ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Сепараторные маты используются в аккумуляторных батареях для физического разделения и электрической изоляции положительных и отрицательных электродов батареи, чтобы предотвращать нежелательное электрическое замыкание. Поскольку сепараторы должны быть способны выдерживать агрессивную химическую среду внутри батареи, сепараторы аккумуляторной батареи обычно бывают химически стойкими к используемому в батареях электролиту, который в свинцово-кислотных батареях часто представляет собой серную кислоту. В настоящее время существует несколько различных типов сепараторов аккумуляторных батарей, которые соответствуют определенному типу батареи. Например, в свинцово-кислотных батареях со свободным электролитом (т.е. свинцово-кислотных батареях, в которых жидкая серная кислота распределена по всему аккумулятору) обычно используется сепаратор, который включает стекловолокна с относительно большим размером волокна в диаметре. Электролит в таких батареях (например, серная кислота) в ходе использования батареи обычно остается в жидком виде и может течь через батарею и/или из батареи, если возникает трещина или утечка.
[0002] Другим типом батареи является свинцово-кислотная батарея с клапанным регулированием (valve-regulated lead-acid battery, VRLA), которая обычно включает иммобилизованный электролит (например, серную кислоту). Иммобилизованный электролит может находиться в виде геля и может оставаться в батарее, даже если в кожухе или оболочке батареи развивается трещина. В батареях VRLA может использоваться сепараторный мат (например, впитывающий стекломат (absorbed glass mat, AGM)) с относительно тонкими волокнами, такими как, например, стеклянные волокна с диаметром волокна примерно 3-5 микрон. Стекломаты из тонкого стеклянного волокна могут обладать высокой площадью поверхности, которая позволяет таким матам поглощать и/или удерживать электролит батареи (например, серную кислоту). Поглощение и/или удерживание электролита может быть связано с капиллярными эффектами. Поглощение и/или удерживание электролита может повышаться с уменьшением диаметра стекловолокна из-за повышения площади поверхности сепараторного мата. Однако, использование стекловолокон с меньшим диаметром может повысить сложность связывания стекловолокон между собой и/или может привести к образованию мата со слабо связанными волокнами. Для надлежащего связывания стекловолокон с малым диаметром может быть необходимо повышенное количество связующего (обычно менее 5% от массы мата). Повышенное количество связующего может негативно повлиять на пористость AGM. Например, многие AGM-маты выполнены с пористостью приблизительно 90%. Повышенное количество связующего может блокировать или закупорить поры в мате и тем самым снизить пористость матов. В некоторых традиционных AGM-матах не используется связующее, и они обладают 95%-ым или большим содержанием тонких волокон (например, 3-5 микрон). Полученный волокнистый мат может оказаться склонным к прокалыванию из-за роста дендритов, к смещению электрода из-за сил вибрации, и т.п. Как таковые, эти маты могут быть относительно слабыми (непрочными) и/или дорогостоящими в изготовлении.
КРАТКАЯ СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] Варианты воплощения описанного здесь изобретения предусматривают сепараторы батареи и способы обеспечения или изготовления сепараторов батареи. Согласно одному варианту воплощения предусмотрен сепаратор для свинцово-кислотной аккумуляторной батареи. Такой сепаратор батареи включает нетканый волокнистый мат, который размещается между электродами батареи для электрической изоляции электродов. Нетканый волокнистый мат включает множество спутанных тонких волокон, которые обладают диаметрами волокон между примерно 0,05 и 5 микронами. Нетканый волокнистый мат также включает множество грубых волокон, которые смешаны с множеством спутанных тонких волокон. Множество грубых волокон включают волокна с диаметром волокна между примерно 8 и 20 микронами. Нетканый волокнистый мат дополнительно включает кислотостойкое связующее, которое соединяет множество спутанных тонких волокон с множеством грубых волокон с образованием нетканого волокнистого мата. Нетканый волокнистый мат может включать 60 процентов или более тонких волокон, 40 процентов или менее грубых волокон и 0,5-15% кислотостойкого связующего.
[0004] В некоторых вариантах воплощения с множеством спутанных тонких волокон и множеством грубых волокон может быть смешано множество полимерных волокон. В таких вариантах воплощения нетканый волокнистый мат может включать между примерно 0,1 и 15% множества полимерных волокон. В некоторых вариантах воплощения тонкие волокна могут иметь диаметры волокон 1 микрон или менее. В некоторых вариантах воплощения грубые волокна могут иметь диаметры волокон между примерно 10 микронами и примерно 20 микронами.
[0005] В некоторых вариантах воплощения нетканый волокнистый мат может дополнительно включать дополнительный волокнистый мат, который расположен на поверхности нетканого волокнистого мата. Дополнительный волокнистый мат может включать множество грубых волокон, которые армируют нетканый волокнистый мат. В некоторых вариантах воплощения множество грубых волокон может быть расположено относительно множества спутанных тонких волокон с образованием множества прядей (например, тесьмы или ленты) на первой поверхности мата, образованного из множества спутанных тонких волокон, причем множество прядей простирается от ближней первой стороны мата к противоположной стороне мата. В некоторых вариантах воплощения нетканый волокнистый мат может включать второе множество спутанных тонких волокон, которые образуют дополнительный волокнистый мат. В таких вариантах воплощения дополнительный волокнистый мат может быть расположен на поверхности нетканого волокнистого мата с множеством грубых волокон, расположенных на одной по меньшей мере поверхности дополнительного волокнистого мата.
[0006] В некоторых вариантах воплощения связующее может быть стойким к серной кислоте и одновременно смачиваемым серной кислотой. Подходящий выбор связующих может включать эмульсию на акриловой основе или раствор связующих. В некоторых вариантах воплощения нетканый волокнистый мат может быть изготовлен посредством машины для изготовления нетканых материалов мокрым способом с использованием технологической воды (белой воды), имеющей pH более примерно 4. Вследствие неиспользования подкисленной воды этот способ может стать проще, безопаснее и менее дорогим по сравнению с типичным способом изготовления AGM-сепараторов. В некоторых вариантах воплощения нетканый волокнистый мат обладает капиллярной впитываемостью, или капиллярным подъемом, как определено в ISO8787, примерно 0,2-10 см менее чем за 10 мин. В других вариантах воплощения капиллярная впитываемость, или капиллярный подъем, если нетканый волокнистый мат составляет 1-10 см, а чаще 3-10 см, ниже 10 мин.
[0007] Согласно другому варианту воплощения предусмотрен сепаратор батареи. Сепаратор батареи включает множество первых волокон, которые образуют первый волокнистый мат. Множество первых волокон включают волокна с диаметром волокна между примерно 0,05 и 5 микронами, что позволяет первому волокнистому мату поглощать электролит батареи. Сепаратор батареи также включает множество вторых волокон, которые расположены на по меньшей мере одной поверхности первого волокнистого мата. Множество вторых волокон включают волокна с диаметром волокна между примерно 8 и 20 микронами. Множество вторых волокон может быть расположено на одной или более поверхностях первого волокнистого мата с образованием множества прядей, которые простираются между первой кромкой первого волокнистого мата и второй кромкой первого волокнистого мата, противоположной первой кромке.
[0008] В некоторых вариантах воплощения множество прядей может простираться практически от первой кромки первого волокнистого мата до второй кромки первого волокнистого мата. В некоторых вариантах воплощения сепаратор батареи может дополнительно включать второй волокнистый мат, который включает волокна с диаметром волокна между примерно 0,05 и 5 микронами, что позволяет второму волокнистому мату поглощать электролит. Второй волокнистый мат может быть расположен на поверхности первого волокнистого мата таким образом, что множество прядей расположены между первым волокнистым матом и вторым волокнистым матом.
[0009] В некоторых вариантах воплощения множество вторых волокон может быть расположено на первой поверхности первого волокнистого мата и второй поверхности первого волокнистого мата, противоположной первой поверхности, с образованием множества прядей и на первой поверхности, и на второй поверхности. Пряди на первой поверхности и второй поверхности могут простираться между первой кромкой первого волокнистого мата и второй кромкой первого волокнистого мата. В некоторых вариантах воплощения множество прядей может быть расположено таким образом, чтобы между соседними прядями имелось расстояние между 0 мкм и примерно 10 мм, а чаще - примерно 5 мкм и примерно 10 мм. В некоторых вариантах воплощения множество прядей может представлять собой первое множество прядей, а множество вторых волокон может быть дополнительно расположено на одной или более поверхностях первого волокнистого мата с образованием второго множества прядей, которые простираются между третьей кромкой первого волокнистого мата и четвертой кромкой первого волокнистого мата, противоположной третьей кромке. В таких вариантах воплощения второе множество прядей может быть приблизительно ортогональным первому множеству прядей.
