TW540179B - Separator in lead acid battery and manufacturing method thereof - Google Patents

Description

540179 五、發明說明（1) [發明之技術領域] 本發明係有關一種用於鉛酸電池内之隔板及其製造方 法，主要係將多孔性纖維隔板覆蓋或吸附聚合物，具有增 加隔板之機械強度、減少厚度及避免短路之功效。 [發明背景] 曰常生活中，電池的使用非常普遍，電池的分類可依 其充放電特性及其工作性質大致分為一次電池（p r i m a r y cell )、二次電池(secondary battery)，其中二次電 池係指可被重複使用的電池，透過充電的過程，可以使得 電池内的活性物質再度的回復到原來的狀態，因而能再度 的提供電力。這類的電池有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電 池、二次鋰電池，以及鋰離子電池和高分子鋰電池等。 鉛酸電池係為一種歷史悠久的電池系統，所使用的陽 極為鉛、陰極為二氧化鉛，電解質則為2 7〜3 9 %的硫酸溶 液，因為該電池具有電動勢大、操作溫度廣、結構簡單、 技術成熟與價格低廉等優勢，再加上好的循環壽命，使得 此種電池的產量與產值在電池產出中具有相當重要的地 位，主要應於於汽機車、不斷電系統等領域。 而閥控式錯酸電池（valve regulated lead-acid battery, VRLA)係為鉛酸電池之一種，典型的VRLA電 池，主要包含有正極、負極、隔板、電解液及外槽形成一 電池。每一電池係利用正/負極（二氧化鉛/鉛）及電解液 (硫酸電解液）間的化學反應產生電流。在放電的過程 中，當電池連接一電路時，藉由電子從負極移動到正極而

第4頁 540179 充電過程中 電流使鉛酸 達到充電目 極係由板柵 外亦具有充 ，也有使用 會與電解液 。前述電解 為隔離電池 而造成短路 )通過。因 解液而言， 作用。一般 性高與價格 隔板以及最 好，也須有 特性，以維 於VRLA電池 lass mat， 可作為絕緣 目的為：吸 正負極間的 提供正負極 設計為了防 ，電池係 電池内產 的。 與活性物 作集電體 純鉛或其 (硫酸） 液係作為 内之正負 ，且同時 此，對於 則需有足 隔板的性 低廉等， 新的玻璃 南的機械 持電池結 之多孔性 AGM )， 體。^鉛酸 附電解液 絕緣體 間進行化 止正負極 連接到一電源供應器 生逆反應 （reverse 質所構 的作用 他鉛合 反應而 離子交 極之用 要能允 電子而 夠空間 能要求 目前所 纖維隔 強度、 構的完 隔板係 此種材 電池中 ;作為 前述隔 學反應 間產生 金。當反 產生電子 換之介質 ，避免電 許導電離 言’隔板 與空隙來 主要為· 使用的材 板等。另 抗震動、 整性。 為吸附性 質係可吸 的多孑L性 電解液傳 板需吸附 而產生電 微短路， 五、發明說明（2) 產生電流。在 藉由外界施予 reaction )而 正極和負 附著活性物質 用鉛鈣合金外 時，兩電極皆 的移動及交換 隔板係作 正負極的接觸 如：H+、HS04-體，但對於電 應及離子傳導 小、4匕學穩定 成樹脂、橡膠 板之耐酸性要 與耐高低溫等 經常使用 (absorbed g 的酸液且同時 其主要之三個 介；以及作為 的電解液，以 此，多數電池 成，前者除用以 。板栅一般除使 應發生 及離子 池内部 子（例 為絕緣 產生反 電阻 質有合 外，隔 抗衝擊 玻璃墊 附大量 隔板’ 輸的媒 一定量 流。因 隔板厚

