(57)【要約】【課題】  電池内のセパレータとして使用するための、十分な機械特性および十分に小さい孔を有する、湿潤性のメルトブローン不織布セパレータを提供する。【解決手段】  メルトブローン繊維の湿潤性の均質なマットからなる電池セパレータであって、メルトブローン繊維は相互に熱結合され、これらの繊維は、熱可塑性材料よりなる。繊維は、０．１〜１３ミクロン（μ）の範囲の直径および１２ミリメートル（ｍｍ）を超える長さを有する。マットは、６〜１６０グラム／平方メートル（ｇ／ｍ2）の範囲の坪量、７５ミクロン（μ）未満の厚さ、および０．３〜５０ミクロン（μ）の平均孔径を有する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
メルトブローン繊維の湿潤性の均質なマットであって、前記繊維が相互に熱結合され、前記繊維が熱可塑性材料よりなり、前記繊維が０．１〜１３ミクロン（μｍ）の範囲の直径および１２ミリメートル（ｍｍ）を超える長さを有し、６〜１６０グラム／平方メートル（ｇ／ｍ2）の範囲の坪量、７５ミクロン（μｍ）未満の厚さ、および０．３〜５０ミクロン（μｍ）の平均孔径を有する前記マットを含む、ことを特徴とする電子セパレータ。
【請求項２】
前記繊維の５０％が０．５ミクロン未満の直径を有する、ことを特徴とする請求項１記載の電池セパレータ。
【請求項３】
前記熱可塑性材料がポリオレフィンである、ことを特徴とする請求項１記載の電池セパレータ。
【請求項４】
前記ポリオレフィンが、ポリエチレン、ポリプロピレンおよびそれらの併用からなる群より選択される、ことを特徴とする請求項３記載の電池セパレータ。
【請求項５】
前記湿潤性マットが、親水性化のための手段をさらに含む、ことを特徴とする請求項１記載の電池セパレータ。
【請求項６】
前記繊維が０．１〜５ミクロンの範囲の直径を有し、繊維の８５％が０．５ミクロン未満の直径を有する、ことを特徴とする請求項１記載の電池セパレータ。
【請求項７】
前記マットが、１０〜３５グラム／平方メートルの範囲の秤量を有する、ことを特徴とする請求項１記載の電池セパレータ。
【請求項８】
１つの前記層が請求項１のメルトブローン繊維の前記マットである、ことを特徴とする多層電池セパレータ。
【請求項９】
負極、正極、前記負極と前記正極の間に挟まれたセパレータ、および前記セパレータをウェットアウトし、前記負極および前記正極とイオン的に連通する電解質を含み、前記セパレータがメルトブローン繊維の均質なマットであって、前記繊維が相互に熱結合され、前記繊維が熱可塑性材料よりなり、前記繊維が０．１〜１３ミクロン（μｍ）の範囲の直径および１２ミリメートル（ｍｍ）を超える長さを有し、６〜１６０グラム／平方メートル（ｇ／ｍ2）の範囲の坪量、７５ミクロン（μｍ）未満の厚さ、および０．３〜５０ミクロン（μｍ）の平均孔径を有する前記マットをさらに含む、ことを特徴とする電池。
【請求項１０】
前記セパレータが、０．５ミクロン未満の直径を有する繊維５０％をさらに含む、ことを特徴とする請求項９記載の電池。
【請求項１１】
前記熱可塑性材料がポリオレフィンである、ことを特徴とする請求項９記載の電池。
【請求項１２】
前記ポリオレフィンが、ポリエチレン、ポリプロピレンおよびそれらの併用からなる群より選択される、ことを特徴とする請求項１１記載の電池。
【請求項１３】
前記湿潤性マットが、親水性化のための手段をさらに含む、ことを特徴とする請求項９記載の電池。
【請求項１４】
前記繊維が０．１〜５ミクロンの範囲の直径を有し、繊維の８５％が０．５ミクロン未満の直径を有する、ことを特徴とする請求項９記載の電池。
【請求項１５】
前記マットが、１０〜３５グラム／平方メートルの範囲の秤量を有する、ことを特徴とする請求項９記載の電池。
【請求項１６】
前記セパレータが、１つの前記層が請求項９のメルトブローン繊維の前記マットである多層電池セパレータをさらに含む、ことを特徴とする請求項９記載の電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱可塑性メルトブロー繊維の湿潤性の均質なマットから作成される電池セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
