DE2618623A1 - Mikroporoeser separator - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTIN 9 R 1 Q P O Q

DR. HELGA WEISSENFELD 3 6940 WeinheiriffBÄgJt# O £ 3

^Dipl-^Chemikerin ™l7₆₂U_t 8o

Telex 04 65 531

2fi. April l Mo/Sch ON 76o

Anmelderin: Firma Carl Freudenberg, Weinheim

Mikroporöser Separator

Die Erfindung betrifft einen mikroporösen Separator für elektrische Akkumulatoren.

Bekanntlich besteht ein Akkumulator aus zwei in eine Elektrolytflüssigkeit eingetauchten Elektroden, die eine entgegengesetzte, elektrische Ladung aufweisen. Wird der Akkumulator elektrisch ge- oder entladen, so läuft dabei an den Elektroden .jeweils ein chemischer Vorgang ab. Dieser ist verbunden r-it einem An- bzw. Abschwellen der Elektroden. Um zu verhindern, daß es nach längerer Betriebszeit beispielsweise durch eine dendritische Kristallbildung zu einem Kurzschluß zwischen den Elektroden kommt, werden im allgemeinen zwischen den Elektroden (Platten) sogenannte Scheider oder Separatoren angeordnet.

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An einen derartigen Separator werden verschiedene Anforderungen gestellt. Einerseits muß sichergestellt werden, daß ein direkter Elektronenfluß zwischen den entgegengesetzt geladenen Platten wirkungsvoll verhindert wird. Andererseits muß ein derartiger Separator zwischen den Platten einen möglichst ungehinderten lonenfluß gewährleisten. Für seine Herstellung eignen sich deshalb insbesondere elektrisch nichtleitende, elektrolytbeständige Materialien, die bei möglichst kleinen Porenradien ein hohes Volumen an offenen Poren aufweisen.

Es ist bekannt, einen mikroporösen Separator aus einem polymeren Werkstoff in an sich kompakter Erscheinungsform herzustellen. Dabei wird im allgemeinen in einem ersten Fertigungsschritt ein Salz oder ein anderer Stoff mit feinkörnigem Aufbau in den polymeren Werkstoff eingearbeitet und anschließend auf physikalischem oder auf chemischem Wege wieder entfernt, so daß eine feinstrukturierte Polymermatrix zurückbleibt. Bekannt geworden sind derartige Separatoren auf Polyvinylchlorid- und auf Kautschukbasis. Diesen Separatoren haften jedoch verschiedene Nachteile an.

Zunächst tritt in Erscheinung, daß die bekannten Separatormaterialien dieser Art eine gewisse Sprödigkeit und Bruchempfindlichkeit aufweisen, die ihre Hantierbarkeit und Verarbeitbarkeit einschränken. Separatorenmaterialien auf Polyvinylchloridbasis weisen eine schlechte Wärmebeständigkeit auf, und es kommt daneben durch chemische Einflüsse häufig zu unerwünschter Abspaltung von Chlor in verschiedenen Formen. Kautschukseparatoren haben demgegenüber den Nachteil, daß sie eine schlechte Oxidations- und Alterungsbeständigkeit aufweisen.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mikroporöses Separatorenmaterial zu entwickeln, das bei guten elektrischen Eigenschaften die vorstehend genannten Nachteile vermeidet, und das eine hohe Gleichmäßigkeit in seinen mechanischen Eigenschaften aufweist.

Diese Aufgabe wird durch einen mikroporösen Separator gelöst, der aus in Wirrlage abgelegten, synthetischen Pasern unterschiedlicher Länge besteht, deren Querschnitt von einem runden Profil abweicht und die im wesentlichen ein hanteiförmiges Profil haben, verdichtet und gegebenenfalls mit einem grobporigen Trägermaterial zusammenkaschiert ist.

In einer besonderen Ausgestaltung haben die Pasern mit dem im wesentlichen hanteiförmigen Profil einen größten Durchmesser von o,o5 bis 2o /um, vorzugsweise einen größten Durchmesser von 1 bis Io μΐη. Besonders gute Eigenschaften lassen sich erzielen, wenn die Pasern mit dem im wesentlichen hanteiförmigen Profil aus Polystyrol, Polyolefin oder aus Polycarbonat bestehen.

Die Herstellung eines Ausgangsmaterials zur Bildung des erfindungsgemäßen mikroporösen Separators kann in beispielhafter Weise nach folgender Methode durchgeführt werden:

Das Polymere wird in einem leicht flüchtigen Lösungsmittel gelöst und unter Verwendung einer elektrodynamisch wirkenden Sprüheinrichtung auf einen geeigneten Träger gesprüht. Hierbei verdampft das Lösungsmittel und aus dem Polymeren bilden sich Mikrofasern, die sich in einer äußerst regelmäßigen Wirrlage auf dem Trägermaterial ablagern. Das entstehende Vlies ist dadurch ausgezeichnet, daß die von den Pasern eingeschlossenen, labyrinthförmigen Poren eine sehr gleichmäßige und enge Porengrößenverteilung aufweisen.

