음 리브까지의 거리인 전체 리브 간격 치수(SpacingRib)를 추가로 구비한다. 도시된 바와 같이, 포지티브 리브 간격(SpacingPos)은 네거티브 리브 간격(SpacingNeg)과 동일하다. 또한 도시된 바와 같이, 전체 리브 간격(SpacingRib)은 적어도 일부 또는 모든 분리기 폭(WidthSep)에 걸쳐 고정되거나 일정하고, 이에 따라 리브(204, 206)는 전체적으로 등거리로 이격된다. 그러나, 포지티브 리브 간격(SpacingPos)은 전체 리브 간격(SpacingRib)이 분리기 폭(WidthSep)에 걸쳐 고정되거나 일정한 것과 상관 없이 네거티브 리브 간격(SpacingNeg)과 동일할 수 있다.
새로운 분리기(200)의 적어도 특정의 선택된 실시형태에서, 포지티브 리브 간격 치수(SpacingPos)는 바람직하게는 네거티브 리브 간격 치수(SpacingNeg)와 동일하다. 또한, 전체 리브 간격 치수(SpacingRib)는 바람직하게는 포지티브 리브 및 네거티브 리브 간격 치수(SpacingPos, SpacingNeg)의 절반과 동일하다.
도 6b를 참고하면, 예시적인 본 발명 분리기(200)의 실시형태는 전체 두께(ThicknessOA)에 의해 추가로 특정된다. 전체 두께(ThicknessOA)는 제1평면(210)으로부터 제2평면(212)까지의 거리로 정의된다. 제1평면(210)은 제1복수의 리브(204)의 끝(211)과 일반적으로 및 실질적으로 동일 평면 상에 있다. 제2평면(212)은 제2복수의 리브(206)의 끝(213)과 일반적으로 및 실질적으로 동일 평면 상에 있다. 리브의 팁(211, 213)은 분리기 백웹(202)으로부터 가장 먼 리브(204, 206)의 지점으로서 정의된다.
이하 도 7a 및 도 7b를 참고하면, 예시적인 새로운 분리기(200)는 양극(52) 및 음극(54) 사이에 배치된다. 도 7a는 이완된 상태로 전극/분리기 조립체(50a)에 배치된 예시적인 새로운 분리기(200)를 나타내는데 - 이는 분리기가 압축 하에 있지 않음을 의미한다. 도 7a에서, 새로운 분리기(200)는 전체 이완 두께(ThicknessRelax)를 갖는다. 도 7b는 압축된 상태로 전극/분리기 조립체(50a)에 배치된 예시적인 새로운 분리기(200)를 나타내는데 - 이는 분리기가 압축 하에 있음을 의미한다. 도 7b에서, 새로운 분리기(200)는 전체 압축 두께(ThicknessCompress)를 갖는다. 압축 두께(ThicknessCompress)는 이완 두께(ThicknessRelax)보다 작은 것으로 인식된다.
이하 도 8을 참고하면, 예시적인 새로운 분리기(200)는 상기에서 일반적으로 기술된 수 개의 치수에 의해 특정된다. 특정의 선택된 실시형태에서, 포지티브 리브(204)는 고정되거나 일정한 간격 거리(SpacingPos)에 의해 등거리로 이격되고, 네거티브 리브(206)는 복수의 리브 간격 거리(Spacing1Neg, Spacing2Neg)에 의해 가변적으로 이격된다. 네거티브 리브 간격(Spacing1Neg, Spacing2Neg)이 가변적임에도 불구하고, 전체 리브 간격(SpacingRib)은 일정하여 리브(204, 206)가 등거리로 이격될 수 있다.
도 9를 참고하면, 예시적인 새로운 분리기(200)는 상기에서 일반적으로 기술된 수 개의 치수에 의해 특정된다. 특정의 선택된 실시형태에서, 포지티브 리브(204)는 복수의 리브 간격 거리(Spacing1Pos, Spacing2Pos)에 의해 가변적으로 이격된다. 네거티브 리브(206)는 고정되거나 일정한 간격 거리(SpacingNeg)에 의해 등거리로 이격된다. 도 9는 가변적인 전체 리브 간격을 갖는 구성을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 전체 리브(204, 206)는 복수의 리브 간격 거리(Spacing1Rib, Spacing2Rib)에 의해 가변적으로 이격된다.
도면에 도시되지 않았지만, 포지티브 리브(204) 또는 네거티브 리브(206) 중 단지 하나가 복수의 리브 간격 거리를 갖는 대신에, 포지티브 리브(204) 및 네거티브 리브(206) 양쪽은 가변적인 또는 복수의 리브 간격 거리를 가질 수 있는 것으로 고려된다. 또한, 전체 리브 간격(SpacingRib)은 포지티브 리브 간격(SpacingPos) 또는 네거티브 리브 간격(SpacingNeg) 값과 관계 없이 고정되거나 가변적일 수 있다.
도 6a, 8, 및 9에 도시된 바와 같이, 리브 간격 거리 치수(SpacingRib, Spacing1Rib, Spacing2Rib, SpacingPos, Spacing1Pos, Spacing2Pos, SpacingNeg, Spacing1Neg, 및 Spacing2Neg)는 한 리브의 가장자리부터 다음 리브의 가장자리까지 측정되지만, 또한 중심 대 중심으로 측정될 수 있다. 이것은 리브 폭이 분리기 표면 사이에서 또는 공통 표면 상에서 변할 경우 더욱 정확할 수 있다. 선택된 예시적인 실시형태에서, 포지티브 리브 간격은 대략 1.0 mm 및 대략 12 mm 사이, 바람직하게는 대략 2.0 mm 및 대략 9.0 mm 사이, 더욱 바람직하게는 대략 4.0 mm 및 대략 6.0 mm 사이일 수 있다. 특정의 예시적인 실시형태에서, 네거티브 리브 간격은 대략 1.0 mm 및 대략 12 mm 사이, 바람직하게는 대략 2.0 mm 및 대략 9.0 mm 사이, 더욱 바람직하게는 대략 4.0 mm 및 대략 6.0 mm 사이일 수 있다. 선택된 실시형태에서, 포지티브 리브 간격 및 네거티브 리브 간격은 바람직하게는 실질적으로 서로 동일할 수 있다. 전체 리브 간격은 일반적으로 포지티브/네거티브 리브 간격의 50%의 바람직한 값에서 분리기 폭에 걸쳐 균형 잡히고 일관되거나, 또는 고정될 수 있다. 따라서, 네거티브 리브는 두 포지티브 리브 사이의 중간에 (그러나 포지티브 리브의 반대쪽 표면 상에) 중심을 둘 것이고, 포지티브 리브는 두 네거티브 리브 사이의 중간에 (그러나 네거티브 리브의 반대쪽 표면 상에) 중심을 둘 것이다.
일부 바람직한 예시적인 실시형태에서, 백웹 두께는 대략 100 ㎛ 및 대략 300 ㎛ 사이, 바람직하게는 대략 150 ㎛ 및 대략 250 ㎛ 사이, 더욱 바람직하게는 대략 175 ㎛ 및 대략 225 ㎛ 사이일 수 있다.
특정의 바람직한 예시적인 실시형태에서, 리브 높이는 대략 100 ㎛ 및 대략 600 ㎛ 사이, 바람직하게는 대략 150 ㎛ 및 대략 500 ㎛ 사이, 더욱 바람직하게는 대략 200 ㎛ 및 대략 400 ㎛ 사이일 수 있다. 선택된 예시적인 실시형태에서, 포지티브 리브 높이 및 네거티브 리브 높이는 실질적으로 서로 동일할 수 있다. 대안적으로, 한 세트의 리브는 다른 세트의 리브의 높이의 대략 100% 및 대략 500% 사이, 바람직하게는 대략 100% 및 대략 300% 사이일 수 있다.
상기에서 열거된 리브 간격 치수, 백웹 두께 치수, 및 리브 높이 치수는 선택적인 실시형태에서 바람직하지만, 이들 치수는 이들 범위 밖일 수 있고 본 발명의 범위에 있을 수 있는 것으로 인식된다.
도 10을 참고하면, 본 발명의 예시적인 분리기(300)는 그 위에 배치되고 이로부터 연장되는 세트의 메이저 리브(304/306)를 갖는 일반적으로 평탄한 백웹(302)을 구비한다. 추가적으로, 미니-교차 리브(305/307)가 분리기 백웹(302)의 일면 또는 양면 상에 그리고 메이저 리브(304/306) 사이에 배치될 수 있다. 이들 미니 리브(305/307)는 교차-기계 방향(cmd)으로의 강성 및 분리기(300)로부터 중량/재료를 감소시키는 수단을 제공한다. 도면 부호의 명명은 분리기 백웹(302)의 제1표면 상에 제1복수의 메이저 리브(304), 및 제1세트의 미니-교차 리브(305); 및 분리기 백웹(302)의 제2표면 상에 제2복수의 메이저 리브(306), 및 제2세트의 미니-교차 리브(307)를 언급하는 것으로 인식된다. 음극과 마주보는 표면 상에 배치될 경우, 미니-교차 리브(305/307)는 네거티브 교차 리브로 불릴 수 있다.
이하 도 11을 참고하면, 본 발명의 예시적인 분리기(400)는 그 위에 배치되고 이로부터 연장되는 톱니형 리브(404, 406)를 갖는 일반적으로 평탄한 백웹(402)을 구비한다. 제1복수의 톱니형 리브(404)는 제1표면(402p) 상에 배치되어 구비되고, 제2복수의 톱니형 리브(406)(점선으로 표시됨)는 제1표면(402p)의 반대쪽 표면 상에 배치되어 구비된다. 볼 수 있는 바와 같이, 양쪽 복수의 톱니형 리브(404, 406)는 서로 오프셋되고, 톱니의 끝도 서로 오프셋되어 있다. 톱니형 리브(404, 406)는 또한 또는 대안적으로 여기서 참고로 도입되는 Miller 등의 U.S. 특허 제7,094,498호에서 일반적으로 기술된 배틀먼트형 리브일 수 있다.
이하 도 12를 참고하면, 본 발명의 예시적인 분리기(500)는 그 위에 배치되고 이로부터 연장되는 돌기(504, 506)를 갖는 일반적으로 평탄한 백웹(502)을 구비한다. 제1복수의 돌기(504)는 제1표면(502p) 상에 배치되어 구비되고, 제2복수의 돌기(506)(점선으로 표시됨)는 제1표면(502p)의 반대쪽 표면 상에 배치되어 구비된다. 볼 수 있는 바와 같이, 양쪽 복수의 돌기(504, 506)는 서로 오프셋되고, 돌기의 끝도 서로 오프셋되어 있다. 돌기(504, 506)는 또한 또는 대안적으로 여기서 참고로 도입되는 Miller 등의 U.S. 특허 제9,461,291호에서 일반적으로 기술된 엠보스먼트 또는 엠보스형 리브일 수 있다.
여기서 논의되는 바와 같이, 침수형 납축전지, 특히 부분 충전 상태에서 작동하거나 작동하는 것으로 의도되는 침수형 납축전지에 시판, 판매 및 사용되는 현재의 분리기는 종국적으로 작동 불능의 전지에 이르게 되는 산의 상술한 짜내기(squeezing) 및 변위를 나타낸다. 따라서, 부분 충전 상태에서 전극에서의 개선된 산 가용성을 갖는 침수형 납축전지, 특히 부분 충전 상태에서 작동하는 침수형 납축전지(예를 들어, 스타트/스톱 차량, 전기 차량, 경 전기 차량, 하이브리드 차량, 전력 수집 인버터, 및/또는 이들과 유사한 것에 사용되는 것)를 위한 개선된 분리기가 필요하다.
선택된 실시형태에서, 포지티브 또는 네거티브 리브는 일반적으로: 솔리드 또는 연속적, 톱니형, 불연속적, 이산형 치형 또는 치형상 리브, 이산형 단속적 리브, 배틀먼트, 및/또는 배틀먼트형 리브; 선형, 곡선형, 물결형, 각진, 연속적 또는 불연속적 지그-재그-톱니형 리브, 및/또는 사인파형 리브; 실질적으로 분리기의 기계 방향에서 길이방향으로 연장되는 리브, 실질적으로 분리기의 교차-기계 방향에서 측방향으로 연장되는 리브, 실질적으로 분리기의 상기 교차-기계 방향에서 횡방향으로 연장되는 리브, 홈, 채널, 텍스처드 영역, 엠보스먼트, 이산형 돌기, 딤플, 칼럼, 미니 칼럼, 다공성, 비-다공성, 미니 리브, 교차-미니 리브, 산 혼합 리브, 및 이들의 조합 중 임의의 것 또는 조합일 수 있다.
예시적인 선택된 실시형태에서, 산-혼합 리브는 포지티브 또는 네거티브 리브 중 한쪽 또는 양쪽 상에 있을 수 있고, 분리기의 가장자리에 대해 평행하지 않거나 직교하지 않는 각도로 특정되는 것 중 임의 형태 또는 조합일 수 있다. 또한, 상기 각도는 리브의 열, 행, 및/또는 이산형 요소 전체에 걸쳐 변할 수 있다. 각진 리브 패턴은 가능하게는 특정 전지에서 산 층화를 감소, 제거, 및/또는 완화하고, 및/또는 특정 전지에서 산 층화의 영향 및/또는 상태를 뒤바꾸는데 도움을 줄 수 있는 바람직한 Daramic® RipTideTM 산 혼합 리브 프로파일일 수 있다. 또한, 각도는 다공성 멤브레인의 기계 방향에 대한 것으로서 특정될 수 있고, 각도는 대략 0도(0°) 초과 및 대략 180도(180°) 미만, 그리고 대략 180도(180°) 초과 및 대략 360도(360°) 미만 사이일 수 있다.
리브는 측면 가장자리부터 측면 가장자리까지 분리기의 폭에 걸쳐 균일하게 연장될 수 있다. 이것은 유니버설 프로파일로서 알려져 있다. 대안적으로, 분리기는 측면 가장자리와 인접하고 주요 리브와 상이한 리브 패턴을 갖는 사이드 패널을 가질 수 있다. 대안적으로, 사이드 패널은 대안적으로 평탄할 수 있다. 사이드 패널은 이하에서 논의될 분리기의 엔벨로핑 시에 이루어지는 바와 같이, 분리기의 한 가장자리 내지 분리기의 다른 가장자리를 밀봉하는데 도움을 줄 수 있다.
분리기(100)는 리프 또는 리프들, 랩, 슬리브로서, 또는 엔벨로프 또는 포켓 분리기로서 제공될 수 있다. 예시적인 엔벨로프 분리기는 양극을 엔벨로핑할 수 있어서("포지티브 엔벨로핑 분리기"), 분리기는 엔벨로핑된 양극과 마주보는 2개의 내부면 및 인접한 음극과 마주보는 2개의 외부면을 갖는다. 대안적으로, 또 다른 예시적인 엔벨로프 분리기는 음극을 엔벨로핑할 수 있어서("네거티브 엔벨로핑 분리기"), 분리기는 엔벨로핑된 음극과 마주보는 2개의 내부면 및 인접한 양극과 마주보는 2개의 외부면을 갖는다. 이러한 엔벨로핑된 분리기에서, 하부 가장자리(103)는 접히거나 밀봉된 주름(crease) 가장자리일 수 있다. 또한, 측면 가장자리는 연속적으로 또는 간헐적으로 밀봉된 심(seam) 가장자리일 수 있다. 가장자리는 접착제, 열, 초음파 용접, 및/또는 이들과 유사한 것, 또는 이들의 임의 조합에 의해 핀치(pinch) 밀봉, 접합, 또는 밀봉될 수 있다.