電池は、負極、正極、負極と正極の間に挟まれたセパレータ、およびセパレータを濡らし、負極と正極の間をイオン的に連通させる電解質を含む、電気化学デバイスである。電気を発生させるために各種の材料間の電気化学ポテンシャルが使用される各種の化学現象が研究され、商業的に実施されてきた。一般に、どちらも引用することにより本明細書の一部をなすものとする、非特許文献１および非特許文献２を参照することができる。
【０００３】
セパレータは、電池の重要な要素である。それは、負極と正極の間の電気的接触を防止するために、負極と正極の間のスペーサとして使用される。負極と正極の間のイオン輸送を可能にするために十分に透過性でなければならいが、電解質から分離する粒子の移動を妨害する孔を有する必要がある。セパレータを通じて成長し、電池内での短絡を発生させる樹枝状結晶を防止するために、十分な強度および／または屈曲性を有する必要がある。電池製造工程に耐える十分な強度を有する必要もある。そのような強度は、ある１つの例において、穿刺強度、すなわち電池製造中に電解質の粗い表面による貫通に耐える能力として表される。そのような強度は、別の例において、引張強度、すなわち電池の物理構造を得るために必要である厳しい屈曲に耐える能力として表される。セパレータは、電池内で多くのスペースを取り過ぎないように、薄くする必要もある。したがって、バッテリ内のセパレータとして使用するための、強靭で、強力であり、薄く、透過性である構造物に対する要求がある。
【０００４】
そのような品質を得るための１つの構造物は、不織材料または織物である。たとえば、それぞれ引用することにより本明細書の一部をなすものとする、非特許文献１（２８８頁）、特許文献１、特許文献２、特許文献３および特許文献４を参照することができる。不織材料は、幅広いクラスの繊維状構造物を含む。不織材料は、その最も一般的な用途において、乾式、湿式、またはエアレイ、ニードルパンチング、スパンボンドまたはメルトブローン工程、および水流絡合などの工程によって作成される繊維状構造物を含む。メルトブローン不織は、スパンボンド不織布とは異なる。スパンボンド不織布は、溶融ポリマーをフィラメントに押出成形することと、フィラメントを引伸ばすことと、次にこれらのフィラメントを連続ベルト上に配置することによって形成され、それにより長い繊維長の不織布が生じる。メルトブローン不織布は、型を通じて溶融ポリマーを押出成形することと、次に生じたフィラメントを高温で高速の空気または蒸気によって細く破断することによって形成され、それにより短い繊維長の不織布が生じる。電池セパレータとして、メルトブローン不織布は、孔径の分布内で適切なサイズに作成された大きさの孔をいくつか有するが、孔径の幅広い分布を有し（それゆえ多くの不適切な大きすぎるサイズに作成された孔を有し、そして不十分な引張および穿刺強度を有し、その両方が有効な電池セパレータとして使用されるそれらの能力を制限すると考えられている。
【０００５】
最も広範に販売される電池で使用されている電解質は、水性（極性）または有機（非極性）溶液でよい。電池はたいてい電解質なしで組立てられ、電解質の添加によって後で作動されるため、セパレータは、電解質によって湿潤可能でなければならない。「湿潤性」または「ウェットアウト」は、液体が別の材料の表面により容易に浸透するか、または表面表に広がる能力を指す。親水性は、水性ベース液体を「ウェットアウト」する能力を指す。疎水性は、水性ベース液体を「ウェットアウト」不能であることを指す。したがって、たいていポリオレフィンよりなる不織布は、ポリオレフィンが本質的に疎水性であるため、水性ベース電解質をウェットアウトしないであろう。したがってそのような不織布は、水性電解質がセパレータをウェットアウトするように親水性にする必要がある。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５，６０５，５４９号
