(57)【要約】バッテリー内の伝導板の間に配置するためのバッテリー・セパレータであって、特別の断面形状を有し、微小毛管作用を示す１つまたは複数の不織繊維から構成される不織繊維マットを含む。繊維は、ポリオレフィン、フルオロポリマー、ポリイミド、ポリスルホン、ポリエステル、ポリアミド、およびこれらの混合物からなる群から選択した熱可塑性物質製であることが好ましい。それぞれの繊維は、外部表面と中空の内部空洞と長く延びたスリットとを含む。中空の内部空洞は、長く延びたスリットを通って外部表面とつながっている。繊維内の毛管力は、繊維表面のそれより大きく、そのため、液体電解質はウィッキング作用によって繊維の内部を通って容易に移動する。その結果、バッテリー・セパレータは、バッテリー内でバッテリー電解質の水準が隣接するバッテリー板の頂部より下まで低下したときでさえ、液体をそれらのバッテリー板に導く働きをする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリーの各伝導板の間に配置するためのバッテリー・セパレータであって、外部表面、中空の内部空洞、およびそこに形成されている長く延びたスリットを有し、そのスリットによって中空の内部空洞が外部表面に通じている、少なくとも１つの中空繊維を含む不織繊維マットを備えたセパレータ。
【請求項２】
前記中空繊維が、中央の幹状部と、その幹状部から外側に放射状に伸びる複数の本質的にＴ型の突出部とを備えた請求項１に記載のセパレータ。
【請求項３】
前記中空繊維が、３つの突出部を含む請求項２に記載のセパレータ。
【請求項４】
前記中空繊維の内部空洞内に配置した反応物材料をさらに備えた請求項１に記載のセパレータ。
【請求項５】
前記中空繊維の中空の内部空洞が、繊維の中心側部分で最大幅を有し、スリットが、前記最大幅より小さい幅を有する請求項１に記載のセパレータ。
【請求項６】
中空繊維を、ポリオレフィン、フルオロポリマー、ポリイミド、ポリスルホン、ポリエステル、ポリアミド、およびこれらの混合物からなる群から選択した材料から形成する請求項１に記載のセパレータ。
【請求項７】
マットが、複数の中実の繊維をさらに備える請求項１に記載のセパレータ。
【請求項８】
マットが、それ自身に複数回巻きついて戻ってくる、本質的に連続した長く伸びた中空繊維を備える請求項１に記載のセパレータ。
【請求項９】
バッテリーの各伝導板の間に配置するためのバッテリー・セパレータであって、前記バッテリー・セパレータが、
複数の中実の繊維と、
外部表面、中空の内部空洞、およびそこに形成されている長く延びたスリットを有し、そのスリットによって中空の内部空洞が外部表面に通じている少なくとも１つの細長い中空繊維を備えており、
前記中空繊維が、中央の幹状部およびその幹状部から外側に放射状に伸びる複数の本質的にＴ型の突出部をさらに含むセパレータ。
【請求項１０】
前記中空繊維が、３つの突出部を含む請求項８に記載のセパレータ。
【請求項１１】
前記中空繊維の中空の内部空洞が、繊維の中心側部分で最大幅を有し、スリットが、前記最大幅より小さい幅を有する請求項８に記載のセパレータ。
【請求項１２】
中空繊維を、ポリオレフィン、フルオロポリマー、ポリイミド、ポリスルホン、ポリエステル、ポリアミド、およびこれらの混合物からなる群から選択した材料から形成する請求項８に記載のセパレータ。
【請求項１３】
蓄電池であって、
バッテリー・ケーシングと、
前記ケーシング中に交互に配置してある複数の陰極板および陽極板と、
隣接する陽極板と陰極板の間に配置してあるセパレータ板を、少なくとも１つ備えた複数のセパレータとを含み、
前記セパレータ板のそれぞれが、少なくとも１つの細長い中空繊維であって、外部表面、中空の内部空洞、およびそこに形成されている長く延びたスリットを有し、そのスリットによって中空の内部空洞が外部表面に通じている前記中空繊維を備えており、かつ、
前記ケーシング内に電解質溶液を入れてある蓄電池。
【請求項１４】
前記バッテリー・セパレータの前記中空繊維が、中央の幹状部と、その幹状部から外側に放射状に伸びる複数の本質的にＴ型の突出部とを備えている請求項１３に記載の蓄電池。
【請求項１５】
前記中空繊維のそれぞれが、３つの突出部を含む請求項１４に記載の蓄電池。
【請求項１６】
マットが、それ自身に複数回巻きついて戻ってくる本質的に連続した繊維を含む請求項１４に記載の蓄電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の背景）
１．発明の分野
本発明は、バッテリー内の帯電板の間に配置するためのバッテリー・セパレータに関する。より詳細には、本発明は、不織繊維（ｎｏｎ−ｗｏｖｅｎ　ｆｉｂｅｒ）マットを含み、１つまたは複数の成分をなす繊維が特定の断面形状を有しており、微小毛管作用を示す上記のバッテリー・セパレータに関する。