특정의 예시적인 분리기는 가공되어 하이브리드 엔벨로프를 형성할 수 있다. 하이브리드 엔벨로프는 분리기 시트를 반으로 접고 분리기 시트의 가장자리를 함께 밀봉하여 엔벨로프를 형성하기 전에, 중에 또는 후에 하나 이상의 슬릿(slit) 또는 개구(opening)를 형성함으로써 제공될 수 있다. 개구의 길이는 전체 가장자리 길이의 적어도 1/50, 1/25, 1/20, 1/15, 1/10, 1/8, 1/5, 1/4 또는 1/3일 수 있다. 개구의 길이는 전체 가장자리 길이의 1/50 내지 1/3, 1/25 내지 1/3, 1/20 내지 1/3, 1/20 내지 1/4, 1/15 내지 1/4, 1/15 내지 1/5 또는 1/10 내지 1/5일 수 있다. 하이브리드 엔벨로프는 하부 가장자리의 길이를 따라 동일하게 배치되거나 그렇지 않을 수 있는, 1-5, 1-4, 2-4, 2-3 또는 2개의 개구를 가질 수 있다. 엔벨로프의 코너에는 개구가 없는 것이 바람직하다. 슬릿은 분리기가 접히고 밀봉되어 엔벨로프를 형성한 후에 절단될 수 있거나, 슬릿은 다공성 멤브레인을 엔벨로프로 성형하기 전에 형성될 수 있다.
본 개시 또는 발명의 발명 분리기의 예시적인 실시형태는 양극과 마주보는 표면, 포지티브 리브, 및 이들과 유사한 것으로 기술되는 것이 음극과 마주보는 표면, 네거티브 리브, 및 이들과 유사한 것으로서 사용될 수 있도록 구성될 수 있는 것으로 인식된다. 따라서, 본 개시 또는 발명의 발명 분리기의 예시적인 실시형태는 음극과 마주보는 표면, 네거티브 리브, 및 이들과 유사한 것으로 기술되는 것이 양극과 마주보는 표면, 포지티브 리브, 및 이들과 유사한 것으로서 사용될 수 있도록 구성될 수 있다. 추가적으로, 포지티브 엔벨로프, 포지티브 하이브리드 엔벨로프, 포지티브 슬리브, 포지티브 포켓, 및 이들과 유사한 것은 또한 네거티브 엔벨로프, 네거티브 하이브리드 엔벨로프, 네거티브 슬리브, 네거티브 포켓, 및 이들과 유사한 것으로 사용될 수 있고, 그 반대도 가능하다. 일반적으로, 포지티브 면, 물체, 또는 전극을 언급하는 본 발명의 실시형태는 네거티브 면, 물체, 또는 전극에 대해 대체될 수 있고, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 그 반대도 가능하다.
특정 실시형태에서, 다공성 멤브레인 및 리브를 포함하는 개선된 분리기는: 천연 또는 합성 베이스 재료; 가공 가소제; 충전제; 천연 또는 합성 고무 또는 라텍스, 및 하나 이상의 다른 첨가제 및/또는 코팅, 및/또는 이들과 유사한 것으로 제조될 수 있다.
특정 실시형태에서, 예시적인 천연 또는 합성 베이스 재료는 중합체; 열가소성 중합체; 페놀 수지; 천연 또는 합성 고무; 합성 목재 펄프; 리그닌; 유리 섬유; 합성 섬유; 셀룰로오스 섬유; 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 특정의 바람직한 실시형태에서, 예시적인 분리기는 열가소성 중합체를 포함할 수 있다. 예시적인 열가소성 중합체는 원칙적으로 납축전지에 사용되기에 적합한 모든 내산성(acid-resistant) 열가소성 재료를 포함할 수 있다. 특정의 바람직한 실시형태에서, 예시적인 열가소성 중합체는 폴리비닐 및 폴리올레핀을 포함할 수 있다. 특정 실시형태에서, 폴리비닐은 예를 들어 폴리염화비닐("PVC")을 포함할 수 있다. 특정의 바람직한 실시형태에서, 폴리올레핀은 예를 들어 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-부텐 공중합체, 및 이들의 조합을 포함할 수 있지만, 바람직하게는 폴리에틸렌을 포함할 수 있다. 특정 실시형태에서, 예시적인 천연 또는 합성 고무는 예를 들어 라텍스, 미-가교 또는 가교 고무, 크럼 또는 분쇄 고무, 및 이들의 임의 조합을 포함할 수 있다.
선택된 예시적인 실시형태에서, 분리기는 바람직하게는 폴리올레핀, 특히 폴리에틸렌을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 폴리에틸렌은 고분자량 폴리에틸렌("HMWPE")이다. 예시적인 HMWPE는 적어도 600,000의 분자량을 가질 수 있다. 더욱 바람직하게는, 폴리에틸렌은 초-고분자량 폴리에틸렌("UHMWPE")이다. 예시적인 UHMWPE는 점도계로 측정되고 Margolie의 식으로 계산된 것으로, 적어도 1,000,000, 특히 4,000,000 초과, 가장 바람직하게는 5,000,000 내지 8,000,000의 분자량을 가질 수 있다. 또한, 예시적인 UHMWPE는 2,160 g의 표준 하중(load)을 이용하여 ASTM D 1238(조건 E)에 명시된 바와 같이 측정된 실질적으로 영(0)의 표준 하중 용융 지수(melt index)를 가질 수 있다. 또한, 예시적인 UHMWPE는 130℃에서 100 g의 데칼린(decalin) 중 0.02 g의 폴리올레핀의 용액에서 측정된 600 ml/g 이상, 바람직하게는 1,000 ml/g 이상, 더욱 바람직하게는 2,000 ml/g 이상, 가장 바람직하게는 3,000 ml/g 이상의 점성도수(viscosity number)를 가질 수 있다.
여기서 개시되는 새로운 분리기는 라텍스 및/또는 고무를 함유할 수 있다. 여기서 사용되는 바와 같이, 고무는 고무, 라텍스, 천연 고무, 합성 고무, 가교 또는 미-가교 고무, 경화 또는 미-경화 고무, 크럼 또는 분쇄 고무, 또는 이들의 혼합물을 기술할 것이다. 예시적인 천연 고무는 다양한 공급자로부터 상업적으로 이용 가능한 폴리이소프렌의 하나 이상의 블렌드(blend)를 포함할 수 있다. 예시적인 합성 고무는 메틸 고무, 폴리부타디엔, 클로로펜 고무, 부틸 고무, 브로모부틸 고무, 폴리우레탄 고무, 에피클로르히드린 고무, 폴리설파이드 고무, 클로로설포닐 폴리에틸렌, 폴리노르보르넨 고무, 아크릴레이트 고무, 불소 고무 및 실리콘 고무 그리고 스티렌/부타디엔 고무, 아크릴로니트릴/부타디엔 고무, 에틸렌/프로필렌 고무("EPM" 및 "EPDM") 및 에틸렌/비닐아세테이트 고무와 같은 공중합체 고무를 포함한다. 고무는 가교 고무 또는 미-가교 고무일 수 있고; 특정의 바람직한 실시형태에서, 고무는 미-가교 고무이다. 특정 실시형태에서, 고무는 가교 및 미-가교 고무의 블렌드일 수 있다.
특정 실시형태에서, 예시적인 가공 가소제는 가공 오일, 석유 오일, 파라핀계 미네랄 오일, 미네랄 오일 및 이들의 임의 조합을 포함할 수 있다.
분리기는 높은 구조적 모폴로지(morphology)를 갖는 충전제를 함유할 수 있다. 예시적인 충전제는 실리카, 건조 미분 실리카; 침강 실리카; 비정질 실리카; 고-파쇄성 실리카; 알루미나; 탈크; 어분; 어골분; 탄소; 카본 블랙; 및 이들과 유사한 것, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 특정의 바람직한 실시형태에서, 충전제는 하나 이상의 실리카이다. 높은 구조적 모폴로지는 증가된 표면적을 의미한다. 충전제는 예를 들어 대략 100 ㎡/g, 110 ㎡/g, 120 ㎡/g, 130 ㎡/g, 140 ㎡/g, 150 ㎡/g, 160 ㎡/g, 170 ㎡/g, 180 ㎡/g, 190 ㎡/g, 200 ㎡/g, 210 ㎡/g, 220 ㎡/g, 230 ㎡/g, 240 ㎡/g 또는 250 ㎡/g 초과의 고-표면적을 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 충전제(예를 들어, 실리카)는 약 100 ㎡/g 내지 300 ㎡/g, 125 ㎡/g 내지 275 ㎡/g, 150 ㎡/g 내지 250 ㎡/g, 또는 바람직하게는 170 ㎡/g 내지 220 ㎡/g의 표면적을 가질 수 있다. 표면적은 멀티포인트(multipoint) BET 질소 표면적에 대해 TriStar 3000TM을 이용하여 측정될 수 있다. 높은 구조적 모폴로지는 제조 공정 중에 충전제가 더 많은 오일을 보유하도록 허용한다. 예를 들어, 높은 구조적 모폴로지를 갖는 충전제는 예를 들어 약 150 ml/100 g, 175 ml/100 g, 200 ml/100 g, 225 ml/100 g, 250 ml/100 g, 275 ml/100 g, 300 ml/100 g, 325 ml/100 g 또는 350 ml/100 g 초과의 고-레벨의 흡유량(oil absorption)을 갖는다. 일부 실시형태에서, 충전제(예를 들어, 실리카)는 대략 200 ml/100 g 내지 500 ml/100 g, 200 ml/100 g 내지 400 ml/100 g, 225 ml/100 g 내지 375 ml/100 g, 225 ml/100 g 내지 350 ml/100 g, 225 ml/100 g 내지 325 ml/100 g, 바람직하게는 250 ml/100 g 내지 300 ml/100 g의 흡유량을 가질 수 있다. 일부 예에서, 266 ml/100 g의 흡유량을 갖는 실리카 충전제가 사용된다. 이러한 실리카 충전제는 5.1%의 함수율, 178 ㎡/g의 BET 표면적, 대략 23 ㎛의 평균 입자 크기, 0.1%의 체 잔량(sieve residue) 약 230 메시(mesh) 값, 및 약 135 g/L의 벌크(bulk) 밀도를 갖는다.
상대적으로 고-레벨의 흡유량 및 상대적으로 고-레벨의 가소제(예를 들어, 미네랄 오일) 친화성을 갖는 실리카는 여기서 나타낸 형태의 예시적인 납축전지 분리기를 형성할 때 폴리올레핀(예를 들어, 폴리에틸렌) 및 가소제의 혼합물에서 바람직하게는 분산 가능해진다. 종래에, 일부 분리기는 대량의 실리카가 이러한 분리기 또는 멤브레인을 만드는데 사용될 때 실리카 응집에 의해 유발된 분산성 저하의 손상을 겪었다. 여기서 나타나고 기술되는 적어도 특정의 본 발명 분리기에서, 폴리에틸렌과 같은 폴리올레핀은 시시-케밥(shish-kebab) 구조를 형성하는데, 용융된 폴리올레핀을 냉각할 때에 폴리올레핀의 분자 운동을 억제하는 실리카 응집 또는 뭉침이 적기 때문이다. 이 모든 것은 얻어진 분리기 멤브레인을 통한 이온 투과성 개선에 기여하고, 시시-케밥 구조 또는 모폴로지의 형성은 기계적 강도가 유지되거나 심지어 개선되면서 낮은 전체 ER의 분리기가 제조되는 것을 의미한다.
일부 선택된 실시형태에서, 충전제(예를 들어, 실리카)는 약 25 ㎛ 이하, 일부 예에서 약 22 ㎛, 20 ㎛, 18 ㎛, 15 ㎛ 또는 10 ㎛ 이하의 평균 입자 크기를 갖는다. 일부 예에서, 충전제 입자의 평균 입자 크기는 약 15 ㎛ 내지 약 25 ㎛이다. 실리카 충전제의 입자 크기 및/또는 실리카 충전제의 표면적은 실리카 충전제의 흡유량에 기여한다. 최종 제품 또는 분리기에서 실리카 입자는 상술한 크기 내에 있을 수 있다. 그러나, 원료로서 사용되는 초기 실리카는 하나 이상의 응집체 및/또는 집합체일 수 있고, 대략 200 ㎛ 이상의 크기를 가질 수 있다.
일부 바람직한 실시형태에서, 본 발명의 분리기를 제조하는데 사용되는 실리카는 이전에 납축전지 분리기를 제조하는데 사용된 실리카 충전제와 비교하여 증가된 양의 또는 다수의 실라놀 기(표면 히드록실 기)를 갖는다. 예를 들어, 여기서 특정의 바람직한 실시형태에 사용될 수 있는 실리카 충전제는, 공지의 폴리올레핀 납축전지 분리기를 제조하는데 사용된 공지의 실리카 충전제와 비교하여, 적어도 약 10%, 적어도 약 15%, 적어도 약 20%, 적어도 약 25%, 적어도 약 30% 또는 적어도 약 35% 이상의 실라놀 및/또는 히드록실 표면 기를 갖는 실리카 충전제일 수 있다.
실라놀 기(Si-OH) 대 원소 실리콘(Si)의 비율인 (Si-OH)/Si는 예를 들어 다음과 같이 측정될 수 있다.
1. 폴리올레핀 다공성 멤브레인(특정의 본 발명의 멤브레인은 본 발명에 따른 특정의 다양한 흡유성 실리카를 함유한다)을 동결-파쇄(freeze-crush)하고, 고체-상태 핵 자기 공명 분광법(29Si-NMR)을 위한 분말형 샘플을 제조한다.
2. 분말형 샘플에 대해 29Si-NMR을 수행하고, 히드록실 기에 직접 결합하는 Si 스펙트럼 강도(스펙트럼: Q2 및 Q3) 및 산소 원자에만 오직 직접 결합하는 Si 스펙트럼 강도(스펙트럼: Q4)를 포함하는 스펙트럼을 관측하며, 각 NMR 피크 스펙트럼의 분자 구조는 다음과 같이 기술될 수 있다:
* Q2: (SiO)2 - Si* - (OH)2: 2개의 히드록실 기를 가짐
* Q3: (SiO)3 - Si* - (OH): 1개의 히드록실 기를 가짐
* Q4: (SiO)4 - Si*: 모든 Si 결합은 SiO
여기서 Si*는 NMR 관측에 의해 입증된 원소이다.
