JPH05508049A - グラスファイバーセパレーター及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 グラスファイバーセパレーター及びその製造方法技術分野 本発明はバッテリーの電極板の間に配置されるセパレーターに関する。

発明の背景 鉛−酸バッテリーには多数の電極板が使われている。これらの板は陽極及び陰極 力咬互になるように配列されている。セパレーターは各電極対の間に配置される 。該セパレターは絶縁体でできており、バッテリー内のメッキ層が電極間をショ ートさせるのを防ぐ。該セパレーターはもっともバッテリー電解液を通すので、 電流は電極板から別の電極板へ通過しうる。

該バッテリーの陽極における水の加水分解は酸素を発生させる。該酸素は陰極の 鉛と反応して酸化鉛を生成する。該酸化鉛はその後金属鉛に還元され、酸素を遊 離し、これが後に水を再生する。一般に、今述べた酸素の再結合過程の進行速度 が増すことにより、該バッテリーの動作電圧が上昇する。該酸素再結合過程は、 陽極から陰極への酸素輸送速度により制限される。

非晶シリカ鎖は、吸着と交換として知られる現象により酸素輸送を促進する表面 化学特性を有する。従って、シリカがバッテリー電極間に配置されると、該シリ カの表面原子は酸素又は水酸基のいずれかに容易に結合する。該陽極における酸 素の生成及び該陰極における酸素の消耗が酸素の濃度勾配を作り上げ、これがシ リカ鎖に沿って陽極から陰極へ酸素を輸送させる。

シリカ粒子をバッテリーの硫酸電解質と混合すると、シリカは電解質中全体に三 次元網状構造を形成する。該網状シリカはできた液体が一般にゲルと呼ばれるほ どに該電解質の粘度を上昇させる。

鉛−酸バッテリー内の酸素輸送は電極間の開チャンネルを通じての気相酸素の拡 散の形態でも起こる。今述べたシリカベースの電解質ゲルは吸着と交換による酸 素輸送の他に、気体酸素がそれを通じて電極間を移動することができる裂は目又 はチャンネルを提供する。該チャンネルは、バッテリーの初期作動の間に水が失 われるにつれて、ゲルの僅かな乾燥及び亀裂の結果としてゲル内に形成される。

従来、ミクロファイバー製ボロシリケートガラスマット又はフェルトでできたセ パレーターがバッテリーセパレーターとして使用されてきた。（一般に吸収性ゲ ラスマットセパレーターとして知られる）これらのセパレーターは通常、多様な 長さ及び直径のグラスファイバーの配合物を含む。該マットの毛管現象が該セパ レーター内に電解質を保持する。好ましくは、該マットはセパレーター内に気孔 を存在させるために液体電解質で約８０ないし９５％飽和されるように設計され ている。この気孔がガスチャンネルを提供し、陽極でできた酸素がそれを通って 陰極に移動できる。従って、吸収性ゲラスマットセパレーターは高速の酸素輸送 を提供する。

該プレート間にセパレーターを、適切な接触が成されるように配置し圧縮するに は、複雑な装置が必要である。さらに、吸収性ゲラスマットは剛性が非常に低く 、裂は易い。ゆえに、それらは取扱適性に欠ける。

発明の要約 本発明は、バッテリー組立過程では硬質の圧縮状態で扱うことができ、バッテリ ーの電極板の間の電解質中に膨張することになる吸収性ゲラスマットバッテリー セパレーターに関する。該セパレーターの膨張は、適当なバッテリー性能に必要 な、セパレーター−電極間の接触を提供する。

本発明のセパレーターは特にグラスミクロファイバーでできたマットを含む。

該マットは、コロイド状シリカ粒子及び硫酸塩の水性混合物である結合剤で含浸 させる。該含浸マットを乾燥し圧縮する。該塩はシリカ粒子をマット内に凝固さ せ、それによりマットを乾燥させる間にシリカ粒子がマットの表面に移行するの を防ぐ。その結果、該結合剤はマットが乾燥する際にマット内全体に均等に分配 されたまま留まる。該結合剤は、該セパレーターを扱い易くするように、乾燥し たマットを硬質圧縮状態に保つ。

該乾燥セパレーターを、電極板間の設定間隔よりも僅かに薄い厚みに圧縮する。

よって、組立過程で電極板間のセパレーターを圧縮するための複雑な装置を使用 せずに、バッテリー内の電極板の多対の間にセパレーターを配置することができ バッテリー電解質が該結合剤に接触すると、該塩は電解質中に溶解し、高い表面 積と陽極及び陰極間の酸素輸送を促進するのに適当な表面化学特性を持つシリカ 粒子が後に残る。

