JP3055937B2 - グラスファイバーセパレーター及びその製造方法 - Google Patents

グラスファイバーセパレーター及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 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が交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
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
とができる裂け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。（一般に吸収性グラス
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、吸収性グラスマットセパレ
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、吸収性グラスマットは剛性が非常に低く、
裂け易い。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グ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各対の間にセパレーターを
配置することができる。
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
パレーターの遠析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、本発明の吸収性グラストマット
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キクロン（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％ないし、1.07ないし3.20M2/gの平均表面積を有す
る。粗いファイバーは0.46ないし1.07M2/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％を飽和レベ
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。ヒュ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、グ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
混合物を取り除くためにローラー間で軽く圧縮する。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、乾燥した該マッ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Ｄよりも僅かに薄い厚みに圧縮される
ことが好ましい。
乾燥され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
2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/M2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
グ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。該酸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、該塩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、グ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、一旦該結合剤が電解質
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。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウィンディッシュ ジョン ディー アメリカ合衆国 オレゴン州 97330 コーヴァリス ノースウェスト フォレ スト グリーン アベニュー 1710 (56)参考文献 特開 平１−279562（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−221954（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−127658（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−80472（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−53066（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 2/16

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】グラスファイバーでできたマット；及び コロイド状シリカ粒子及び塩の水性混合物を含む結合
    剤；を含むセパレーターであって、 該結合剤が該マットを圧縮状態に維持するのに効果的
    で、該マットが硫酸に接触した際に圧縮状態から該マッ
    トを解放することのできる結合剤であるセパレーター。
  2. 【請求項２】上記塩が硫酸塩である、請求の範囲第１項
    記載のセパレーター。
  3. 【請求項３】上記塩が硫酸マグネシウムである、請求の
    範囲第２項記載のセパレーター。
  4. 【請求項４】上記シリカ粒子が重合シリケートである、
    請求の範囲第１項記載のセパレーター。
  5. 【請求項５】コロイド状粒子及び塩の混合物により結合
    されたグラスファイバーを含む複合体からなる繊維マッ
    ト状のセパレーターであって、 該複合体は、硫酸と接触した際に膨張して、Ｄの間隔を
    もって配置された一対の電極の対面する表面の間に配置
    される、繊維マット状セパレーター。
  6. 【請求項６】上記マットが厚みで少なくとも約50％膨張
    し得る、請求の範囲第５項記載のセパレーター。
  7. 【請求項７】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。
  8. 【請求項８】以下の工程を含む、請求の範囲第１項〜第
    ６項の何れかに記載のバッテリー用セパレーターの構築
    方法。 シリカ粒子及び塩を含む結合剤で繊維性シリカマットを
    含浸し； 該含浸されたマットを圧縮し；及び 該マットを乾燥する。
  9. 【請求項９】上記含浸工程が、約１重量部のシリカ粒子
    及び約１と２分の１重量部の塩で結合剤を製造するサブ
    ステップを含む、請求の範囲第８項記載の方法。
  10. 【請求項１０】上記塩が硫酸塩である、請求の範囲第８
    項記載の方法。
  11. 【請求項１１】上記塩が硫酸マグネシウムである、請求
    の範囲第10項記載の方法。
  12. 【請求項１２】上記シリカ粒子がコロイド状重合シリケ
    ートである、請求の範囲第８項記載の方法。
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