[0010] Согласно другому варианту воплощения предусмотрен способ обеспечения сепаратора батареи. Способ включает обеспечение множества первых волокон с диаметром волокна между примерно 0,05 и 5 микронами и смешивание множества вторых волокон с множеством первых волокон. Множество вторых волокон включает волокна с диаметром волокна между примерно 8 и 20 микронами. Способ также включает нанесение кислотостойкого связующего на смешанные волокна для связывания множества первых волокон с множеством вторых волокон и тем самым образования армированного нетканого волокнистого мата, способного поглощать электролит батареи. Нетканый волокнистый мат может включать примерно 60 процентов или более первых волокон, 40 процентов или менее вторых волокон и 0,5-15% кислотостойкого связующего.
[0011] В некоторых вариантах воплощения способ может дополнительно включать смешивание множества полимерных волокон с множеством первых волокон и множеством вторых волокон. В таких вариантах воплощения нетканый волокнистый мат может включать между примерно 0,1 и 15% множества полимерных волокон. В некоторых вариантах воплощения способ может дополнительно включать обеспечение второго мата, содержащего множество первых волокон и соединяющего второй мат с нетканым волокнистым матом так, чтобы множество вторых волокон было расположено между нетканым волокнистым матом и вторым матом.
[0012] В некоторых вариантах воплощения способ может дополнительно включать размещение множества вторых волокон на поверхности мата, образованного из множества первых волокон, с образованием множества прядей на поверхности мата, которые простираются между первой кромкой мата и второй кромка мата, противоположной первой кромке. В таких вариантах воплощения множество прядей может быть расположено на поверхности стекломата с расстоянием между соседними прядями между примерно 5 мкм и примерно 10 мм.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0013] Настоящее изобретение описано в сочетании с прилагаемыми чертежами:
[0014] ФИГ. 1 иллюстрирует различные элементы батареи согласно варианту воплощения изобретения.
[0015] ФИГ. 2A иллюстрирует армированный сепаратор батареи, включающий смесь тонких и грубых волокон, согласно варианту воплощения изобретения.
[0016] ФИГ. 2B иллюстрирует сепаратор батареи, включающий армирующий слой, согласно варианту воплощения изобретения.
[0017] ФИГ. 3 иллюстрирует сепаратор батареи, включающий тонковолокнистый мат, расположенный между двумя армирующими слоями, согласно варианту воплощения изобретения.
[0018] ФИГ. 4 иллюстрирует сепаратор батареи, включающий армирующий слой, расположенный между двумя тонковолокнистыми матами, согласно варианту воплощения изобретения.
[0019] ФИГ. 5A-5C иллюстрируют различные сепараторы батареи, включающие армирующий слой или слои согласно варианту воплощения изобретения.
[0020] ФИГ. 6 иллюстрирует способ обеспечения сепаратора батареи с армированным слоем согласно варианту воплощения изобретения.
[0021] ФИГ. 7 иллюстрирует другой способ обеспечения сепаратора батареи с армированным слоем согласно варианту воплощения изобретения.
[0022] ФИГ. 8 представляет собой график, иллюстрирующий повышение прочности на растяжение по направлению под прямым углом к ходу полотна на машине, в зависимости от процента потерь на прокаливание согласно варианту воплощения изобретения.
[0023] ФИГ. 9 представляет собой график, иллюстрирующий повышение прочности на прокол, в зависимости от процента потерь на прокаливание связующего согласно варианту воплощения изобретения.
[0024] На прилагаемых чертежах сходные компоненты и/или признаки могут иметь одинаковые цифровые обозначения. Кроме того, различные компоненты одного и того же типа могут различаться по буквенному обозначению, следующему за цифровым обозначением, что позволяет различать между собой сходные компоненты и/или признаки. Если в спецификации используется только первое цифровое обозначение, описание применимо к любому из сходных компонентов и/или признаков, имеющих такое же первое цифровое обозначение, независимо от буквенного индекса.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0025] Последующее описание приводит лишь примерные варианты воплощения и не должно рассматриваться как ограничивающее объем, применимость или конфигурацию раскрытия. Наоборот, последующее описание примерных вариантов воплощения будет предоставлять специалистам в данной области техники облегчающее описание для внедрения одного или более примерных вариантов воплощения. Следует понимать, что могут быть сделаны различные изменения в функции и расположении элементов без отступления от сущности и объема изобретения, изложенного в прилагаемой формуле изобретения.
[0026] Конкретные подробности приведены в следующем описании для обеспечения полного понимания вариантов воплощения. Однако, обычному специалисту в данной области техники должно быть понятно, что варианты воплощения могут быть реализованы на практике без этих конкретных подробностей. Также следует отметить, что отдельные варианты воплощения могут быть описаны в виде процесса, который изображен как блок-схема, схема последовательности операций, блок-схема потока данных, структурная схема или блочная диаграмма. Хотя блок-схема может описывать операции в виде последовательного процесса, многие из этих операций могут быть осуществлены параллельно или одновременно. В дополнение, порядок операций может быть реорганизован. Процесс может быть закончен, когда его операции завершены, но он может иметь дополнительные этапы, не обсуждаемые и не приведенные на фигуре. Кроме того, не все операции в любом конкретно описанном процессе могут иметь место во всех вариантах воплощения. Процесс может соответствовать способу, функции, процедуре, подпрограмме, части программы, и т.д.
[0027] В приведенном здесь описании использованы термины «тонкие волокна» и «грубые волокна» для общего описания волокон с различающимися друг относительно друга диаметрами волокна. Ссылка на тонкие волокна обычно означает, что такие волокна обладают меньшими диаметрами волокна, чем описанные грубые волокна, которые в некоторых вариантах воплощения могут составлять примерно 5 микрон или менее. Аналогично, ссылка на грубые волокна обычно означает, что такие волокна обладают большими диаметрами волокна, чем описанные тонкие волокна, которые в некоторых вариантах воплощения могут составлять примерно 5 микрон или более. Использование терминов «тонкие» или «грубые» не подразумевают других характеристик волокон помимо относительных размеров волокон, если только эти другие характеристики не описаны.
[0028] Варианты воплощения изобретения предусматривают сепараторы батареи и способы обеспечения или изготовления сепараторов батареи. В одном варианте воплощения сепаратор батареи может включать волокнистый мат, который включает тонкие волокна, которые могут представлять собой волокна с диаметром примерно менее примерно 5 микрон, обычно в диапазоне примерно 0,05-5 микрон, или примерно 2-3 микрона, или менее. В некоторых вариантах воплощения большинство тонких волокон может быть меньше примерно 1 микрона. Тонкие волокна мата могут позволить мату поглощать и/или удерживать электролит батареи, вследствие чего электролит удерживается в батарее, даже если кожух или оболочка батареи растрескивается или разрушается. Тонковолокнистый мат может быть аналогичен используемым в свинцово-кислотных батареях с клапанным регулированием (VRLA), таким как впитывающие стекломаты (AGM). В одном варианте воплощения используемые для мата тонкие волокна включают стекловолокна, хотя могут быть использованы и другие волокна, такие как органические волокна, которые могут быть добавлены к мату для различных целей, например, для повышения общей прочности.
[0029] Одним преимуществом таких тонковолокнистых матов является обеспечиваемая ими повышенная пористость, которая может достигать вплоть до 90% или выше в некоторых случаях. Тонковолокнистые маты также могут проявлять различные другие свойства, которые делают их исключительным выбором для использования в качестве сепараторов батареи. Однако недостаток тонковолокнистых матов может состоять в прочности мата. Например, в некоторых вариантах воплощения тонковолокнистые маты могут обеспечивать небольшую прочность на прокол. Как таковые, эти маты могут быть подвержены прокалыванию электродом из-за вибрационных или других сил, роста дендритов и т.п., что может закорачивать батарею.
[0030] В некоторых вариантах воплощения изобретение предусматривает слой грубых волокон на поверхности тонковолокнистого мата. Грубые волокна могут армировать тонковолокнистый мат и/или повышать прочность на прокол волокнистого мата. В некоторых вариантах воплощения грубые волокна могут включать волокна с диаметром волокна примерно 5 микрон или более, а, как правило, более примерно 10 микрон. В примерном варианте воплощения большинство грубых волокон может обладать диаметрами волокна между примерно 8 и примерно 30 микронами, а, как правило, между примерно 8 и примерно 20 микронами. Примеры грубых волокон, которые могут быть использованы, включают: стеклянные волокна, полимерные волокна, базальтовые волокна, полиолефиновые, полиэфирные и т.п. волокна, или смесь таких волокон.
