WO2024024721A1 - ガラス繊維と熱融着性有機繊維を使用した鉛蓄電池用セパレーター - Google Patents

ガラス繊維と熱融着性有機繊維を使用した鉛蓄電池用セパレーター Download PDF

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WO2024024721A1
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lead
heat
acid battery
fusible
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貴史 蔀
裕治 片桐
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エンテックアジア株式会社
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    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to improvements in separators used for lead-acid batteries. More specifically, the present invention relates to solving problems related to battery manufacturing using an AGM (Absorbent Glass Mat) separator using microglass fibers and heat-fusible organic fibers.
  • AGM Absorbent Glass Mat
  • nonwoven fabrics made of microglass fibers have been used as separators for lead-acid batteries in order to have an electrolyte retention function.
  • a lead-acid battery separator made of such a microglass fiber nonwoven fabric is usually bent into a U-shape and used to wrap either a positive or negative electrode plate. Therefore, since both ends of the separator are open, there is a possibility of a short circuit occurring through the open portions of the separator.
  • the main electrode plates used in lead-acid batteries are cast-type plates (plates with cast lattices), but recently, inexpensive expanded-type plates (plates with expanded lattices) are also being used. It has been done.
  • a lead-acid battery separator made of a microglass fiber nonwoven fabric in order to process the nonwoven fabric into a bag, opposing pieces of the nonwoven fabric at both side edges bent into a U-shape may be joined together.
  • a nonwoven fabric made only of microglass fibers that have a small fiber diameter and good electrolyte affinity in order to have an electrolyte retention function pieces of the nonwoven fabric cannot be joined together.
  • a method has been proposed in which opposing nonwoven fabric pieces are sealed together by heat sealing, ultrasonic sealing, gear sealing, or the like.
  • a microglass fiber nonwoven fabric is used instead of a glass fiber material (inorganic material) that does not inherently have fusibility. Therefore, about 20 to 60% by weight of an organic material (polyethylene fiber, etc.) for imparting fusion properties is included.
  • microglass fiber nonwoven fabric is inherently inflexible and brittle, so it may break or crack due to pressure or impact.
  • the material contains about 30 to 50% by weight of organic materials (such as polyethylene terephthalate fibers) to withstand high pressure and impact caused by gear jamming, and to prevent nonwoven fabric from breaking. ing.
  • Patent Document 9 10 to 25% of heat-fusible core-sheath fibers and 0 to 5% of monofilament-like heat-fusible fibers are blended as a sealable separator, and the total value of organic materials is 20 to 25%. 30%, and describes a separator that is easy to bond with a gear seal and does not break at the bonded portion.
  • the purpose is to increase the adhesive strength of the separator, and because it contains a large proportion of heat-fusible organic fibers, the electrolyte absorption properties are approximately 16 to 28% worse than in conventional examples. .
  • the electrolyte becomes high temperature because the test is performed in an overcharged state, and the bag processed part (sealed part) by the ultrasonic seal swells in the electrolyte, and the bond between the fibers tends to come off, causing the seal to fail. This is thought to be due to a decrease in strength (peel strength).
  • Patent Document 10 describes a nonwoven fabric made of 4 to 12% heat-sealable binder fibers and glass fibers with an average fiber diameter of 3 ⁇ m or less. It is described that the liquid permeability of the electrolytic solution is increased and variations in electrolytic solution permeability are suppressed.
  • the separator shown here has a relatively thick thickness of 1.8 mm when pressurized at 20 kPa, and because of its thickness, the blending ratio of heat-melting binder fibers as a reinforcing material is Even if it is 12% or less, the absolute strength of the separator itself is high and has a strength that does not affect the workability of assembling lead-acid batteries.
  • lead-acid batteries used in the ISS in recent years high-rate discharge characteristics have been emphasized as one of the performance requirements for automobile batteries, and in order to improve this high-rate discharge characteristic, lead-acid batteries have been The storage battery is designed with a narrow spacing between the electrode plates.
  • the thickness of a separator for a lead-acid battery is as thin as less than 1.8 mm, which also reduces the absolute strength of the AGM separator.
  • AGM separators with high tensile strength (sheet strength) are required to improve the ease of assembling lead-acid batteries.
  • An object of the present invention is to provide a separator for a lead-acid battery (AGM separator) that does not cause peeling of parts (seal parts).
  • the lead-acid battery separator (AGM separator) of the present invention is a lead-acid battery separator having the following characteristics.
  • the heat-fusible organic fiber is an organic fiber having a core-sheath structure, and the sheath portion is a crystalline heat-fusible polyolefin resin or a crystalline heat-fusible polyester resin.
  • the lead-acid battery separator according to any one of (1) to (6) above.
  • a separator for lead-acid batteries that has the high strength and high electrolyte retention function required of recent separators for lead-acid batteries, and does not cause peeling of the bag processed part (sealed part) during cycle life tests. separator). Bag processing of a lead acid battery separator (AGM separator) is performed by methods such as heat sealing, ultrasonic sealing, gear sealing, etc., but the lead acid battery separator (AGM separator) of the present invention can be bag processed by any of the methods. Even in such cases, peeling of the bag processed portion (sealed portion) does not occur. In the present invention, when the bag is processed by ultrasonic sealing, the effect that peeling of the bag processed part (sealed part) does not occur is higher.
  • the separator for lead-acid batteries (AGM separator) of the present invention is wet-formed mainly from microglass fibers and heat-fusible organic fibers, and in addition to the microglass fibers and heat-fusible organic fibers,
  • the material may contain inorganic powder such as silica, which has excellent properties and oxidation resistance, and non-heat-fusible organic fibers or resins such as cellulose, carbon fiber, and polyacrylonitrile fiber.
  • monofilament polyester terephthalate fiber which does not have heat-fusibility, as a third component in addition to the heat-fusible organic fiber, even if the bag is processed by gear sealing, heat sealing, ultrasonic sealing, etc.
  • a high-quality AGM separator without compression rupture (shearing) at the seal portion can be obtained.
  • the compressive breaking strength (shear force) of the nonwoven fabric can be increased (see, for example, Japanese Patent No. 4261821), and an even better AGM separator can be obtained. Can be done.
  • microglass fibers used in the separator for lead-acid batteries (AGM separator) of the present invention are used in an electrolytic solution (sulfuric acid aqueous solution with a specific gravity of 1.3), acid-resistant C glass fibers are preferred. However, this is not the case if the microglass fiber has acid resistance.
  • the fiber diameter of the microglass fibers varies depending on the heat-fusible organic fibers and other auxiliary materials combined, but one of the expected functions of the AGM separator is to suppress stratification, and from that point of view, the number average It is preferable that the fiber diameter is 4.5 ⁇ m or less.
  • the number average fiber diameter is 3.5 ⁇ m or less.
  • the amount of the microglass fibers is preferably 60% by weight or more in order to maintain the absolute strength and electrolyte retention function of the AGM separator.
  • the amount of glass fiber blended is preferably 90% by weight or less.
  • the synthetic resin component of the heat-fusible organic fiber used in the lead-acid battery separator (AGM separator) of the present invention includes polyolefin resins such as polyethylene resin and polypropylene resin, polystyrene resin, polymethyl methacrylate resin, and polyacrylonitrile.
  • Synthetic resins such as resins, nylon resins, polyester resins, and polyfluoroethylene resins, among which heat-melting components include polyolefin resins such as polyethylene resins and polypropylene resins, and heat-fusible polyester resins.
  • polyolefin resins such as polyethylene resins and polypropylene resins, polyester resins, and the like are preferably used from the viewpoint of improving tensile strength (sheet strength).
  • the heat-fusible organic fibers are heat-fusible organic fibers with a fineness of 2.5 dtex or less in order to increase the number of heat-fusible organic fibers included in the AGM separator, which is a measure to increase tensile strength (sheet strength).
  • Adhesive organic fibers are preferred, heat-fusible organic fibers with a fineness of 1.6 dtex or less are more preferred, and heat-fusible organic fibers with a fineness of 1.5 dtex or less are even more preferred.
  • the number average fineness of the heat-fusible organic fibers contained in the AGM separator is preferably 2.5 dtex or less.
  • the fineness of the heat-fusible organic fiber is preferably 0.4 dtex or more, more preferably 0.5 dtex or more, and even more preferably 0.6 dtex or more.
  • the heat-fusible organic fiber used in the lead-acid battery separator (AGM separator) of the present invention preferably has a core-sheath structure.
  • the core may be made of commonly used resins such as polyolefin resins such as polyethylene resins and polypropylene resins, and polyester resins, but those having acid resistance are preferred, and polyester resins are preferred.