該結合剤の塩が溶解すると、該マットは電極板の表面に向けて膨張し、電極板と セパレーターの間に必要な作用性接触を作り出す。

図面の簡単な説明 図１は、本発明により製造されたグラスファイバーセパレーターの遠近法による 概略図である。

図２は、該グラスファイバーセパレーターを構築する方法を図解するものであり 、キャリアーベルトに載せた結合剤含浸マットを二個のローラーの間で圧縮する 。

図３は、二個の電極板の間に配置されたセパレーターの側面を示す図である。

好ましい態様の詳細な説明 図１に関して言えば、本発明の吸収性ゲラスマットセパレーター２０は結合剤で 含浸されたグラスミクロファイバーのマットを含む。該マットは多様な長さ及び 直径のグラスミクロファイバーを含む。好ましくは、該マットは０．５から１． ５ミクロン（μ）の範囲の平均直径を持つ比較的細いファイバーと１．５から３ ．５μの範囲の直径を持つ比較的粗いファイバーの配合物から形成される。細い ファイバーは該マットのファイバー含量の約２０ないし５０重量％をなし、１． ０７ないし３．２０Ｍ！／ｇの平均表面積を有する。粗いファイバーは０．４６ ないし１．　ｏｙＭ”／ｇの平均表面積を有する。

上記のファイバー配合物は約８０ないし９５％の飽和レベルでバッテリー電解質 を該マット中に保持するに十分な毛管現象を該マットに提供する。

該グラスマットは、フォードリニアーマシーンの商標で知られるもののような通 常の抄紙機上で作製される。該マットをその後、結合剤の水性混合物の入った含 浸用水槽に通す。該結合剤混合物は、４ないし８０ミリミクロン（ｍμ）の範囲 の直径を有するコロイド状シリカ粒子及び塩を含む。ヒユームドシリカ又は沈降 シリカ等の他の形態のシリカ粒子を使用してもよいと考えられる。

該結合剤の塩成分は好ましくは硫酸塩であり、より好ましくは硫酸マグネシウム である。該塩はシリカ粒子と反応して、ゲラスマット中全体に実質的に均一に分 布するシリカ粒子の安定な凝塊を形成する。

好ましくは、該結合剤混合物は全固体の５ないし１５重量％になるように配合さ れ、塩対シリカ粒子の重量比は１．５対１．０である。

該含浸マットを水槽から取り出した後、過剰の結合剤混合物を取り除（ためにロ ーラーの間で軽く圧縮する。加えたシリカの量が含浸前の乾燥マット重量の５な いし３０％である時に、乾燥した該マントは十分な剛性を持つ。

該マットから水分を除去するために、濡れたマットを通常の乾燥オーブン中に入 れる。該マットを乾燥させる間に、凝固した結合剤はマットの厚み全体に渡って 適所に沈澱することに注目すべきである。すなわち、シリカ粒子は該マットを乾 燥させる間にマットの表面に自由に移動することはできない。従って、該結合剤 はマットの厚み全体を一緒に結合させることができ、それにより乾燥したセパレ ーターの強度が増す。さらに、乾燥の間にシリカ粒子がマットの中心部から移動 しないために、先に考察したように電極間の酸素輸送を促進するようにシリカ粒 子は該セパレーター全体に均一に分布している。

キャリアーベルト２７に乗せた部分乾燥させたマットを必要な厚みに圧縮する。

これは図示した二個のローラー２２（図２）又は他の方法によって成し遂げるこ とができる。これに関して、該セパレーターはそれが間に配置されることになる 二個の電極板２４及び２６（図３）の対面する表面の間の間隔りよりも僅かに薄 い厚みに圧縮されることが好ましい。

乾燥させたセパレーターを圧縮させる量は非含浸乾燥マットの基本重量に応じて 変化する。例えば、約３００ｇ／Ｍ”の基本重量を有するセパレーターはその非 圧縮時の厚みの約７５％まで圧縮できるであろう。２００ｇ／ｌｉｌ”の基本重 量を有するマットはその非圧縮時の厚みの約８０％まで圧縮できるであろう。

圧縮された硬質セパレーター２０は、さらに該セパレーターを圧縮することなく バッテリー電極板２４及び２６の間に容易に挿入できる。もっとも、該セパレー ターは後で膨張して電極板２４および２６を圧迫し、それにより吸収性ゲラスマ ットセパレーターを用いたバッテリーが適切に機能するために必要なセパレータ ー／電極の接触を提供する。