【０００２】
２．関連技術の説明
多くのタイプの蓄電池が知られており、かつ使用されている。内側に帯電した金属板を使用するタイプのバッテリーは、通常その板の間に、それら相互の直接接触を絶縁するために、多孔性の非伝導性セパレータもまた含む。
【０００３】
例えば、図１に、ごく標準的な従来技術による蓄電池１１０の略図を示す。従来技術によるこのタイプのバッテリーは、米国特許第４，４４０，８３８号に開示されている。今日広く使用されているこの標準化された構造において、中空のプラスチックのケーシング１１１は、正端子１１６に結びついている伝導性コネクタ・バー１１４によって結合されている複数の陽極板１１２を含有する。陽極板１１２は、複数の陰極板１１８と交互になっており、同様にその陰極板は、陰端子１１７に結びついている伝導性コネクタ・バー１１５によって結合されている。陰極板１１８のそれぞれは、外側の端で結合している２枚のシート１２２、１２３からなるスリーブ１２０により囲まれている。そのシートは、セパレータ材料から形成されている。
【０００４】
上記のバッテリー・セパレータは、不織繊維用ポリマー繊維から製造することが知られている。そのようなバッテリー・セパレータの例は、米国特許第３，８１１，９５７号、同第３，８７５，２７０号、同第３，９４７，５３７号、同第４，７０５，８０９号、同第５，１５８，８４４号、同第５，３１８，８６６号等で見出すことができる。
【０００５】
１９７９年、Ｓｃｈｍｉｄｔ他に対して発行され、名称が「ダンベル型繊維のセパレータを備えた蓄電池」の米国特許第４，１３７，３７９号は、バッテリー板を間隔をおいて離すために不織繊維を圧縮したマットを繊維質セパレータとして使用することを開示している。Ｓｃｈｍｉｄｔ他によるセパレータを構成する繊維は、ダンベル型の断面形状を有している。
【０００６】
本発明の譲受人は、中に長さ方向に伸びる内部空洞を有しており、液中に置くと「ウィッキング」作用または微小毛管作用を示す新しいタイプの中空繊維を開発した。これらの繊維の例およびそのいくつかの可能性のある用途が、米国特許第５，０６９，９７０号、同第５，７１３，９７１号、同第５，７５９，３９４号、同第５，８９１，２２１号、同第５，９５１，７４４号に示されている。
【０００７】
既知のバッテリー・セパレータは、その意図した用途に対しては有用であるが、当該分野においては、中を通る液体の流れを促進することができる改良されたバッテリー・セパレータの必要性が依然として存在する。また、その中を通る液体の流れを促進するように、中空の流路が内部に形成されている繊維からバッテリー・セパレータを製造することが仮にできるとすれば、有利であると思われる。
【０００８】
（発明の概要）
本発明は、既知のバッテリー・セパレータの前述の限界および不利な点を克服すること、および中を通る液体の流れを促進するように構成されたバッテリー・セパレータに対する当分野の要求を広く満たすために開発されたものである。
【０００９】
本発明は、バッテリーの伝導板の間に配置するためのバッテリー・セパレータを提供し、それは、少なくとも１つ、好ましくは、複数の不織繊維から成り立っている不織繊維マットを含有する。各繊維は、外部表面と中空の内部空洞および長く延びたスリットとを含有する。中空の内部空洞は、長く延びたスリットを通って外部表面に通じている。その中空の内部空洞は、そこの内側部分で最大の幅を有しており、スリットの幅は内部空洞の最大幅未満である。
【００１０】
好ましい実施形態においては、各不織繊維は中央の幹状部とその幹状部から外側に放射状に伸びる複数の本質的にＴ型の突出部を含む。
場合によっては、繊維マットは、それ自身に複数回巻きついて戻ってくる本質的に連続した長く伸びた中空繊維を含むことができる。
【００１１】
中空繊維内の毛管力は、繊維表面のそれより大きく、そのため液体電解質は「ウィッキング」作用によって繊維の内部を通って容易に移動する。その結果、バッテリー・セパレータは、バッテリー電解質の水準が板の頂上より下まで低下したときでさえ、液体を隣接するバッテリー板に導く働きをする。
【００１２】
熱可塑性物質は、繊維用として好ましい材料である。好ましくは、繊維を構成する材料は、ポリオレフィン、フルオロポリマー、ポリイミド、ポリスルホン、ポリエステル、ポリアミド、およびこれらの混合物からなる群から選択する。本発明の目的は、液体電解質と共に使用することができる改良されたバッテリー・セパレータを提供することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、バッテリーのケーシング中の電解質の水準が板の頂上より下まで低下したときでさえ、液体電解質を隣接するバッテリー板に導く働きをする改良されたバッテリー・セパレータを提供することである。