  • polyolefin resins such as polyethylene resins and polypropylene resins, polyester resins, and the like are preferably used, and crystalline polyolefin resins and crystalline or amorphous polyester resins are more preferable.
  • the present invention it is preferable to use a mixture of two or more types of heat-fusible organic fibers, and more preferably to use a mixture of two or more types of heat-fusible organic fibers having a core-sheath structure.
  • at least one of the mixed heat-fusible organic fibers having a core-sheath structure is an amorphous heat-fusible organic fiber whose sheath portion has a glass transition point between 40°C and 100°C.
  • a material made of fibers (for example, amorphous Co-PET) is preferable because it increases the adhesion between organic fibers during drying in the AGM separator production process, resulting in an AGM separator with excellent tensile strength and puncture strength. .
  • the amount (total amount) of the heat-fusible organic fibers is determined by the tensile strength (sheet strength), puncture strength, and adhesiveness (peel strength) between AGM separators. ), it is preferably 10% by weight or more, more preferably 15% by weight or more, and even more preferably 20% by weight or more. If it is less than 10% by weight, the tensile strength (sheet strength) and puncture strength of the AGM separator will be insufficient.
  • the amount (total amount) of the heat-fusible organic fibers is preferably 40% by weight or less, more preferably 35% by weight or less, and even more preferably 30% by weight or less. If it exceeds 40%, the ability of the AGM separator to retain the electrolyte decreases, making it impossible to retain the sulfuric acid released from the electrode plates during charging, resulting in stratification of the electrolyte.
  • the heat-fusible organic fiber is a heat-fusible organic fiber (for example, PET/crystalline PE) having a core-sheath structure in which the sheath part is made of a crystalline polyolefin resin and the core part is made of a polyester resin.
  • the blending amount is preferably 15% by weight or more and 40% by weight or less, more preferably 20% by weight or more and 40% by weight or less, and 25% by weight or more and 40% by weight or less.
  • a core-sheath structure in which the sheath part is made of a crystalline polyolefin resin and the core part is made of a polyester resin.
  • the blending amount of heat-fusible organic fibers having a sheath structure is preferably more than 0% by weight and 30% by weight or less, and 5% by weight or more and 30% by weight. It is more preferably the following, and even more preferably 10% by weight or more and 30% by weight or less.
  • the total blending amount of the microglass fiber and the heat-fusible organic fiber is preferably 60% by weight or more, more preferably 65% by weight or more, and 70% by weight. The above is more preferable.
  • the thickness of the AGM separator is preferably greater than 0.50 mm, more preferably 0.60 mm or more.
  • the thickness of the AGM separator is 0.50 mm or less, the total amount of electrolyte that can be held by the AGM separator decreases, and the ability to prevent stratification of the electrolyte decreases. Also, the absolute strength of the AGM separator is reduced.
  • the thickness of the AGM separator is preferably less than 1.80 mm, more preferably 1.70 mm or less, and even more preferably 1.65 mm or less. If the thickness of the AGM separator is 1.80 mm or more, the gap between the electrode plates of the lead-acid battery becomes wide, resulting in poor battery characteristics.
  • the tensile strength (sheet strength) of the AGM separator preferably has a mechanical strength of 0.2 N/mm 2 or more in order to improve the assemblability of the lead-acid battery. , 0.7 N/mm 2 or more is more preferable. If the tensile strength (sheet strength) is less than 0.2 N/mm 2 , the assembly performance of the lead-acid battery and the basic physical properties during charging and discharging reactions will decrease, and the battery life will decrease.
  • the puncture strength of the AGM separator is preferably 6 N/mm or more, and preferably 8 N/mm or more, in order to improve the assemblability of the lead-acid battery. is more preferable, and even more preferably 10 N/mm or more. If the puncture strength is less than 6 N/mm, the assembly performance of the lead-acid battery and the basic physical properties during charging and discharging reactions will decrease, and the battery life will decrease.
  • the peel strength at the sealed portion (fused portion) of the separator is 1 N/20 mm or more, and 2 N/20 mm or more when the separator is boiled in water for 60 minutes after bag processing using ultrasonic sealing. It is more preferable that A separator with a peel strength of 1N/20mm or more in the sealed part (fused part) when boiled in water for 60 minutes has a peel strength of 1N/20mm or more after a cycle life test. No peeling occurred.
  • the cycle life test is a test conducted in an overcharged state, and is considered to be under conditions equivalent to boiling for 60 minutes.
  • the electrolyte used in lead-acid batteries is usually a sulfuric acid aqueous solution, but there are safety issues with conducting a boiling test using a sulfuric acid aqueous solution, so it was found that boiling with water can be used instead.
  • the liquid absorption height of the AGM separator is preferably 20 mm/min or more, and 25 mm/min or more, in order to retain the electrolyte and maintain capacity. It is more preferable.
  • the liquid absorption height is less than 20 mm/min, the electrolyte retention within the lead-acid battery decreases, resulting in a decrease in capacity.
  • the wettability of the AGM separator is preferably 100 seconds/3 ml or less, and preferably 60 seconds/3 ml or less, in order to improve the electrolyte injection speed. More preferred. When the wettability exceeds 100 seconds/3 ml, the production rate of lead-acid batteries decreases.
  • the water absorption of the AGM separator is preferably 4 g/g or more, more preferably 5 g/g or more, in order to maintain the capacity of the lead-acid battery.
  • the water absorption is less than 4 g/g, the capacity of the lead acid battery decreases.
  • the maximum pore diameter of the AGM separator is preferably less than 100 ⁇ m, more preferably 40 ⁇ m or less, from the viewpoint of preventing stratification of the electrolyte.
  • the elongation rate of the AGM separator is preferably in the range of 2.0% or more and less than 20.0%, and preferably 2.5% or more and 15.0%. % or less is more preferable.
  • AGM separators are mainly shipped in the form of rolls, and when assembling lead-acid batteries, the AGM separators are pulled out from the rolls and used.
  • the elongation rate of the AGM separator measured at room temperature is 20.0% or more, the AGM separator will be elongated due to the force when pulling the AGM separator, and the dimensions of the AGM separator in the width direction and thickness direction will be changes.
  • the spacing between the electrodes of the lead-acid battery and its dimensions, which are set to prevent short circuits between the electrodes of the lead-acid batteries change, causing premature battery short circuits.
  • the elongation rate is less than 2.0%, cracks will occur in the AGM separator, resulting in a defective product and making it impossible to ship.
  • those capable of ultrasonic sealing include PET/PET and PET/PE.
  • PET/Co-PET which uses copolymerized PET (Co-PET) with a low glass transition point (approximately 70°C) in the sheath, has high adhesion between organic fibers during drying in the AGM separator production process.
  • An AGM separator with excellent tensile strength and puncture strength.
  • PET since PET has ester bonds, it becomes an AGM separator with good wettability with electrolyte.
  • PET/PET fibers use PE in the sheath, but because PE does not have ester bonds, the AGM separator has low wettability, and even if exposed to electrolyte in a lead-acid battery for a long time, the AGM separator will It has the advantage that its peel strength (seal strength) is unlikely to decrease.
  • a heat-fusible organic fiber having a core-sheath structure in which the sheath part is made of a crystalline polyolefin resin and the core part is made of a polyester resin is used.
  • Adhesive organic fibers for example, PET/crystalline PE
  • the blending amount thereof is preferably 15% by weight or more and 40% by weight or less.
  • heat-fusible organic fibers for example, PET/amorphous Co-PET
  • PET/amorphous Co-PET can also be used as a heat-fusible organic fiber having a single type of core-sheath structure, and its blending amount is preferably 20% by weight or more and 40% by weight or less.
  • heat-fusible organic fibers having two types of core-sheath structures heat-fusible organic fibers having a core-sheath structure in which the sheath part is made of a crystalline polyolefin resin and the core part is made of a polyester resin.
  • PET/crystalline PE for example, PET/crystalline PE
  • core-sheath structure in which the sheath part is made of a crystalline polyester resin and the core part is made of a crystalline polyester resin (for example, PET/crystalline Co-PET) or heat-fusible organic fibers having a core-sheath structure in which the sheath part is made of amorphous polyester resin and the core part is made of crystalline polyester resin (for example, PET/amorphous Co-PET) is a combination of heat-fusible organic fibers having a preferable core-sheath structure.
