專利名稱：帶有t形加強肋的電池隔板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可用于電池隔板的改進的薄板制品以及這種制品的成形方法。特別是這種改進的電池隔板是由基板構(gòu)成，基板上具有間距的加強肋或是從薄板上一個表面伸出的T形輪廓的凸出部分。
電化學(xué)電池和蓄電池是由至少一對相對極性的電極構(gòu)成，并且通常具有一系列交替極性的相鄰電極。電極之間的電流由一種電解質(zhì)維持，電解質(zhì)按照電池特性的不同可以是酸性的、堿性的或中性的。在相對極性的相鄰電極之間設(shè)有一個隔板，以便在自由地進行電解導(dǎo)電的同時防止電極接觸。隔板可以具有多種形狀，在新型的蓄電池結(jié)構(gòu)中，隔板采用薄板或薄膜的形式，使用包圍一種極性的每個電極的薄皮則更好。
在蓄電池結(jié)構(gòu)中，電池隔板是一個關(guān)鍵元件。這種隔板最好是一種能完全隔離相對極性電極的薄板。并且薄板應(yīng)具有既薄又多孔的特性，以便使電池具有高能量密度。此外，在最適合采用現(xiàn)有的薄板制品作為改進的隔板的酸性蓄電池(例如鉛酸蓄電池)中，隔板應(yīng)具有能除去氣態(tài)副產(chǎn)品并有助于把電極板維持在穩(wěn)定位置的結(jié)構(gòu)。到目前為止，已經(jīng)提出了具有有間距的加強肋(US專利3，917，772;3，798，294;以及4，037，030)或多重突出部分(US專利4，00，352)的薄板制品。由于隔板的設(shè)計要求它很薄并具有極為多孔的特性，加強肋傾向于推動保持電極極位置的能力，并且突出部分傾向于斷裂。此外，普通的包皮或封裝型隔板在電池組裝期間的電極板插入(即“插板”)過程中趨于斷裂或變皺，并且因此需要額外的檢查和組裝時間以確保所有電池板能完全插入。
特別希望有一種既有更堅固的結(jié)構(gòu)，又能維持其薄和多孔特性的隔板，它能提供并且維持用氣態(tài)副產(chǎn)品的出口，在蓄電池的整個工作壽命期間都能對電極板的定位起到增強作用，并用對簡化蓄電池的組裝工作起到輔助和改善的作用。
本發(fā)明提供了一種薄的多微孔薄板制品，它具有從薄板制品的一個表面伸出的、構(gòu)成有間距的加強肋的突出部分。其改進之處在于突出部分成T形輪廓;也就是說，突出部分從薄板的一平面上垂直地伸出，并且每個突出部分的外延端形成的突出體與上述板面基本平行。
本發(fā)明涉及一種薄板制品及其成形方法，如下文所述，它具有從一個表面上伸出的有間距的T形加強肋。
本文和附加的權(quán)利要求中所稱的“薄板”表示一種由基板構(gòu)成的初級產(chǎn)品，它具有第一和第二主要表面，并且具有從基板的一個主要表面上伸出的有間距的突出部分。在相鄰的有間距的突出部分之間的區(qū)域可以是基本平坦的區(qū)域。上述薄板可以由多孔的基板和熱塑性合成物構(gòu)成的無孔突出部分組成，或者是基板上突出部分都采用這種無孔的熱塑性合成物。該突出部分的截面為長條形，并且與基板垂直。
本文和附加的權(quán)利要求中所稱的“薄板制品”表示本發(fā)明的產(chǎn)品，其中上述薄板的突出部分被改變成T型的突出部分，并且其主體被制成多孔的。這種薄板制品構(gòu)成一種改進的電池隔板。