[0031] В некоторых вариантах воплощения слой грубых волокон может включать множество волоконных прядей, которые однонаправленно или двунаправленно размещены на одной поверхности или на противоположных поверхностях тонковолокнистого мата. В другом варианте воплощения слой грубых волокон может включать грубоволокнистый мат, который расположен прилегающим и присоединенным к поверхности тонковолокнистого мата. Второй грубоволокнистый мат может быть расположен прилегающим и присоединенным к противоположной поверхности тонковолокнистого мата, вследствие чего тонковолокнистый мат может проложен или расположен между двумя грубоволокнистыми матами. В еще одном варианте воплощения два тонковолокнистых мата могут быть расположены прилегающими и присоединенными к противоположным поверхностям грубоволокнистого мата, вследствие чего грубоволокнистый мат проложен или расположен между двумя тонковолокнистыми матами. Как описано выше, слой грубых волокон может армировать тонковолокнистый мат и/или придавать тонковолокнистому мату повышенную прочность на прокол. Сочетание грубоволокнистых матов, слоев, волоконных прядей и т.п. с тонковолокнистыми матами может позволить изготавливать маты (тонко- и/или грубоволокнистые) без использования избыточного связующего, и/или может позволить использовать для тонковолокнистого мата волокна меньшего диаметра из-за армирования грубыми волокнами. Таким образом, затраты на изготовление могут быть снижены, поскольку избыточное связующее может не потребоваться, и/или могут быть повышены свойства поглощения/удержания, поскольку могут быть использованы волокна с меньшим диаметром.
[0032] Некоторые традиционные волокнистые маты имеют содержание микроволокон в диапазоне 5-30%. В некоторых из описанных здесь вариантов воплощения содержание микроволокон может составлять более примерно 60%. Варианты воплощения могут включать кислотостойкие волокна и связующее, поскольку маты обычно используются в свинцово-кислотных батареях. Некоторые традиционные маты также могут включать несколько слоев (например, 1-3 слоев), каждый из которых обладает относительно высокой пористостью и/или размерами пор менее примерно 1 микрона. В некоторых из описанных здесь вариантов воплощения мат, изготовленный с сочетанием грубых и тонких волокон, и/или с одним или более слоев мата, не обладает достаточно высокой пористостью и/или размерами пор менее примерно 1 микрона. В некоторых вариантах воплощения тот слой описанных здесь матов, который изготовлен из грубых волокон, может не обладать настолько хорошей скоростью поглощения (впитывания) электролита, как слой мата, изготовленный из тонких волокон. Напротив, некоторые традиционные маты включают несколько слоев, которые обладают относительно однородными скоростями поглощения. В описанных здесь вариантах воплощения может быть использовано связующее, предпочтительно, органическое связующее, для повышения прочности на растяжение мата из смешанных микроволокон и грубых волокон.
[0033] Нетканые стекломаты обычно изготавливают с помощью традиционных процессов изготовления мокрым способом, как описано в патентах США №№ 4112174, 4681802 и 4810576, раскрытия которых включены сюда по ссылке. В этих процессах взвесь стекловолокна получают добавлением стекловолокна к типичной белой воде (или так называемой «технологической воде») в пульпере для диспергирования волокна в белой воде с образованием взвеси, имеющей концентрацию волокон примерно 0,2-1,0 мас.%, дозированием взвеси в поток белой воде и осаждением этой смеси на движущееся сито из проволоки, с обезвоживанием и образованием влажного нетканого волокнистого мата, на машинах типа HydroformerTM, изготовленных компанией Voith-Sulzer, Аплтон, Висконсин, или DeltaformerTM, изготовленной компанией North County Engineers, Glenns Falls, Нью-Йорк. Этот влажный нетканый мат (холст) из стекловолокна затем перемещают на второе движущееся сито и пропускают через станцию пропитки нанесением связующего, где на мат наносят водную смесь связующего, такого как акриловое связующее. За этим следует откачивание избытка связующего и высушивание несвязанного, влажного мата и отвержение полимерного связующего, которое связывает волокна друг с другом с образованием мата. Предпочтительно, связующее наносят с использованием устройства для нанесения поливом или устройства для нанесения окунанием и прессованием, но также будут работать и другие способы нанесения, такие как распыление. В печи для сушки и отверждения мат подвергают воздействию температур 250-450 или 500 градусов F, в течение периодов, обычно не превышающих 1-2 минут и, как минимум, несколько секунд.
[0034] AGM-сепаратор, выполненный из по существу микроволоконного стекла, изготавливают на специальных бумагоделательных машинах. Согласно одному варианту воплощения подробности изготовления представлены в патенте США № 5091275, а также в работе «Изготовление сепараторов из микростекла», под авторством George C. Zguris из компании Hollingsworth & Vose Company, опубликованной на 1-й Ежегодной конференции по применениям и усовершенствованиям аккумуляторных батарей, 1996 г., раскрытия которых включены сюда по ссылке. Основное отличие этого процесса от типичного процесса изготовления нетканых материалов мокрым способом состоит в том, что для содействия диспергированию микроволокон используют подкисленную воду. Как правило, используют серную кислоту, но могут быть использованы и другие кислоты, такие как фосфорная. Типичный pH, используемый для диспергирования волокна, находится в диапазоне 2,0-3,0. Из-за этой кислотной природы в качестве материала для изготовления всех трубопроводов и другого основного оборудования выбирают нержавеющую сталь. Это повышает капитальные затраты на оборудование. Операция изготовления нетканых материалов мокрым способом для типичного нетканого стекла является более простой, более безопасной и менее дорогостоящей. Обычно используемая белая вода (или технологическая вода), как правило, имеет pH>4, предпочтительно, pH>5. Этот процесс изготовления нетканых материалов мокрым способом, который не включает в себя использование подкисленной воды, может быть использован для создания описанных здесь вариантов воплощения. При наличии описанных в общем нескольких вариантов воплощения, дополнительные особенности сепараторов батареи по изобретению могут быть реализованы со ссылкой на фигуры.
[0035] Обратимся теперь к ФИГ. 1, где проиллюстрировано изображение в перспективе элементов батареи 100. В частности, ФИГ. 1 показывает первый электрод 102, который может представлять собой положительный или отрицательный электрод, и второй электрод 106, который может представлять собой электрод с противоположной электроду 102 полярностью (т.е. положительный или отрицательный). Между первым электродом 102 и вторым электродом 106 расположен сепаратор 104 батареи. Сепаратор 104 электрически изолирует первый электрод 102 от второго электрода 106, как известно из уровня техники. Сепаратор 104 может представлять собой тонковолокнистый мат с множеством тонких волокон (например, волокон с диаметром примерно 5 микрон или менее, а как правило, примерно 3 микрона или менее). Тонкие волокна могут позволить мату поглощать электролит (не показан) батареи или иным образом удерживать электролит в контакте с первым и вторым электродами, 102 и 106, вследствие чего может протекать электрохимическая реакция по мере того, как батарея разряжается, перезаряжается и т.п.
[0036] Сепаратор 104 может быть армирован слоем или смесью грубых волокон, как описано здесь, для обеспечения различных преимуществ, таких как повышенная прочность на прокол, и т.п. Повышенная прочность на прокол армированного сепаратора 104 может поддерживать электроды 102 и 106 физически раздельными и предотвращать развитие закорачивания через сепаратор 104 из-за прокалывания сепаратора. Армированный сепаратор 104 может противодействовать прокалыванию из-за роста дендритов, вибрационных сил и т.п.
[0037] Обратимся теперь к ФИГ. 2A, где проиллюстрирован сепаратор 220 для свинцово-кислотной аккумуляторной батареи. Сепаратор 220 включает нетканый волокнистый мат 222, который размещается между электродами батареи для электроизоляции электродов. В некоторых вариантах воплощения нетканый волокнистый мат 222 включает стекловолокна и возможно другие электроизолирующие волокна, тогда как в другом варианте воплощения нетканый волокнистый мат 222 полностью состоит из стекловолокон. Нетканый волокнистый мат 222 включает множество спутанных тонких волокон и множество грубых волокон, которые смешаны с множеством спутанных тонких волокон с образованием единого нетканого волокнистого мата 222. Множество спутанных тонких волокон включает волокна, которые обладают диаметром волокна между примерно 0,05 и 5 микронами, а в некоторых вариантах воплощения - диаметром волокна менее 1 микрона. Множество грубых волокон включает волокна, которые обладают диаметром волокна между примерно 8 и 30 микронами, а чаще - между примерно 8 и 20 микронами. Нетканый волокнистый мат 222 также включает кислотостойкое связующее, которое соединяет множество спутанных тонких волокон с множеством грубых волокон с образованием нетканого волокнистого мата 222. В некоторых вариантах воплощения нетканый волокнистый мат 222 включает примерно 60 процентов или более тонких волокон, 40 процентов или менее грубых волокон и 0,5-15% кислотостойкого связующего.
[0038] Выбор подходящего связующего для создания описанных здесь матов является важным. Например, связующее должно выдерживать серную кислоту, т.е. быть кислотостойким. Кислотостойкость связующего может быть оценена следующим образом: лист ручного отлива, изготовленный из испытываемого связующего и кислотостойких стекловолокон (например, волокон из C- и T-стекла), пропитывают в 40%-ной серной кислоте при 70°C в течение 72 часов. Измеряют потери массы мата. Меньшие потери массы указывают на лучшую кислотостойкость связующего.