  • PET/crystalline Co-PET for example, PET/crystalline Co-PET
  • the blending amount of each component is 10% by weight or more of a heat-fusible organic fiber (for example, PET/crystalline PE) having a core-sheath structure in which the sheath part is made of a crystalline polyolefin resin and the core part is made of a polyester resin. , 40% by weight or less, and has a core-sheath structure in which the sheath part is made of a crystalline polyester resin and the core part is made of a crystalline polyester resin (for example, PET/crystalline Co-PET).
  • a heat-fusible organic fiber for example, PET/crystalline PE
  • heat-fusible organic fiber for example, PET/amorphous Co-PET
  • PET/amorphous Co-PET having a core-sheath structure in which the sheath part is made of an amorphous polyester resin and the core part is made of a crystalline polyester resin. It is preferable that the amount exceeds 30% by weight or less.
  • the sheath portion is an amorphous heat-fusible organic fiber having a glass transition point between 40°C and 100°C (for example, non-crystalline heat-fusible organic fiber).
  • a lead-acid battery separator (AGM separator) manufactured by mixing heat-fusible organic fibers with a core-sheath structure made of crystalline Co-PET) was thermally analyzed using a differential scanning calorimeter (DSC). Accordingly, the glass transition point derived from the amorphous heat-fusible organic fiber used can be observed between 40°C and 100°C.
  • the sheath portion is made of crystalline polyolefin resin (for example, crystalline PE)
  • thermal analysis using a differential scanning calorimeter (DSC) the melting point derived from the heat-fusible organic fiber used can be observed at 100° C. or higher and lower than 200° C.
  • the sheath portion is made of a crystalline polyester resin (for example, crystalline Co-PET).
  • the melting point derived from the heat-fusible organic fiber used is determined to be 100°C or higher and less than 200°C by thermal analysis using a differential scanning calorimeter (DSC). can be observed.
  • a mixture of heat-fusible organic fibers having a core-sheath structure whose core portion is made of a heat-fusible organic fiber having a core-sheath structure made of a crystalline polyester resin (for example, PET) By thermal analysis using a differential scanning calorimeter (DSC), the melting point derived from the heat-fusible organic fiber used can be observed to be 200°C or higher and lower than 300°C.
  • Microglass fiber A CMLF-307R manufactured by Nippon Sheet Glass Co., Ltd., number average fiber diameter 0.7 ⁇ m
  • B CMLF-114R manufactured by Nippon Sheet Glass Co., Ltd., number average fiber diameter 4 ⁇ m
  • Heat-fusible organic fiber A Tepils TJ04EN manufactured by Teijin Ltd., two-component core-sheath type (core: polyethylene terephthalate, sheath: crystalline polyethylene), fineness 1.2 dtex
  • B Melty 4080 manufactured by Unitika Co., Ltd., two-component core/sheath type (core: polyethylene terephthalate, sheath: amorphous copolymerized polyethylene terephthalate), fineness 1.7 dtex
  • C Tepilus TJ04CN manufactured by Teijin Ltd., two-component core/sheath type (core: polyethylene terephthalate, sheath: amorphous copolymerized polyethylene
  • AGM separators Separators for lead-acid batteries (AGM separators) of Examples 1 to 11, Conventional Examples 1 to 2, and Comparative Examples 1 to 15 were produced in accordance with the formulations shown in Tables 1 and 2 in the following procedure.
  • About 7 to 13 g of the raw material was placed in a container of a commercial mixer (MX-152SP manufactured by Panasonic), and about 1000 ml of water was added and disintegrated for 60 seconds (rotation speed: about 9700 rpm).
  • the slurry-like sample liquid was put into a square sheet machine for experiment, and after adding water and stirring uniformly so that the concentration was 0.25% by weight, it was formed into a sheet.
  • An AGM separator was produced by heating and drying at 100° C. for 30 minutes and then at 180° C. for 3 minutes using a box dryer. When drying the sheets, care was taken not to trap water vapor in the dryer.
  • the prepared AGM separator was cut into a size of 10 mm x 70 mm to make a test piece, and tested at a speed of 200 mm per minute using a Schopper type or similar tensile tester with a capacity of 294 N or less, with a chuck interval of 50 mm. The test piece was pulled and the maximum value until the test piece broke was measured.
  • Puncture strength N/mm
  • the maximum load (N) until the test piece pierced was measured by piercing at a speed of 1 minute, and the piercing strength was calculated by dividing it by the thickness (mm) of the AGM separator.
  • the glass transition point (°C) and melting point (°C) were determined from the obtained DSC curve. (13) Opening holes during assembly of lead-acid battery Using the produced AGM separator, a 55D23L standard lead-acid battery was produced based on JIS D5301:2019. The test was carried out by disassembling the produced lead-acid battery before injecting the electrolytic solution and visually checking whether or not holes were formed in the AGM separator. A case where no perforation occurred was designated as "no perforation ( ⁇ )", and a case where perforation occurred at even one place was designated as "perforation present (x)".
  • the AGM separators of Comparative Examples 14 and 15 do not have an electrolyte retention function because they do not contain microglass fibers.
  • AGM separators lead-acid battery separators with a puncture strength of 6 N/mm or more have a problem that holes open in the lead-acid battery separators (AGM separators) when assembling lead-acid batteries. It was also found that this does not occur.
  • the separators for lead-acid batteries (AGM separators) of Examples 5 to 11 were found to have a sheath made of amorphous heat-fusible organic fiber (amorphous Co The glass transition point derived from the heat-fusible organic fiber having a core-sheath structure made of (-PET) could be observed at approximately 70°C.
  • the separators for lead-acid batteries (AGM separators) of Examples 5 to 11 used heat-fusible organic fibers having a core-sheath structure made of amorphous Co-PET with a glass transition point of about 70°C in the sheath part. , had a puncture strength of 15.1 N/mm or more.
  • AGM separator used heat-fusible organic fibers having a core-sheath structure made of amorphous Co-PET with a glass transition point of about 70°C in the sheath part. , had a puncture strength of 15.1 N/mm or more.
  • conventional examples 1 and 2 that do not contain organic fibers having a core-sheath structure as heat-fusible organic fibers, when a separator for a lead-acid battery (AGM separator) after bag processing using ultrasonic sealing was boiled in water for 60 minutes.
  • the peel strength at the sealed portion (fused portion) of the lead-acid battery separator (AGM separator) was 1 N/20 mm or more. However, because the puncture strength is less than 6 N/mm, holes are created in the lead-acid battery separator (AGM separator) when assembling the lead-acid battery, and the lead-acid battery separator (AGM separator) has strength problems. It turned out to be.
  • the lead acid battery separator (AGM separator) of the present invention has the high strength required for lead acid battery separators in recent years, It was confirmed that it was possible to provide a separator for lead-acid batteries (AGM separator) that has a high electrolyte retention function and does not cause peeling of the bag processed part (sealed part) when a cycle life test is performed.
  • the separator for lead-acid batteries (AGM separator) of the present invention has the high strength required for lead-acid battery separators in recent years and has a high electrolyte retention function. Since peeling of parts) does not occur, production tact in lead-acid battery manufacturing can be improved.