第5頁 540179 五、發明說明（3) 度必須維持在一定程度以上，因此，在相同空間内，正負 極板的體積就必須減少，然而，其缺點係導致其每單位之 電容（c a p a c i t y )降低。較佳的隔板係為一好的絕緣體， 其只允許電解液通過且不會造成正負極間的短路。 如圖一所示，係顯示習知錯酸電池1之結構示意圖， 主要係包含：正極2、負極3、隔板4以及電解液（圖未顯 示）。前述隔板4，其主要之目的係為：吸附電解液；作 為電解液傳輸的媒介以及作為正極2負極3間的絕緣體。前 述隔板4需吸附一定量的電解液，以提供正負極2、3間進 行化學反應而產生電流。 在V R L A電池應用中，電池尺寸係依客戶需求而製訂， 其電極板面積及電極厚度係可決定其電池電容或電流輸出 量。因此，增加正極板之厚度，電極板面積或電極板數目 將可增加電池的電流輸出量，從而設計上會傾向減少A G Μ 隔板之厚度。然而，傳統的A G Μ隔板存在某些缺點，例 如：減少隔板厚度會降低機械強度而導致在製程上的問 題；另外，較薄的A G Μ隔板也會造成短路 (micro- shortage)，其可能之原因係為：在量產過程中 可能會在電極板表面形成一些小的錯滴（1 e a d d r 〇 p s )或 灰塵，若A G M隔板太薄，則前述鉛滴或灰塵可能會造成正 負極板間的短路。 如圖二所示，係造成热酸電池1短路之另一原因，隨 著電池使用時間增加，由負極3形成之鉛結晶的樹狀突1 3 (lead crystal dendrite)亦會隨著成長，因此，前述

540179 五、發明說明（4) 鉛結晶的樹狀突1 3則可能會刺穿一般玻璃纖維隔板4，且 ‘ 接觸正極2而造成短路問題。因此，一般用於鉛酸電池1之 隔板4會使用較厚之隔板4以避免上述情形發生，但也因此 犧牲正極2之空間而導致電池電容降低。 電池中約有一半的厚度由多孔性隔板所構成，為了增 加單位體積的電容量，目前已有人嘗試減少隔板之厚度以 增加電極板之厚度或電極板數目，然而，減少隔板厚度除 了造成上述缺點外，隔板中吸附之電解液（如：硫酸）的 量也會減少，進而可能導致電解液不足的問題。 綜上所述，改善用於VRLA電池的隔板之特性，使其能 夠克服習知技術之缺點，做的更薄且同時具有較佳的機械 強度，以及部會造成正負極間的短路，將是目前急須發展 之技術。 [發明概述] - 有鑑於現有電池隔板的缺陷和弊端，本發明之目的係 提供一種用於鉛酸電池内之隔板，主要係由多孔性纖維材 ‘ 質及聚合物所構成 '。前述聚合物具有增加隔板之機械強 度、避免正負極間短路及減少隔板厚度等功效」。 前述多孔性纖維材質係為玻璃纖維、化學合成纖維或 玻璃纖維參混化學合成纖維而成。其中前述之化學合成纖 維材質可為聚酯（Ρ ο 1 y e s t e r )或其他具抗酸性之化學合 成纖維。 前述聚合物主要具有下列特性：抗酸能力；可形成多 孔性薄膜，其允許酸轉移或作為酸轉移的介質；C以及具有

第7頁 540179 五、發明說明（5) 足夠的鍵結強度以連接纖維，藉此增加多孔性纖維隔板之 機械強度。 附液體能力，可加入 他具類似性質之化合 前述聚合物了維持其孔隙度及吸 吸水性添加劑，例如：二氧化石夕或其 物，以提昇聚合物吸酸能力。 前述酸係為硫酸或其他具有相同化學特性之酸。前述 之酸係為鉛酸電池中之電解液。 之電池隔板之製造方 物結合，以製成具有 係以喷灑（s p r a y s h i n g )、黏貼 或吸附於多孔性纖維 合物覆蓋於多孔性纖 將多孔性纖維隔板浸 合物吸附於前述多孔 物薄膜黏貼至多孔性 聚合物、硬化劑 類聚合物、環氧樹脂 似特性之聚合物。前 1 alcohol )、丙酮 合聚合物，透過聚合 本發明另一目的係提供一種新穎 法，主要係將多孔性纖維隔板與聚合 更佳特性之電池隔板。前述之聚合物 )、浸泡(immersion )、屌丨J 印(br u (a d h e s i v e )或類似方法，將其覆蓋 隔板上，其中，使用喷灑方法可將聚 維隔板之表面，而使用浸泡方法則是 泡於特定濃度的聚合物溶液中，使聚 性纖維隔板之孔洞中/。另外，將聚合 纖維隔板表面也可達到上述效果。 前述之聚合物溶液主要係包含： (hardener )及溶劑。 前述之聚合物可為紛（phenol) (e ρ ο X y r e s i η) 類聚合物或其他具類 述之溶劑，例如：異丙醇（i s o p r o p y (acetone )或其類似之溶劑。 藉由將傳統之多孔性纖維隔板結