[0039] Кроме того, связующее предпочтительно является ацидофильным, иначе связующее будет существенно снижать капиллярные свойства и способность к смачиванию мата. Ацидофильность связующего может быть оценена путем измерения капиллярной впитываемости, или капиллярного подъема, как определено в ISO8787. Испытываемое связующее наносят окунанием на микроволоконную бумагу (ватман GE/A) и подвергают отверждению. Затем проводят испытание согласно стандарту ISO8787. Далее перечислены результаты испытаний для нескольких испытанных связующих, где «+» означает «удовлетворительно», «++» означает «отлично», а «-» означает «неудовлетворительно». Согласно результатам испытания, приведенным в Таблице 1 ниже, наилучшим выбором из испытанных связующих является RHOPLEXTM™ HA-16.
[0040] В некоторых вариантах воплощения нетканый волокнистый мат 222 включает множество полимерных волокон, смешанных с множеством спутанных тонких волокон и множеством грубых волокон. Нетканый волокнистый мат 222 может включать между примерно 0,1 и 15% полимерных волокон. Хотя это не показано на ФИГ. 2A, в некоторых вариантах воплощения на одной или более поверхностях нетканого волокнистого мата 222 может быть расположен дополнительный волокнистый мат. Дополнительный волокнистый мат (не показан) может включать множество грубых волокон, тонкие волокна и/или их смесь, для армирования нетканого волокнистого мата 222 и/или обеспечения дополнительного мата для поглощения электролита. В некоторых вариантах воплощения нетканый волокнистый мат 222 может обладать толщиной T1 между примерно 15 мил и примерно 80 мил (т.е. 0,015-0,080 дюйма).
[0041] Обратимся теперь к ФИГ. 2B, где проиллюстрирован вариант воплощения сепаратора 200, который может быть использован для разделения электродов 102 и 106 батареи 100. Сепаратор 200 может включать мат 204, который включает множество тонких волокон, которые в одном варианте воплощения могут включать волокна с диаметром волокна примерно 5 микрон или менее (например, диаметрами волокон в диапазоне между 0,05 и 5 микронами), а в другом варианте воплощения могут включать волокна (или большинство волокон) с диаметрами примерно 1 микрон или менее. В одном варианте воплощения множество тонких волокон может представлять собой слой из нетканых спутанных волокон, которые образуют мат 204. Тонкие волокна могут представлять собой электроизолирующие волокна или, иными словами, волокна, обладающие высоким электросопротивлением (т.е. низкой проводимостью), вследствие чего мат 204 может быть расположен между электродами в целях электроизоляции электродов.
[0042] В одном варианте воплощения тонковолокнистый мат 204 включает стекловолокна и, возможно, другие электроизолирующие волокна, тогда как в другом варианте воплощения мат 204 полностью состоит из стекловолокон. Мат 204 может поглощать (абсорбировать) электролит (не показан) батареи (не показана) или иным образом удерживать электролит в контакте с электродами батареи. В некоторых вариантах воплощения мат 204 может иметь толщину T1 между примерно 15 мил и примерно 80 мил (т.е. 0,015-0,080 дюйма). Толщина T1 мата 204 может позволить мату поглощать достаточное количество электролита с тем, чтобы протекала электрохимическая реакция с соседними электродами по мере того, как батарея разряжается, перезаряжается и т.п. Мат 204 может быть пропитан в электролите (например, в серной кислоте) до или после его помещения между электродами батареи и может удерживать электролит в батарее, даже когда кожух или оболочка батареи растрескивается или разламывается. Поглощение и/или удержание электролита может происходить из-за высокой площади поверхности тонковолокнистого мата 204 и/или капиллярных эффектов. Тонкие волокна мата 204 могут быть соединены друг с другом с использованием одного или более связующих.
[0043] В одном варианте воплощения рядом с поверхностью тонковолокнистого мата 204 находится мат 202, содержащий множество грубых волокон. Множество грубых волокон может представлять собой слой из нетканых спутанных волокон, которые образуют мат 202. Мат 202 может иметь приблизительно те же размеры, что и мат 204 (например, ту же форму, продольную длину, поперечную длину и т.п.). Для различения двух матов на чертежах тонковолокнистый мат 204 может быть проиллюстрирован в виде сплошного мата, тогда как грубоволокнистый мат 202 проиллюстрирован как волокнистый, хотя следует понимать, что оба мата обычно представляют собой волокнистые маты. В одном варианте воплощения грубоволокнистый мат 202 включает волокна с диаметром волокна примерно 5 микрон или более (например, с диаметрами волокон в диапазоне между 8 и 20 микронами), а в другом варианте воплощения может включать волокна (или большинство волокон) с диаметрами примерно 10 микрон или более. В примерном варианте воплощения большинство волокон составляют между примерно 8 и примерно 30 микронами в диаметре, а чаще - между примерно 8 и примерно 20 микронами в диаметре. Подобно тонким волокнам, грубые волокна могут представлять собой электроизолирующие волокна или, иными словами, волокна, обладающие высоким электросопротивлением (т.е. низкой проводимостью), вследствие чего мат 202 электрически изолирует электроды батареи. Грубоволокнистый мат 202 может включать стеклянные волокна, полимерные волокна, базальтовые волокна, полиолефиновые, полиэфирные и т.п., или их смесь. В одном варианте воплощения грубоволокнистый мат 202 полностью состоит из стеклянных волокон, полимерных волокон или базальтовых волокон, хотя другие варианты воплощения могут включать смесь таких волокон. Хотя это не показано на ФИГ. 2B, в одном варианте воплощения множество грубых волокон смешаны с тонкими волокнами с образованием единого волокнистого мата, а не отдельных волокнистых матов, расположенных друг рядом с другом.
[0044] В одном варианте воплощения мат 202 может быть соединен с матом 204 с использованием одного или более связующих, таких как кислотостойкое акриловое связующее, и т.п. В другом варианте воплощения мат 202 может быть ламинирован с матом 204. В одном варианте воплощения ламинирование матов может быть достигнуто путем использования адгезивов, которые связывают или склеивают слои матов друг с другом. В другом варианте воплощения могут быть использованы термосклеиваемые полимерные волокна в по меньшей мере одном из слоев мата (или обоих слоях). В таких вариантах воплощения маты ламинируются друг с другом посредством нагрева, например, путем пропускания матов через печь или нагретый каландр. В другом варианте воплощения один или оба слоя мата могут представлять собой мат «B-стадии», т.е. мат с нанесенным связующим, пропущенный через печь при более низкой температуре, чем типичная температура отверждения (маты «B-стадии» обычно обладают прочностью приблизительно между неотвержденным и отвержденным стекломатом). Маты (т.е. мат(ы) B-стадии и любой(е) мат(ы) не B-стадии) могут быть затем пропущены через установленную на или выше температуры отверждения печь, в которой у мата(ов) B-стадии слои соединяются друг с другом. В вариантах воплощения, в которых множество грубых волокон смешиваются с тонкими волокнами с образованием единого волокнистого мата, может быть использовано кислотостойкое связующее для соединения множества тонких волокон с множеством грубых волокон с образованием единого нетканого волокнистого мата. В определенных вариантах воплощения нетканый волокнистый мат по ФИГ. 2B (либо со смешанными грубыми и тонкими волокнами, либо с раздельными слоями волокон) может содержать примерно 60 процентов или более тонких волокон, 40 процентов или менее грубых волокон и 0,5-15% кислотостойкого связующего. В некоторых вариантах воплощения результирующий нетканый мат может дополнительно включать множество полимерных волокон, которые смешаны с тонкими волокнами и грубыми волокнами. В таких вариантах воплощения нетканый мат может включать между примерно 0,1 и 15% множества полимерных волокон.
[0045] Смешанные грубые волокна, или грубоволокнистый мат 202, могут армировать нетканый волокнистый мат, или тонковолокнистый мат 204, вследствие чего сепаратор батареи, полученный из смешанных волокон или объединенных матов, лучше способен выдерживать или претерпевать повторяющиеся циклы службы батареи и/или претерпевать изменяющиеся рабочие условия. Например, грубоволокнистый мат 202 может обеспечить повышенную прочность на прокол, вследствие чего рост дендритов, силы вибрации и/или другие силы не заставляют один или оба из электродов прокалывать сепаратор батареи после циклического использования и/или использования при различных условиях.