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Abstract

【課題】 近年の鉛蓄電池用セパレーターに要求される高強度で、高い電解液保持機能を有するとともに、サイクル寿命試験を行った際に、袋加工部(シール部)の剥離が発生しない鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)を提供すること。 【解決手段】 主にマイクロガラス繊維と熱融着性有機繊維とからなる鉛蓄電池用セパレーターであって、超音波シールによる袋加工後の前記セパレーターを水中で60分間煮沸したときの、前記セパレーターのシール部(融着部分)における剥離強度が1N/20mm以上である鉛蓄電池用セパレーター。

Description

ガラス繊維と熱融着性有機繊維を使用した鉛蓄電池用セパレーター
 本発明は、鉛蓄電池用に使用されるセパレーターの改良に関する。より詳細には、マイクロガラス繊維と熱融着性有機繊維を使用したAGM(Absorbent Glass Mat)セパレーターの、電池製造に関わる課題を解決することに関する。
 従来の自動車用電池には、液式鉛蓄電池が使用されているが、近年の自動車用鉛蓄電池では、アイドリングスタートストップ(アイドリングStop and start)システム(以後、ISSとする)の普及により、電池の使用状況が、従来のエンジンスタートにのみ電力が使用されるのではなく、エンジンスタートの他に、エンジンストップ時の電装システムへの電力供給も行っており、これまで以上に充放電サイクルが頻繁に行われている。
 同時に、鉛蓄電池は常に満充電の状態になっていないために、電解液の攪拌が起こらず、鉛蓄電池内で電解液の比重差が発生し(電解液の成層化現象:以後、成層化ともいう)、電池寿命を低下させている要因になっている。
 そのため、従来の液式鉛蓄電池の代わりに、鉛蓄電池の寿命性能が液式鉛蓄電池より優る密閉式鉛蓄電池も使用され、普及するようになってきた。
 従来、鉛蓄電池用セパレーターとして、電解液保持機能を持たせるために、マイクロガラス繊維からなる不織布が使用されている。このようなマイクロガラス繊維不織布からなる鉛蓄電池用セパレーターは、通常、U字状に折り曲げられて、正負何れかの極板を包むようにして使用されている。そのため、セパレーターの両側端は開放状態となっていることから、このセパレーターの開放部分を介しての短絡の可能性がある。また、鉛蓄電池において使用される極板は、鋳造式極板(鋳造格子を用いた極板)が主流であるが、最近では安価なエキスパンド式極板(エキスパンド格子を用いた極板)も使用されてきている。エキスパンド式極板を使用した場合には、両側端の枠骨がないとともに極板格子が変形しやすく、活物質の脱落が問題となることから、セパレーターを介しての短絡を防止するため、セパレーターを袋加工して使用することが行われている。
 マイクロガラス繊維不織布からなる鉛蓄電池用セパレーターにおいて、該不織布を袋加工するには、U字状に折り曲げた両側縁部の対向する不織布片どうしを接合すればよい。しかし、本来、電解液保持機能を持たせるために、繊維径が細く電解液親和性の良好なマイクロガラス繊維のみで構成した不織布では、その不織布片どうしを接合することはできない。従来、一般的な接合方法としては、対向する不織布片どうしをヒートシール、超音波シール、ギアシールなどによってシールする方法が提案されている。
 ヒートシールや超音波シールによる接合方法としては、例えば、特許文献1~4に記載されているように、マイクロガラス繊維不織布内に、本来融着性を有しないガラス繊維材料(無機材料)に代わって、融着性を与えるための有機材料(ポリエチレン繊維など)を20~60重量%程度含ませるようにしている。
 また、ギアシールによる接合方法としては、例えば、特許文献5~8に記載されているように、マイクロガラス繊維不織布内に、本来柔軟性や弾力性がなく脆いため、圧力や衝撃よって折れや割れといった破壊を受け易いガラス繊維材料に代わって、ギア噛み込みによる高度な加圧や衝撃に耐え、不織布切れを防止するための有機材料(ポリエチレンテレフタレート繊維など)を30~50重量%程度含ませるようにしている。
 しかしながら、これら特許文献1~8のヒートシール、超音波シール、ギアシールなどによってシールする方法では、本来電解液保持機能を持たせるために、繊維径が細く電解液親和性の良好なマイクロガラス繊維のみで構成される不織布に、電解液親和性が低く繊維径が太い有機材料(有機繊維)を、20~60重量%程度含ませるようにしているため、本来のマイクロガラス繊維のみで構成される不織布に比べて電解液保持機能が損なわれるという問題がある。
 また、特許文献9には、シール可能なセパレーターとして熱融着性の芯鞘繊維10~25%とモノフィラメント状の熱融着性繊維0~5%を配合させ、有機物材料の合計値が20~30%とすることが記載されており、ギアシールによる接着がし易く、且つ、接着部での破断が生じないセパレーターについて記載されている。
 しかし、セパレーターの接着強度を高めることを目的としており、熱融着性の有機繊維の配合比率が多いため、従来例に比較して電解液の吸液性が約16~28%悪化している。
 一方、超音波シールによる袋加工後のセパレーターにおいて、サイクル寿命試験を行った際に、袋加工部(シール部)の剥離が発生し、不具合が生じることがあった。
 サイクル寿命試験後の鉛蓄電池用セパレーターにおいて、超音波シールによる袋加工後のセパレーターの袋加工部(シール部)に剥離が発生するということは、鉛蓄電池を長期間使用した場合にも、同様にセパレーターの袋加工部(シール部)に剥離が生じるということであり、鉛蓄電池の寿命低下につながる問題となる。
 サイクル寿命試験では、充電過多の状態で試験を行うことから電解液が高温となり、超音波シールによる袋加工部(シール部)が、電解液中で膨潤して繊維どうしの接着が外れやすく、シール強度(剥離強度)が低下するためと考えられる。
 また、自動車用鉛蓄電池は、コスト競争が激しくなっており、電池製造における生産タクトの改善は不可欠である。そのため、高強度のAGMセパレーターが求められており、特許文献10では、熱融着型バインダー繊維4~12%と平均繊維径が3μm以下のガラス繊維からなる不織布において、シートの繊維どうしの接着を高め、且つ、電解液の通液性のバラツキを抑えることが記載されている。
 ここで示されているセパレーターは、20kPaの加圧時の厚さが1.8mmと比較的厚さの厚いものであり、厚さが厚いため、補強材である熱溶融型バインダー繊維の配合比率が12%以下であっても、セパレーター自体の絶対強度が高く、鉛蓄電池の組み立て作業性には影響を及ぼさない強度を有する。
 一方、近年のISSに使用される鉛蓄電池では、自動車用電池の要求性能の1つとして高率放電特性(High-Rate特性)が重要視されており、この高率放電特性を上げる目的で鉛蓄電池の極板間隔を狭く設計している。従って、鉛蓄電池用セパレーターの厚さは、1.8mm未満と薄く、そのため、AGMセパレーターの絶対強度も低下する。
 同時に、鉛蓄電池の組み立て性を向上させるために引張強度(シート強度)の強いAGMセパレーターが要求されている。
 しかし、微細なガラス繊維よりも比表面積が小さく、且つ親水性の低い有機繊維の配合比率を上げることは、AGMセパレーターの基本特性である電気抵抗、液保持性を阻害する傾向となる。
 そのため、極力有機繊維の配合比率を上げずに、引張強度(シート強度)を上げる方策として、熱融着性の有機繊維の繊度を下げ(細くし)、繊維の本数を多くする方策も考えられる。しかし、熱融着性の有機繊維の繊度を下げると、AGMセパレーターを抄造する際に有機繊維とガラス繊維との比重差の影響を受け、双方が均一に混ざらず、AGMセパレーターの特性のバラツキが大きくなり、安定した品質のAGMセパレーターが得られないという問題が生じる。
 同様に、最近の鉛蓄電池では、高容量化、長寿命電池化のため、高圧迫にする必要があり、エキスパンド極板の枠骨等による穴開きも起こりやすいため、AGMセパレーターの突刺強度は6N/mm以上であることが要求されている。
特開昭57-098975号公報 特開平06-176749号公報 特開平09-017406号公報 特開2003-100276号公報 実開平02-141955号公報(実願平02-034644号のマイクロフィルム) 特開2004-127578号公報 特開2005-108617号公報 特開2003-297328号公報 特開2009-245901号公報 特許第6518094号公報
 本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、近年の鉛蓄電池用セパレーターに要求される高強度で、高い電解液保持機能を有するとともに、サイクル寿命試験を行った際に、袋加工部(シール部)の剥離が発生しない鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)を提供することを目的とする。
 上記課題を解決するべく鋭意検討の結果、本発明の鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)は以下の特徴を有する鉛蓄電池用セパレーターである。
(1)主にマイクロガラス繊維と熱融着性有機繊維とからなる鉛蓄電池用セパレーターであって、袋加工後の前記セパレーターを水中で60分間煮沸したときの、前記セパレーターのシール部(融着部分)における剥離強度が1N/20mm以上である、鉛蓄電池用セパレーター。
(2)前記袋加工が、超音波シールによって行われたものであることを特徴とする、上記(1)記載の鉛蓄電池用セパレーター。