3. 관측에 사용된 29Si-NMR의 조건은 다음과 같다:
* 장비: Bruker BioSpin Avance 500
* 공명 주파수: 99.36 MHz
* 샘플 양: 250 mg
* NMR 튜브: 7 mφ
* 관측 방법: DD/MAS
* 펄스 폭(Pulse Width): 45°
* 반복 시간: 100초
* 스캔(Scans): 800
* 매직 앵글 스피닝(Magic Angle Spinning): 5,000 Hz
* 화학적 변위 표준(Chemical Shift Reference): -22.43 ppm로서 실리콘 고무
4. 수치적으로, 스펙트럼의 피크를 분리하고, Q2, Q3, 및 Q4에 속하는 각 피크의 면적 비율을 계산한다. 그 후에, 이 비율에 근거하여, Si에 직접 결합하는 히드록실 기(-OH)의 몰 비율을 계산한다. 수치 피크 분리의 조건은 다음의 방식으로 수행된다:
* 피팅 영역(Fitting region): -80 내지 -130 ppm
* 초기 피크 최대(peak top): 각각 Q2의 경우 -93 ppm, Q3의 경우 -101 ppm, Q4의 경우 -111 ppm.
* 초기 반치폭(full width half maximum): 각각 Q2의 경우 400 Hz, Q3의 경우 350 Hz, Q4의 경우 450 Hz.
* 가우시안 함수 비율(Gaussian function ratio): 초기에 80% 및 피팅 중에 70 내지 100%.
5. Q2, Q3 및 Q4의 피크 면적 비율(전체는 100)은 피팅에 의해 얻어지는 각 피크를 기준으로 계산된다. NMR 피크 면적은 각 실리케이트 결합 구조의 분자 수에 대응하였다(따라서, Q4 NMR 피크의 경우, 4개의 Si-O-Si 결합이 그 실리케이트 구조 내에 존재하고, Q3 NMR 피크의 경우, 3개의 Si-O-Si 결합이 그 실리케이트 구조 내에 존재하면서 1개의 Si-OH 결합이 존재하며, Q2 NMR 피크의 경우, 2개의 Si-O-Si 결합이 그 실리케이트 구조 내에 존재하면서 2개의 Si-OH 결합이 존재한다). 따라서 Q2, Q3, 및 Q4의 히드록실 기(-OH)의 각 수는 각각 둘(2), 하나(1), 및 영(0)을 곱한다. 이들 3개의 결과는 합산된다. 합산된 값은 Si에 직접 결합하는 히드록실 기(-OH)의 몰 비율을 나타낸다.
특정 실시형태에서, 실리카는 29Si-NMR에 의해 측정된 OH 대 Si 기의 분자 비율을 가질 수 있는데, 이는 대략 21:100 내지 대략 35:100, 일부 바람직한 실시형태에서 대략 23:100 내지 대략 31:100, 특정의 바람직한 실시형태에서 대략 25:100 내지 대략 29:100, 다른 바람직한 실시형태에서 적어도 대략 27:100 이상의 범위 내에 있을 수 있다.
일부 선택된 실시형태에서, 상술한 충전제의 사용은 압출 단계 중에 큰 비율의 가공 오일의 사용을 허용한다. 압출 후 오일의 제거에 의해, 부분적으로, 분리기에서 다공성 구조가 형성됨에 따라, 오일의 높은 초기 흡유량은 높은 공극률 또는 높은 보이드 부피를 유도한다. 가공 오일은 압출 단계의 필수 성분이지만, 오일은 분리기의 비-전도성 성분이다. 분리기에서의 잔류 오일은 양극과 접촉할 때 산화로부터 분리기를 보호한다. 가공 단계에서 오일의 정밀한 양은 통상적인 분리기의 제조에서 제어될 수 있다. 일반적으로 말하면, 통상적인 분리기는 약 50 내지 70 중량% 가공 오일, 일부 실시형태에서는 약 55 내지 65 중량%, 일부 실시형태에서는 대략 60 내지 65 중량%, 일부 실시형태에서는 약 62 중량% 가공 오일을 이용하여 제조된다. 오일을 약 59% 미만으로 감소시키는 것은 압출기 부품에 대한 마찰 증가로 인해 버닝(burning)을 유발하는 것으로 알려져 있다. 그러나, 규정된 양을 훨씬 초과하여 오일을 증가시키는 것은 건조 단계 중에 수축을 유발하여 치수 불안정성을 초래할 수 있다. 오일 함량을 증가시킨 이전 시도는 오일 제거 중에 기공 수축 또는 응축을 유발하였지만, 여기서 개시된 바와 같이 제조된 분리기는 오일 제거 중에, 만약에 있을 경우라도, 최소의 수축 및 응축을 나타낸다. 따라서, 공극률은 기공 크기 및 치수 안정성의 저해 없이 증가함으로써 전기 저항을 감소시킬 수 있다.
특정의 선택된 실시형태에서, 상술한 충전제의 사용은 완성된 분리기에서 최종 오일 농도 감소를 허용한다. 오일은 부도체이기 때문에, 오일 함량 감소는 분리기의 이온 전도도를 증가시키고 분리기의 ER을 낮추는데 도움을 줄 수 있다. 이와 같이, 감소된 최종 오일 함량을 갖는 분리기는 증가된 효율을 가질 수 있다. 특정의 선택된 실시형태에서, 예를 들어 20% 미만, 약 14% 및 20% 사이, 일부 특정 실시형태에서는 약 19%, 18%, 17%, 16%, 15%, 14%, 13%, 12%, 11%, 10%, 9%, 8%, 7%, 6% 또는 5% 미만의 최종 가공 오일 함량(중량%)을 갖는 분리기가 제공된다.
충전제는 전해질 이온의 소위 수화 구체를 또한 감소시켜, 멤브레인을 가로지르는 이들의 수송을 향상시킴으로써, 강화 침수형 전지와 같은 전지 또는 시스템의 전체 전기 저항 또는 ER을 다시 한번 낮출 수 있다.
충전제 또는 충전제들은 분리기를 가로지르는 전해질 및 이온의 흐름을 용이하게 하는 다양한 물질(예를 들어, 금속과 같은 극성 물질)을 함유할 수 있다. 이렇게 함으로써, 이러한 분리기가 강화 침수형 전지와 같은 침수형 전지에 사용될 때 전체 전기 저항을 또한 감소시킨다.
특정 실시형태에서, 분리기는 전도성 요소 또는 핵생성용 첨가제 및/또는 코팅 형태의 성능-향상용 첨가제를 함유할 수 있다. 전도성 요소 또는 핵생성용 첨가제는 바람직하게는 전지 전해질에서 안정할 수 있고, 또한 전해질 내에서 분산될 수 있다.
전도성 요소 및/또는 코팅의 예시적인 형태는 탄소, 전도성 탄소, 흑연, 인조 흑연, 활성탄, 탄소 종이, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 고-표면적 카본 블랙, 그래핀, 고-표면적 그래핀, 케첸 블랙, 탄소 섬유, 탄소 필라멘트, 탄소 나노튜브, 개방-셀 탄소 폼, 탄소 매트, 탄소 펠트, 탄소 풀러렌(Bucky Ball), 수성 탄소 현탁액, 편상 흑연, 산화된 탄소 및 이들의 조합과 같은 탄소이거나 이들을 함유할 수 있다. 이들 많은 형태의 탄소와 더불어, 핵생성용 첨가제 및/또는 코팅은 황산바륨(BaSO4) 단독 또는 탄소와의 조합을 또한 포함하거나 함유할 수 있다. 하나의 예시적인 형태의 탄소는 Boston, MA, USA의 Cabot Corporation에 의해 제조된 PBX®-135이다. 하나의 예시적인 바람직한 형태의 탄소는 Boston, MA, USA의 Cabot Corporation에 의해 제조된 PBX®-51이다. 본 발명자들은 탄소의 표면적이 클수록, 전지에서 동적 충전 수입성이 커진다는 이론을 제시한다. 예를 들어, PBX®-51은 적어도 대략 1,300 ㎡/g 내지 대략 1,500 ㎡/g의 비표면적을 갖고, 케첸 블랙은 적어도 대략 1,250 ㎡/g의 표면적을 갖는다.
핵생성 코팅은 슬러리 코팅, 슬롯 다이(slot die) 코팅, 스프레이 코팅, 커튼 코팅, 잉크 제트 인쇄, 스크린 인쇄와 같은 수단에 의해, 또는 진공 증착 또는 화학적 기상 증착("CVD")에 의해 완성된 분리기에 적용될 수 있다. 또한, 첨가제 및/또는 코팅은 탄소 종이, 직포 또는 부직포로서 제공될 수 있고, 분리기 및 전극 사이에 배치되고 분리기 및 전극과 밀접 접촉할 수 있다.
핵생성용 첨가제 및/또는 코팅은 분리기 내에, 또는 분리기의 한쪽 또는 양쪽의 전극과 마주보는 표면에 있을 수 있다. 통상적으로, 코팅 또는 핵생성용 첨가제의 층은 음극과 마주보는 표면에만 있을 수 있다. 그러나, 양극과 마주보는 표면에, 또는 양쪽 표면에 있을 수 있다.
특정 실시형태에서, 핵생성용 첨가제는 베이스 재료의 압출 믹스에 첨가되고 분리기와 압출되거나, 분리기 상에 층으로서 공-압출될 수 있다. 압출 믹스에 포함되는 경우, 핵생성용 첨가제는 약 5 중량% 내지 약 75 중량% 만큼 일부의 실리카 충전제를 대체할 수 있다. 예를 들어, 핵생성용 첨가제는 대략 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 또는 대략 75 중량% 이상일 수 있다. 다른 예시적인 실시형태에서, 핵생성용 첨가제는 대략 75%, 70%, 65%, 60%, 55%, 50%, 45%, 40%, 35%, 30%, 25%, 20%, 15%, 10%, 또는 대략 5 중량% 이하일 수 있다.
특정의 선택된 실시형태에서, 충전제는 알루미나, 탈크, 실리카, 또는 이들의 조합일 수 있다. 일부 실시형태에서, 충전제는 침강 실리카일 수 있고, 그리고 일부 실시형태에서 침강 실리카는 비정질 실리카일 수 있다. 일부 실시형태에서, 분리기 전체에 걸쳐 충전제의 미세 분산을 허용하는 실리카의 응집체 및/또는 집합체를 사용함으로써, 비틀림성을 최적화하고 전기 저항을 감소시키는 것이 바람직하다. 특정의 바람직한 실시형태에서, 충전제(예를 들어, 실리카)는 고수준의 파쇄성을 특징으로 한다. 좋은 파쇄성은 다공성 멤브레인의 압출 중에 중합체 전체에 걸쳐 충전제의 분산을 향상시킴으로써, 공극률 및 이에 따라 분리기를 통하는 전체 이온 전도성을 향상시킨다.
상기 특징들 중 하나 이상을 갖는 충전제의 사용은 높은 최종 공극률을 갖는 분리기의 제조를 가능하게 한다. 여기서 개시되는 분리기는 약 60%, 61%, 62%, 63%, 64%, 65%, 66%, 67%, 68%, 69%, 70%, 75%, 또는 80% 초과의 최종 공극률을 가질 수 있다. 공극률은 기체 흡착 방법을 이용하여 측정될 수 있다. 공극률은 BS-TE-2060에 의해 측정될 수 있다.
일부 선택된 실시형태에서, 다공성 분리기는 약 1 ㎛, 0.9 ㎛, 0.8 ㎛, 0.7 ㎛, 0.6 ㎛, 0.5 ㎛, 또는 0.1 ㎛ 이하의 평균 기공 크기를 유지하면서 더 큰 비율의 더 큰 기공을 가질 수 있다.
적어도 하나의 실시형태에 따르면, 분리기는 가공 오일 및 충전제뿐만 아니라 임의의 원하는 첨가제와 혼합된, UHMWPE"와 같은 폴리에틸렌으로 제조된다. 적어도 하나의 다른 실시형태에 따르면, 분리기는 가공 오일 및 탈크와 혼합된 UHMWPE로 제조된다. 적어도 하나의 다른 실시형태에 따르면, 분리기는 가공 오일 및 실리카, 예를 들어 침강 실리카, 예를 들어 비정질 침강 실리카와 혼합된 UHMWPE로 제조된다. 첨가제는 상술한 기술 중 하나 이상을 통해 분리기에 적용될 수 있다.
전기 저항 감소 및 저온 시동 전류 증가 이외에, 또한 바람직한 분리기는 다른 이점을 갖도록 설계된다. 조립과 관련하여, 분리기는 가공 설비를 더 쉽게 통과하고, 이에 따라 더 효율적으로 제조된다. 고속 조립 중에 및 이후 사용 중에 단락을 방지하기 위해, 분리기는 표준 PE 분리기와 비교할 때 우수한 천공(puncture) 강도 및 내산화성을 갖는다. 감소된 전기 저항 및 증가된 저온 시동 전류를 조합함으로써, 전지 제조사는 이들 새로운 분리기를 갖는 전지에서 개선되고 지속적인 전기적 성능을 발견할 수 있다.
특정의 선택된 예시적인 측면에서, 본 발명의 분리기는 탄소 및/또는 핵생성용 첨가제 층 또는 충전제를 구비할 수 있다. 핵생성용 첨가제는 전도성일 수 있고, 탄소 또는 황산 바륨(BaSO4) 중 하나일 수 있다. 예시적인 탄소 첨가제는 탄소, 전도성 탄소, 흑연, 인조 흑연, 활성탄, 탄소 종이, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 고-표면적 카본 블랙, 그래핀, 고-표면적 그래핀, 케첸 블랙, 탄소 섬유, 탄소 필라멘트, 탄소 나노튜브, 개방-셀 탄소 폼, 탄소 매트, 탄소 펠트, 탄소 풀러렌("Bucky Balls"), 수성 탄소 현탁액, 편상 흑연, 산화된 탄소, 및 이들의 조합일 수 있다. 전도성 요소 또는 핵생성용 첨가제는 적어도 대략 1,250 ㎡/g 내지 대략 1,750 ㎡/g, 또는 그 이상의 비-표면적을 가질 수 있다. 핵생성용 첨가제 또는 전도성 요소는 분리기 내의 첨가제, 또는 분리기의 표면 상의 첨가제일 수 있다. 전도성 요소 또는 핵생성용 첨가제는 분리기, 스크림, 및/또는 매트의 표면에 롤러 코팅, 화학적 기상 증착, 공-압출, 상기 표면을 태우는 제어된 연소, 플라즈마 노출을 통해 상기 표면을 태우는 제어된 연소, UV 노출을 통해 상기 표면을 태우는 제어된 연소, 토너 인쇄, 잉크-제트 인쇄, 플렉소그래피 인쇄, 리소그래피 인쇄, 슬러리 코팅, 수성 탄소 현탁액 스프레이, 함침, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 방법에 의해 적용될 수 있다.
특정 실시형태에서, 예시적인 분리기는 분리기 또는 다공성 멤브레인에 첨가되는 하나 이상의 성능 향상용 첨가제를 함유할 수 있다. 성능 향상용 첨가제는 계면활성제, 습윤제, 착색제, 대전방지용 첨가제, 안티몬 억제용 첨가제, UV-보호용 첨가제, 산화방지제 및/또는 이들과 유사한 것, 및 이들의 조합일 수 있다. 특정 실시형태에서, 첨가제 계면활성제는 이온성, 양이온성, 음이온성, 또는 비-이온성 계면활성제일 수 있다.
여기서 기술되는 특정 실시형태에서, 감소된 양의 음이온성 또는 비-이온성 계면활성제가 본 발명의 다공성 멤브레인 또는 분리기에 첨가된다. 소량의 계면활성제 때문에, 바람직한 특징은 낮아진 총 유기 탄소("TOC") 및/또는 낮아진 휘발성 유기 화합물("VOC")을 포함할 수 있다.