【００１４】
本発明をより完全に理解するために、読者は以下の詳細な説明の欄を付属の図面を見ながら参照されたい。以下の詳細な説明および図面を通して、同一番号は同一部分を指す。
【００１５】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
図３を参照すると、本発明の第１の好ましい実施形態に従うバッテリー１０の切り取った部分が示されている。バッテリー１０は、１４および１６で示すような複数の伝導金属板を、隣接する板の間に挿入してあるバッテリー・セパレータ板１５と共に含有する。板１４、１６およびバッテリー・セパレータ板１５は、液体電解質１８に浸漬する。電解質１８は、硫酸、アルカリ水酸化物、またはその他の液体電解質溶液であり得る。バッテリー・セパレータ板１５としては、バッテリー・ケーシング１１内のバッテリー板１４、１６の間に配置した一般に平板化した不織繊維マット１２が含まれる。繊維マット１２としては、個々の繊維２０（図４〜５）の複合したものが含まれる。マット１２は、通常は長方形であるが、バッテリー・ケーシング１１の輪郭に合致する所望の形状につくることができる。
【００１６】
ウィッキング繊維
繊維マット１２は、図２から４に示すように、任意の方向に向ってからみ合ったウィッキング繊維２０を含むことができる。
【００１７】
別法では、マット１２は、繊維がそれ自身に複数回巻きついて戻ってくる一本の本質的に連続した長く伸びた繊維または少数の長く伸びた繊維から形成することができる。本明細書でさらに詳述するように、繊維２０は、電解質１８の流れを受動的な毛管作用によってその中を導く能力を有する。
【００１８】
本発明を実施するために特に適するウィッキング繊維が、米国特許第５，０５７，３６８号に開示されており、その開示は参照により合体する。その発明は、熱可塑性ポリマーから形成される繊維を開示しており、その繊維は、中央の芯または幹状部３０、および複数の本質的にＴ型の突出部２６（図６）をもった断面を有している。突出部２６の脚部は、隣接する脚部との間の角度が約８０°から１３０°となるように芯２５のところで交差している。熱可塑性ポリマーは、一般的には、ポリオレフィン、フルオロポリマー、ポリイミド、ポリスルホン、ポリエステル、ポリアミド、またはそれらの組合せである。
【００１９】
図４〜６は、マット１２を構成する繊維部分２０を示し、次の数字になるごとに細部および大きさの程度が増加している。図４は、マット１２を構成する多数の繊維２０がからみ合った部分の詳細図を示す。図５は、繊維部分２０の３本をさらに拡大した詳細図を示し、また、その中に配列することができる液体電解質１８を示している。図６は、１つの好ましい繊維の末端２０を大写しした詳細透視図であり、分かりやすくするため図面から液体電解質を消してある。
【００２０】
図６に示すウィッキング繊維は、３つの長さ方向に伸びる中空の内部空洞２２を有する押出しストランドとして形成され、そのそれぞれが隣接する突出部２６の間に囲まれる長さ方向に伸びるスリット２４を通ってストランドの外部表面２８に通じている。繊維２０は、ポリオレフィン、フルオロポリマー、ポリイミド、ポリスルホン、ポリエステル、ポリアミド、およびこれらの混合物等のウィッキング材料の１つまたは複数のタイプのストランドで作製してもよいし、あるいは所望の外形に形づくることができ、しかも、そこを通って濾過される電解質液体に対して安定な他の適当なポリマー材料で作製してもよい。
【００２１】
断面がＴ型の３つの部分は、その外部表面２８が図示されているように曲線であっても、または直線であってもよい。図６ではウィッキング繊維２０は、３つの突出部として描かれているが、突出部のその他の数、特に、２つ、４つまたは５つの突出部も適切であることは理解されよう。
【００２２】
図７は、本発明の実施で使用可能な繊維１２０の別の外形を示す。図７に示されている繊維は、単一の長さ方向に伸びる内部空洞１２２と、単一の長さ方向に伸びるスリット１２４のみを含むＣ型の断面を有している。その他の断面の形状もまた適切であり得る。ウィッキング繊維の特別な形状は、選択した繊維がその内部空洞の中を液体が流れるようにすることができる限り重要ではない。最も好ましくは、内側の繊維の空洞の最大幅はスリットの幅より大きい。
【００２３】
ウィッキング繊維２０、１２０は、比較的小さく、３０から２５０ミクロンの範囲の直径を有する。長さ方向に伸びるスリット２４、１２４の幅Ｗｓ（図７）は、通常、繊維２０または１２０の直径の半分未満である。その結果、内部空洞２２、１２２は、スリットの幅Ｗｓより大きい最大幅ＷＭＡＸを有する。