540179 五、發明說明（6) 物分子間凝結（c ο n d e n s e )將纖維間的接點（j u n c t i ο η point )更緊密結合，藉此大幅增加隔板之機械強度（約 2 5〜5 0 % )，前述增加之強度係隨著聚合物的量及種類而改 變 〇 另外，使用本發明之方法製成之電池隔板除可增加其 機械強度外，亦可降低電池短路的機率。由於將多孔性纖 維隔板覆蓋或浸泡聚合物後，透過聚合物分子的凝結，使 得纖維間的孔洞變小，如此將可減少鉛結晶的樹狀突 (lead crystal dendrite )從負極板刺穿至正極板而發 生短路的機會。 本發明之再一優點為：藉由覆蓋聚合物而增加隔板之 機械強度後，係可將隔板厚度減少，因而可增加正負電極 板之厚度，進而提昇每單位電容輸出量。 [主要元件符號對照說明] 1 —— 鉛酸電池 2 --- 正極 3 --- 負極 4 --- 隔板 4，--- 隔板 5 --- 多孔性纖維隔板 6 --- 喷出口 7 --- 聚合物 8 --- 聚合物薄膜 9 --- 聚合物溶液

第9頁 540179 五、發明說明（7) 10 --- 容器 11 —— 纖維 12 —— 孔洞 13 --- 錯結晶之樹狀凸 [發明之詳細說明] 本發明係有關一種用於鉛酸電池内之隔板及其製造方 法，其諸多優點與特徵將從下述詳細說明並配合圖式得到 進一步的瞭解。

首先參考圖三，係顯示本發明之鉛酸電池1之結構示 意圖，主要係包含：正極2、負極3、隔板4’以及電解液 (圖未顯示）。前述隔板4 ’係結合多孔性纖維材質與聚合 物而製成，藉由前述聚合物吸附於多孔性纖維材質之孔洞 中，以增加電池隔板4 ’之機械強度。 前述電解液係可為硫酸或其他相似化學特性之酸。 圖四係本發明之電池隔板4 ’之製造方法流程圖，至少 包含下列步驟：首先提供一多孔性纖維隔板；之後，將聚 合物置於前述多孔性纖維隔板中；將聚合物乾燥；最後即 製成結合多孔性纖維材質和聚合物之電池隔板4 ’ 。

前述多孔性纖維材質係為玻璃纖維、化學合成纖維或 玻璃纖維參混化學合成纖維而成，且其中前述之化學合成 纖維材質可為聚酯（Ρ ο 1 y e s t e r )或其他具抗酸性之化學 合成纖維。 前述聚合物主要具有下列特性：抗酸能力；可形成多 孔性薄膜，其允許酸轉移（a c i d t r a n s f e r )或作為酸轉