(3)前記セパレーターの20kPaに加圧した時の厚さが0.50mm超、1.80mm未満である、上記(1)~(2)のいずれかに記載の鉛蓄電池用セパレーター。
(4)前記セパレーターの突刺強度が6N/mm以上である、上記(1)~(3)のいずれかに記載の鉛蓄電池用セパレーター。
(5)前記セパレーターの濡れ性が100秒/3ml以下である、上記(1)~(4)のいずれかに記載の鉛蓄電池用セパレーター。
(6)前記セパレーターの引張強度が0.2N/mm以上である、上記(1)~(5)のいずれかに記載の鉛蓄電池用セパレーター。
(7)前記熱融着性有機繊維が、芯鞘構造を有する有機繊維であって、鞘部が結晶性の熱融着性ポリオレフィン系樹脂、または結晶性の熱融着性ポリエステル系樹脂である、上記(1)~(6)のいずれかに記載の鉛蓄電池用セパレーター。
(8)前記熱融着性有機繊維が、芯鞘構造を有する有機繊維であって、鞘部が非晶性の熱融着性ポリエステル系樹脂である、上記(1)~(6)のいずれかに記載の鉛蓄電池用セパレーター。
(9)前記鉛蓄電池用セパレーターの示差走査熱量計(DSC)による熱分析において、40℃~100℃に、前記鞘部が非晶性の熱融着性ポリエステル系樹脂である芯鞘構造を有する有機繊維に由来するガラス転移点が観測されることを特徴とする、上記(8)記載の鉛蓄電池用セパレーター。
(10)前記熱融着性有機繊維の繊度が0.4dtex以上、2.5dtex以下である、上記(1)~(9)のいずれかに記載の鉛蓄電池用セパレーター。
(11)前記熱融着性有機繊維の配合量が、10重量%以上である、上記(1)~(10)のいずれかに記載の鉛蓄電池用セパレーター。
(12)前記マイクロガラス繊維の数平均繊維径が4.5μm以下である、上記(1)~(11)のいずれかに記載の鉛蓄電池用セパレーター。
(13)前記マイクロガラス繊維と前記熱融着性有機繊維の配合量の合計が60重量%以上である、上記(1)~(12)のいずれかに記載の鉛蓄電池用セパレーター。
(14)上記(1)~(13)のいずれかに記載の鉛蓄電池用セパレーターを使用した鉛蓄電池。
 近年の鉛蓄電池用セパレーターに要求される高強度で、高い電解液保持機能を有するとともに、サイクル寿命試験を行った際に、袋加工部(シール部)の剥離が発生しない鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)を提供することができる。
 鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)の袋加工は、ヒートシール、超音波シール、ギアシールなどの方法によって行われるが、本発明の鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)は、いずれの方法によって袋加工された場合においても、袋加工部(シール部)の剥離が発生しない。本発明においては、超音波シールによって袋加工された場合において、袋加工部(シール部)の剥離が発生しないという効果がより高い。
 本発明の鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)は、マイクロガラス繊維および熱融着性有機繊維を主体として湿式抄造したものであり、前記マイクロガラス繊維および前記熱融着性有機繊維の他に、耐酸性、耐酸化性に優れた、シリカなどの無機粉体や、セルロース、カーボン繊維、ポリアクリロニトリル繊維などの非熱融着性の有機繊維あるいは樹脂を含有していてもよい。
 前記熱融着性有機繊維の他に第三成分として、熱融着性を持たないモノフィラメントのポリエステルテレフタレート繊維を配合することで、ギアシール、ヒートシール、超音波シールなどによる袋加工をしても、シール部分の圧縮破断(せん断)の無い良質なAGMセパレーターが得られる。
 熱融着性を持たないモノフィラメント状有機繊維を配合することで、不織布の圧縮破断強度(せん断力)を高めることができ(例えば、特許第4261821号公報参照)、更に良好なAGMセパレーターを得ることができる。
 その他、熱融着性を持たない材料との種々の組み合わせによる複合効果を得ることも期待できる。
 本発明の鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)に用いられる、前記マイクロガラス繊維は、電解液(比重1.3の硫酸水溶液)中で使用されることから、耐酸性のあるCガラス繊維が好まれるが、耐酸性を有するマイクロガラス繊維であればこの限りではない。
 前記マイクロガラス繊維の繊維径については、組み合わせる前記熱融着性有機繊維やその他の副材料によっても異なるが、AGMセパレーターの期待される機能の1つに成層化抑制があり、その観点から数平均繊維径が4.5μm以下であることが好ましい。また、ISS向けの鉛蓄電池での使用などで成層化抑制をより改善する必要がある場合は、数平均繊維径が3.5μm以下であることが更に好ましい。
 本発明の鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)において、前記マイクロガラス繊維の配合量は、AGMセパレーターの絶対強度や電解液保持機能を維持するため、60重量%以上であることが好ましい。
 一方、AGMセパレーターの引張強度(シート強度)、突刺強度やAGMセパレーターどうしの接着性(剥離強度)を維持するためには、熱融着性有機繊維を少なくとも10重量%含む必要があり、前記マイクロガラス繊維の配合量は、90重量%以下であることが好ましい。
 本発明の鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)に用いられる、前記熱融着性有機繊維の合成樹脂成分としては、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂などのポリオレフィン系樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂、ナイロン樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリフルオロエチレン樹脂などの合成樹脂であり、このうち熱溶融成分となるものは、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂などのポリオレフィン系樹脂、熱融着性のポリエステル系樹脂である。
 本発明においては、引張強度(シート強度)の改善効果の観点から、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂などのポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂などが好ましく用いられる。
 前記熱融着性有機繊維としては、引張強度(シート強度)を上げる方策である、AGMセパレーターに含まれる熱融着性有機繊維の本数を多くするために、繊度が2.5dtex以下の熱融着性有機繊維が好ましく、繊度が1.6dtex以下の熱融着性有機繊維がより好ましく、繊度が1.5dtex以下の熱融着性有機繊維がさらに好ましい。
 ここで、2種以上の熱融着性有機繊維を混合して用いた場合において、AGMセパレーターに含まれる前記熱融着性有機繊維の繊度を数平均した値が2.5dtex以下であることが好ましく、1.6dtex以下であることがより好ましく、1.5dtex以下であることがさらに好ましい。
 また、熱融着性有機繊維の繊度が0.4dtex未満になると、AGMセパレーターを抄造する際に熱融着性有機繊維とマイクロガラス繊維との比重差の影響を受け、双方が均一に混ざらず、AGMセパレーターの特性のバラツキが大きくなり、安定した品質のAGMセパレーターが得られないという問題が生じる。そのため、熱融着性有機繊維の繊度は、0.4dtex以上であることが好ましく、0.5dtex以上であることがより好ましく、0.6dtex以上であることがさらに好ましい。
 本発明の鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)に用いられる、前記熱融着性有機繊維としては、芯鞘構造を有するものが好ましい。
 この場合、芯部はポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂などのポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂などの通常用いられる樹脂でよいが、耐酸性を有するものが好ましく、ポリエステル系樹脂が好ましい。
 鞘部はポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂などのポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂などが好ましく用いられ、結晶性のポリオレフィン系樹脂、結晶性もしくは非晶性のポリエステル系樹脂がより好ましい。
 本発明において、2種以上の熱融着性有機繊維を混合して用いることが好ましく、芯鞘構造を有する熱融着性有機繊維の2種以上を混合して用いることがより好ましい。
 本発明において、混合した2種以上の芯鞘構造を有する熱融着性有機繊維の少なくとも1種類は、鞘部が40℃~100℃にガラス転移点を有する非晶性の熱融着性有機繊維(例えば、非晶性Co-PET)からなるものが、AGMセパレーターの生産工程における乾燥時の有機繊維どうしの接着性が高くなり、引張強度、突刺強度に優れたAGMセパレーターとなるので、好ましい。
 本発明の鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)において、前記熱融着性有機繊維の配合量(総量)は、AGMセパレーターの引張強度(シート強度)、突刺強度やAGMセパレーターどうしの接着性(剥離強度)を維持するため、10重量%以上であることが好ましく、15重量%以上であることがより好ましく、20重量%以上であることがさらに好ましい。