以往使用過各種材料形成電池隔板，本發(fā)明則是使用一種合成物，它包含初級合成物中的至少一種成分，該成分可以在形成T形加強肋的突出部分之后從合成物中提取出來。這種合成物已在US專利3，351，495和4，024，323中詳細描述過，該技術(shù)在本文中作為參考。例如，用于形成本發(fā)明薄板制品的初級合成物可以由一種聚合粘結(jié)劑，一種填料，以及至少一種能用提取、蒸發(fā)或類似方法從初級合成物中快速除去的成分。盡管在最佳實施例中(如下文所述)規(guī)定了使用初級合成物形成薄板，它具有作為一種整體成形元件的有間距的肋狀突出部，這種薄板也可以由一種現(xiàn)成的微孔(平均孔徑為0.005至100微米)板構(gòu)成，在其表面上施加一種構(gòu)成有間距突出部分的合成物。在把加強肋加到薄板上的實施例中，構(gòu)成加強肋的合成物應(yīng)該是塑性材料，它具有能粘合到襯底基板上的特性，并且最好是能通過抽取或類似的方法形成微孔，然后組成所需的形狀，如下所述。
構(gòu)成薄板制品(或是其肋部)的聚合物成分可以從熱塑性聚合物中選取。例如聚烯烴類中的聚乙烯，聚丙烯等等;聚砜類中的聚芳基醚砜及其類似物;聚乙烯鹵化物，例如聚氯乙烯等等;聚丙烯酸及其脂類，例如聚甲基丙烯酸、聚甲基丙烯酸甲脂及其類似物;也可以用上述合成物的混合物。聚合物的成分中可以包括適用作薄板制品粘結(jié)劑的聚合物與另一種為制成的薄板制品提供多孔性的可除去的聚合物的組合。打算用作薄板成品的一部分的聚合物成分相對于其所處的電池環(huán)境來說應(yīng)該是完全惰性的，上述所有聚合物相對于酸環(huán)境都是惰性的。
用來構(gòu)成薄板制品的填料成分可以是水溶性的或不溶性的材料。這種填料包括例如金屬氧化物和氫氧化物，例如硅，鈣，鎂，鈦等等的氧化物;金屬碳化物，例如鈣、鎂的碳化物;礦物質(zhì)，諸如云母，高嶺石等等;金屬鹵化物例如氯化鈉，氯化鉀等等;金屬醋酸鹽，例如鈉、鉀、鈣等的醋酸鹽。在某些情況下，填料可以是在薄板制品成形過程中能被除去的初級合成物的成分。在另一些例子中，填料則是用來留作薄板成品的一部分。在前一種情況下，填料應(yīng)該由那些便于用一種液體除去的材料中選擇，該液體不能溶解其它所需的薄板制品成分。在后一類例子中，填料應(yīng)該從那些相對預(yù)期要使用的電池環(huán)境縣具有惰性的材料中選擇。因此，在預(yù)期用于堿性環(huán)境中的薄板制品使用不溶于堿的填料，而在預(yù)期用于酸環(huán)境中的薄板制品則采用不溶于酸的材料。在多數(shù)情況下，水溶性材料可以作為(或者其中一種)可除去的成分。
此外，初級合成物可以包括一種材料(通常是一種高沸點液體)，它在薄板成形的條件下能塑化成聚合物。這種材料可以是水溶性的或不溶性的。不溶性材料包括例如有機脂，磷酸脂，碳氫化合物材料如石油，低分子量聚合物，以及樹脂類如聚異丁烯，聚丁二烯等及其類似物，妥爾油，亞麻油及其類似物。可溶性材料包括諸如乙二醇，丙三醇，烷基磷酸鹽及其類似物。為了使成品薄板具有多孔性，可以除去全部或一部分塑化劑。通常是借助于一種適當(dāng)?shù)娜軇﹣硖崛⌒枰サ乃芑瘎员闾峁┒嗫椎奶匦浴?br> 上述合成物還成以包括其它的慣用成分，例如穩(wěn)定劑，抗氧化劑，著色劑及其類似物。
在構(gòu)成初級合成物時使用的每種成分數(shù)量取決于成品薄板(或加肋材料)所需的合成物，以及在成形過程中為獲得多孔性構(gòu)造預(yù)期要除去的物質(zhì)。如果初級合成物由聚合物、填料和塑化劑(包括能被除去的塑化劑)組成，各種成分的體積百分數(shù)范圍是5%至40%的聚合物，10%至40%的填料，以及剩余部分為塑化劑。通常塑化劑占初級合成物體積百分數(shù)的50至75，而聚合物與填料的體積比為1∶20至1∶1。由此得到的成品薄板中具有占3至50體積百分數(shù)的聚合物(最好為5至15);97至50體積百分數(shù)(最好為95至80)的填料，以及占0至15體積百分數(shù)(最好為3至10)的塑化劑剩余部分。