第10頁 540179 五、發明說明（8) 移的介質；以及具有足夠的鍵結強度以連接纖維材質，藉 此增加多孔性纖維隔板之機械強度。 前述聚合物為了維持其孔隙度及吸附液體能力，可加 入吸水性添加劑，例如：二氧化碎或其他具類似性質之化 合物，以提昇聚合物吸酸能力。 前述酸係為硫酸或其他具有相同化學特性之酸。前述 之酸係為鉛酸電池中之電解液。 前述將聚合物置於多孔性纖維隔板5上之方法係可透 過下列方式：如圖五所示，係將聚合物7溶液從喷出口 6以 喷灑（spray)方式將聚合物7覆蓋（coating)於多孔性 · 纖維隔板5上，之後，將前述覆蓋聚合物7之多孔性纖維隔 板5置於烘箱中乾燥一段時間，使前述聚合物7溶液中之溶 劑蒸發，並使聚合物7凝結於前述多孔性纖維隔板5上，即 可製成最後之電池隔板4 ’ 。由此喷灑方式製成之隔板4 ’如 - 圖六所示，隔板4’之兩側表面分別形成聚合物薄膜8，如 此可避免從負極形成的鉛結晶樹狀凸刺穿隔板而接觸正極 而發生短路。 本發明製造結合聚合物與多孔性纖維材質之隔板之另 一方式係如圖七所示。首先，將多孔性纖維隔板5浸泡 (immersion )於含有聚合物溶液9之容器1 0中一段時間， 使溶液9中之聚合物分子均勻吸附於多孔性纖維隔板5中，φ 之後，將吸附聚合物之多孔性纖維隔板5取出並乾燥，最 後即可製成本發明之電池隔板4 ’ 。由前述浸泡方式製成之 隔板4 ’如圖八所示，顯示出透過浸泡方式可使溶液之聚合

第11頁 540179 五、發明說明（9) 物7更均勻分布於多孔性纖維隔板5中。 前述之聚合物溶液主要係包含：聚合物、硬化劑 (hardener )及溶劑 〇 前述聚合物可為盼（p h e η ο 1 ) 類聚合物、環氧樹脂 (epoxy r e s i η ) 類聚合物或其他具類似特性之聚合物。前 述之溶劑，例如：異丙醇（i s 〇 p r 〇 p y 1 a 1 c 〇 h ο 1 )、丙酮 (acetone )或其類似之溶劑。 本發明之再一種結合聚合物與多孔性纖維隔板之製造 方法，主要係將聚合物薄膜黏貼於多孔性纖維隔板表面， 此聚合物薄膜具有孔隙，可作為傳遞酸的介質。前述聚合 φ 物薄膜之位置係貼於隔板上鄰近負極板之一面，如此便能 有效防止鉛結晶的樹狀凸穿破多孔性纖維隔板而造成短 路。 圖九係顯示一般多孔性纖維隔板5之結構示意圖，其 -係由纖維1 1相互交錯製成複數個孔洞1 2。圖十係使用本發 明之方法將聚合物7吸附於多孔性纖維隔板5之孔洞1 2中之 結構示意圖，由圖十顯示，聚合物7係會聚集於纖維1 1結 構之交界處，透過聚合物7分子間凝結（c ο n d e n s e )將纖 維1 1間的接點更緊密結合，藉此大幅增加隔板之機械強 度，因而可減少電池隔板4 ’之厚度。 經由本發明之方法製成之多孔性纖維隔板4 ’，其另一 _ 優點係可降低鉛結晶的樹狀突（參考圖二編號1 3 )從負極 板刺穿至正極板而發生短路的機會。 前述增加之機械強度係隨著聚合物的量、種類及乾燥

第12頁 540179 五、發明說明（ίο) 時間長短而不同。 本發明之製成之結合聚合物7及纖維1 1之電池隔板 4 ’ ，將透過下列之實施例作可做更進一步之了解其優點。 實施例一：隔板之機械強度測試 此實施例係使用前述本發明之方法，例如：喷灑、浸 泡、刷印或類似之方法，製成結合聚合物及玻璃纖維之電 池隔板，並透過實驗測試其與傳統玻璃纖維隔板之機械強 度之差異。

本實施例係測試五個尺寸相同之電池隔板（a〜e )， 長為15cm、寬4.5cm、厚度為2.1mm，其中包含：兩個未覆 蓋聚合物之玻璃纖維隔板（a、b )，及三個覆蓋聚合物於 其中一面之玻璃纖維隔板，其分別使覆蓋之聚合物乾燥1 0 分鐘（c ) 、1 5分鐘（d )及2 0分鐘（e )，之後測試其所 能承受之張力，結果如圖十一所示。圖十一中顯示，未經 本發明之方法製造之兩個玻璃纖維隔板a、b，其所能承受 之張力皆為1 . 6 K g ;而經本發明之方法，使玻璃纖維覆蓋 聚合物之電池隔板c (乾燥1 0分鐘）、隔板d (乾燥1 5分鐘 )及隔板e (乾燥2 0分鐘），其可承受之張力分別為 2. lKg、2. OKg 及2. 4Kg 。