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Da die Ablage der Pasern auf dem Trägermaterial in einem elektrostatischen Gegenfeld erfolgt, werden die Fasern relativ weich abgelegt, und ein Ineinanderlegen der Fasern, was einer Verringerung des erzielbaren Porenvolumens gleichkäme, wird weitgehend verhindert.

Das Ergebnis kann in weitem Rahmen durch Variation der Arbeitsbedingungen beeinflußt werden, beispielsweise durch die Veränderung des Durchsatzes, der Temperatur, der Konzentration der Lösung oder durch Veränderung der Entfernung der Elektroden voneinander. Im allgemeinen ist es zweckmäßig, das Verfahren so einzustellen, daß aus dem Polymeren bereits das gesamte Lösungsmittel verdampft ist, bevor die Fasern das Trägermaterial erreicht haben. Die Fasern haben ein im wesentlichen hanteiförmiges Profil, und ihr größter Durchmesser sollte zwischen o,o5 und 2o Aim, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 1 und Io ^um liegen.

Bedingt durch das hanteiförmige Profil der das Vlies bildenden Mikrofasern ist es in weitem Rahmen möglich, diesen gleichmäßigen lockeren Faserverband auf einen bestimmten Porenradius zurückzuführen, ohne daß das für seine Funktion unbedingt erforderliche Porenvolumen zusammenbricht.

Der erfindungsgemäße Separator weist bereits bei einer Dicke von o,o5 bis o,3 mm und einem Flächengewicht von

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2o bis loo g/m ausgezeichnete mechanische, elektrische und chemische Eigenschaften auf. Eine stärkere Ausführung ist im allgemeinen mit keiner wesentlichen Steigerung der Gebrauchseigenschaften verbunden. Für spezielle Anwendungsfälle, in denen beispielsweise eine stärkere Ausführung aus sekundären Gründen vorhanden sein muß, ist es deshalb vorgesehen, das erfindungsgemäße Separatorenmaterial gegebenenfalls mit einer relativ offenporigen Bahn aus einem gesinterten Polymer,

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mit einem Gewebe, Gelege oder einem Vliesstoff aus elektrolytbeständigen Pasern zu kaschieren. Werden hierbei thermoplastische Materialien verwendet, so besteht diesbezüglich die Möglichkeit, den Separator durch an sich bekannte Methoden zu verschweißen und so seine Verarbeitbarkeit bzw. Konfektionierung zu vereinfachen.

Die mit dem erfindungsgemäßen Separator erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß er nur aus einem einzigen, exakt definierten Polymeren besteht, dessen Natur der jeweiligen Beanspruchung durch Elektrolyt und Oxidation angepaßt v/erden kann. Er verhält sich chemisch neutral und zeichnet sich durch eine gute Flexibilität aus. Von besonderer Bedeutung ist die Tatsache, daß die erwünschte Labyrinthstruktur durch die wirr gelegten Pasern bereits vorgegeben ist, und daß die Porengröße in Abhängigkeit von dem Paserdurchmesser und der Packungsdichte durch eine mehr oder weniger starke Verdichtung in gezielter Weise gesteuert werden kann.

Beispiel 1

Aus einer 12 ^igen Lösung von Polycarbonat in Dichlormethan wurden nach dem elektrodynamischen Sprühverfahren Mikrofasern hergestellt und auf einer an der Sprühelektrode kontinuierlich vorbeigeführten Vliesträgerbahn abgelegt. Das Sprühfeld betrug 4 kV/cm bei einem Klima von 25°C und 3o % relativer Luftfeuchtigkeit im Sprühraum. Die so hergestellte Warenbahn wurde in einem getrennten Arbeitsgang verdichtet und sie zeigte eine Porenradienverteilung von 7 |um bis 16 μτα bei einem Maximum von Io pn. Der Ionendurchgangswiderstand betrug o,IiI/cm . Das Porenvolumen wurde mit 8o % ermittelt.

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Beispiel 2

Das Separatorenmaterxal aus dem Beispiel 1 wurde ohne Trägermaterial verdichtet bis su einer Porenradienverteilung von 1,6 /um bis 7/um bei einem Maximum von 2 /um. Der Ionendurchgangswiderstand betrug o Das Porenvolumen wurde mit 65 % ermittelt.

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Claims (3)

1. Patentansprüche:

   Ι,ί Mikroporöser Separator für elektrische Akkumulatoren, dadurch gekennzeichnet, daß er aus in Wirrlage abgelegten, synthetischen Pasern unterschiedlicher Länge besteht, deren Querschnitt von einem runden Profil abweicht und die im wesentlichen ein hanteiförmiges Profil haben, verdichtet und gegebenenfalls mit einem grobporigen Trägermaterial zusammenkaschiert ist.
2. 2. Separator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern mit dem im wesentlichen hanteiförmigen Profil einen größten Durchmesser von o,o5 bis 2o /um aufweisen, vorzugsweise einen größten Durchmesser von 1 bis Io /um.
3. 3. Separator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pasern mit dem im wesentlichen hantelförmiven Profil aus Polystyrol, Polyolefin oder Polycarbonat bestehen.

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