특정의 적합한 계면활성제는 비-이온성이고, 다른 적합한 계면활성제는 음이온성이다. 첨가제는 단일 계면활성제 또는 2개 이상의 계면활성제, 예를 들어 2개 이상의 음이온성 계면활성제, 2개 이상의 비-이온성 계면활성제, 또는 적어도 하나의 이온성 계면활성제 및 적어도 하나의 비-이온성 계면활성제의 혼합물일 수 있다. 특정의 적합한 계면활성제는 6 미만, 바람직하게는 3 미만의 HLB 값을 가질 수 있다. 여기서 기술되는 본 발명의 분리기와 조합하여 특정의 적합한 계면활성제를 사용함으로써, 납축전지에 사용될 때, 분리기를 심지어 더욱 개선할 수 있고, 납축전지에서 수분 손실을 감소시키며, 안티몬 피독을 감소시키고, 사이클링을 개선하며, 부동 전류를 감소시키고, 부동 전위를 감소시키며, 및/또는 이들과 유사한 것, 또는 이들의 임의 조합을 얻을 수 있다. 적합한 계면활성제는 알킬 설페이트의 염; 알킬아릴설포네이트 염; 알킬페놀-알킬렌 옥사이드 첨가 제품; 비누; 알킬-나프탈렌-설포네이트 염; 음이온성 설포-석시네이트와 같은 하나 이상의 설포-석시네이트; 설포-석시네이트 염의 디알킬 에스테르; 아미노 화합물(1차, 2차, 3차 아민, 또는 4차 아민); 에틸렌 옥사이드 및 프로필렌 옥사이드의 블록 공중합체; 다양한 폴리에틸렌 옥사이드; 및 모노 및 디알킬 포스페이트 에스테르의 염과 같은 계면활성제를 포함한다. 첨가제는 폴리올 지방산 에스테르, 폴리에톡시화 에스테르, 폴리에톡시화 알코올, 알킬 폴리글리코시드 및 이의 블렌드와 같은 알킬 다당류, 아민 에톡실레이트, 소르비탄 지방산 에스테르 에톡실레이트, 오르가노실리콘계 계면활성제, 에틸렌 비닐 아세테이트 3량체, 에톡시화 알킬 아릴 포스페이트 에스테르 및 지방산의 수크로오스 에스테르와 같은 비-이온성 계면활성제를 포함할 수 있다.
특정 실시형태에서, 첨가제는 화학식 I의 화합물로 표시될 수 있다.
[화학식 I]
R(OR1)n(COOM1/x x+)m
여기서:
* R은 10 내지 4200개, 바람직하게는 13 내지 4200개 탄소 원자를 갖는 선형 또는 비-방향족 탄화수소 라디칼로서, 산소 원자에 의해 단속적일 수 있다;
* R1 = H, -(CH2)kCOOM1/x x+ 또는 -(CH2)k-SO3M1/x x+, 바람직하게는 H이고, 여기서 k = 1 또는 2이다;
* M은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 이온, H+ 또는 NH4 +이고, 여기서 모든 변수 M이 동시에 H+를 갖는 것은 아니다;
* n = 0 또는 1;
* m = 0 또는 10 내지 1400의 정수; 및
* x = 1 또는 2.
화학식 I에 따른 화합물에서 산소 원자 대 탄소 원자의 비율은 약 1:1.5 내지 1:30이고, m 및 n은 동시에 0일 수 없다. 그러나 바람직하게는 변수 m 및 n 중 하나만이 0과 상이하다.
비-방향족 탄화수소 라디칼은 방향족 기를 포함하지 않거나, 스스로 하나를 나타내는 라디칼을 의미한다. 탄화수소 라디칼은 산소 원자에 의해 단속적일 수 있다(즉, 하나 이상의 에테르 기를 포함한다).
R은 바람직하게는 산소 원자에 의해 단속적일 수 있는 직쇄 또는 분지쇄 지방족 탄화수소 라디칼이다. 포화, 비-가교 탄화수소 라디칼이 특히 바람직하다. 그러나 상술한 바와 같이, R은 특정 실시형태에서 방향족 고리를 함유할 수 있다.
전지 분리기의 제조에서 화학식 I에 따른 화합물의 사용을 통해, 이들은 산화적 파괴에 대해 효과적으로 보호될 수 있다.
화학식 I에 따른 화합물을 함유하는 전지 분리기가 바람직한데, 여기서:
* R은 10 내지 180개, 바람직하게는 12 내지 75개, 특히 바람직하게는 14 내지 40개 탄소 원자를 갖는 탄화수소 라디칼로서, 1 내지 60개, 바람직하게는 1 내지 20개, 특히 바람직하게는 1 내지 8개 산소 원자에 의해 단속적일 수 있고, 특히 바람직하게는 화학식 R2-[(OC2H4)p(OC3H6)q]-의 탄화수소 라디칼이며, 여기서:
- R2는 10 내지 30개 탄소 원자, 바람직하게는 12 내지 25개, 특히 바람직하게는 14 내지 20개 탄소 원자를 갖는 알킬 라디칼이고, R2는 선형 또는 방향족 고리를 함유하는 것과 같은 비-선형일 수 있다;
- p는 0 내지 30, 바람직하게는 0 내지 10, 특히 바람직하게는 0 내지 4의 정수이다;
- q는 0 내지 30, 바람직하게는 0 내지 10, 특히 바람직하게는 0 내지 4의 정수이다;
- p 및 q의 합이 0 내지 10, 특히 0 내지 4인 화합물이 특히 바람직하다;
* n = 1; 및
* m = 0.
화학식 R2-[(OC2H4)p(OC3H6)q]-는 꺾쇠 괄호 안의 기의 순서가 나타낸 것과 상이한 화합물을 또한 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 본 발명에 따르면, 괄호 안의 라디칼이 교대 배치되는 (OC2H4) 및 (OC3H6) 기로 형성되는 화합물이 적합하다.
R2가 10 내지 20개, 바람직하게는 14 내지 18개 탄소 원자를 갖는 직쇄 또는 분지쇄 알킬 라디칼인 첨가제는 특히 유리한 것으로 입증되었다. OC2H4는 바람직하게는 OCH2CH2를 나타내고, OC3H6은 OCH(CH3)2 및/또는 OCH2CH2CH3을 나타낸다.
바람직한 첨가제로서, 특히 알코올(p = q = 0; m = 0)이 언급될 수 있는데, 1차 알코올이 특히 바람직하고, 지방 알코올 에톡실레이트(p = 1 내지 4, q = 0), 지방 알코올 프로폭실레이트(p = 0; q = 1 내지 4) 및 지방 알코올 알콕실레이트(p = 1 내지 2; q = 1 내지 4), 1차 알코올의 에톡실레이트가 바람직하다. 지방 알코올 알콕실레이트는 예를 들어 에틸렌 옥사이드 또는 프로필렌 옥사이드와 대응 알코올의 반응을 통해 접근 가능하다.
m = 0이고 물 및 황산에서 용해성이지 않거나 용해하기 어려운 타입의 첨가제가 특히 유리한 것으로 입증되었다.
화학식 I에 따른 화합물을 함유하는 첨가제가 또한 바람직한데, 여기서:
* R은 20 내지 4200개, 바람직하게는 50 내지 750개, 특히 바람직하게는 80 내지 225개 탄소 원자를 갖는 알칸 라디칼이다;
* M은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 이온, H+ 또는 NH4 +, 특히 Li+, Na+ 및 K+와 같은 알칼리 금속 이온 또는 H+이고, 여기서 모든 변수 M이 동시에 H+를 갖는 것은 아니다;
* n = 0;
* m은 10 내지 1400의 정수이다; 그리고
* x = 1 또는 2.
특정 실시형태에서, 적합한 첨가제는 특히 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산 및 아크릴산-메타크릴산 공중합체를 포함할 수 있고, 이들의 산 기는 적어도 부분적으로, 예를 들어 바람직하게는 약 40%까지, 특히 바람직하게는 약 80%까지 중화된다. 퍼센티지는 산 기의 수를 의미한다. 완전히 염 형태로 존재하는 폴리(메트)아크릴산이 특히 바람직하다. 적합한 염은 Li, Na, K, Rb, Be, Mg, Ca, Sr, Zn 및 암모늄(NR4, 여기서 R은 수소 또는 탄소 기능기이다)을 포함한다. 폴리(메트)아크릴산은 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산 및 아크릴산-메타크릴산 공중합체를 포함할 수 있다. 폴리(메트)아크릴산이 바람직하고, 약 1,000 g/mol 내지 100,000 g/mol, 특히 바람직하게는 1,000 g/mol 내지 15,000 g/mol, 더욱 특히 바람직하게는 1,000 g/mol 내지 4,000 g/mol의 평균 몰 질량(Mw)을 갖는 폴리아크릴산이 특히 바람직하다. 폴리(메트)아크릴산 중합체 및 공중합체의 분자량은 중합체의 수산화나트륨 용액으로 중화된 1% 수용액의 점도를 측정함으로써 확인된다(Fikentscher 상수).
또한, (메트)아크릴산의 공중합체, 특히 (메트)아크릴산 이외에, 공단량체로서 에틸렌, 말레산, 메틸 아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, 부틸 아크릴레이트 및/또는 에틸헥실 아크릴레이트를 함유하는 공중합체가 적합하다. 적어도 약 40 중량%, 바람직하게는 적어도 약 80 중량% (메트)아크릴산 단량체를 함유하는 공중합체가 바람직하다; 퍼센티지는 단량체 또는 중합체의 산 형태를 기준으로 한다.
폴리아크릴산 중합체 및 공중합체를 중화시키기 위해, 알칼리 금속 및 알칼리 토금속 수산화물, 예를 들어 수산화칼륨, 특히 수산화나트륨이 특히 적합하다. 또한, 분리기를 향상시키는 코팅 및/또는 첨가제는 예를 들어 금속 알콕사이드를 포함할 수 있고, 여기서 금속은 단지 예로서(제한인 것으로 의도되지 않음) Zn, Na, 또는 Al일 수 있으며, 단지 예로서 나트륨 에톡사이드일 수 있다.
일부 실시형태에서, 다공성 폴리올레핀 다공성 멤브레인은 이러한 층의 일면 또는 양면 상에 코팅을 포함할 수 있다. 이러한 코팅은 계면활성제 또는 다른 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 코팅은 예를 들어 여기서 참고로 도입되는 Deiters 등의 U.S. 특허 제9,876,209호에 기술된 하나 이상의 재료를 포함할 수 있다. 이러한 코팅은 예를 들어 전지 시스템의 과충전 전압을 감소시킴으로써, 적은 그리드 부식으로 인해 전지 수명을 연장시키고 드라이 아웃(dry out) 및/또는 수분 손실을 방지할 수 있다.
특정의 선택된 실시형태에서, 멤브레인은 중량으로 약 5% 내지 15% 중합체, 일부 예에서 약 10% 중합체(예를 들어, 폴리에틸렌), 약 10% 내지 75% 충전제(예를 들어, 실리카), 일부 예에서 약 30% 충전제, 및 약 10% 내지 85% 가공 오일, 일부 예에서 약 60% 가공 오일을 조합함으로써 제조될 수 있다. 다른 실시형태에서, 충전제 함량은 감소하고, 오일 함량은 높아지며, 예를 들어 중량으로 약 61%, 62%, 63%, 64%, 65%, 66%, 67%, 68%, 69% 또는 70% 초과이다. 충전제:중합체 비율(중량)은 예를 들어 약 2:1, 2.5:1, 3:1, 3.5:1, 4.0:1. 4.5:1, 5.0:1, 5.5:1 또는 6:1과 같을 수 있다(또는 약 이들 특정 범위의 사이일 수 있다). 충전제:중합체 비율(중량)은 약 1.5:1 내지 약 6:1, 일부 예에서 2:1 내지 6:1, 약 2:1 내지 5:1, 약 2:1 내지 4:1, 일부 예에서 약 2:1 내지 약 3:1일 수 있다. 충전제, 오일 및 중합체의 양은 작업성(runnability) 및 전기 저항, 평량, 천공 저항, 굽힘 강성, 내산화성, 공극률, 물리적 강도, 비틀림성, 및 이들과 유사한 것과 같은 원하는 분리기 특성을 위해 모두 균형 잡힌다.
적어도 하나의 실시형태에 따르면, 다공성 멤브레인은 가공 오일 및 침강 실리카와 혼합된 UHMWPE를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 실시형태에 따르면, 다공성 멤브레인은 가공 오일, 첨가제 및 침강 실리카와 혼합된 UHMWPE를 포함할 수 있다. 혼합물은 또한 분리기 분야에서 흔한 다른 첨가제 또는 물질(예를 들어, 계면활성제, 습윤제, 착색제, 대전방지용 첨가제, 산화방지제, 및/또는 이들과 유사한 것, 및 이들의 임의 조합)을 소량으로 포함할 수 있다. 특정 예에서, 다공성 중합체층은 약 8 내지 100 부피%의 폴리올레핀, 약 0 내지 40 부피%의 가소제 및 약 0 내지 92 부피%의 불활성 충전제 재료의 균일한 혼합물일 수 있다. 바람직한 가소제는 석유 오일이다. 가소제는 용매 추출 및 건조에 의해 중합체-충전제-가소제 조성물로부터 가장 쉽게 제거되는 성분이기 때문에, 전지 분리기에 공극률을 부여하는데 유용하다.
특정 실시형태에서, 여기서 개시되는 다공성 멤브레인은 천연고무, 합성 고무, 또는 이들의 혼합물일 수 있는 라텍스 및/또는 고무를 함유할 수 있다. 천연고무는 다양한 공급자로부터 상업적으로 이용 가능한 폴리이소프렌의 하나 이상의 블렌드를 포함할 수 있다. 예시적인 합성 고무는 메틸 고무, 폴리부타디엔, 클로로펜 고무, 부틸 고무, 브로모부틸 고무, 폴리우레탄 고무, 에피클로르히드린 고무, 폴리설파이드 고무, 클로로설포닐 폴리에틸렌, 폴리노르보르넨 고무, 아크릴레이트 고무, 불소 고무 및 실리콘 고무 그리고 스티렌/부타디엔 고무, 아크릴로니트릴/부타디엔 고무, 에틸렌/프로필렌 고무(EPM 및 EPDM) 및 에틸렌/비닐 아세테이트 고무와 같은 공중합체 고무를 포함한다. 고무는 가교 고무 또는 미-가교 고무일 수 있고; 특정의 바람직한 실시형태에서, 고무는 미-가교 고무이다. 특정 실시형태에서, 고무는 가교 및 미-가교 고무의 블렌드일 수 있다. 고무는 최종 분리기 중량(고무 및/또는 라텍스를 함유하는 폴리올레핀 분리기 시트 또는 층의 중량)을 기준으로 적어도 약 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 또는 10 중량%의 양으로 분리기에 존재할 수 있다. 특정 실시형태에서, 고무는 중량으로 대략 1% 내지 6%, 대략 3% 내지 6%, 대략 3 중량%, 대략 6 중량%의 양으로 존재할 수 있다. 다공성 멤브레인은 대략 2.6:1.0의 충전제 대 중합체 및 고무(충전제:중합체 및 고무) 중량 비율을 가질 수 있다. 고무, 충전제, 오일, 및 중합체의 양은 작업성 및 전기 저항, 평량, 천공 저항, 굽힘 강성, 내산화성, 공극률, 물리적 강도, 비틀림성, 및 이들과 유사한 것과 같은 원하는 분리기 특성을 위해 모두 균형 잡힌다.