由上述結果明顯可證明，使用本發明將聚合物結合傳 統之玻璃纖維材質之隔板，可使電池隔板之機械強度增強 約2 5 %〜5 0 % ，且上述之測試結果係只顯示將玻璃纖維隔 板之一面覆蓋聚合物，若將所有表面皆覆蓋聚合物，將可 使隔板具有更佳之機械強度。

第13頁 540179 五、發明說明（11) 實施例二：電池效能之測試 經由上述實施例一測試之結果顯示，使用本發明之方 法製造之覆蓋聚合物之玻璃纖維隔板，係具有更佳之機械 強度，因此，此實施例係比較兩個相同尺寸之鉛酸電池 (A、B )，其中電池A係使用一般較厚之玻璃纖維之電池 隔板，而電池B係使用本發明製造之電池隔板。電池效能 之測試方式係將電池於特定電流下（例如：3 6 A )進行放 電，同時並觀測電池電壓的改變。基本上，在持續放電過 程中，電池電壓會漸漸降低，而本實施例則測試在持續放 電過程中，電池電壓降低至某定值以下（例如：5 . 2 5 V ) φ 所花費之時間，若時間越長，則表示此電池之效能越好。 測試結果如圖十二所示，電池A、B在3 6 A持續放電下 (high rate discharge)，分別於7.42 分鐘及10.46 分鐘 時電池電壓降至5 . 2 5 V，因一般電池Α (工業產品）之放電 — 時間在7 . 5至8 . 5分鐘範圍，由此可知電池B較電池A高出至 . 少2 0 % 以上之效能。 由此可知，使用本發明之電池隔板，可減少隔板厚 度，因而節省其在電池内部所佔之空間，藉此可增加正負 極板之數目而提昇電池輸出之電容。 當然，本發明之實施範圍只要不脫離本發明之要旨， 可進行種種之變更，其保護範圍由以下之申請專利範圍所 _ 界定。 [發明之功效] 本發明所提供之用於鉛酸電池内之電池隔板及其製造

第14頁 540179 五、發明說明（12) 方法，有效解決傳統鉛酸電池内因隔板產生之問題，例 如：隔板之機械強度差、容易發生短路、隔板厚度太厚… 等。利用本發明之方法製造結合聚合物之多孔性纖維隔 板，將可大幅提高隔板之機械強度，因而可減少隔板之厚 度，增加正負極之厚度，藉此提昇電池的電容，且因隔板 之機械強度增加，因此即使減少厚度，仍可避免因負極產 生之鉛結晶樹凸穿過隔板而導致之正負極間短路情形。

第15頁 540179 圖式簡單說明 圖一係習知紹F酸電池結構之示意圖。 圖二係錯酸電池内形成錯結晶的樹狀凸之示意圖。 圖三係本發明之鉛酸電池結構之示意圖。 圖四係本發明之電池隔板之製造方法流程圖。 圖五係本發明使用喷灑方式製造電池隔板之示意圖。 圖六係本發明使用如圖五之方法製成之電池隔板剖視 結構示意圖。

圖七係本發明使用浸泡方式製造電池隔板之示意圖。 圖八係本發明使用如圖七之方法製成之電池隔板剖視 結構示意圖。 圖九係多孔性纖維隔板之結構示意圖。 圖十係本發明之結合聚合物之多孔性纖維隔板之結構 示意圖。 圖十一係測試玻璃纖維隔板強度之結果圖。 圖十二係測試電池效能之結果圖。

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Claims (1)

1. 540179 六、申請專利範圍 1. 一種電池隔板，至少包含： 多孔性纖維材質；以及 聚合物； 前述聚合物係吸附於前述多孔性纖維材質之孔洞中， 以增加電池隔板之機械強度。 2. 如申請專利範圍第1項所述之電池隔板，其中前述多孔 性纖維材質可為玻璃纖維、化學合成纖維或玻璃纖維參 混化學合成纖維而成。