【００２４】
毛管効果
個々の空洞２２内の毛管力は、繊維２０の外側のそれよりはるかに大きく、そのため液体電解質は繊維２０の内側の毛管作用で容易に運ばれる。繊維２０は、液体を強く保持し、そのため電解質は繊維を通って効果的に汲み上げられる。
【００２５】
理論はさておき、繊維２０の構造によって提供される毛管力が、外部エネルギーの入力を必要としないで液体電解質をマット１２に沿って上方に不動的に押し上げる利点を提供するものと信じられる。これは、バッテリー１０内の電解質の水準が板１４、１６の頂上より下まで低下した時でさえ、マット繊維２０の毛管作用が板１４、１６の露出部分に液体電解質を導く働きをすることを意味する。これにより、上記のような毛管作用を示さないバッテリー・セパレータと比較してバッテリーの有効寿命が長引く傾向を有することになろう。
【００２６】
図３において、バッテリー電解質の正常な水準は上の線Ｌ１で示し、一方電解質の減少した水準を下の線のＬ２のところに示す。上で記したように、電解質が板１４、１６の頂上より下の減少した水準Ｌ２まで低下した時でさえ、本発明によるセパレータ１５内の繊維２０の毛管作用は、バッテリー１０中で電解質を上方に移動させ、板１４、１６の上の部分を効果的に電解質で被覆したままにする働きをする。
【００２７】
繊維２０、スリット２４の幅、および内部空洞２２の寸法は、バッテリー・セパレータ１５の毛管効果を増進し、最大化するように選択する。望ましい場合、繊維２０、１２０は、毛管効果を増進するために適当な界面活性剤で処理するかまたは他の方法で化学的に処理してもよい。
【００２８】
本発明の他の態様は、セパレータ１５の機能（電解質を中に保持する能力といってもよい）を高めるため、充電または再充電の極度の繰り返しを通して寸法安定性を維持する能力を高めるため、または汚染物質の作用を弱めるために、添加物またはその他の有益な反応物を繊維２０の内側空洞２２内に使用することができることである。上記反応物は、時間緩和材料であってもよく、空洞２２中に永久に閉じ込めてもよい。
【００２９】
図８に示すように、本発明の別の実施形態においては、バッテリー・セパレータ板１５の繊維マット２１２は、強度および圧縮抵抗を大きくするため、所望される場合は、中空繊維２０と中実の繊維２５の組合せを含めることができる。マット２１２は、ガラス繊維、ポリマー繊維、および／または糊または結合剤で結合させた無機粒子と組み合わせて図５〜７で示すように中空の「ウィッキング」繊維を含むことができる。別法では、マット２１２を構成する繊維は、一緒に熱溶融することもできる。
【００３０】
本発明をその好ましい実施形態について本明細書で説明してきたが、前述の説明は説明を意図したものであって限定する意図はない。当分野の技術者であれば好ましい実施形態に実施可能な多くの修正を加えることができることを理解するであろう。請求の範囲内にあるそのような修正はすべて本発明の範囲および精神の中にあることを意味する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
バッテリー内の隣接するバッテリー板の間に挿入してあるバッテリー・セパレータを示す従来技術のバッテリーの一部を切り取った透視図である。
【図２】
セパレータ・スリーブを付けたバッテリー板を示す透視図である。
【図３】
バッテリー内の隣接する一対のバッテリー板の間に挿入してあるバッテリー・セパレータを示す一部を切り取ったバッテリーの横断面図である。
【図４】
本発明の第１の実施形態に従うバッテリー・セパレータの主要部分を構成する繊維マットの一部を拡大して示す透視図である。
【図５】
図４の繊維マットの細長いウィッキング繊維のいくつかであって、長さ方向に伸びる空洞内に配列した反応物材料を示すさらに拡大した図である。
【図６】
本発明の実施に適する第１の好ましいウィッキング繊維の、一部を切り取った先端を示す透視図である。
【図７】
本発明の実施でこれも使用可能な別のウィッキング繊維の、一部を切り取った先端を示す透視図である。
【図８】
本発明の第２の実施形態に従うバッテリー・セパレータの主要部分を構成する繊維マットの一部を拡大して示す透視図である。
【図１】
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【図２】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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2004505416.tif 000027
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