폴리에틸렌 및 충전제(예를 들어, 실리카)를 구비하는, 본 발명에 따라 제조되는 다공성 멤브레인은 통상적으로 잔류 오일 함량을 갖는데; 일부 실시형태에서 이러한 잔류 오일 함량은 분리기 멤브레인의 전체 중량의 약 0.5%부터 약 40%까지이다(일부 예에서 멤브레인의 전체 중량의 약 10-40%, 일부 예에서 전체 중량의 약 20 내지 40%). 여기서 특정의 선택된 실시형태에서, 분리기에서의 일부 내지 모든 잔류 오일 함량은 6 미만의 친수성-소수성 밸런스("HLB")를 갖는 계면활성제와 같은, 또는 비-이온성 계면활성제와 같은 계면활성제와 같은 성능-향상용 첨가제의 더 많은 첨가에 의해 대체될 수 있다. 예를 들어, 비-이온성 계면활성제와 같은 계면활성제와 같은 성능 향상용 첨가제는 다공성 분리기 멤브레인의 전체 중량의 0.5% 내지 모든 양의 잔류 오일 함량까지(예를 들어, 20% 또는 30% 또는 심지어 40%까지) 포함될 수 있어서, 분리기 멤브레인에서 잔류 오일을 부분적으로 또는 완전히 대체할 수 있다.
일부 예시적인 실시형태에서, 예시적인 분리기는 압출기에서 성분들을 혼합함으로써 제조될 수 있다. 예를 들어, 중량으로 약 5% 내지 15% 중합체(예를 들어, 폴리에틸렌), 중량으로 약 10% 내지 75% 충전제(예를 들어, 실리카), 및 중량으로 약 10% 내지 85% 가공 오일, 및 선택적으로 중량으로 약 1% 내지 50% 고무 및/또는 라텍스가 압출기에서 혼합될 수 있다. 예시적인 다공성 멤브레인은 성분들을 가열된 압출기에 통과시키고, 압출기에 의해 생성된 압출물을 다이를 통해 그리고 2개의 가열된 프레스 또는 캘린더 스택(calender stack) 또는 롤에 의해 형성된 닙(nip)으로 통과시켜 연속적인 웹을 형성함으로써 제조될 수 있다. 웹으로부터 상당량의 가공 오일이 용매의 사용에 의해 추출될 수 있다. 이후 웹은 건조되고 미리 결정된 폭의 레인으로 슬릿된 후, 롤에 감길 수 있다. 부가적으로, 프레스 또는 캘린더 롤은 다양한 홈 패턴으로 인그레이빙되어(engraved) 여기서 실질적으로 기술되는 리브, 홈, 텍스처드 영역, 엠보스먼트, 및/또는 이들과 유사한 것을 부여할 수 있다. 고무, 충전제, 오일, 및 중합체의 양은 작업성 및 전기 저항, 평량, 천공 저항, 굽힘 강성, 내산화성, 공극률, 물리적 강도, 비틀림성, 및 이들과 유사한 것과 같은 원하는 분리기 특성을 위해 모두 균형 잡힌다.
압출기의 성분들에 첨가되는 것에 더해 또는 대체물로서, 특정 실시형태는 압출 후 다공성 멤브레인에 고무를 조합한다. 예를 들어, 고무는 일면 또는 양면, 바람직하게는 음극과 마주보는 면 상에, 고무 및/또는 라텍스, 선택적으로 실리카 및 물을 포함하는 액체 슬러리로 코팅된 후 건조될 수 있어서, 이 재료의 필름이 예시적인 다공성 멤브레인의 표면 상에 형성된다. 이 층의 더 나은 습윤성을 위해, 공지된 습윤제가 납축전지용 슬러리에 첨가될 수 있다. 특정 실시형태에서, 슬러리는 또한 여기서 기술되는 바와 같은 하나 이상의 성능 향상용 첨가제를 함유할 수 있다. 건조 후에, 다공성 층 및/또는 필름은 분리기의 표면 상에 형성되어, 다공성 멤브레인에 매우 잘 부착되고 전기 저항을 근소하게만 증가시킨다. 고무가 첨가된 후에, 기계 프레스 또는 캘린더 스택 또는 롤을 이용하여 추가로 압축될 수 있다. 고무 및/또는 라텍스를 적용하는 다른 가능한 방법은 고무 및/또는 라텍스 슬러리를 딥 코팅, 롤러 코팅, 스프레이 코팅, 또는 커튼 코팅, 또는 이들의 임의 조합에 의해 분리기의 하나 이상의 표면에 적용하는 것이다. 이들 공정은 가공 오일이 추출되기 전에 또는 후에, 또는 레인으로 슬릿되기 전에 또는 후에 수행될 수 있다.
본 발명의 추가 실시형태는 함침 및 건조에 의해 멤브레인 상에 고무를 증착하는 것을 포함한다.
특정 실시형태에서, 성능 향상용 첨가제 또는 물질(예를 들어, 계면활성제, 습윤제, 착색제, 대전방지용 첨가제, 산화방지제, 및/또는 이들과 유사한 것, 및 이들의 임의 조합)이 또한 압출기 내에서 다른 성분들과 함께 혼합될 수 있다. 본 개시에 따른 다공성 멤브레인은 이후 시트 또는 웹의 형상으로 압출되고, 상술한 바와 같은 실질적으로 동일한 방식으로 완성될 수 있다.
특정 실시형태에서, 압출기로 첨가하는 것에 더해 또는 대체물로서, 첨가제 또는 첨가제들이 예를 들어 분리기 다공성 멤브레인이 완성될 때 상기 멤브레인에 적용될 수 있다(예를 들어, 대부분의 가공 오일을 추출한 후에, 그리고 고무의 도입 전에 또는 후에). 특정의 바람직한 실시형태에 따르면, 첨가제 또는 첨가제의 용액(예를 들어, 수용액)은 분리기의 하나 이상의 표면에 적용된다. 이 변형예는 비-열안정성 첨가제 및 가공 오일의 추출에 사용되는 용매에 용해성인 첨가제의 적용에 특히 적합하다. 본 발명에 따른 첨가제용 용매로서 특히 적합한 것은 메탄올 및 에탄올과 같은 저-분자량 알코올 뿐만 아니라, 이들 알코올 및 물의 혼합물이다. 적용은 분리기의 음극과 마주보는 면, 양극과 마주보는 면, 또는 양면 상에 수행될 수 있다. 또한, 적용은 용매 욕조에 있는 동안에 기공 형성제(예를 들어, 가공 오일)의 추출 중에 수행될 수 있다. 특정의 선택된 실시형태에서, 표면활성제 코팅과 같은 성능 향상용 첨가제 또는 분리기가 제조되기 전에 압출기에 첨가된 성능 향상용 첨가제(또는 양쪽 모두)의 일부는 전지 시스템에서 안티몬과 조합될 수 있으며, 이를 불활성화시킬 수 있고 및/또는 이와의 화합물을 형성할 수 있으며 및/또는 전지의 머드 레스트(mud rest)로 이를 떨어뜨릴 수 있고 및/또는 이것이 음극 상에 증착되는 것을 방지할 수 있다. 계면활성제 또는 첨가제는 또한 전해질, 유리 매트, 전지 케이스, 페이스팅 종이, 페이스팅 매트, 및/또는 이들과 유사한 것, 또는 이들의 조합에 첨가될 수 있다.
특정 실시형태에서, 첨가제(예를 들어, 비-이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제, 또는 이들의 혼합물)는 적어도 약 0.5 g/㎡, 1.0 g/㎡, 1.5 g/㎡, 2.0 g/㎡, 2.5 g/㎡, 3.0 g/㎡, 3.5 g/㎡, 4.0 g/㎡, 4.5 g/㎡, 5.0 g/㎡, 5.5 g/㎡, 6.0 g/㎡, 6.5 g/㎡, 7.0 g/㎡, 7.5 g/㎡, 8.0 g/㎡, 8.5 g/㎡, 9.0 g/㎡, 9.5 g/㎡ 또는 10.0 g/㎡ 또는 심지어 약 25.0 g/㎡까지의 밀도 또는 애드-온 레벨(add-on level)로 존재할 수 있다. 첨가제는 약 0.5-15 g/㎡, 0.5-10 g/㎡, 1.0-10.0 g/㎡, 1.5-10.0 g/㎡, 2.0-10.0 g/㎡, 2.5-10.0 g/㎡, 3.0-10.0 g/㎡, 3.5-10.0 g/㎡, 4.0-10.0 g/㎡, 4.5-10.0 g/㎡, 5.0-10.0 g/㎡, 5.5-10.0 g/㎡, 6.0-10.0 g/㎡, 6.5-10.0 g/㎡, 7.0-10.0 g/㎡, 7.5-10.0 g/㎡, 4.5-7.5 g/㎡, 5.0-10.5 g/㎡, 5.0-11.0 g/㎡, 5.0-12.0 g/㎡, 5.0-15.0 g/㎡, 5.0-16.0 g/㎡, 5.0-17.0 g/㎡, 5.0-18.0 g/㎡, 5.0-19.0 g/㎡, 5.0-20.0 g/㎡, 5.0-21.0 g/㎡, 5.0-22.0 g/㎡, 5.0-23.0 g/㎡, 5.0-24.0 g/㎡, 또는 5.0-25.0 g/㎡ 사이의 밀도 또는 애드-온 레벨로 분리기 상에 존재할 수 있다.
또한, 적용은 첨가제 또는 첨가제의 용액에 예시적인 분리기를 담그고(용매 욕조 첨가) 필요할 경우 용매를 제거함으로써(예를 들어 건조함으로써) 수행될 수 있다. 이런 식으로 첨가제의 적용은 예를 들어 멤브레인 제조 중에 흔히 적용되는 추출과 조합될 수 있다. 다른 바람직한 방법은 표면에 첨가제를 분무하거나, 분리기의 표면 상에 하나 이상의 첨가제를 딥 코팅, 롤러 코팅, 또는 커튼 코팅하는 것이다.
여기서 기술되는 특정 실시형태에서, 감소된 양의 이온성, 양이온성, 음이온성, 또는 비-이온성 계면활성제가 본 발명의 분리기에 첨가된다. 이러한 예에서, 바람직한 특징은 (소량의 계면활성제 때문에) 낮아진 총 유기 탄소 및/또는 낮아진 휘발성 유기 화합물을 포함할 수 있고, 이러한 실시형태에 따른 바람직한 본 발명의 분리기를 제조할 수 있다.
특정 실시형태에서, 본 개시에 따른 예시적인 분리기는 향상된 위킹(wicking) 특성 및/또는 향상된 습윤성 또는 전해질 보유 특성을 갖는 섬유질 층 또는 섬유질 매트와 같은 또 다른 층(적층되거나 다르게)과 조합될 수 있다. 섬유질 매트는 직포, 부직포, 플리스, 메시, 네트, 단일 층, 다층(여기서 각 층은 다른 층과 동일, 유사 또는 상이한 특성을 가질 수 있음)일 수 있고, 유리 섬유, 또는 합성 섬유, 합성 섬유 또는 유리 및 합성 섬유 또는 종이와의 혼합물로부터 만들어진 플리스 또는 패브릭, 또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다. 섬유층 또는 섬유 매트는 또한 핵생성용 첨가제를 함유할 수 있다.
특정 실시형태에서, 섬유질 매트(적층되거나 다르게)는 추가적인 재료용 캐리어(carrier)로서 사용될 수 있다. 추가 재료는 예를 들어 고무 및/또는 라텍스, 선택적으로 실리카, 물, 및/또는 여기서 기술되는 다양한 첨가제와 같은 하나 이상의 성능 향상용 첨가제, 또는 이들의 임의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 추가적인 재료는 슬러리의 형태로 전달 수 있어서, 이후 섬유질 매트의 하나 이상의 표면 상에 코팅되어 필름을 형성하거나, 섬유질 매트로 젖어들어 함침될 수 있다.
섬유질 층이 존재할 경우, 다공성 멤브레인은 섬유질 층보다 더 큰 표면적을 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 다공성 멤브레인 및 섬유질 층을 조합할 경우, 섬유질 층은 다공성 층을 완전히 덮지 않는다. 멤브레인 층의 적어도 2개의 반대쪽 가장자리 영역은 덮이지 않은 채 남아서 열 밀봉을 위한 가장자리를 제공함으로써 포켓 또는 엔벨로프 및/또는 이들과 유사한 것의 선택적 형성을 용이하게 하는 것이 바람직하다. 이러한 섬유질 매트는 적어도 100 ㎛, 일부 실시형태에서 적어도 약 200 ㎛, 적어도 약 250 ㎛, 적어도 약 300 ㎛, 적어도 약 400 ㎛, 적어도 약 500 ㎛, 적어도 약 600 ㎛, 적어도 약 700 ㎛, 적어도 약 800 ㎛, 적어도 약 900 ㎛, 적어도 약 1 mm, 적어도 약 2 mm 등의 두께를 가질 수 있다. 이후 적층된 분리기는 단편으로 절단될 수 있다. 특정 실시형태에서, 섬유질 매트는 다공성 멤브레인의 리브형 표면에 적층된다. 특정 실시형태에서, 핸들링 및/또는 조립 이점이 전지 제조사에게 여기서 기술되는 개선된 분리기를 제공함으로써, 롤 형태 및/또는 컷 피스 형태로 공급될 수 있다. 그리고 전술된 바와 같이, 개선된 분리기는 하나 이상의 섬유질 매트 또는 이와 유사한 것의 추가 없이 자립형(standalone) 분리기 시트 또는 층일 수 있다.
섬유질 매트가 다공성 멤브레인에 적층될 경우, 이들은 접착제, 열, 초음파 용접, 압축, 및/또는 이들과 유사한 것, 또는 이들의 임의 조합에 의해 함께 접합될 수 있다.
* 실시예
3개의 프로토타입 분리기가 여기서 상세 설명되는 본 발명의 예시적인 실시형태의 설명에 따라 제조되었고 대조예 분리기와 대비하여 시험되었다. 4개의 시험된 분리기의 사양은 이하 표 1에 기술되어 있다. 4개의 분리기는 개념의 증명으로서 4개의 상이한 압력에서 시험되었다. 이용된 시험 방법은 0.0 oz.(0.0 g); 8 oz.(224 g); 11 oz.(308 g); 및 16 oz.(448 g)의 중량을 이용하였다. 이들 중량은 3.14 in2, 또는 0.00203 ㎡의 면적을 갖는 둥근 플레이트에 적용되었다. 따라서, 적용된 중량 및 시험된 면적으로부터, 전체 적용된 힘 및 압력이 쉽게 계산될 수 있다. 적용된 힘은 0.0 N; 2.2 N; 3.0 N; 및 4.4 N이었다. 이용된 압력은 힘이 적용되지 않은 경우 0.0 kPa; 2.2 N의 힘이 적용된 경우 1.098 kPa; 3.0 N의 힘이 적용된 경우 1.510 kPa; 및 4.4 N의 힘이 적용된 경우 2.196 kPa이었다. 시험 중에 이용된 플레이트는 소량의 중량(그 질량 때문)을 적용하였고, 따라서 실제 적용된 압력은 열거된 것보다 무시할만 양만큼 클 수 있었다. 표 1은 분리기 특성 및 사양을 나타낸다.