   3. 如申請專利範圍第2項所述之電池隔版，其中前述之化 學合成纖維可為聚酯（Ρ ο 1 y e s t e r )或其他具抗酸性之 化學合成纖維。 4. 如申請專利範圍第1項所述之電池隔板，其中前述聚合 物主要特性為··抗酸能力；可形成多孔性薄膜；以及具 有足夠的鍵結強度以連接前述多孔性纖維材質。 5. 如申請專利範圍第1項所述之電池隔板，其中前述聚合 物可為紛（p h e η ο 1 ) 類聚合物、環氧樹脂（e ρ ο X y r e s i η ) 類聚合物或其他具類似特性之聚合物。 6 .如申請專利範圍第1項所述之電池隔板，其中前述聚合 物係可添加吸水劑以維持聚合物孔隙度及吸收液體能 力。

   7. 如申請專利範圍第6項所述之電池隔板，其中前述吸水 劑係為二氧化矽或其他具類似性質之化合物。 8. 如申請專利範圍第1項所述之電池隔板，其中前述電池 隔板係用於錯酸電池。

   第17頁 540179 六、申請專利範圍 9 .如申請專利範圍第4項所述之電池隔板，其中前述酸係 為硫酸或其他具有相同化學特性之酸。 1 0 .如申請專利範圍第4項所述之電池隔板，其中前述酸係 作為錯酸電池中之電解液。 1 1 .如申請專利範圍第8項所述之電池隔板，其中前述之船 酸電池至少包含：一正極；一負極；一隔板；以及電解 液。

   1 2 .如申請專利範圍第1項所述之電池隔板，其中前述隔板 之主要目的係為：吸附前述電解液；作為電解液傳輸的 媒介；以及作為正極負極間的絕緣體。 1 3 · —種電池隔板之製造方法，至少包含下列步驟： 提供多孔性纖維隔板； 將聚合物置於前述多孔性纖維隔板中； 將聚合物乾燥；以及 製成結合多孔性纖維和聚合物之電池隔板。 1 4.如申請專利範圍第1 3項所述之電池隔板之製造方法， 其中前述聚合物係以喷丨麗（s p r a y )、浸泡（i m m e r s i ο η )、刷印(brushing )、黏貝占（adhesive)或類似方 法，將其覆蓋或吸附於多孔性纖維隔板上。

   1 5 .如申請專利範圍第1 4項所述之電池隔板之製造方法， 其中使用前述喷灑及刷印方法係可於多孔性纖維隔板之 表面形成聚合物薄膜。 1 6 .如申請專利範圍第1 4項所述之電池隔板之製造方法， 其中前述浸泡方法係將多孔性纖維隔板浸泡於含有聚合

   第18頁 540179 六、申請專利範圍 物之溶液中，使聚合物分子吸附於纖維材質之孔洞中。 1 7.如申請專利範圍第1 4項所述之電池隔板之製造方法， 其中前述黏貼方法係直接將聚合物薄膜黏貼於多孔性纖 維隔板表面。 1 8 .如申請專利範圍第1 6項所述之電池隔板之製造方法， 其中前述聚合物溶液主要係包含：聚合物、硬化劑 (hardener )及溶劑 〇 1 9 .如申請專利範圍第1 8項所述之電池隔板之製造方法，

   其中前述之溶劑係為異丙醇（isopropyl alcohol)、 丙酮（a c e t ο n e )或其類似之溶劑。 2 0 .如申請專利範圍第1 3項所述之電池隔板之製造方法， 其係藉由聚合物分子間凝結（c ο n d e n s e )將纖維間的接 點更緊密結合，藉此大幅增加隔板之機械強度。 2 1 ·如申請專利範圍第2 0項所述之電池隔板之製造方法， 其中前述之機械強度係與聚合物之種類、量及乾燥時間 有關。 2 2 .如申請專利範圍第1 3項所述之電池隔板之製造方法， 其中前述多孔性纖維係可為玻璃纖維、化學合成纖維或 玻璃纖維參混化學合成纖維而成。

   2 3.如申請專利範圍第2 2項所述之電池隔板之製造方法， 其中前述之化學合成纖維可為聚酯（Polyester)或其 他具抗酸性之化學合成纖維。 2 4.如申請專利範圍第1 3項所述之電池隔板之製造方法， 其中前述聚合物係可為盼（p h e η ο 1 ) 類聚合物、環氧樹

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