 10重量%未満では、AGMセパレーターの引張強度(シート強度)および突刺強度が不足する。
 また、前記熱融着性有機繊維の配合量(総量)は、40重量%以下が好ましく、35重量%以下がより好ましく、30重量%以下がさらに好ましい。
 40%を超える場合には、AGMセパレーターの電解液を保持する力が低下し、充電時に極板から放出される硫酸を保持しきれなくなって、電解液の成層化を引き起こすこととなる。
 本発明において、前記熱融着性有機繊維として、鞘部が結晶性ポリオレフィン系樹脂、芯部がポリエステル系樹脂からなる芯鞘構造を有する熱融着性有機繊維(例えば、PET/結晶性PE)を単独で用いる場合の配合量は、15重量%以上、40重量%以下であることが好ましく、20重量%以上、40重量%以下であることがより好ましく、25重量%以上、40重量%以下であることがさらに好ましい。
 また、前記熱融着性有機繊維として、2種類の芯鞘構造を有する熱融着性有機繊維を用いる場合は、鞘部が結晶性ポリオレフィン系樹脂、芯部がポリエステル系樹脂からなる芯鞘構造を有する熱融着性有機繊維(例えば、PET/結晶性PE)の配合量は10重量%以上、40重量%以下であって、鞘部が結晶性ポリエステル系樹脂、芯部が結晶性のポリエステル系樹脂からなる芯鞘構造を有する熱融着性有機繊維(例えば、PET/結晶性Co-PET)、もしくは鞘部が非晶性ポリエステル系樹脂、芯部が結晶性のポリエステル系樹脂からなる芯鞘構造を有する熱融着性有機繊維(例えば、PET/非晶性Co-PET)の配合量が0重量%を超え、30重量%以下であることが好ましく、5重量%以上、30重量%以下であることがより好ましく、10重量%以上、30重量%以下であることがさらに好ましい。
 本発明の鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)において、前記マイクロガラス繊維と前記熱融着性有機繊維の配合量の合計は、60重量%以上が好ましく、65重量%以上がより好ましく、70重量%以上がさらに好ましい。
 本発明の鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)において、AGMセパレーターの厚さは、0.50mmを超える厚さであることが好ましく、0.60mm以上であることがより好ましい。
 AGMセパレーターの厚さが0.50mm以下の場合は、AGMセパレーターが保持できる電解液量の総量が低下するため、電解液の成層化を防止する機能が低下する。また、AGMセパレーターの絶対強度が低下する。
 一方、AGMセパレーターの厚さは、1.80mm未満であることが好ましく、1.70mm以下であることがより好ましく、1.65mm以下であることがさらに好ましい。
 AGMセパレーターの厚さが1.80mm以上の場合は、鉛蓄電池の極板の間隔が広くなり電池特性が悪くなる。
 本発明の鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)において、AGMセパレーターの引張強度(シート強度)は、鉛蓄電池の組み立て性を向上させるため、0.2N/mm以上の機械的強度を有することが好ましく、0.7N/mm以上であることがより好ましい。
 引張強度(シート強度)が0.2N/mmを下回ると、鉛蓄電池の組み立て性能、充放電反応時の基本物性が低下し、電池寿命が低下する。
 本発明の鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)において、AGMセパレーターの突刺強度は、鉛蓄電池の組み立て性を向上させるため、6N/mm以上の機械的強度を有することが好ましく、8N/mm以上であることがより好ましく、10N/mm以上であることがさらに好ましい。
 突刺強度が6N/mmを下回ると、鉛蓄電池の組み立て性能、充放電反応時の基本物性が低下し、電池寿命が低下する。
 本発明の鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)において、サイクル寿命試験後に、超音波シールによる袋加工の袋加工部(シール部)に剥離が生じないようにする必要がある。そのため、超音波シールによる袋加工後の前記セパレーターを水中で60分間煮沸したときの、前記セパレーターのシール部(融着部分)における剥離強度が1N/20mm以上であることが好ましく、2N/20mm以上であることがより好ましい。
 水中で60分間煮沸したときのセパレーターのシール部(融着部分)において、1N/20mm以上の剥離強度を有するセパレーターには、サイクル寿命試験後において、超音波シールによる袋加工部(シール部)に剥離は生じなかった。
 サイクル寿命試験は、充電過多の状態で行う試験であり、60分間の煮沸に相当する条件であるものと考えられる。また、鉛蓄電池に用いる電解液は、通常、硫酸水溶液を使用するが、硫酸水溶液を用いた煮沸試験を行うことは安全性の問題があり、水による煮沸で代替できることが分かった。
 本発明の鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)において、AGMセパレーターの吸液高さは、電解液を保持し、容量維持するために、20mm/分以上であることが好ましく、25mm/分以上であることがより好ましい。
 吸液高さが20mm/分を下回ると、鉛蓄電池内の電解液保持性が低下し、容量が低下する。
 本発明の鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)において、AGMセパレーターの濡れ性は、電解液の注液速度改善のため、100秒/3ml以下であることが好ましく、60秒/3ml以下であることがより好ましい。
 濡れ性が100秒/3mlを超えると、鉛蓄電池の生産速度が低下する。
 本発明の鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)において、AGMセパレーターの吸水度は、鉛蓄電池の容量維持のため、4g/g以上であることが好ましく、5g/g以上であることがより好ましい。
 吸水度が4g/gを下回ると、鉛蓄電池の容量が低下する。
 本発明の鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)において、AGMセパレーターの最大細孔径は、電解液の成層化防止の観点から100μm未満であることが好ましく、40μm以下であることがより好ましい。
 本発明の鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)において、AGMセパレーターの伸び率の範囲が2.0%以上、20.0%未満の範囲内にあることが好ましく、2.5%以上、15.0%以下の範囲内にあることがより好ましい。
 電池使用時の充放電反応においては、電解液の吸収、リリースが繰り返されるため、AGMセパレーターの膨張・収縮を伴う。
 また、AGMセパレーターは主として出荷時にロール形状にて出荷され、鉛蓄電池組み立て時に、ロールからAGMセパレーターが引張り出されて使用される。そのため、室温条件で測定されたAGMセパレーターの伸び率が20.0%以上になる場合、AGMセパレーターを引張り出す際の力により、AGMセパレーターが伸ばされ、AGMセパレーターの幅方向並びに厚さ方向の寸法が変化する。
 このような場合、鉛蓄電池の電極の側面短絡防止のために設定された極板間隔とその寸法が変化することで、早期の電池短絡の原因になる。
 また、鉛蓄電池の組み立て時に、ロールからAGMセパレーターが引張り出されて使用される時、伸び率が2.0%未満の場合、AGMセパレーターに割れが生じ、製品不良となり出荷できなくなってしまう。
 本発明の鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)に好ましく用いられる芯鞘構造を有する熱融着性有機繊維において、超音波シールが可能なものにはPET/PET、PET/PEなどがある。
 鞘部に低ガラス転移点(約70℃)を有する共重合PET(Co-PET)を使用したPET/Co-PETは、AGMセパレーターの生産工程における乾燥時の有機繊維どうしの接着性が高く、引張強度、突刺強度に優れたAGMセパレーターとなる。また、PETはエステル結合を持っているため電解液の濡れ性も良好なAGMセパレーターとなる。
 しかし、PET/PET繊維のみだと、鉛蓄電池内で長期間電解液に晒されたときに濡れ性が良いため、袋加工したAGMセパレーターのシール部が膨潤し、繊維どうしの接着が外れやすくなり、AGMセパレーターの剥離強度(シール強度)が低下するという欠点も生じる。
 一方、PET/PE繊維は、鞘部にPEを用いているが、PEにはエステル結合が無いため、AGMセパレーターの濡れ性が低く、鉛蓄電池内で長期間電解液に晒されてもAGMセパレーターの剥離強度(シール強度)が低下し難いという利点がある。
 また、超音波シールが可能なものとして、PEパルプ状熱融着繊維を用いたAGMセパレーターがあるが、AGMセパレーターの剥離強度(シール強度)は低下し難いものの、引張強度、突刺強度が低いという欠点がある。これは、PEパルプ状熱融着繊維はAGMセパレーター生産時に、AGMセパレーターの表面上で不均一に溶融してしまうために引張強度、突刺強度が低くなるものと推測されている。
 そこで、本発明においては、単一種類の芯鞘構造を有する熱融着性有機繊維を用いる場合、鞘部が結晶性ポリオレフィン系樹脂、芯部がポリエステル系樹脂からなる芯鞘構造を有する熱融着性有機繊維(例えば、PET/結晶性PE)が好ましい芯鞘構造を有する熱融着性有機繊維であり、その配合量は、15重量%以上、40重量%以下であることが好ましい。