[0046] Мат 202 может иметь толщину T2 между примерно 5 мил и примерно 40 мил (т.е. 0,005-0,040 дюйма). В некоторых вариантах воплощения грубые волокна грубоволокнистого мата 202 могут препятствовать или иным образом мешать способности мата 204 поглощать и/или удерживать электролит батареи. Толщина T2 мата 202 может минимизировать препятствование матом 202 способности мата 204 поглощать или удерживать электролит, при обеспечении достаточного армирования мата 204. Сочетание грубоволокнистого мата 202 и тонковолокнистого мата 204, как описано здесь, обеспечивает повышенную прочность сепаратора батареи (например, прочность на прокол), но также позволяя электролиту поглощаться и/или удерживаться в сепараторе и в контакте с электродами батареи.
[0047] Обратимся теперь к ФИГ. 3, где проиллюстрирован другой вариант воплощения сепаратора 300 батареи с тонковолокнистым матом 304, проложенным или расположенным между двумя грубоволокнистыми матами, 302 и 306. Тонковолокнистый мат 304 может представлять собой нетканый мат, который включает множество спутанных тонких волокон, все или большинство из которых могут обладать диаметром, равным или меньшим, чем примерно 5 микрон в некоторых вариантах воплощения, и/или меньшим или равным 1 микрону в других вариантах воплощения. Как было описано ранее, тонковолокнистый мат 304 может иметь толщину T1 между примерно 15 мил и примерно 80 мил (т.е. 0,015-0,080 дюйма). Тонковолокнистый мат 304 может включать стекловолокна или любые другие электроизолирующие волокна, описанные здесь. В другом варианте воплощения волокнистый мат 304 может включать смесь тонких и грубых волокон, такой как мат, содержащий примерно 60 процентов или более тонких волокон, 40 процентов или менее грубых волокон, 0,5-15% кислотостойкого связующего, и/или 0,1-15% полимерных волокон.
[0048] На первой поверхности волокнистого мата 304 может находиться первый грубоволокнистый мат 302, который также может представлять собой нетканый мат, включающий множество спутанных грубых волокон, все или большинство из которых могут обладать диаметром, равным или большим, чем примерно 5 микрон в некоторых вариантах воплощения, и/или большим или равным 10 микронам в других вариантах воплощения. В примерном варианте воплощения все или большинство грубых волокон могут составлять между примерно 8 и примерно 30 микронами, а чаще - между примерно 8 и примерно 20 микронами. Грубоволокнистый мат 302 может иметь толщину T2 между примерно 5 мил и примерно 40 мил. Грубоволокнистый мат 302 может армировать (укреплять) первую поверхность волокнистого мата 304, например, путем обеспечения стойкого к прокалыванию слоя на первой поверхности. Грубоволокнистый мат 302 может полностью состоять из стеклянных волокон, полимерных волокон, базальтовых волокон и/или любых других волокон, описанных здесь, или может включать сочетание любых таких волокон.
[0049] На второй поверхности волокнистого мата 304, противоположной первой поверхности, может быть расположен второй грубоволокнистый мат 306. Грубоволокнистый мат 306 может представлять собой нетканый мат, включающий множество спутанных грубых волокон, все или большинство из которых могут обладать диаметром, равным или большим, чем примерно 5 микрон в некоторых вариантах воплощения, и/или большим или равным примерно 10 микронам в других вариантах воплощения. Подобно мату 302, в одном варианте воплощения, все или большинство грубых волокон может составлять между примерно 8 и примерно 30 микронами, а чаще - между примерно 8 и примерно 20 микронами. Грубоволокнистый мат 306 может включать грубые волокна с аналогичным мату 302 размером волокна в диаметре, или может включать грубые волокна с другими размерами волокна в диаметре, так что волокнистый мат 304 располагается между двумя грубоволокнистыми матами, обладающими различными размерами волокна или имеющими большинство волокон с различными размерами. Грубоволокнистый мат 306 может обладать толщиной T3 между примерно 5 мил и примерно 40 мил. Толщина T3 может быть сходной толщине T2, так что оба грубоволокнистых мата 302 и 306 имеют приблизительно одинаковую толщину, или же толщина T3 может быть отличной от толщины T2, так что волокнистый мат 304 располагается между двумя грубоволокнистыми матами с различными толщинами.
[0050] Грубоволокнистый мат 306 может армировать (укреплять) вторую поверхность волокнистого мата 304, например, путем обеспечения стойкого к прокалыванию слоя на второй поверхности. Подобно мату 302, грубоволокнистый мат 306 может состоять полностью из стеклянных волокон, полимерных волокон, базальтовых волокон и/или любых других волокон, описанных здесь, или может включать сочетание любых таких волокон.
[0051] Отношение грубых волокон или грубоволокнистых матов к тонким волокнам или волокнистым матам (например, отношение T1:T2:T3) может обеспечивать сепаратор батареи 300, проявляющий повышенную прочность (например, прочность на прокол), при обеспечении достаточных свойств абсорбирования электролита. Иными словами, толщины T2 и T3 грубоволокнистых матов 302 и 306 могут быть достаточно большими для того, чтобы армировать волокнистый мат 304, будучи достаточно тонкими, вследствие чего электролит батареи может поглощаться и/или удерживаться в сепараторе 300 батареи.
[0052] Обратимся теперь к ФИГ. 4, где проиллюстрирован другой вариант воплощения сепаратора 400 батареи, имеющий грубоволокнистый мат 404, проложенный или расположенный между двумя тонковолокнистыми матами, 402 и 406. Как описано здесь, грубоволокнистый мат 404 может представлять собой нетканый мат, который включает множество спутанных грубых волокон, все или большинство из которых могут иметь диаметр волокна, равный или больший, чем примерно 5 микрон в некоторых вариантах воплощения, и/или больший или равный примерно 10 микронам в других вариантах воплощения. В одном варианте воплощения все или большинство грубых волокон может составлять между примерно 8 и примерно 30 микронами, а чаще - между примерно 8 и примерно 20 микронами. Грубоволокнистый мат 404 может иметь толщину T1 между примерно 5 мил и примерно 40 мил. Грубоволокнистый мат 404 может обеспечивать армирующий внутренний слой для сепаратора 400 батареи, например, путем обеспечения стойкого к прокалыванию слоя внутри сепаратора 400 батареи. Грубоволокнистый мат 404 может полностью состоять из стеклянных волокон, полимерных волокон, базальтовых волокон и/или любых других волокон, описанных здесь, или может включать сочетание любых таких волокон. В другом варианте воплощения волокнистый мат 404 может включать смесь тонких и грубых волокон, такой как мат, содержащий примерно 60 процентов или более тонких волокон, 40 процентов или менее грубых волокон, 0,5-15% кислотостойкого связующего, и/или 0,1-15% полимерных волокон.
[0053] На первой поверхности волокнистого мата 404 может быть расположен первый тонковолокнистый мат 402, который также может представлять собой нетканый мат, включающий множество спутанных тонких волокон, все или большинство из которых могут обладать диаметром, равный или меньший примерно менее 5 микрон в некоторых вариантах воплощения, и/или меньший или равный примерно 1 микрон в других вариантах воплощения. Тонковолокнистый мат 402 может иметь толщину T2 между примерно 15 мил и примерно 80 мил. Тонковолокнистый мат 404 может включать стеклянные волокна или любой другие электроизолирующие волокна, описанные здесь. Тонковолокнистый мат 404 может поглощать электролит (например, сернокислотный) батареи и/или иным образом удерживать электролит в контакте с одним электродом батареи.
[0054] На второй поверхности волокнистого мата 404, противоположной первой поверхности, может быть расположен второй тонковолокнистый мат 406. Тонковолокнистый мат 406 может представлять собой нетканый мат, включающий множество спутанных тонких волокон, все или большинство из которых могут обладать диаметром, равным или меньшим примерно 5 микрон в некоторых вариантах воплощения, и/или меньшим или равным примерно 1 микрон в других вариантах воплощения. Тонковолокнистый мат 406 может включать тонкие волокна с аналогичным мату 402 размером в диаметре или может включать тонкие волокна с различными размерами в диаметре, так что волокнистый мат 404 располагается между двумя тонковолокнистыми матами, имеющими тонкие волокна различного размера или имеющими большинство тонких волокон различных размеров. В другом варианте воплощения один или оба из волокнистых матов 402 и 406 могут включать смесь тонких и грубых волокон, такой как мат, содержащий любое сочетание примерно 60 процентов или более тонких волокон, 40 процентов или менее грубых волокон, 0,5-15% кислотостойкого связующего и/или 0,1-15% полимерных волокон. В таком варианте воплощения волокнистый мат 404 может иметь более высокое процентное содержание грубых волокон, чем маты 402 и 406, для обеспечения слоя для армирования матов 402 и 406. Маты 402 и 406 могут обладать более высоким процентным содержанием тонких волокон, чтобы быть способными поглощать больше электролита, чем мат 404.