在制造用于酸性蓄電池隔板的薄板產(chǎn)品的最佳實施例中，理想的初級合成物是由一種聚烯烴單獨構(gòu)成，或者如上所述摻合少量的其它聚合物、二氧化碳和一種諸如石油的液體或類似物，或是一種低溶點固體例如低分子聚合物或其類似物，可以在薄板成形的條件下使上述聚烯烴塑化。
在本實施例中，理想的聚烴類是分子量為150，000至5，000，000的聚乙烯或聚丙烯以及這類聚合物的混合物。這種聚合物可以是均聚物或帶有其它烯族單體單元的共聚物。此外，這種聚烯烴可以包含少量的其它聚合物材料，例如聚甲基丙烯酸酯及其類似物。
以下的描述涉及基板和肋狀突出部均由相同合成物構(gòu)成時制造薄板制品的方法。如果薄板制品是由不同材料的基板和肋狀突出部構(gòu)成的，或者是由后來再施加肋狀材料構(gòu)成的，也可以用與下文所述相似的步驟制成這種具有T形加強肋的薄板制品。
用普通的裝置例如攪拌器或類似的裝置把構(gòu)成初級合成物的成分混合成均勻的混合物。然后用普通的方法例如格壓、壓延、注模、壓?；蝾愃频姆椒ㄊ钩跫壓铣晌锍尚?，制成一種薄板，它是由具有有間距的突出部分的基板構(gòu)成，其突出部分從基板的一個主要表面上垂直伸出。突出部分是彼此隔開的，并且可以具有基本為矩形的截面或是外延端比連接基板的部分薄的錐形截面。這種加強肋的薄板可以用US專利3，917772和3，798，294中所述的方法制成，這種技術(shù)在本申請中作為參考。采用這種方法，對初級合成物加熱，形成一種可通過狹縫模具擠壓成平坦薄板的物質(zhì)，然后使薄板從壓延輥之間通過。其中至少有一個軋輥上帶有由臺階分開的多個凹槽，凹槽圍繞或橫切著軋輥分布。按照所需的加強肋的形狀，凹槽可以是均勻分布的，或按其它圖形分布，并且可以是線性(直線)的，正弦的或其它圖形。凹槽或通道的梁度應(yīng)能使軋出的薄板上的突出部分的高度超過成品薄板上加強肋的所需高度。凹槽的梁度通常為20至90密耳。當(dāng)被劑壓的板從壓延輥之間通過時，基極被調(diào)節(jié)成所需的厚度(即為一個軋輥的表面與帶凹槽的軋輥上的臺階之間的縫隙)。多余的物質(zhì)被擠入凹槽內(nèi)，從而形成在基板一個表面上具有間隔的、基本垂直(相對于板面)的肋或突出部分的薄板。在相鄰的肋之間是基板上基本平坦的區(qū)域。壓延輥上不同的凹槽尺寸和形狀會形成不同的突出部初始形狀(截面和高度)。這種初始形狀必須是足夠簡單和平直的，以便于從例如壓延輥表面的成形裝置中退出，而不會使薄板出現(xiàn)破損或其他缺陷。一般而言，上述參考資料中提出的突出部的最終高度是由整形輥磨掉肋的頂部，除去多余高度的材料后的高度。然后使薄板冷卻并經(jīng)過一定的處理，以便除去初級混合物中的至少一種成分(例如提取)，使基板和加強肋都具有多孔性。
在本發(fā)明中，初步成形的加肋薄板經(jīng)過冷卻使基板和肋達到足夠低的溫度，以防止塑性流動(即低于該合成物能形成各種形狀的呈現(xiàn)出足夠低的粘滯性時的溫度。這一特定溫度取決于聚合物成分的特性、塑化劑的數(shù)量和類型以及聚合物與填料的比率。通常應(yīng)把加肋薄板冷卻到從環(huán)境溫度至大約200°F?？梢允钩醪匠尚蔚谋“逋ㄟ^冷卻軋輥和/或通風(fēng)或類似的方式冷卻。例如，由聚乙烯、二氧化硅以及用于處理聚乙烯的塑化劑構(gòu)成的薄板應(yīng)被冷卻到175°F以下，并且最好是125°F以下。
薄板上伸出的肋受到一個加熱的第一平板，軋輥或其類似物的壓力，使薄板一個表面上的每個肋的突出部分都受到壓力接觸。同時使基板的反面維持在低于使合成物塑性流動的溫度，例如使其接觸一個不加熱的第二平板或其類似物。在對伸出的肋加熱的同時，壓力應(yīng)是垂直向下并且指向第一和第二平板之間的縫隙，該縫隙應(yīng)小于基板和突出肋的總高度，象初步成形時一樣?？梢圆捎檬辜永弑“逶趦蓚€平板之間受壓的方法，使不加熱的板接觸基板，并使另一個加熱板接觸肋的突出部分。另一種方法是，可以使加肋薄板從兩個平板部件之間的進口大出口小的錐形縫隙中通過，完成加壓和加熱/冷卻過程，在對加肋薄板施加壓力時使加熱的上部平板接觸到肋部，而由冷卻的下部平板接觸基板。對本專業(yè)的技術(shù)人員來說，其它方法也是顯而易見的。