 そして、優れた突刺強度を得るために、鞘部が非晶性ポリエステル系樹脂、芯部が結晶性のポリエステル系樹脂からなる芯鞘構造を有する熱融着性有機繊維(例えば、PET/非晶性Co-PET)も、単一種類の芯鞘構造を有する熱融着性有機繊維として用いることができ、その配合量としては、20重量%以上、40重量%以下であることが好ましい。
 また、2種類の芯鞘構造を有する熱融着性有機繊維を用いる場合には、鞘部が結晶性ポリオレフィン系樹脂、芯部がポリエステル系樹脂からなる芯鞘構造を有する熱融着性有機繊維(例えば、PET/結晶性PE)を含み、鞘部が結晶性ポリエステル系樹脂、芯部が結晶性のポリエステル系樹脂からなる芯鞘構造を有する熱融着性有機繊維(例えば、PET/結晶性Co-PET)、もしくは鞘部が非晶性ポリエステル系樹脂、芯部が結晶性のポリエステル系樹脂からなる芯鞘構造を有する熱融着性有機繊維(例えば、PET/非晶性Co-PET)を含むことが、好ましい芯鞘構造を有する熱融着性有機繊維の組み合わせである。そして、それぞれの配合量は、鞘部が結晶性ポリオレフィン系樹脂、芯部がポリエステル系樹脂からなる芯鞘構造を有する熱融着性有機繊維(例えば、PET/結晶性PE)が10重量%以上、40重量%以下であり、鞘部が結晶性ポリエステル系樹脂、芯部が結晶性のポリエステル系樹脂からなる芯鞘構造を有する熱融着性有機繊維(例えば、PET/結晶性Co-PET)、もしくは鞘部が非晶性ポリエステル系樹脂、芯部が結晶性のポリエステル系樹脂からなる芯鞘構造を有する熱融着性有機繊維(例えば、PET/非晶性Co-PET)が0重量%を超え、30重量%以下であることが好ましい。
 本発明の2種類の芯鞘構造を有する熱融着性有機繊維を用いる場合において、鞘部が40℃~100℃にガラス転移点を有する非晶性の熱融着性有機繊維(例えば、非晶性Co-PET)からなる芯鞘構造を有する熱融着性有機繊維を混合して用いることによって、作製された鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)は、示差走査熱量計(DSC)による熱分析によって、40℃~100℃に、用いた非晶性の熱融着性有機繊維由来のガラス転移点を観測することができる。また、鞘部が結晶性ポリオレフィン系樹脂(例えば、結晶性PE)からなる芯鞘構造を有する熱融着性有機繊維を混合して用いた場合は、示差走査熱量計(DSC)による熱分析によって、100℃以上、200℃未満に、用いた熱融着性有機繊維由来の融点を観測することができ、鞘部が結晶性のポリエステル系樹脂(例えば、結晶性Co-PET)からなる芯鞘構造を有する熱融着性有機繊維を混合して用いた場合は、示差走査熱量計(DSC)による熱分析によって、100℃以上、200℃未満に、用いた熱融着性有機繊維由来の融点を観測することができる。同様に、芯部が結晶性のポリエステル系樹脂(例えば、PET)からなる芯鞘構造を有する熱融着性有機繊維からなる芯鞘構造を有する熱融着性有機繊維を混合して用いた場合は、示差走査熱量計(DSC)による熱分析によって、200℃以上、300℃未満に、用いた熱融着性有機繊維由来の融点を観測することができる。
 以下に実施例、従来例および比較例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
 以下の原料を使用して、実施例1~11、従来例1~2、および比較例1~15の鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)を作成した。
[配合原料]
(1)マイクロガラス繊維
 A:日本板硝子(株)製 CMLF-307R、数平均繊維径0.7μm
 B:日本板硝子(株)製 CMLF-114R、数平均繊維径4μm
(2)熱融着性有機繊維
 A:帝人(株)製 テピルスTJ04EN、2成分芯鞘タイプ(芯:ポリエチレンテレフタレート、鞘:結晶性ポリエチレン)、繊度1.2dtex
 B:ユニチカ(株)製 メルティ4080、2成分芯鞘タイプ(芯:ポリエチレンテレフタレート、鞘:非晶性共重合ポリエチレンテレフタレート)、繊度1.7dtex
 C:帝人(株)製 テピルスTJ04CN、2成分芯鞘タイプ(芯:ポリエチレンテレフタレート、鞘:非晶性共重合ポリエチレンテレフタレート)、繊度1.1dtex
 D:宇部エクシモ(株)製 シムテックスSCE、2成分芯鞘タイプ(芯:ポリプロピレン、鞘:結晶性ポリエチレン)、繊度1.7dtex
 E:ユニチカ(株)製 キャスベン7080、2成分芯鞘タイプ(芯:ポリエチレンテレフタレート、鞘:結晶性共重合ポリエチレンテレフタレート)、繊度1.1dtex
 F:ユニチカ(株)製 メルティ4000、1成分全融タイプ(非晶性共重合ポリエチレンテレフタレート)、繊度2.2dtex
 G:三井化学(株)製 SWP EST-2(合成ポリエチレンパルプ)、繊維径2~30μm
(3)非接着性モノフィラメント状有機繊維
 (株)クラレ製 EP133(ポリエチレンテレフタレート)、繊度1.45dtex
(4)無機充填剤
 シリカ:エボニック インダストリーズAG製 BG-3
 珪藻土:昭和化学工業(株)製 ラジオライトF
[AGMセパレーターの作製]
 実施例1~11、従来例1~2、および比較例1~15の鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)を、表1~2で示される配合に従って、次の手順で作製した。
 原料を業務用ミキサー(Panasonic製 MX-152SP)の容器に7~13g程度入れ、水を約1000ml加えて60秒間離解(回転数:約9700rpm)した。スラリー状の試料液を実験用の角型シートマシンに入れ、更に水を加えて濃度0.25重量%になるように均一に攪拌した後にシート化した。箱型乾燥機を用いて温度100℃にて30分間、更に180℃にて3分間加熱乾燥させてAGMセパレーターを作製した。シートを乾燥させる際には、乾燥機内に水蒸気が籠らないように注意した。
[試験および評価方法]
 上記実施例、従来例および比較例に対して、下記の条件で評価を行い、その結果を表1~2にまとめて示した。
(1)厚さ(mm)
 作製したAGMセパレーターを100mm×100mmの大きさに切断したものを試験片とし、その10枚を重ねて、鉛蓄電池用AGMセパレーターの電池工業会規格SBA S 0406-2017年版7.2.2.b)項記載の方法に従って測定を行った。
 測定は、重ねた10枚の試験片の全面に一様に加わるように荷重196Nを静かに加え、AGMセパレーターの四隅の厚さを測定し、その平均値で表した。
(2)密度(g/cm
 鉛蓄電池用AGMセパレーターの電池工業会規格SBA S 0406-2017年版7.2.3項記載の方法に従って測定を行い、以下の式によって算出した。
 見掛け密度(g/cm)=[重量(g/m)]÷[厚さ(mm)]÷1000
(3)引張強度(N/mm
 鉛蓄電池用AGMセパレーターの電池工業会規格SBA S 0406-2017年版7.2.7項記載の方法に基づいて、以下の手順で行った。
 作製したAGMセパレーターを10mm×70mmの大きさに切断して試験片とし、294N以下のショッパ式または、これに準じる引張試験機を用い、チャック(つかみ)間隔を50mmとして、毎分200mmの速度で試験片を引張り、試験片が破断するまでの最大値を測定した。
(4)突刺強度(N/mm)
 直径5mmの穴の開いた固定治具に、作製したAGMセパレーターを20mm×150mmの大きさに切断したものを挟み、上部から直径2mm(r=1mm)の先端半球状の鉄製の棒を50mm/分の速度で突き刺し、試験片が突き破れる迄の最大荷重(N)を測定し、AGMセパレーターの厚さ(mm)で割って、突刺強度を算出した。
(5)超音波シール袋加工の可否
 精電舎電子工業(株)製の超音波溶着機SONOPET JIIを用いて、溶着エネルギー300J、保持時間1s、シール線幅2mmの条件で、作製したAGMセパレーターを110mm×260mmの大きさに切断して長手方向を中心に二つ折りにし、両端を超音波溶着機にセットした。超音波溶着機でシールすることができた場合を「〇」、シールすることができなかった場合を「×」とした。
(6)剥離強度(超音波シール後(煮沸処理前)、N/20mm)
 作製したAGMセパレーターを上記(5)の方法で超音波シールを行った後に、シール部が入るように20mm幅に裁断した。引張試験機を用いてシール部分を50mm/mimで引っ張り、剥離するまでの最大荷重(N)を測定し、超音波シール後(煮沸処理前)の剥離強度とした。
 上記(5)の方法で超音波シールができなかった場合は「×」とした。
(7)剥離強度(超音波シール後(煮沸処理後)、N/20mm)
 上記(6)と同様に超音波シールを行い、20mm幅に裁断したサンプルを、500mlの水を入れたビーカーの中に入れ、マントルヒーターで加熱して60分間煮沸した。煮沸後のサンプルをビーカーから取り出して室温まで放冷した後に、上記(6)と同様の条件で剥離するまでの最大荷重(N)を測定して、煮沸処理後の剥離強度とした。
 上記(5)の方法で超音波シールができなかった場合、または引張試験機に装着するまでにシール部が剥がれてしまった場合は「×」とした。
(8)最大細孔径(μm)
 試験片にエタノール液を含浸させ、更に試験片上に10mmの高さでエタノール液を注液し、下方(AGMセパレーター面)より加圧した空気を流した。徐々に通気圧を上げ、試験片を通って最初に泡(気泡)が出てきた時の圧力値をマノメーター(mm)から読み取り、以下の計算式によって最大細孔径を算出した。