[0055] Волокнистый мат 406 может иметь толщину T3 между примерно 15 мил и примерно 80 мил. Толщина T3 может быть сходной с толщиной T2, так что оба волокнистых мата 402 и 406 имеют приблизительно одинаковую толщину, или толщина T3 может быть отличной от толщины T2, так что волокнистый мат 404 располагается между двумя волокнистыми матами, 402 и 406, с различными толщинами. Маты с волокнами различных размеров (например, волокнистый мат 402, включающий волокна с различными диаметрами и/или обладающий толщиной мата, отличной от волокнистого мата 406) могут позволить сепаратору 400 батареи регулировать или компенсировать разные потребности батареи или батарей, в зависимости от условий, назначения, функционирования или любого другого состояния батареи. Например, волокнистый мат 402 может быть выполнен с возможностью поглощения и/или удержания первого количества электролита в контакте с первым электродом, тогда как волокнистый мат 406 выполнен с возможностью поглощения и/или удержания второго, и возможно иного, количества электролита в контакте со вторым электродом. Как таковой, сепаратор 400 батареи может быть модифицирован или скорректирован согласно той батарее, в которой он должен быть использован, или по тому состоянию или функционированию, для которого он должен быть использован.
[0056] Волокнистые маты, 402 и 406, расположенные на внешней поверхности сепаратора 400 батареи, могут контактировать непосредственно с электродами батареи и, таким образом, могут обеспечивать то преимущество, что волокнистый мат 404 не мешает поглощению и/или удержанию электролита и/или взаимодействию поглощенного электролита и электрода. В то же время, слой 404 внутреннего волокнистого мата придает повышенную прочность (например, прочность на прокол) сепаратору 400 батареи, повышая срок службы сепаратора 400 батареи и/или батареи, например, путем предотвращения или снижения проникновения электрода через сепаратор. Таким образом, сепаратор 400 батареи обеспечивает повышенную прочность (например, прочность на прокол) при обеспечении превосходных свойств абсорбирования электролита.
[0057] Обратимся теперь к ФИГ. 5A-5C, где проиллюстрированы варианты воплощения других сепараторов 500, 500' и 500ʺ батареи. ФИГ. 5A иллюстрирует тонковолокнистый мат 502, который, как описано выше, может представлять собой нетканый мат, включающий множество спутанных тонких волокон, все или большинство из которых могут обладать диаметром, равным или меньшим примерно 5 микрон в некоторых вариантах воплощения (например, 0,05-5 микрон), и/или равным или меньшим примерно 1 микрон в других вариантах воплощения. Тонковолокнистый мат 502 может включать или полностью состоять из стеклянных волокон или любых других электроизолирующих волокон, описанных здесь. Тонковолокнистый мат 502 может поглощать и/или удерживать электролит (например, сернокислотный) батареи и/или иным образом поддерживать электролит в контакте с одним электродом батареи.
[0058] На одной поверхности тонковолокнистого мата 502 может быть расположено и присоединено множество однонаправленно расположенных волоконных прядей 504. Волоконные пряди 504 также могут называться лентой или ровницей. Каждая прядь из волоконных прядей 504 может включать множество волокон, спутанных, связанных, сотканных или иным образом соединенных вместе с образованием пряди. Волоконные пряди могут включать или полностью состоять из грубых волокон, все или большинство из которых могут обладать диаметром, равным или большим, чем примерно 5 микрон в некоторых вариантах воплощения, и/или равным или большим, чем примерно 10 микрон в других вариантах воплощения. В примерном варианте воплощения большинство грубых волокон может составлять между примерно 8 и примерно 30 микронами в диаметре, а чаще - между примерно 8 и примерно 20 микронами в диаметре. Каждая прядь может состоять из волокон с диаметрами между примерно 5 мкм и примерно 35 мкм (т.е. 0,000005 и 0,000035 метра).
[0059] Волоконные пряди 504 могут быть расположены на поверхности тонковолокнистого мата 502 таким образом, чтобы они простирались продольно от ближней первой стороны или кромки мата 502 к противоположной стороне или кромке мата 502, как показано на ФИГ. 5A. Волоконные пряди 504 могут иметь расстояние S между соседними прядями, которое в некоторых вариантах воплощения может составлять между 0 мкм и примерно 10 мм, а чаще - между примерно 5 мкм и примерно 10 мм (т.е. 0,000005 и 0,010 метра). Волоконные пряди 504 могут полностью состоять из стеклянных волокон, полимерных волокон, базальтовых волокон и/или любых других волокон, описанных здесь, или могут включать сочетание любых таких волокон. Волоконные пряди 504 могут быть связаны с поверхностью тонковолокнистого мата 502 с использованием одного или более связующих и/или путем ламинирования прядей поверх мата, например, за счет использования одного из описанных здесь способов связывания.
[0060] Волоконные пряди 504 могут выполнять аналогичную описанным выше грубоволокнистым матам функцию армирования поверхности тонковолокнистого мата 502, например, путем придания повышенной прочности на прокол тонковолокнистому мату 502. Обеспечиваемое армирование можно изменять, изменяя расстояние S между соседними прядями. Обычно, чем меньше расстояние S между соседними прядями, тем большее армирование и/или большую прочность на прокол обеспечивают волоконные пряди 504. Свойства поглощения тонковолокнистого мата 502 можно аналогично изменять, регулируя расстояние S между соседними прядями, с повышением свойств поглощения при увеличении расстояния S. Расстояние S между примерно 5 мкм и примерно 10 мм обеспечивает исключительный уровень повышенной прочности (например, прочности на прокол) и свойств поглощения электролита.
[0061] Одно из преимуществ волоконных прядей 504 состоит в том, что электролит батареи может контактировать непосредственно с тонковолокнистым матом 502 или с его участками, поскольку волоконные пряди 504 необязательно должны покрывать всю поверхность тонковолокнистого мата 502. Аналогично сепараторам батареи, описанным выше, сочетание тонковолокнистого мата 502 и волоконных прядей 504 обеспечивает повышенную прочность сепаратора батареи (например, прочность на прокол), при этом также позволяя электролиту поглощаться и/или удерживаться в сепараторе и в контакте с электродами батареи.
[0062] ФИГ. 5B иллюстрирует сепаратор 500' батареи, аналогичный сепаратору 500 батареи, за исключением того, что тонковолокнистый мат 502 включает волоконные пряди 504A и 504B на обеих поверхностях 506A и 506B тонковолокнистого мата 502. В частности, на первой поверхности 506A тонковолокнистого мата 502 расположено и присоединено множество волоконных прядей 504A. Волоконные пряди 504A могут представлять собой грубые волокна любого типа и/или размера волокна в диаметре, описанных выше. Волоконные пряди 504A могут иметь расстояние S1 между соседними прядями, которое в некоторых вариантах воплощения может составлять между примерно 5 мкм и примерно 10 мм. На второй поверхности 506B, противоположной поверхности 506A тонковолокнистого мата 502, расположено и присоединено множество волоконных прядей 504B. Подобно волоконным прядям 504A, волоконные пряди 504B могут представлять собой грубые волокна любого типа и/или размера волокна в диаметре, описанных выше. Волоконные пряди 504B могут иметь расстояние S2 между соседними прядями, которое в некоторых вариантах воплощения может составлять между примерно 5 мкм и примерно 10 мм. В некоторых вариантах воплощения расстояние S1 может быть приблизительно эквивалентно расстоянию S2, так что обе поверхности тонковолокнистого мата 502 имеют волоконные пряди с приблизительно идентичным расстоянием, или расстояние S1 может быть отличным от расстояния S2, так что поверхности тонковолокнистого мата 502 имеют волоконные пряди с различными расстояниями. Аналогично, диаметры волоконных прядей 504A и 504B могут быть приблизительно эквивалентными или различными, так что сепаратор батареи 500’ можно модифицировать или скорректировать в зависимости от батареи, потребности, среды, рабочего назначения, и т.п., при которых он применяется.
[0063] ФИГ. 5C иллюстрирует сепаратор 500ʺ батареи, имеющий множество двунаправленно расположенных волоконных прядей, 504 и 514, расположенных и присоединенных на одной поверхности тонковолокнистого мата 502. В частности, тонковолокнистый мат 502 включает множество первых волоконных прядей 504, которые простираются продольно от ближней первой стороны или кромки мата 502 к противоположной стороне или кромке мата 502, и дополнительно включает множество вторых волоконных прядей 514, которые простираются поперек (например, приблизительно перпендикулярно волоконным прядям 504) от ближней второй стороны или кромки мата 502 к противоположной стороне или кромке мата 502. Первые волоконные пряди 504 могут иметь расстояние S3 между соседними прядями, которое в некоторых вариантах воплощения может составлять между примерно 5 мкм и примерно 10 мм. Аналогично, вторые волоконные пряди 514 могут иметь расстояние S4 между соседними прядями, которое в некоторых вариантах воплощения может составлять между примерно 5 мкм и примерно 10 мм. В некоторых вариантах воплощения расстояние S3 может быть приблизительно эквивалентным расстоянию S4, так что первые и вторые волоконные пряди 504 и 514 упорядоченно расположены на поверхности тонковолокнистого мата 502 с приблизительно идентичным расстоянием, или расстояние S3 может быть отличным от расстояния S4, так что первые и вторые волоконные пряди 504 и 514 упорядоченно расположены на поверхности тонковолокнистого мата 502 с различными расстояниями. Аналогично, диаметры волокон волоконных прядей 504 и 514 могут быть приблизительно эквивалентными или различными, так что сепаратор 500” батареи может быть модифицирован или скорректирован в зависимости от батареи, потребности, среды, рабочего назначения и т.п., при которых он применяется. Сепаратор 500ʺ батареи может обеспечивать повышенную прочность (например, прочность на прокол) из-за повышенного числа волоконных прядей и/или может обеспечивать повышенную прочность из-за множества волоконных прядей, простирающихся по поверхности тонковолокнистого мата 502 во втором направлении. Хотя это не показано, строение с двунаправленными прядями по ФИГ. 5C может быть введено на обеих поверхностях тонковолокнистого мата 502, аналогично тому, как это показано на ФИГ. 5B.