加熱用的壓力裝置應(yīng)達到相當(dāng)?shù)臏囟?，以便向與其接觸的肋部傳遞足夠的熱量，使其出現(xiàn)塑性流動，并且在壓力下變形。該溫度應(yīng)低于能使突出的肋部損壞的溫度。對于由聚烯烴、填料和塑化劑構(gòu)成的薄板合成物而言，溫度至少應(yīng)達到300°F左右，350°較好，最好是在350°F與450°F之間。能使突出的肋部出現(xiàn)變形的準確溫度不難通過常規(guī)的實驗來確定，它取決于被變形的薄板合成物、接觸時間以及施加的壓力。
與不加肋的基板表面相接觸的不加熱的壓力裝置應(yīng)具有這樣的溫度，即保持基板和與其鄰接的那部分肋(在另一面上)的結(jié)構(gòu)，使該部分的溫度低于材料出現(xiàn)塑性流動的溫度。
如上所述，在基板和至少一個突出的肋與加熱和不加熱的壓力裝置相接觸時，壓力裝置應(yīng)相向移開一個預(yù)定的縫隙。該縫隙的尺寸應(yīng)與加肋的成品薄板所需的厚度完全相同。此外，縫隙的尺寸至少應(yīng)達到基板加上一部分突出的肋的厚度，但是應(yīng)小于基板和初步合成的突出肋的總高度。如果縫隙比這一總高度小5至20密耳，最好是小5至10密耳，就可以形成良好的T形肋。因此，該縫隙必須能使每個肋的突出部分上材料的被加熱部分具有足夠的體積以便能延伸成T形截面的加強肋形狀。
把結(jié)果的T形肋薄板移出壓力裝置并使其冷卻，形成在一個表面上有突出部分或肋的薄板制品，該突出部分具有T形截面，即從基板的一個表面上伸出的肋具有一個與基板基本垂直的干部，并且在每個干部的外延端具有與基板的延伸面基本垂直的橫向突出部分。橫向突出部分的每個表面可以是任何所需的形狀，例如扁平的、圓形的或曲面等諸類形狀。例如，橫向突出部分的底面(靠近基板的面)可以是扁平的，而其外面(遠離基板的面)則成曲面，構(gòu)成整個橫向突出部分的冠部。
然后可以對成形的薄板進行處理，形成微孔，例如，從成形的薄板中提取出塑化劑成分，形成所需的薄板制品。該薄板的整體(基板及肋突出部)都具有微孔，從而在蓄電池內(nèi)形成低電阻特性，并且在用于蓄電池時能呈現(xiàn)出增加的強度和維持電極極板所需的間隔及定位的能力，并且在蓄電池組裝的“插板”步驟期間也能保持剛直。
如果薄板制品是由在基板上依次施加肋狀材料而構(gòu)成的，該基板可以是已經(jīng)具備微孔的，或者是無孔的，并需要除去一種成分后形成微孔。在這兩種情況下，所加的肋材料應(yīng)在溫度上升時呈現(xiàn)塑性流動，并且在電池操作條件和溫度下具有形狀、結(jié)構(gòu)及合成物的穩(wěn)定性，并且(最)能具有微孔性。如上所述，粘結(jié)在基板上的肋通過壓力裝置，并且在可能的情況下依次除去其中的至少一種成分，使肋部和基極都具有微孔性，如上所述。
本發(fā)明的帶有從其一個表面上伸出的T形肋的多孔薄板制品也可以在不脫離上述實施例中所述的本發(fā)明的原理和范圍的條件下以各種修改和變更的方式制成。
權(quán)利要求
1.一種適用于電池隔板的多孔薄板制品，其特征是包括一個基板，其上具有從上述基板的一個主要表面上伸出的有間隔的突出部分，每個上述突出部分均由一個從上述主要表面上伸出并與其相垂直的干部，以及兩個從每個干部的開放端向相反方向延伸的橫體，構(gòu)成實體上具有T形截面的突出部分。