セパレーター２０の膨張は硫酸電解質が該バッテリーに加えられると起きる。数 階が結合剤に接触すると、硫酸塩が溶解して該結合剤のコロイド状シリカ粒子を 放出する。こうして、該グラスファイバーのレジリエンス及び毛管圧力がマット を電極板に向かって膨張させる。

電極板２４．２６の対面する表面及び膨張したセパレーター２０の間に生じる接 触は、セパレーターの膨張度の関数となる。このような圧縮セパレーターの厚み は、該電解質がセパレーターに加えられ該セパレーターが自由に膨張できる場合 （すなわち、二枚の電極板の間に置かれていない時）、５０ないし１００％膨張 することが観察されている。

塩とシリカ粒子の沈澱は、数基が電解質中に溶解すると分解される。該シリカの 表面積の広さと表面化学特性は電極間の酸素輸送を高める。それゆえに、本発明 で使用される結合剤は、ゲラスマットの結合および解放における有効なメカニズ ムに加えて、−置数結合剤が電解質に触れると該電池の酸素再結合効率を高める 成分を提供することが認められる。

本発明を好ましい態様に従って述べてきたが、それに対する一定の代用及び変更 は請求の範囲の精神及び意図から外れることなく行えることを理解すべきである 。

要　約　書 セパレーター（２０）はグラスミクロファイバー及び結合剤から成るマットを含 む。該結合剤はコロイド状シリカ粒子及び硫酸塩の水性混合物である。該マット を該結合剤で含浸し、圧縮し、さらに乾燥させて該セパレーターが扱い易くなる ような硬質状態にする。該結合剤は、バッテリーの電極板（２４，２６）の間で 硫酸電解質と接触した該マットを圧縮状態から解放するように配合される。該マ ットは電極板に向かって膨張し、適当なバッテリー性能に必要な、セパレーター −電極間の接触を提供する。該結合剤のシリカ粒子がその後、バッテリー電極（ ２４゜２６）間の酸素輸送を促進する。

国際調査報告

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. １．グラスファイバーでできたマット；及び圧縮状態の該マットを結合させ、さ らに該マットが硫酸に接触した際に圧縮状態から該マットを解放させるために該 マットに加えられた結合剤：を含むセパレーター。
2. ２．該結合剤がコロイド状シリカ粒子及び塩の水性混合物を含む、請求項１記載 のセパレーター。
3. ３．該塩か硫酸塩である、請求項２記載のセパレーター。
4. ４．該塩が硫酸マグネシウムである、請求項３記載のセパレーター。
5. ５．該シリカ粒子が重合シリケートである、請求項２記載のセパレーター。
6. ６．電極板対の対面する表面の間に配置するためのファイバー製マットセパレー ターであって、該電極板の対面する表面間の間隔よりも大きくない厚みを持つセ パレーター。
7. ７．硫酸と接触した際に膨張しうる組成物で該マットができている、請求項６記 載のセパレーター。
8. ８．該組成物か、コロイド状シリカ粒子及び塩の混合物と結合したグラスファイ バーの混合物を含む、請求項７記載のセパレーター。
9. ９．該マットが、厚みで最低約５０％膨張しうる、請求項７記載のセパレーター 。
10. １０．該マットが、コロイド状シリカ及び塩の混合物と結合した、圧縮されたグ ラスファイバーを含む、請求項６記載のセパレーター。
11. １１．該セパレーターが硫酸を含む電解質と接触して配置された際に膨張する、 請求項１０記載のセパレーター。
12. １２．グラスファイバーでできたマット；及び該マットを含浸する結合剤であっ て、乾燥されて圧縮状態の該ファイバーを結合させ、さらに少なくとも部分的に 電解質に溶解して該ファイバーが圧縮状態を外れて膨張するように該ファイバー を解放する結合剤：を含むセパレーター。
13. １３．該結合剤がシリカ粒子及び塩を含む、請求項１２記載のセパレーター。
14. １４．バッテリー用セパレーターを構築する方法であって、以下のステップ：シ リカ粒子及び塩を含む結合剤によるファイバー製シリカマットの含浸；該含浸マ ットの圧縮；及び 該マットの乾燥； を含む方法。
15. １５．該含浸ステップが、該結合剤を約１重量部のシリカ粒子及び約１と２分の １重量部の塩で製造するサブステップを含む、請求項１４記載の方法。
16. １６．該塩か硫酸塩である、請求項１４記載の方法。
17. １７．該塩か硫酸マグネシウムである、請求項１６記載の方法。
18. １８．該シリカ粒子がコロイド状重合シリケートである、請求項１４記載の方法 。