[0064] Сепараторы батареи (500, 500' и 500ʺ) по ФИГ. 5A-5C обеспечивают повышенную прочность (например, прочность на прокол) при обеспечении превосходных свойств абсорбирования электролита. Хотя это не показано, в некоторых вариантах воплощения дополнительный волокнистый мат (т.е. содержащий грубые волокна, тонкие волокна или некоторое их сочетание) может быть расположен прилегающим к одной или более сторонам сепараторов 500, 500' и/или 500ʺ батареи так, чтобы волоконные пряди были расположены между волокнистыми матами. Дополнительный волокнистый мат может придавать сепараторам 500, 500' и/или 500ʺ батареи повышенные способности по армированию и/или поглощению электролита, по желанию.
[0065] Обратимся теперь к ФИГ. 6, где проиллюстрирован способ обеспечения сепаратора батареи, обладающего улучшенными прочностью (например, прочностью на прокол) и свойствами поглощения электролита. В блоке 610 обеспечивают множество первых волокон с диаметром волокна между примерно 0,05 и 5 микронами. Тонкие волокна могут позволять волокнистому мату поглощать и/или удерживать электролит (например, сернокислотный) батареи. Как описано выше, в одном варианте воплощения волокна могут обладать диаметром, равным или меньшим примерно 1 микрон. В блоке 620 множество вторых волокон может быть смешано с множеством первых волокон. Множество вторых волокон может включать волокна с диаметром волокна между примерно 8 и 20 микронами. Множество вторых волокон может упрочнять мат (например, обеспечивать повышенную прочность на прокол). Как описано выше, в некоторых вариантах воплощения вторые волокна могут обладать диаметрами, равными или большими, чем примерно 8 микрон. В одном варианте воплощения все или большинство грубых волокон может иметь диаметр между примерно 8 и примерно 30 микронами, а чаще - между примерно 8 и примерно 20 микронами.
[0066] В блоке 630 кислотостойкое связующее может быть нанесено на смешанные волокна так, чтобы соединить множество первых волокон с множеством вторых волокон с образованием армированного нетканого волокнистого мата, способного поглощать электролит батареи. Нетканый волокнистый мат может включать 60 процентов или более первых волокон, 40 процентов или менее вторых волокон и 0,5-15% кислотостойкого связующего. В некоторых вариантах воплощения способ также может включать смешивание множества полимерных волокон с множеством первых волокон и множеством вторых волокон. В таких вариантах воплощения нетканый волокнистый мат может включать между примерно 0,1 и 15% множества полимерных волокон. В некоторых вариантах воплощения способ может дополнительно включать обеспечение второго мата, содержащего множество первых волокон, и соединение этого второго мата с нетканым волокнистым матом так, что множество вторых волокон располагаются между нетканым волокнистым матом и вторым матом.
[0067] В качестве альтернативы блоку 620, в блоке 630 множество волоконных прядей может быть расположено и соединено с одной поверхностью первого мата. Соединение волоконных прядей может включать в себя связывание прядей с использованием одного или более связующих или ламинирования прядей, как описано здесь. Волоконные пряди могут армировать поверхность первого мата, например, путем обеспечения повышенной прочности на прокол. Волоконные пряди могут включать описанные здесь грубые волокна и могут быть расположены однонаправленно или двунаправленно на поверхности первого мата таким образом, чтобы они простирались между противоположными сторонами или кромками первого мата. Волоконные пряди могут быть аналогично расположены однонаправленно или двунаправленно на второй, противоположной поверхности первого мата, так что две поверхности первого мата включают армирующие волоконные пряди. Волоконные пряди могут быть расположены на поверхности первого мата таким образом, чтобы между соседними прядями имелось расстояние между примерно 5 мкм и примерно 10 мм.
[0068] Обратимся теперь к ФИГ. 7, где проиллюстрирован другой способ обеспечения сепаратора батареи. В блоке 710 обеспечивают множество тонких волокон с диаметром волокна между примерно 0,05 и 5 микронами. Тонкие волокна могут позволять волокнистому мату поглощать и/или удерживать электролит (например, сернокислотный) батареи. Как описано выше, в одном варианте воплощения волокна могут обладать диаметром, равным или меньшим примерно 1 микрон. В блоке 720 обеспечивают множество грубых волокон с диаметром волокна между примерно 8 и 20 микронами. Как описано выше, в некоторых вариантах воплощения грубые волокна могут обладать диаметрами, равными или большими, чем примерно 8 микрон, а в одном варианте воплощения все или большинство грубых волокон могут составлять между примерно 8 и примерно 30 микронами, а чаще - между примерно 8 и примерно 20 микронами.
[0069] В блоке 730 множество грубых волокон может быть расположено на поверхности мата, образованного из множества тонких волокон, с образованием множества прядей на поверхности тонковолокнистого мата. Множество прядей могут простираться между первой кромкой тонковолокнистого мата и второй кромкой тонковолокнистого мата, противоположной первой кромке. Расположение множества прядей на поверхности тонковолокнистого мата может включать в себя связывание прядей с использованием одного или более связующих или ламинирование прядей, как описано здесь. Волоконные пряди могут армировать поверхность тонковолокнистого мата, например, путем обеспечения повышенной прочности на прокол. Волоконные пряди могут быть расположены однонаправленно или двунаправленно на поверхности тонковолокнистого мата таким образом, чтобы они простирались между противоположными сторонами или кромками первого мата. Волоконные пряди могут быть аналогично расположены однонаправленно или двунаправленно на второй поверхности тонковолокнистого мата, так что две поверхности (обычно противоположные друг другу) тонковолокнистого мата включают армирующие волоконные пряди. Волоконные пряди могут быть расположены на поверхности первого мата таким образом, чтобы между соседними прядями имелось расстояние между примерно 5 мкм и примерно 10 мм.
[0070] Примеры
[0071] Испытали несколько батарей, сконструированных согласно описанным выше вариантам воплощения, и результаты испытаний описаны здесь ниже. Микроволокна со средним диаметром приблизительно 3 мкм (т.е. 0,000003 метра) использовали для изготовления микроволокнистых листов с помощью опытной машины для изготовления матов мокрым способом. В одном варианте воплощения 10 массовых процентов (т.е. 10 мас.%) 13-микронных (т.е. толщиной 0,000013 метра) ¾-дюймовых стеклянных волокон смешали с или примешали к микроволокнам для получения первого гибридного стекломата. В другом варианте воплощения 20 массовых процентов (т.е. 20 мас.%) 13-микронных (т.е. толщиной 0,000013 метра) ¾-дюймовых стеклянных волокон смешали с или примешали к микроволокнам для получения второго гибридного стекломата. Также изготовили маты с приблизительно 100 процентами (т.е. 100%) микроволокон тем же способом и использовали их в качестве контрольных образцов. Для связывания стеклянных волокон использовали связующее из акриловой эмульсии. Масса мата была запланирована на 89 г/м2 (т.е. 1,8 фунта/100 футов2). Отбирали образцы и готовили их к испытаниям на прочность на растяжение и прокол, проведенным на машине Instron®.
[0072] ФИГ. 8 показывает соотношение повышения прочности на растяжение по направлению под прямым углом к ходу полотна на машине (cross-machine direction, CD) и % ППП (потери при прокаливании) связующего и демонстрирует влияние на прочность на растяжение при смешивании волокон. Проценты повышения вычисляли в расчете на 100%-ые микроволокнистые листы при одинаковых ППП. Прочности на растяжение в направлении хода полотна на машине (machine direction, MD) и направлении CD у этих матов почти идентичны; поэтому, на Фиг. 8 показано только соотношение прочности на растяжение в направлении CD. ФИГ. 8 демонстрирует, что умеренные повышения (т.е. приблизительно на 30-50%) достигаются при примешивании 10% 13-микронных волокон, и представляется, что это сильно не влияет на % ППП. При примешивании 20% 13-микронных волокон достигается более чем 400%-ное повышение с менее чем 5%-ной ППП. Это значительное повышение может возникнуть в результате добавления 13-микронных волокон из-за более высокого соотношения геометрических размеров 13-микронных волокон по сравнению с микроволокнами. Опять же, % ППП связующего не представляется существенно подавленным.