【特許文献２】米国特許第５，９６２，１６１号
【特許文献３】米国特許第６，１２０，９３９号
【特許文献４】米国特許出願第０９／７４５，０２６号（2000年12月20出願）
【非特許文献１】Ｂｅｓｅｎｈａｒｄ，Ｊ．Ｏ．編，Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｗｉｌｅｙ−ＶＣＨ  Ｖｅｒｌａｇ  ＧｍｂＨ，Ｗｅｉｎｈｅｉｍ，Ｇｅｒｍａｎｙ，１９９９
【非特許文献２】Ｌｉｎｄｅｎ，Ｄ．編，Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ，Ｓｅｃｏｎｄ  Ｅｄｉｔｉｏｎ，ＭｃＧｒａｗ  Ｈｉｌｌ  Ｉｎｃ．，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，ＮＹ，１９９５を参照。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、電池内のセパレータとして使用するための、十分な機械特性および十分に小さい孔を有する、湿潤性のメルトブローン不織布セパレータに対する要求がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
電池セパレータは、メルトブローン繊維の質潤性の均質なマットからなる。メルトブローン繊維は、相互に熱結合される。これらの繊維は、熱可塑性材料からなる。繊維は、０．１〜１３ミクロン（μｍ）の範囲の直径および１２ミリメートル（ｍｍ）を超える長さを有する。マットは、６〜１６０グラム／平方メートル（ｇ／ｍ2）の範囲の坪量、７５ミクロン（μｍ）未満の厚さ、および０．３〜５０ミクロン（μｍ）の平均孔径を有する。
電池は一般に、負極、正極、セパレータ、および電解質を含む。セパレータは、負極と正極の間に位置する。電解質は、セパレータを通じて負極と正極の間を液体連通している。本発明はどの電池においても使用できるが、アルカリ電池システムおよびリチウム電池システムで使用することが好ましい。最も好ましいのは、アルカリ電池システムでのその使用である。たとえばアルカリ電池システムは、ニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ）システムおよびニッケル金属水素化物（ＮｉＭＨ）システムを含む。さらに電池は、一次または二次電池システムのどちらでもよい。一般に、どちらも引用することにより本明細書の一部をなすものとする、非特許文献１および非特許文献２を参照することができる。以下、本発明は、好ましい電池システム、すなわちアルカリ電池に関連している。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
メルトブロー繊維のマットは、通常、細く短い繊維よりなるウェブを指す。細い繊維は、２〜１０ミクロンの直径を有する繊維を指し、短い繊維は、１２ミリメートル未満の長さの繊維を指す。メルトブローンウェブの機械的脆弱性は、繊維が短いという事実によると考えられている。なお、メルトブローンウェブを作成するための工程の性質により、すなわち型から排出されるときに溶融熱可塑性樹脂を細くするために高速の流体流（たとえば、空気）を使用することにより、長い繊維長を得ることは、商業的に実行不可能である。繊維長は１２ミリメートル未満に制限される。
【００１０】
本発明は、６〜１６０グラム／平方メートル（ｇ／ｍ2）の坪量、７５ミクロン（μｍ）未満の厚さ、および０．３〜５０ミクロンの平均孔径（すなわち直径と等しい）を有するメルトブローン繊維のマットを利用する。繊維は、０．１〜１３ミクロンの範囲の直径を有し、繊維の５０％は０．５ミクロン未満の直径を有し、ほぼ連続的であり、たとえば１２ミリメートルを超える長さを有する。これらのマットは、どちらも引用することにより本明細書の一部をなすものとする、米国特許第５，６７９，３７９号および第６，１１４，０１７号に述べられた方法に従って作成され、そしてロール機械（カレンダー）にかけることができる。秤量は、１０〜３５グラム／平方メートルの範囲で変化する。厚さは、１２〜５０ミクロンの範囲で変化する。平均孔径は、１〜２５ミクロンの範囲で変化する。繊維は、０．１〜５ミクロンの範囲の直径を有し、繊維の８５％は、０．５ミクロン未満の直径を有する。