분리기 A 분리기 B 분리기 C 분리기 D 대조예
재료 폴리에틸렌 폴리에틸렌 페놀 페놀 폴리에틸렌
백웹 두께 175 ㎛ 175 ㎛ 175 ㎛ 175 ㎛ 250 ㎛
포지티브 리브 솔리드 선형 솔리드 선형 솔리드 선형 솔리드 선형 솔리드 선형
포지티브 리브 높이 550 ㎛ 500 ㎛ 600 ㎛ 1.05 mm 750 ㎛
포지티브 리브 간격 4 mm 6 mm 12 mm 12 mm 11 mm
네거티브 리브 솔리드 선형 솔리드 선형 솔리드 선형 솔리드 선형 솔리드 선형
네거티브 리브 높이 550 ㎛ 500 ㎛ 600 ㎛ 1.05 mm N/A
네거티브 리브 간격 4 mm 6 mm 12 mm 12 mm N/A
전체 리브 간격 2 mm 3 mm 6 mm 6 mm 11 mm
미니 리브 없음 없음 없음 없음 없음
5개 샘플의 각각의 시험된 분리기는 4개의 상이한 압력에서 시험되었고, 평균 전체 두께는 이하 표 2 내지 표 6에 나타낸 바와 같이 계산되었다. 전체 두께는 압력에서 0.0 kPa(즉, 압력 없음)를 적용하여 측정되었다. 이 측정은 분리기의 이완된 상태의 두께이다. 샘플에 적용된 압력을 갖는 모든 다른 측정은 압축된 상태에서의 전체 두께를 나타낸다.
프로토타입 A 전체 두께 (mm)
압력 (kPa) 0.0 1.098 1.510 2.196
샘플 #1 1.31 1.25 1.22 1.19
샘플 #2 1.25 1.23 1.24 1.18
샘플 #3 1.29 1.23 1.27 1.16
샘플 #4 1.31 1.21 1.22 1.20
샘플 #5 1.33 1.25 1.17 1.24
평균 1.30 1.24 1.22 1.19
프로토타입 B 전체 두께 (mm)
압력 (kPa) 0.0 1.098 1.510 2.196
샘플 #1 1.19 1.05 0.98 0.98
샘플 #2 1.22 1.04 1.01 1.00
샘플 #3 1.15 0.99 1.03 0.91
샘플 #4 1.20 1.04 1.03 0.93
샘플 #5 1.17 1.03 0.99 0.96
평균 1.18 1.03 1.01 0.96
프로토타입 C 전체 두께 (mm)
압력 (kPa) 0.0 1.098 1.510 2.196
샘플 #1 1.27 1.31 1.29 1.24
샘플 #2 1.36 1.17 1.29 1.10
샘플 #3 1.43 1.34 1.29 1.17
샘플 #4 1.45 1.38 1.09 1.27
샘플 #5 1.40 1.32 1.07 1.14
평균 1.38 1.30 1.21 1.18
프로토타입 D 전체 두께 (mm)
압력 (kPa) 0.0 1.098 1.510 2.196
샘플 #1 2.21 2.19 2.00 2.06
샘플 #2 2.27 2.19 2.08 2.01
샘플 #3 2.26 2.09 2.10 2.09
샘플 #4 2.32 2.14 2.12 2.06
샘플 #5 2.21 2.17 2.10 1.99
평균 2.25 2.16 2.08 2.04
대조예 전체 두께 (mm)
압력 (kPa) 0.0 1.098 1.510 2.196
샘플 #1 0.98 0.99 0.97 0.98
샘플 #2 1.00 0.98 0.98 0.98
샘플 #3 1.00 0.99 0.99 0.97
샘플 #4 0.99 0.99 1.00 1.00
샘플 #5 0.98 0.99 0.98 0.97
평균 0.99 0.99 0.98 0.98
이하 도 13을 참고하면, 4개의 시험된 분리기의 평균 전체 두께가 그래프 형태로 도시되어 있다. 도 13에 도시된 데이터는 하기 표 7에서 발견된다.
평균 전체 두께 (mm)
압력 (kPa) 0.0 1.098 1.510 2.196
프로토타입 A 1.30 1.24 1.22 1.19
프로토타입 B 1.18 1.03 1.01 0.96
프로토타입 C 1.38 1.30 1.21 1.18
프로토타입 D 2.25 2.16 2.08 2.04
대조예 0.99 0.99 0.98 0.98
이하 도 14 및 도 15를 참고하면, 4개의 시험된 분리기의 이완된 상태로부터의 두께에서의 백분율 변화가 그래프 형태로 도시되어 있다. 도 14에 도시된 데이터는 하기 표 8에서 발견되고, 도 15의 데이터는 하기 표 9에서 발견된다.
이전 상태로부터의 두께에서의 변화 (㎛)
압력 (kPa) 0.0 1.098 1.510 2.196 전체 변화
프로토타입 A N/A -60 -20 -30 -110
프로토타입 B N/A -150 -20 -50 -220
프로토타입 C N/A -80 -90 -30 -200
프로토타입 D N/A -90 -80 -40 -210
대조예 N/A 0.0 -10 0.0 -10
이완된 상태로부터의 두께에서의 백분율 변화 (%)
압력 (kPa) 0.0 1.098 1.510 2.196
프로토타입 A N/A -4.6 -6.2 -8.5
프로토타입 B N/A -12.7 -14.4 -18.6
프로토타입 C N/A -5.8 -12.3 -14.5
프로토타입 D N/A -4.2 -7.6 -9.2
대조예 N/A 0.0 -1.0 -1.0
도시된 바와 같이, 대조예 분리기는 모든 적용된 압력에 걸쳐 실질적으로 안정된 전체 두께를 유지한다. 상기 표 8 및 표 9에 나타낸 바와 같이, 프로토타입 A 및 B인 폴리에틸렌으로 제조된 분리기는 압축을 통해 전체 두께의 백분율에서 상당한 변화를 나타낸다. 그러나 상기 표 8이 나타내듯이, 대부분의 변화는 압축의 제1단계 중에 일어난다. 전체 총 변화를 고려하면, 프로토타입 B는 프로토타입 A보다 2배 많이 압축되었다(총 변화: -220 ㎛ 대 -110 ㎛). 페놀계 분리기인 프로토타입 C 및 D는 동일한 백웹 두께 및 동일한 리브 간격을 갖는다. 차이는 리브의 높이에 있다. 표 8에 나타낸 바와 같이, 두 프로토타입은 유사한 압축 값을 갖고(총 변화: -200 ㎛ 대 -210 ㎛), 두 프로토타입 사이에는 감소된 전체 두께에서 10 ㎛만의 차이가 있다. 페놀 분리기(프로토타입 C 및 D)의 경우, 압축은 프로토타입 B와 비교하여 압축 단계에 걸쳐 더 일정한 것 같다. 표 8은 또한 네거티브 및 포지티브 리브 간격이 프로토타입 A에서의 약 4 mm로부터 프로토타입 B에서의 약 6 mm로 증가할 때 압축성(총 변화)에서의 2배를 나타낸다. 따라서, 약 4 mm보다 큰 간격은 높은 압축성을 얻는데 중요한 것으로 보인다.
또한, 여기서 기술되는 분리기는 압력이 적용된 후에 우수한 회복을 나타내는 것으로 밝혀졌다.
구조 및 방법의 상술한 기재된 설명은 예시의 목적으로만 제공되었다. 실시예는 베스트 모드를 포함하는 예시적인 실시형태를 개시하고, 또한 장치 또는 시스템을 제조 및 이용하는 것 그리고 임의의 도입된 방법을 수행하는 것을 포함하여 이 분야의 임의의 기술자가 발명을 실시 가능하게 하는데 사용된다. 이들 실시예는 철저한 것으로, 또는 발명을 개시된 정확한 단계 및/또는 형태에 제한하는 것으로 의도되지 않고, 많은 변형 및 변경이 상기 교시에 비추어 가능하다. 여기서 기술된 특징은 임의의 조합으로 조합될 수 있다. 여기서 기술된 방법의 단계는 물리적으로 가능한 임의의 순서로 수행될 수 있다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 첨부된 청구항에 의해 정해지고, 이 분야의 기술자에게 발생하는 다른 실시예를 포함할 수 있다. 이러한 다른 실시예는 이들이 청구항의 문자 언어와 상이하지 않은 구조적 요소를 갖는다면, 또는 이들이 청구항의 문자 언어와 크지 않은 차이로 동등한 구조적 요소를 포함한다면, 청구항의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.
본 발명은 그 정신 및 본질적인 속성으로부터 벗어나지 않고 다른 형태로 구현될 수 있으며, 이에 따라 본 발명의 범위를 나타내는 것으로서, 전술한 명세서보다는 오히려 첨부된 청구범위를 참고해야 한다. 개시된 방법 및 시스템을 수행하는데 사용될 수 있는 구성요소가 개시된다. 이들 및 다른 구성요소가 여기서 개시되고, 이들 구성요소의 조합, 서브세트, 상호작용, 그룹 등이 개시될 경우, 이들의 각각의 다양한 개별적 및 집합적 조합 및 치환의 특정 참고가 명확하게 개시되지 않을 수 있지만, 각각은 모든 방법 및 시스템에 대해 여기서 구체적으로 고려되고 기술되는 것으로 이해된다. 이것은, 이에 제한되지 않지만, 개시된 방법에서의 단계를 포함하여, 본 출원의 모든 측면에 적용된다. 따라서, 수행될 수 있는 다양한 추가적인 단계가 있을 경우, 이러한 추가적인 단계의 각각은 개시된 방법의 임의의 특정 실시형태 또는 실시형태의 조합으로 수행될 수 있는 것으로 이해된다.
적어도 특정 용도 또는 전지를 위해, 본 발명의 하나 이상의 예시적인 실시형태, 측면, 또는 목적의 상세사항은 분리기에 적용된 압력의 함수로서 변하는 전체 두께와 같은 가변적인 전체 두께를 갖는 전지 분리기를 적어도 제공한다. 본 발명의 다른 특징, 목적, 및 이점은 감소된 전지 고장, 개선된 전지 사이클 수명, 및/또는 개선된 성능을 제공한다. 더욱 구체적으로, 전지의 제조 및/또는 그 제조 후의 사용 중 적어도 하나 중에, 가변적인 전극 간격에 적응할 수 있는 분리기를 제공할 필요가 있다.
하나 이상의 예시적인 실시형태, 측면, 또는 목적의 상세사항은 이하에 기재된 상세한 설명 및 청구범위에 있다. 다른 특징, 목적, 및 이점은 이하에 기재된 상세한 설명 및 청구범위로부터 명백할 것이다. 하나 이상의 선택된 실시형태, 측면, 또는 목적에 따르면, 본 개시 또는 발명은 여기서 열거된 문제, 이슈, 또는 필요를 적어도 해결하고, 일부 경우에는 필요 및 예상을 놀랍게 및 예상 밖으로 넘어서는 해결수단을 제공한다.
적어도 특정의 예시적인 실시형태, 목적, 또는 측면에 따르면, 본 개시 또는 발명은 적어도 상술한 문제를 극복하는 새롭거나 개선된 분리기, 셀, 전지, 시스템, 이러한 새롭거나 개선된 분리기, 셀, 전지, 및/또는 시스템의 제조, 이용, 및/또는 적용 방법을 제공할 수 있다. 예를 들어, 적어도 특정의 예시적인 실시형태, 목적, 또는 측면은 그 사이에서 가변적인 간격을 갖는 전극에 적응 가능한 분리기를 포함하는 전지를 제공하고, 가변적인 두께를 갖는 분리기를 포함하는 전지를 제공한다.
적어도 선택된 예시적인 실시형태, 측면, 또는 목적에 따르면, 본 개시 또는 발명은 구성요소 및 물리적 속성 및 특징이 상승적으로 조합되는 분리기를 제공함으로써, 개선된 전지 분리기로 납축전지 산업에서 이전에 충족되지 못한 필요를 놀랍고 예상하지 못한 방식으로 해결한다. 특정의 바람직한 예시적인 실시형태에서, 본 개시 또는 발명은 여기서 기술되는 분리기를 이용한 전지를 제공함으로써, 개선된 납축전지 분리기로 납축전지 산업에서 이전에 충족되지 못한 필요를 놀랍고 예상하지 못한 방식으로 해결한다. 특정의 바람직한 예시적인 실시형태에서, 본 개시 또는 발명은 여기서 기술되는 전지를 이용한 시스템을 제공함으로써, 여기서 기술되는 본 발명의 분리기를 이용하는 본 발명의 납축전지를 이용한 개선된 시스템으로 납축전지 산업에서 이전에 충족되지 못한 필요를 놀랍고 예상하지 못한 방식으로 해결한다.
적어도 특정 실시형태에 따르면, 본 개시 또는 발명은 새롭거나 개선된 분리기, 셀, 전지, 시스템, 및/또는 이러한 새로운 분리기, 셀, 전지, 및/또는 시스템의 제조 및/또는 이용 및/또는 적용 방법에 관한 것이다. 적어도 특정 실시형태에 따르면, 본 개시 또는 발명은: 납축전지; 침수형 납축전지; 강화 침수형 납축전지("EFB"); 평판 전지; 관형 전지; 딥-사이클 전지; 부분 충전 상태("PSoC")에서 작동하는 전지; 밸브 조절형 납축전지("VRLA"); 겔 전지; 흡수성 유리 매트("AGM") 전지; 인버터 전지; 거치용 전지; 이동 중에 사용되는 전지; 예를 들어 스팀 터빈 발전기에 의한, 예를 들어 석탄 및/또는 가스 화력 발전소, 및/또는 원자력 발전소에 의한 발전용 에너지 저장; 태양력, 풍력, 수력, 또는 다른 대체 및/또는 재생 에너지원에 의한 발전용 에너지 저장; 일반 에너지 저장 전지; 무정전 전원("UPS") 전지; 높은 저온-시동 전류("CCA") 요건을 갖는 전지; 시동-점등-점화("SLI") 차량 전지, 아이들링-스타트-스톱("ISS") 차량 전지, 해양 전지, 자동차 전지, 트럭 전지, 모터사이클 전지, 전-지형 차량 전지, 지게차 전지, 골프 카트(골프 카로도 불림) 전지, 하이브리드-전기 차량("HEV") 전지, 전기 차량 전지, 경 전기 차량 전지, 저속 전기 차량("NEV") 전지, 전기-인력거 전지, 전기-세발자전거 전지, 전기-자전거 전지, 전기 스쿠터 전지와 같은 차량 전지; 및/또는 이들과 유사한 것; 및/또는 이들의 조합을 위한 새롭거나 개선된 전지 분리기에 관한 것이다. 선택된 실시형태에 따르면, 본 개시 또는 발명은 상술한 전지를 도입한 시스템 또는 차량에 사용되는 전지 분리기에 관한 것이다. 적어도 특정 측면에 따르면, 본 개시 또는 발명은 이러한 개선된 분리기, 셀, 전지, 시스템, 및/또는 이들과 유사한 것을 제조 및/또는 이용하는 개선된 방법에 관한 것이다.