[0073] ФИГ. 9 показывает повышение прочности на прокол (относительно 100% микроволокнистого мата) в зависимости от % ППП связующего. Как показано, для смеси с 10% 13-микронных волокон достигается приблизительно 60%-ое повышение как при 4%, так и при 7% ППП. При смеси с 20% 13-микронных волокон повышение резко увеличивается с ППП, т.е. от приблизительно 20% при ориентировочно 3%-ной ППП до приблизительно 240% при ориентировочно 5%-ной ППП. Прочность на прокол важна в AGM-матах для предотвращения роста дендритов, что является общей причиной выхода из строя свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. ФИГ. 9 показывает, что 20%-ное примешивание 13-микронных волокон может значительно повысить прочность на прокол при ориентировочно 5%-ной ППП.
[0074] Имея несколько описанных вариантов воплощения, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что различные модификации, альтернативные конструкции и эквиваленты могут быть использованы без отступления от сущности изобретения. Дополнительно, целый ряд хорошо известных процессов и элементов не был описан во избежание излишнего усложнения понимания настоящего изобретения. Следовательно, вышеприведенное описание не следует рассматривать как ограничивающее объем изобретения.
[0075] Там, где приведен некий диапазон значений, следует понимать, что также специально раскрыто каждое промежуточное значение между верхним и нижним пределами данного диапазона, до десятой доли единицы нижнего предела, если только из контекста четко не следует иное. Предусмотрен каждый меньший диапазон между любым указанным значением или промежуточным значением в указанном диапазоне и любым другим указанным или промежуточным значением в данном указанном диапазоне. Верхний и нижний пределы этих меньших диапазонов могут быть независимо друг от друга включены в или исключены из диапазона, и каждый диапазон, где любой из пределов, оба из них или ни один из них, включены в меньшие диапазоны, также охватывается в рамках изобретения, подвержен любому специально исключенному пределу в указанном диапазоне. Там, где указанный диапазон включает один или оба из пределов, также включены диапазоны, исключающие любой или оба из этих включенных пределов.
[0076] Употребляемые здесь и в прилагаемой формуле изобретения формы единственного числа включают множественные объекты, если только из контекста четко не следует иное. Таким образом, например, ссылка на «процесс» включает множество таких процессов, а ссылка на «устройство» включает ссылку на одно или более устройств и их эквивалентов, известных специалистам в данной области техники, и т.д.
[0077] Также, слова «содержат», «содержащий», «включают», «включающий» и «включает» при их употреблении в данном описании и в последующей формуле изобретения предназначены указывать на присутствие указанных признаков, целочисленных значений, компонентов или этапов, но они не исключают наличия или добавления одного или более других признаков, целочисленных значений, компонентов, этапов, действий или групп.
Изобретение относится к сепараторным матам, которые используются в аккумуляторных батареях для физического разделения и электрической изоляции положительных и отрицательных электродов батареи. Сепаратор в виде впитывающего стекломата для свинцово-кислотной аккумуляторной батареи содержит нетканый волокнистый мат, размещаемый между электродами батареи. Причем нетканый волокнистый мат содержит: a) множество спутанных тонких стекловолокон, включающее волокна с диаметром волокна между примерно 0,05 и 5 мкм; b) множество грубых стекловолокон, смешанных с множеством спутанных тонких стекловолокон, включающее волокна с диаметром волокна между примерно 8 и 20 мкм; и c) кислотостойкое связующее, которое соединяет множество спутанных тонких стекловолокон с множеством грубых стекловолокон с образованием нетканого волокнистого мата. Нетканый волокнистый мат содержит 60% или более тонких стекловолокон, 40 процентов или менее грубых стекловолокон и 0,5-15% по массе кислотостойкого связующего. Нетканый волокнистый мат имеет толщину от 0,381 мм до 2,03 мм. Изобретение позволяет создать сепаратор, обладающий повышенной прочностью. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 12 ил., 1 табл.
1. Сепаратор в виде впитывающего стекломата (AGM) для свинцово-кислотной аккумуляторной батареи, содержащий:
нетканый волокнистый мат, размещаемый между электродами батареи для электрической изоляции электродов, причем нетканый волокнистый мат содержит:
a) множество спутанных тонких стекловолокон, включающее волокна с диаметром волокна между примерно 0,05 и 5 мкм;
b) множество грубых стекловолокон, смешанных с множеством спутанных тонких стекловолокон, включающее волокна с диаметром волокна между примерно 8 и 20 мкм; и
c) кислотостойкое связующее, которое соединяет множество спутанных тонких стекловолокон с множеством грубых стекловолокон с образованием нетканого волокнистого мата;
при этом нетканый волокнистый мат содержит 60% или более тонких стекловолокон, 40% или менее грубых стекловолокон и 0,5-15% по массе кислотостойкого связующего, и нетканый волокнистый мат имеет толщину от 0,381 мм до 2,03 мм (от 0,015 дюйма до 0,080 дюйма).
2. Сепаратор по п. 1, при этом тонкие стекловолокна содержат волокна с диаметром менее 1 мкм.
3. Сепаратор по п. 1, при этом грубые стекловолокна содержат волокна с диаметром между примерно 10 мкм и примерно 20 мкм.
4. Сепаратор по п. 1, также содержащий дополнительный волокнистый мат, расположенный на поверхности упомянутого нетканого волокнистого мата, причем дополнительный волокнистый мат содержит множество грубых стекловолокон с тем, чтобы армировать нетканый волокнистый мат.
5. Сепаратор по п. 1, при этом множество грубых стекловолокон расположены относительно множества спутанных тонких стекловолокон с образованием множества прядей на первой поверхности мата, образованного из множества спутанных тонких стекловолокон, при этом множество прядей простираются от ближней первой стороны мата к противоположной стороне мата.
6. Сепаратор по п. 1, дополнительно содержащий:
второе множество спутанных тонких стекловолокон, которые образуют дополнительный волокнистый мат,
при этом дополнительный волокнистый мат расположен на поверхности нетканого волокнистого мата, и
при этом множество грубых стекловолокон расположены на по меньшей мере одной поверхности дополнительного волокнистого мата.
7. Сепаратор по п. 1, при этом связующее является стойким к серной кислоте и одновременно смачиваемым серной кислотой.
8. Сепаратор по п. 1, при этом нетканый волокнистый мат изготовлен посредством машины для изготовления нетканых материалов мокрым способом с использованием технологической воды (белой воды) с pH более примерно 4.
9. Сепаратор по п. 1, при этом нетканый волокнистый мат обладает капиллярной впитываемостью, или капиллярным подъемом, как определено стандартом ISO8787, примерно 0,2-10 см менее чем за 10 мин.
10. Способ изготовления сепаратора в виде впитывающего стекломата (AGM) для свинцово-кислотной аккумуляторной батареи, содержащий:
(i) обеспечение множества первых стекловолокон с диаметром волокна между примерно 0,05 и 5 мкм;
(ii) смешивание множества вторых стекловолокон с диаметром волокна между примерно 8 и 20 мкм с множеством первых стекловолокон; и
(iii) нанесение кислотостойкого связующего на смешанные стекловолокна так, чтобы соединить множество первых стекловолокон с множеством вторых стекловолокон с образованием армированного нетканого волокнистого мата, способного поглощать электролит батареи;
при этом нетканый волокнистый мат содержит 60% или более первых стекловолокон, 40% или менее вторых стекловолокон и 0,5-15% по массе кислотостойкого связующего, и нетканый волокнистый мат имеет толщину от 0,381 мм до 2,03 мм (от 0,015 дюйма до 0,080 дюйма).
11. Способ по п. 10, дополнительно содержащий:
обеспечение второго мата, содержащего множество первых стекловолокон; и
соединение второго мата с нетканым волокнистым матом.
12. Способ по п. 10, дополнительно содержащий:
размещение множества вторых стекловолокон на поверхности мата, образованного из множества первых стекловолокон, с образованием множества прядей на поверхности мата, которые простираются между первой кромкой мата и второй кромкой мата, противоположной первой кромке.
13. Способ по п. 12, при этом множество прядей размещают на упомянутой по меньшей мере одной поверхности мата так, чтобы между соседними прядями имелось расстояние между примерно 0 мкм и примерно 10 мм.
| US 20110318643 A1, 29.12.2011 | |||
| US 4216280 A, 05.08.1980 | |||
| WO 2013054884 A1, 18.04.2013 | |||
| US 4336314 A, 22.06.1982. |