【００１１】
繊維は、相互に熱結合され、均質であり、すなわちメルトブローンウェブにて発生する不均一性として通例見られる著しいショット、クランプ、繊維の絡み、または繊維束を示さない。ウェブは好ましくは、熱可塑性ポリマーよりなる；好ましい熱可塑性ポリマーは、ポリエチレン、ポリプロピレン、およびその併用などのポリオレフィンである。これらの材料は比較的高いメルトフローインデックスを有することが好ましい。
【００１２】
メルトブローンウェブは、電解質にウェットアウトされる必要がある。メルトブローンウェブはたいてい、ポリオレフィンなどの熱可塑性ポリマーよりなるため、水性ベース電解質を有する電池システムで使用する場合には、それらが親水性になるように処理する必要がある。そのような親水性化処理は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする米国特許５，９６２，１６１号に開示されている。しかし本発明はそれほど制限されておらず、ポリオレフィンのどの親水性化処理も使用できる。ポリオレフィンのための他の親水性化処理は、サーファクタント（または表面活性剤または湿潤剤）によるコーティング；ポリマーであって、ポリオレフィンとは異なる（すなわちより優れた）表面活性特性を有するポリマーによるコーティング；表面活性化（たとえばプラズマ処理による）；表面積を増加させるための、表面粗雑化（たとえば表面を形成する）；およびポリオレフィンと他のポリマーとのブレンドであって、ポリオレフィンとは異なる（すなわちより優れた）表面活性特性を有するブレンド；を含む。上述の例は、日本公開特許公報第２−１３３６０８号（１９９０年５月２２日公開）；第２−１３３６０７号（１９９０年５月２２日）；第３−５５７５５号（１９９１年３月１１日）；第４−３４６８２５号（１９９２年１２月２日）；および第５−１０６１１２号（１９９３年４月１７日）；および欧州特許第９８１，１７２  Ａ１号（２０００年２月２３日）；第４９８，４１４  Ａ２号（１９９２年８月１２日）；第６３４，８０２  Ａｌ号（１９９５年１月１８日）；および第２０３，４５９  Ａ２号（１９８６年１２月３日）で説明されている。
【００１３】
上述のウェブは、複合構造物、たとえば多層セパレータにも含まれうる。たとえばセパレータの厚さ全体を増大させるために、上述の２以上のウェブを共に積層させてもよい。たとえばセパレータの強度を向上させるために、またはセパレータの圧縮率を変更するために、上述のウェブを１以上の異なる種類の不織ウェブ（たとえばスパンボンドウェブ）に積層させてもよい。セパレータにシャットダウン機能を加える（すなわち、電解質の間のイオン流を防止するために穴をふさぐことによって、セパレータが電気抵抗を迅速に上昇させる）ことによって、セパレータの透過率を変更するために、またはセパレータの安全性を向上させるために、上述のウェブを膜（たとえば微小孔性または透過性）に積層させてもよい。
【実施例】
【００１４】
米国特許第６，１１４，０１７号に開示された方法に従って、メルトフローインデックスが３５の、メルトブローグレードのポリプロピレン樹脂を使用して作成した、メルトブローンウェブ。ウェブは、従来の方法で測定される以下の特性を有する。
【００１５】
【表１】
2005514731.tif 000002
【００１６】
本発明は、その技術的思想および本質的な属性から逸脱せずに他の具体的な形態でも具現化される。そして本発明の範囲は、上述の明細書よりも請求の範囲により定められるべきものである。
【国際調査報告】
2005514731.tif 000003