본 발명의 첫 번째 선택된 실시형태에 따르면, 전지 분리기는 제1표면, 및 제1표면으로부터 반대쪽 면 상에 제2표면을 갖는 다공성 멤브레인 백웹을 구비한다. 분리기는 제1표면으로부터 연장되는 제1복수의 리브, 및 제2표면으로부터 연장되는 제2복수의 리브로 구성되는 리브의 어레이를 추가로 구비한다. 리브의 제1어레이의 적어도 일부는 제2표면 상에 배치되는 제2복수의 리브로부터의 임의의 리브의 반대쪽에 배치되지 않는다.
본 발명의 일부 예시적인 측면에 따르면, 리브의 어레이는 등거리로 이격되거나 이격되지 않을 수 있다. 또한, 제1복수의 리브 및 제2복수의 리브 중 한쪽 또는 양쪽은 등거리로 이격되거나 이격되지 않을 수 있다. 이들 리브 간격은 임의의 조합으로 존재할 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 측면에 따르면, 제1복수의 리브로부터의 하나 이상의 리브가 분리기의 폭에 걸쳐 제2복수의 리브로부터의 하나 이상의 리브와 교대 배치되도록, 리브의 어레이가 배치될 수 있다.
일부 측면에서, 분리기는 분리기 표면의 한쪽 또는 양쪽 상에 배치되는 미니 교차-리브를 가질 수 있다. 이들 미니 교차-리브는 제1 및 제2복수의 리브 사이에서 분리기의 기계 방향으로 또는 분리기의 교차-기계 방향으로 배치될 수 있다. 미니 교차-리브는 대략 25 ㎛ 내지 대략 75 ㎛의 높이를 가질 수 있다.
선택된 실시형태에서, 제1복수의 리브는 실질적으로 서로 평행할 수 있고, 제2복수의 리브는 실질적으로 서로 평행할 수 있으며, 및/또는 제1복수의 리브는 제2복수의 리브와 실질적으로 평행할 수 있다. 제1복수의 리브 및 제2복수의 리브는 분리기의 기계 방향과 실질적으로 평행할 수 있다.
본 발명의 선택된 바람직한 측면에서, 제1복수의 리브 및/또는 제2복수의 리브는 대략 4 mm 내지 대략 18 mm 사이, 대략 5 mm 내지 대략 16 mm 사이, 또는 대략 6 mm 및 대략 14 mm 사이의 간격으로 이격될 수 있다. 간격은 5 mm, 6 mm, 7 mm, 8 mm, 9 mm, 10 mm, 11 mm, 12 mm, 13 mm, 14 mm, 15 mm, 16 mm, 17 mm, 18 mm, 19 mm, 또는 20 mm일 수 있다.
여기서 결과는 대략 6 mm의 간격이 사용되는 경우 (4 mm와 비교하여) 압축성에서 급격한 개선을 나타내고, 간격이 18 mm, 20 mm, 또는 그 이상과 같이, 12 mm 또는 14 mm 이상의 양을 초과하는 경우, 압축성은 감소하거나 사라진다. 이러한 높은 간격에서, 산 변위의 이슈가 나타날 수 있다.
본 발명의 특정의 바람직한 실시형태에 따르면, 전지 분리기는 다공성 멤브레인 백웹이 일반적으로 평면인 이완된 상태 및 다공성 멤브레인 백웹이 일반적으로 휘어진 상이한 압축된 상태를 가질 수 있다.
선택된 바람직한 실시형태에 따르면, 분리기는 제1복수의 리브의 끝(tip)에 의해 형성되는 평면, 및 제2복수의 리브의 끝에 의해 형성되는 평면 사이의 거리로 정의되는 전체 두께를 갖는다. 선택된 실시형태에서, 압축된 상태에서의 전체 두께는 적어도 대략 500 ㎛이다. 선택된 실시형태에서, 압축된 상태에서의 전체 두께는 대략 2.0 mm 이하이다. 다른 실시형태에서, 이완된 상태에서의 전체 두께는 대략 3.0 mm 이하이다.
이완된 상태에서, 전체 두께는 다공성 멤브레인 백웹 두께, 제1복수의 리브의 높이, 및 제2복수의 리브의 높이의 합계로서의 값일 수 있다. 이러한 경우에서, 이완된 상태에서의 전체 두께는 대략 3.0 mm 이하이다.
특정의 예시적인 실시형태에서, 제1복수의 리브는 대략 200 ㎛ 내지 대략 1.5 mm의 제1리브 높이를 갖는다. 또한, 제2복수의 리브는 대략 200 ㎛ 내지 대략 1.5 mm의 제2리브 높이를 갖는다.
일부 바람직한 실시형태에서, 제1복수의 리브는 제1리브 높이를 갖고, 상기 제2복수의 리브는 제2리브 높이를 포함한다. 제1높이는 제2리브 높이의 대략 25% 내지 대략 400%와 동일하다.
본 발명의 또 다른 측면은 대략 125 ㎛ 내지 대략 250 ㎛ 사이의 두께를 갖는 다공성 멤브레인 백웹을 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 전지 분리기는 중합체, 열가소성 중합체, 폴리염화비닐("PVC"), 페놀 수지, 천연 또는 합성 고무, 합성 목재 펄프, 리그닌, 유리 섬유, 합성 섬유, 셀룰로오스 섬유, 및/또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 조성을 가질 수 있다. 천연 또는 합성 고무는 고무, 라텍스, 천연 고무, 합성 고무, 가교되거나 미가교된 천연 또는 합성 고무, 경화되거나 미경화된 고무, 크럼 또는 분쇄 고무, 폴리이소프렌, 메틸 고무, 폴리부타디엔, 클로로프렌 고무, 부틸 고무, 브로모부틸 고무, 폴리우레탄 고무, 에피클로로히드린 고무, 폴리설파이드 고무, 클로로설포닐 폴리에틸렌, 폴리노르보르넨 고무, 아크릴레이트 고무, 불소 고무 및 실리콘 고무 및 스티렌/부타디엔 고무, 아크릴로니트릴/부타디엔 고무, 에틸렌/프로필렌 고무("EPM" 및 "EPDM") 및 에틸렌/비닐 아세테이트 고무와 같은 공중합체 고무, 및/또는 이들의 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 측면에서, 전지 분리기는 실리카, 건조 미분 실리카, 침강 실리카, 비정질 실리카, 고-파쇄성 실리카, 알루미나, 탈크, 어분, 어골분, 황산 바륨(BaSO4), 탄소, 전도성 탄소, 흑연, 인조 흑연, 활성탄, 탄소 종이, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 고-표면적 카본 블랙, 그래핀, 고-표면적 그래핀, 케첸 블랙, 탄소 섬유, 탄소 필라멘트, 탄소 나노튜브, 개방-셀 탄소 폼, 탄소 매트, 탄소 펠트, 탄소 풀러렌("Bucky Ball"), 수성 탄소 현탁액, 편상 흑연, 산화된 탄소, 및/또는 이들의 조합 중 적어도 하나인 충전제를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서, 전지 분리기는 황산 바륨(BaSO4), 아연, 황산 아연, 탄소, 전도성 탄소, 흑연, 인조 흑연, 활성탄, 탄소 종이, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 고-표면적 카본 블랙, 그래핀, 고-표면적 그래핀, 케첸 블랙, 탄소 섬유, 탄소 필라멘트, 탄소 나노튜브, 개방-셀 탄소 폼, 탄소 매트, 탄소 펠트, 탄소 풀러렌("Bucky Ball"), 수성 탄소 현탁액, 편상 흑연, 산화된 탄소, 및/또는 이들의 조합 중 적어도 하나인 코팅을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 예시적인 측면에서, 제1복수의 리브 및 제2복수의 리브 중 한쪽 또는 양쪽은: 솔리드 리브, 이산형 단속적 리브, 연속적 리브, 불연속적 리브, 각진 리브, 선형 리브, 실질적으로 다공성 멤브레인의 기계 방향으로 연장되는 길이방향 리브, 실질적으로 다공성 멤브레인의 교차-기계 방향으로 연장되는 측방향 리브, 실질적으로 다공성 멤브레인의 교차-기계 방향으로 연장되는 횡방향 리브, 실질적으로 다공성 멤브레인의 교차-기계 방향으로 연장되는 교차 리브, 이산형 치형 또는 치형상 리브, 톱니, 톱니형 리브, 배틀먼트 또는 배틀먼트형 리브, 곡선형 또는 사인파형 리브, 솔리드 또는 단속적 지그-재그형 패션으로 배치, 홈, 채널, 텍스처 영역, 범프, 필러, 엠보스먼트, 딤플, 다공성, 비-다공성, 미니 리브 또는 교차-미니 리브, 및 이들의 조합 중 적어도 하나이다. 또 다른 측면에서, 예시적인 전지 분리기는 네거티브 교차-리브를 가질 수 있다.
본 발명의 선택된 바람직한 실시형태에서, 납축전지는 하나 이상의 양극, 및 하나 이상의 음극, 그리고 이들 사이에 배치되는 여기서 일반적으로 기술되고 청구되는 일 실시형태의 전지 분리기를 구비한다.
본 발명의 특정 측면에서, 납축전지는: 침수형 납축전지; 강화 침수형 납축전지("EFB"); 평판 전지; 관형 전지; 딥-사이클 전지; 부분 충전 상태("PSoC")에서 작동하는 전지; 밸브 조절형 납축전지("VRLA"); 겔 전지; 흡수성 유리 매트("AGM") 전지; 인버터 전지; 거치용 전지; 이동 중에 사용되는 전지; 발전용 에너지 저장 전지; 일반적인 에너지 저장 전지; 무정전 전원("UPS") 전지; 높은 저온-시동 전류("CCA") 요건을 갖는 전지; 시동-점등-점화("SLI") 차량 전지, 아이들링-스타트-스톱("ISS") 차량 전지, 해양 전지, 자동차 전지, 트럭 전지, 모터사이클 전지, 전-지형 차량 전지, 지게차 전지, 골프 카트(골프 카로도 불림) 전지, 하이브리드-전기 차량("HEV") 전지, 전기 차량 전지, 경 전기 차량 전지, 저속 전기 차량("NEV") 전지, 전기-인력거 전지, 전기-세발자전거 전지, 전기-자전거 전지, 전기 스쿠터 전지와 같은 차량 전지; 및/또는 이들과 유사한 것; 및/또는 이들의 조합 중 하나일 수 있다.
특정의 바람직한 예시적인 실시형태에서, 본 발명은 여기서 일반적으로 기술되고 청구되는 전지 분리기를 이용하는, 여기서 일반적으로 기술되고 청구되는 납축전지를 이용하는 차량, 장치, 또는 시스템을 제공할 수 있다. 상기 차량, 장치, 또는 시스템은: 예를 들어 석탄 및/또는 가스 화력 발전소, 및/또는 원자력 발전소에 의한 스팀 터빈 발전기와 같은 발전 시스템; 예를 들어 태양력, 풍력, 수력, 또는 다른 대체 및/또는 재생 에너지원에 의한 발전 시스템; 무정전 전원("UPS"); 선박; 자동차; 트럭; 모터사이클; 전-지형 차량; 지게차; 골프 카트(골프 카로도 불림); 하이브리드-전기 차량("HEV"); 전기 차량; 경 전기 차량; 저속 전기 차량("NEV"); 전기-인력거; 전기-세발자전거; 전기-자전거; 전기 스쿠터; 및/또는 이들과 유사한 것; 및/또는 이들의 조합 중 적어도 하나일 수 있다.
또한, 섬유질 매트가 제공될 수 있다. 매트는: 유리 섬유, 합성 섬유, 실리카, 적어도 하나의 성능 향상용 첨가제, 라텍스, 천연 고무, 합성 고무, 및 이들의 조합 중 하나일 수 있고, 부직포, 직포, 메시, 플리스, 네트, 및 이들의 조합일 수 있다.
또한, 전지 분리기는 바닥에 개구를 갖는 컷-피스, 리프, 포켓, 슬리브, 랩, 엔벨로프, 및 하이브리드 엔벨로프로서 제공될 수 있다.
제1복수의 리브가 추가로 제공됨으로써 특히 전지의 움직임 중에 전지에서 산 혼합을 향상시킬 수 있다. 분리기는 제1 및 제2표면이 전지의 스타트 및 스톱 모션과 평행하도록 배치될 수 있다. 분리기는 양극, 음극, 또는 분리기와 인접한 매트를 구비할 수 있다. 매트는 적어도 부분적으로 유리 섬유, 합성 섬유, 실리카, 적어도 하나의 성능 향상용 첨가제, 라텍스, 천연 고무, 합성 고무, 및 이들의 임의의 조합으로 제조될 수 있다. 매트는 부직포, 직포, 메시, 플리스, 네트, 및 이들의 조합일 수 있다.
특정 실시형태에서, 전지는 대략 1% 및 대략 99% 사이의 방전 심도에서 작동할 수 있다.
적어도 선택된 예시적인 실시형태, 측면, 또는 목적에 따르면, 본 발명은 현재 최신 기술에 의해 이전에 미해결, 미충족, 및/또는 처리되지 못한 문제, 필요, 및/또는 이슈를 적어도 해결, 충족, 및/또는 극복한다. 적어도 특정 목적에 따르면, 본 발명은 개선된 분리기, 개선된 분리기를 이용한 개선된 전지, 및/또는 적어도 상술한 문제를 극복하는, 일부 경우에서는 놀랍게 및 예상 밖으로 극복하는 개선된 전지를 이용한 개선된 시스템을 제공한다.
첨부된 청구항의 구성 및 방법은 여기서 기술된 특정 구성 및 방법에 의해 범위에서 제한되지 않고, 청구항의 몇 가지 측면의 예시로서 의도된다. 기능적으로 동등한 임의 구성 및/또는 방법은 청구항의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 여기서 나타나거나 기술된 것 이외의 구성 및 방법의 다양한 변형은 첨부된 청구항의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 또한, 여기서 기술된 특정의 대표적인 구성 및 방법 단계만이 구체적으로 기술되더라도, 또한 구성 및 방법 단계의 다른 조합이, 구체적으로 언급되지 않더라도, 첨부된 청구항의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 따라서, 단계, 요소, 성분, 또는 구성의 조합이 여기서 명확하게 또는 덜 언급될 수 있고, 그러나, 명확하게 기재되지 않더라도, 단계, 요소, 성분, 및 구성의 다른 조합이 포함된다. 실시예 이외에, 또는 달리 언급되지 않은 곳에서, 명세서 및 청구항에 사용되는 성분의 양, 반응 조건 등을 표현하는 모든 수치는 적어도 청구항의 범위에 균등론의 적용을 제한하는 시도가 아닌 것으로 이해되어야 하고, 유효숫자의 수 및 통상의 반올림 접근법에 비추어 해석되어야 한다. 달리 특정되지 않는 한, 여기서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 개시된 발명이 속하는 분야의 기술자에 의해 흔히 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 여기서 인용된 공개문헌 및 거기에 인용된 재료는 특히 참고로 도입된다.