 この時、エタノール液の温度を測定し、その温度における表面張力を計算式中に組み入れた。
 最大細孔径(μm)=[4×(液体の表面張力)×104]÷[980×{(マノメーターの読み値、mm)-(試料上の液の高さ、10mm)}]
(9)吸液高さ(mm/分)
 作製したAGMセパレーターを、幅15mm、高さ10cm以上の大きさに切断したものを試料とした。試料を垂直状態につるし、比重1.30の硫酸水溶液にその下端1cmを浸漬した。1分間に硫酸水溶液を吸い上げた高さ(mm)を測定し、吸液高さとした。
(10)濡れ性(秒/3ml)
 作製したAGMセパレーターを100mm×100mmの大きさに切断したものを試料とした。試料に、ビューレットに入れた比重1.30の着色硫酸水溶液(赤色)を、2.2ml/秒の速度で、3ml滴下したときに、完全に染み込むまでの時間を計測し、濡れ性とした。
(11)吸水度(g/g)
 作製したAGMセパレーターを100mm×100mmの大きさに切断したものを試料とした。試料の重量(W1、g)を測定した後、水を満たしたバットに1分間浸漬した。浸漬後の試料を取り出し、45度の傾斜を有する台に載せて、30秒間静置した後、水を含んだ状態の試料の重量(W2、g)を測定した。吸水度は、以下の式によって算出した。
 吸水度(g/g)=(W2-W1)/W1
(12)示差走査熱量計(DSC)による熱分析
 作製したAGMセパレーターについて、示差走査熱量計(DSC)(島津製作所製、DSC60)を用いて、窒素雰囲気下(流量:100ml/分)、示差走査熱量分析(測定温度範囲:40℃~350℃、昇温速度:10℃/分)を行った。
 得られたDSC曲線からガラス転移点(℃)、および融点(℃)を求めた。
(13)鉛蓄電池組立時の孔開き
 作製したAGMセパレーターを用いて、JIS D5301:2019に基づいて、55D23L規格の鉛蓄電池を作製した。
 電解液を注液する前の作製した鉛蓄電池を分解し、AGMセパレーターに孔開きが生じているかどうかを目視で確認することによって行った。
 孔開きが生じていない場合を「孔開き無し(○)」、孔開きが一か所でも生じている場合を「孔開きあり(×)」とした。
 比較例14~15のAGMセパレーターについては、マイクロガラス繊維を含んでいないことから電解液保持機能を有しない。従って、鉛蓄電池組立て後に行う試験については省略した。
(14)サイクル寿命試験後の剥離の有無
 作製したAGMセパレーターを用いて鉛蓄電池を作製した。JIS C8702-1:2009「小形制御弁式鉛蓄電池 第1部:一般要求事項、機能特性及び試験方法」に準拠してサイクル寿命試験(200サイクル)を行った。試験後の鉛蓄電池を分解し、AGMセパレーターの袋加工部(シール部)に剥離が生じているかどうかを目視にて確認することによって行った。
 剥離が生じていない場合を「剥離無し(○)」、剥離が少しでも生じている場合を「剥離あり(×)」とした。
 比較例14~15のAGMセパレーターについては、マイクロガラス繊維を含んでいないことから電解液保持機能を有しない。従って、鉛蓄電池組立て後に行う試験については省略した。
 このような実施例1~11、従来例1~2、および比較例1~15の評価結果を、表1~2にまとめて示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 
 表1~2で示される実施例1~11、従来例1~2、および比較例1~15の試験結果から、超音波シールによる袋加工後のAGMセパレーターを水中で60分間煮沸したときの、鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)のシール部(融着部分)における剥離強度が1N/20mm以上である鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)は、サイクル寿命試験を行った際に、袋加工部(シール部)の剥離が発生しないことが分かった。また、鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)の突刺強度が6N/mm以上である鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)は、鉛蓄電池を組立てる際に鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)に孔が開くという不具合が生じないことも分かった。そして、実施例5~11の鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)は、示差走査熱量計(DSC)による熱分析によって、用いた鞘部が非晶性の熱融着性有機繊維(非晶性Co-PET)からなる芯鞘構造を有する熱融着性有機繊維由来のガラス転移点を、約70℃に観測することができた。鞘部に約70℃のガラス転移点を有する非晶性Co-PETからなる芯鞘構造を有する熱融着性有機繊維を使用した、実施例5~11の鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)は、15.1N/mm以上の突刺強度を有するものであった。
 一方、熱融着性有機繊維として芯鞘構造を有する有機繊維を含まない従来例1~2では、超音波シールによる袋加工後の鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)を水中で60分間煮沸したときの、鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)のシール部(融着部分)における剥離強度は1N/20mm以上であった。しかし、突刺強度が6N/mm未満であるため、鉛蓄電池を組立てる際に鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)に孔が開くという不具合が生じ、強度的に問題がある鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)であることが分かった。
 実施例1~11、従来例1~2、および比較例1~15の試験結果から、本発明の鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)は、近年の鉛蓄電池用セパレーターに要求される高強度で、高い電解液保持機能を有するとともに、サイクル寿命試験を行った際に、袋加工部(シール部)の剥離が発生しない鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)を提供することができることを確認できた。
 本発明の鉛蓄電池用セパレーター(AGMセパレーター)は、近年の鉛蓄電池用セパレーターに要求される高強度で、高い電解液保持機能を有するとともに、サイクル寿命試験を行った際に、袋加工部(シール部)の剥離が発生しないので、鉛蓄電池製造における生産タクトが改善できる。
 

Claims (14)

  1.  主にマイクロガラス繊維と熱融着性有機繊維とからなる鉛蓄電池用セパレーターであって、袋加工後の前記セパレーターを水中で60分間煮沸したときの、前記セパレーターのシール部(融着部分)における剥離強度が1N/20mm以上である、鉛蓄電池用セパレーター。
  2.  前記袋加工が、超音波シールによって行われたものであることを特徴とする、請求項1記載の鉛蓄電池用セパレーター。
  3.  前記セパレーターの20kPaに加圧した時の厚さが0.50mm超、1.80mm未満である、請求項1記載の鉛蓄電池用セパレーター。
  4.  前記セパレーターの突刺強度が6N/mm以上である、請求項1記載の鉛蓄電池用セパレーター。
  5.  前記セパレーターの濡れ性が100秒/3ml以下である、請求項1記載の鉛蓄電池用セパレーター。
  6.  前記セパレーターの引張強度が0.2N/mm以上である、請求項1記載の鉛蓄電池用セパレーター。
  7.  前記熱融着性有機繊維が、芯鞘構造を有する有機繊維であって、鞘部が結晶性の熱融着性ポリオレフィン系樹脂、または結晶性の熱融着性ポリエステル系樹脂である、請求項1記載の鉛蓄電池用セパレーター。
  8.  前記熱融着性有機繊維が、芯鞘構造を有する有機繊維であって、鞘部が非晶性の熱融着性ポリエステル系樹脂である、請求項1記載の鉛蓄電池用セパレーター。
  9.  前記鉛蓄電池用セパレーターの示差走査熱量計(DSC)による熱分析において、40℃~100℃に、前記鞘部が非晶性の熱融着性ポリエステル系樹脂である芯鞘構造を有する有機繊維に由来するガラス転移点が観測されることを特徴とする、請求項8記載の鉛蓄電池用セパレーター。
  10.  前記熱融着性有機繊維の繊度が0.4dtex以上、2.5dtex以下である、請求項1記載の鉛蓄電池用セパレーター。
  11.  前記熱融着性有機繊維の配合量が、10重量%以上である、請求項1記載の鉛蓄電池用セパレーター。
  12.  前記マイクロガラス繊維の数平均繊維径が4.5μm以下である、請求項1記載の鉛蓄電池用セパレーター。
  13.  前記マイクロガラス繊維と前記熱融着性有機繊維の配合量の合計が60重量%以上である、請求項1記載の鉛蓄電池用セパレーター。
  14.  請求項1~13のいずれか1項に記載の鉛蓄電池用セパレーターを使用した鉛蓄電池。
     
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JP2009245901A (ja) * 2008-03-31 2009-10-22 Nippon Sheet Glass Co Ltd 密閉型鉛蓄電池用セパレータおよび密閉型鉛蓄電池
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