명세서 및 첨부된 청구항에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태 "a" "an" 및 "the"는 달리 명확하게 기재되지 않는 한 복수 대상물을 포함한다. 범위는 "약" 또는 "대략" 하나의 특정 값부터, 및/또는 "약" 또는 "대략" 또 다른 특정 값까지로서 여기서 표현될 수 있다. 이러한 범위가 표현될 때, 또 다른 실시형태는 하나의 특정 값부터 및/또는 다른 특정 값까지를 포함한다. 유사하게, 선행사 "약"의 사용에 의해, 값이 근사치로 표현될 때, 특정 값이 또 다른 실시형태를 형성하는 것으로 이해될 것이다. 각 범위의 종점이 다른 종점과 관련하여, 그리고 다른 종점과 관계없이 유효한 것으로 또한 이해될 것이다. "선택적" 또는 "선택적으로"는 이후에 기술되는 사건 또는 상황이 일어나거나 일어나지 않을 수 있는 것, 그리고 설명이 상기 사건 또는 상황이 일어나는 예를 및 그것이 일어나지 않는 예를 포함하는 것을 의미한다.
이 명세서의 설명 및 청구항에 걸쳐, 용어 "포함하다" 그리고 "포함하는" 및 "포함한다"와 같은 상기 용어의 변형은 "포함하지만 이에 제한되지 않는 것"을 의미하고, 예를 들어 다른 첨가제, 성분, 정수 또는 단계를 배제하는 것으로 의도되지 않는다. 용어 "~로 필수적으로 구성되는" 및 "~로 구성되는"은 발명의 더욱 구체적인 실시형태를 제공하도록 "포함하는" 대신에 사용될 수 있다. "예시적인" 또는 "예를 들어"는 "~의 예"를 의미하고 바람직하거나 이상적인 실시형태를 표시하는 것으로 의도되지 않는다. "~와 같은"은 제한적인 의미로 사용되지 않지 않고, 설명적이거나 예시적인 목적을 위해 사용된다.
부가적으로, 여기서 예시적으로 개시된 발명은 여기서 구체적으로 개시되지 않은 임의의 요소 없이도 적절히 실시될 수 있다.

Claims (45)

  1. 제1표면, 및 상기 제1표면으로부터 반대쪽 면 상에 제2표면을 포함하는 다공성 멤브레인 백웹;
    상기 제1표면으로부터 연장되는 제1복수의 리브, 및 상기 제2표면으로부터 연장되는 제2복수의 리브를 포함하는 적어도 하나의 리브의 어레이를 포함하고;
    상기 제1복수의 리브의 적어도 일부는 상기 제2표면 상에 배치되는 상기 제2복수의 리브로부터의 임의의 리브의 반대쪽에 배치되지 않는 전지 분리기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리브의 어레이는 등거리로 이격되는 전지 분리기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 리브의 어레이는 등거리로 이격되지 않는 전지 분리기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1복수의 리브는 등거리로 이격되는 전지 분리기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2복수의 리브는 등거리로 이격되지 않는 전지 분리기.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제2복수의 리브는 등거리로 이격되는 전지 분리기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1복수의 리브는 등거리로 이격되는 전지 분리기.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 제1복수의 리브는 등거리로 이격되지 않고, 상기 제2복수의 리브는 등거리로 이격되지 않는 전지 분리기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1복수의 리브는 제1거리로 이격되고, 상기 제2복수의 리브는 제2거리로 이격되는 전지 분리기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1거리는 상기 제2거리와 동일한 전지 분리기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 리브의 어레이는 등거리로 이격되는 전지 분리기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 리브의 어레이는 상기 제2복수의 리브의 하나 이상의 리브와 교대 배치되는 상기 제1복수의 리브의 하나 이상의 리브의 세트를 포함하는 전지 분리기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1표면 및 상기 제2표면 중 상기 제1표면, 상기 제2표면, 또는 양쪽 상에 배치되는 미니 교차-리브를 추가로 포함하는 전지 분리기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 미니 교차-리브는 대략 25 ㎛ 내지 대략 75 ㎛ 사이의 높이를 갖는 전지 분리기.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1복수의 리브의 각각은 실질적으로 서로 평행한 전지 분리기.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제2복수의 리브의 각각은 실질적으로 서로 평행한 전지 분리기.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1복수의 리브는 상기 제2복수의 리브와 실질적으로 평행한 전지 분리기.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1복수의 리브는 분리기 기계 방향과 실질적으로 평행한 전지 분리기.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 제1복수의 리브는 대략 4 mm 내지 대략 18 mm 사이, 대략 5 mm 내지 대략 16 mm 사이, 또는 대략 6 mm 및 대략 14 mm 사이의 거리로 이격되는 전지 분리기.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 제2복수의 리브는 대략 4 mm 내지 대략 18 mm 사이, 대략 5 mm 내지 대략 16 mm 사이, 또는 대략 6 mm 및 대략 14 mm 사이의 거리로 이격되는 전지 분리기.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 멤브레인 백웹이 일반적으로 평면인 이완된 상태 및 상기 다공성 멤브레인 백웹이 일반적으로 휘어진 상이한 압축된 상태를 추가로 포함하는 전지 분리기.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제1복수의 리브의 끝에 의해 형성되는 제1평면;
    상기 제2복수의 리브의 끝에 의해 형성되는 제2평면; 및
    상기 제1평면 및 상기 제2평면 사이의 거리이고 적어도 대략 500 ㎛인 상기 압축된 상태에서의 전체 두께를 추가로 포함하는 전지 분리기.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 제1복수의 리브의 끝에 의해 형성되는 제1평면;
    상기 제2복수의 리브의 끝에 의해 형성되는 제2평면; 및
    상기 제1평면 및 상기 제2평면 사이의 거리이고 대략 2.0 mm 이하인 상기 압축된 상태에서의 전체 두께를 추가로 포함하는 전지 분리기.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 제1복수의 리브의 끝에 의해 형성되는 제1평면;
    상기 제2복수의 리브의 끝에 의해 형성되는 제2평면; 및
    상기 제1평면 및 상기 제2평면 사이의 거리이고 대략 3.0 mm 이하인 상기 이완된 상태에서의 전체 두께를 추가로 포함하는 전지 분리기.
  25. 제21항에 있어서,
    상기 제1복수의 리브의 제1리브 높이, 상기 제2복수의 리브의 제2리브 높이, 및 백웹의 두께의 합계와 동일한 상기 이완된 상태에서의 전체 두께를 추가로 포함하며;
    상기 제1리브 높이는 상기 백웹부터 상기 제1복수의 리브의 끝까지의 거리이고, 상기 제2리브 높이는 상기 백웹부터 상기 제2복수의 리브의 끝까지의 거리이며;
    상기 전체 두께는 대략 3.0 mm 이하인 전지 분리기.
  26. 제1항에 있어서,
    상기 제1복수의 리브는 대략 200 ㎛ 내지 대략 1.5 mm 사이의 제1리브 높이를 포함하는 전지 분리기.
  27. 제1항에 있어서,
    상기 제2복수의 리브는 대략 200 ㎛ 내지 대략 1.5 mm 사이의 제2리브 높이를 포함하는 전지 분리기.
  28. 제1항에 있어서,
    상기 제1복수의 리브는 제1리브 높이를 포함하고, 상기 제2복수의 리브는 제2리브 높이를 포함하며; 상기 제1높이는 상기 제2리브 높이의 대략 25% 내지 대략 400%와 동일한 전지 분리기.
  29. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 멤브레인 백웹의 두께는 대략 125 ㎛ 내지 대략 250 ㎛ 사이인 전지 분리기.
  30. 제1항에 있어서,
    중합체, 열가소성 중합체, 폴리염화비닐, 페놀 수지, 천연 또는 합성 고무, 합성 목재 펄프, 리그닌, 유리 섬유, 합성 섬유, 셀룰로오스 섬유, 및 이들의 조합으로 이루어진 군 중 하나를 추가로 포함하는 전지 분리기.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 천연 또는 합성 고무는 고무, 라텍스, 천연 고무, 합성 고무, 가교되거나 미가교된 천연 또는 합성 고무, 경화되거나 미경화된 고무, 크럼 또는 분쇄 고무, 폴리이소프렌, 메틸 고무, 폴리부타디엔, 클로로프렌 고무, 부틸 고무, 브로모부틸 고무, 폴리우레탄 고무, 에피클로로히드린 고무, 폴리설파이드 고무, 클로로설포닐 폴리에틸렌, 폴리노르보르넨 고무, 아크릴레이트 고무, 불소 고무 및 실리콘 고무 및 스티렌/부타디엔 고무, 아크릴로니트릴/부타디엔 고무, 에틸렌/프로필렌 고무("EPM" 및 "EPDM") 및 에틸렌/비닐 아세테이트 고무와 같은 공중합체 고무, 및 이들의 조합으로 이루어진 군 중 하나를 포함하는 전지 분리기.
  32. 제1항에 있어서,
    실리카, 건조 미분 실리카, 침강 실리카, 비정질 실리카, 고-파쇄성 실리카, 알루미나, 탈크, 어분, 어골분, 황산 바륨(BaSO4), 탄소, 전도성 탄소, 흑연, 인조 흑연, 활성탄, 탄소 종이, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 고-표면적 카본 블랙, 그래핀, 고-표면적 그래핀, 케첸 블랙, 탄소 섬유, 탄소 필라멘트, 탄소 나노튜브, 개방-셀 탄소 폼, 탄소 매트, 탄소 펠트, 탄소 풀러렌("Bucky Ball"), 수성 탄소 현탁액, 편상 흑연, 산화된 탄소, 및 이들의 조합으로 이루어진 군 중 적어도 하나의 충전제를 추가로 포함하는 전지 분리기.
  33. 제1항에 있어서,
    황산 바륨(BaSO4), 탄소, 전도성 탄소, 흑연, 인조 흑연, 활성탄, 탄소 종이, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 고-표면적 카본 블랙, 그래핀, 고-표면적 그래핀, 케첸 블랙, 탄소 섬유, 탄소 필라멘트, 탄소 나노튜브, 개방-셀 탄소 폼, 탄소 매트, 탄소 펠트, 탄소 풀러렌("Bucky Ball"), 수성 탄소 현탁액, 편상 흑연, 산화된 탄소, 및 이들의 조합으로 이루어진 군 중 적어도 하나의 코팅을 추가로 포함하는 전지 분리기.
  34. 제1항에 있어서,
    상기 제1복수의 리브 및 상기 제2복수의 리브 중 한쪽 또는 양쪽은: 솔리드 리브, 이산형 단속적 리브, 연속적 리브, 불연속적 리브, 각진 리브, 선형 리브, 실질적으로 다공성 멤브레인의 기계 방향으로 연장되는 길이방향 리브, 실질적으로 다공성 멤브레인의 교차-기계 방향으로 연장되는 측방향 리브, 실질적으로 다공성 멤브레인의 교차-기계 방향으로 연장되는 횡방향 리브, 실질적으로 다공성 멤브레인의 교차-기계 방향으로 연장되는 교차 리브, 이산형 치형 또는 치형상 리브, 톱니, 톱니형 리브, 배틀먼트 또는 배틀먼트형 리브, 곡선형 리브, 사인파형 리브, 솔리드 또는 단속적 지그-재그형 패션으로 배치, 홈, 채널, 텍스처드 영역, 범프, 필러, 엠보스먼트, 딤플, 다공성, 비-다공성, 미니 리브 또는 교차-미니 리브, 산 혼합 리브 또는 돌기, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전지 분리기.
  35. 제1항에 있어서,
    네거티브 교차-리브를 추가로 포함하는 전지 분리기.
  36. 제1항에 있어서,
    산 혼합 리브를 추가로 포함하는 전지 분리기.
  37. 양극, 및 음극, 그리고 이들 사이에 배치되는 제1항의 전지 분리기를 포함하는 납축전지.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 전지는: 침수형 납축전지; 강화 침수형 납축전지("EFB"); 평판 전지; 관형 전지; 딥-사이클 전지; 부분 충전 상태("PSoC")에서 작동하는 전지; 밸브 조절형 납축전지("VRLA"); 겔 전지; 흡수성 유리 매트("AGM") 전지; 인버터 전지; 거치용 전지; 이동 중에 사용되는 전지; 발전용 에너지 저장 전지; 일반적인 에너지 저장 전지; 무정전 전원("UPS") 전지; 높은 저온-시동 전류("CCA") 요건을 갖는 전지; 시동-점등-점화("SLI") 차량 전지, 아이들링-스타트-스톱("ISS") 차량 전지, 해양 전지, 자동차 전지, 트럭 전지, 모터사이클 전지, 전-지형 차량 전지, 지게차 전지, 골프 카트(골프 카로도 불림) 전지, 하이브리드-전기 차량("HEV") 전지, 전기 차량 전지, 경 전기 차량 전지, 저속 전기 차량("NEV") 전지, 전기-인력거 전지, 전기-세발자전거 전지, 전기-자전거 전지, 전기 스쿠터 전지와 같은 차량 전지; 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나인 납축전지.
  39. 제37항의 납축전지를 포함하는 차량, 장치, 또는 시스템.
  40. 제39항에 있어서,
    발전 시스템; 무정전 전원("UPS"); 선박; 자동차; 트럭; 모터사이클; 전-지형 차량; 지게차; 골프 카트(골프 카로도 불림); 하이브리드-전기 차량("HEV"); 전기 차량; 경 전기 차량; 저속 전기 차량("NEV"); 전기-인력거; 전기-세발자전거; 전기-자전거; 전기 스쿠터; 및 이들의 조합 중 적어도 하나로 이루어진 군으로부터의 하나를 포함하는 차량, 장치, 또는 시스템.
  41. 양극, 및 음극, 그리고 제1항 내지 제36항 중 어느 한 항의 전지 분리기로서, 적어도 하나의 부직포, PRM, 유리 매트, AGM, 페이스팅 종이, 은, 플레이트 랩, 부트, 및/또는 이들과 유사한 것이 있거나 없이, 전극들 중 적어도 하나 위에 또는 주위에 있거나, 전극들 적어도 하나를 엔벨로핑하거나, 또는 전극들 각각을 엔벨로핑하는(포지티브 포켓, 네거티브 포켓, 또는 양쪽처럼), 피스, 리프, 포켓, 엔벨로프, 랩, 슬리브, 폴드, 또는 이들과 유사한 것이고 전극들 사이에 배치되는 전지 분리기를 포함하는 셀, 시스템 또는 납축전지.
  42. 제41항의 셀, 시스템, 또는 납축전지를 포함하는 차량, 장치, 제품, UPS, ESS, 스마트 그리드, 시스템 및/또는 이들과 유사한 것.
  43. 여기서 나타나고, 기술되며, 및/또는 청구되는 바와 같이, 새롭거나 개선된 분리기, 멤브레인, 프로파일, 어레이, 셀, 시스템, 전지, 차량, 장치, 제품, 및/또는 이들과 유사한 것.
  44. 여기서 나타나고, 기술되며, 및/또는 청구되는 바와 같이, 납축전지에서 전극들 사이의 가변적인 간격을 수용하는 능력을 구비하는 압축성 전지 분리기, 및/또는 관련 전지 분리기, 셀, 전지, 시스템, 및 제조 방법 및/또는 이용 방법.
  45. 이완된 상태로부터 두께에서 적어도 12% 변화를 갖는 압축성 전지 분리기.
KR1020227017286A 2019-10-29 2020-10-27 개선된 압축성을 갖는 개선된 납축전지 분리기; 이를 도입한 전지, 시스템, 및 관련 방법 KR20220092536A (ko)

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