2.如權(quán)利要求1所述的多孔薄板制品，其特征是上述每個突出部分的干部的截面從基板向其外延部分漸漸變細。
3.如權(quán)利要求1所述的多孔薄板制品，其特征是上述每個突出部分的干部的截面實體上成平行四邊形。
4.如權(quán)利要求1所述的多孔薄板制品，其特征是每個橫向突出部分均與基板大體垂直。
5.如權(quán)利要求1所述的多孔薄板制品，其特征是上述基板和上述突出部分是多孔的。
6.如權(quán)利要求1所述的多孔薄板制品，其特征是上述多孔性結(jié)構(gòu)為微孔。
7.如權(quán)利要求5所述的多孔薄板制品，其特征是上述多孔性結(jié)構(gòu)為微孔。
8.如權(quán)利要求1所述的多孔薄板制品，其特征是上述基板由第一合成物構(gòu)成，上述有間隔的突出部分由第二合成物構(gòu)成。
9.如權(quán)利要求5所述的多孔薄板制品，其特征是上述基板由第一合成物構(gòu)成，上述有間隔的突出部分由第二合成物構(gòu)成。
10.如權(quán)利要求1所述的多孔薄板制品，其特征是上述基板和有間隔的突出部分是由同一種合成物構(gòu)成。
11.如權(quán)利要求5所述的多孔薄板制品，其特征是上述基板和有間隔的突出部分是由同一種合成物構(gòu)成。
12.如權(quán)利要求1所述的多孔薄板制品，其特征是在其第二個主要表面上具有較小的有間隔的突出部分。
13.如權(quán)利要求10所述的多孔薄板制品，其特征是上述薄板制品是由占體積百分數(shù)3至50的聚烯烴，占體積百分數(shù)97至50的選自二氧化硅的填料，以及占體積百分數(shù)0至15的用于上述聚合物的塑化劑構(gòu)成。
14.如權(quán)利要求11所述的多孔薄板制品，其特征是上述薄板制品是由占體積百分數(shù)3至50的聚烯烴，占體積百分數(shù)97至50的選自二氧化硅的填料，以及占體積百分數(shù)0至15的用于上述聚合物的塑化劑構(gòu)成。
15.一種制造適用于作電池隔板的具有T形肋的微孔薄板制品的方法，其特征是a)提供一種由熱塑性合成物構(gòu)成的薄板，該板由具有第一和第二主要表面的基板和從上述第一主要表面上伸出的有間隔的突出部分構(gòu)成，每個上述突出部分所具有的高度使上述基板和突出部分的高度之和大于成品薄板的高度;b)把基板及與其鄰接的突出部分的溫度維持在合成物的塑性流動溫度以下，并把每個突出部分的自由端加熱到高于構(gòu)成該突出部分的合成物的塑性流動溫度以上，同時用一個能產(chǎn)生壓力的裝置對上述薄板加壓;c)在維持b)中所述的溫度差的條件下用上述壓力裝置把上述高度之和縮小到成品薄板所需的高度，并使其突出部分上多余的物質(zhì)形成橫向的端部;d)把薄板移出壓力裝置，并把上述薄板冷卻到塑性流動溫度以下;以及e)從熱塑性合成物中提取至少一種成分，使薄板制品具有微孔。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征是基板和突出部分是由具有至少一種可除去的成分的基本均勻的合成物構(gòu)成。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征是上述薄板由基板及有間隔的突出部分構(gòu)成，基板上有微孔，突出部分是由具有至少一種可除去的成分的基本均勻的合成物構(gòu)成。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征是薄板上基板及突出部分的高度之和比成品薄板所需的高度大5至20密耳。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征是薄板上基板及突出部分的高度之和比成品薄板所需的高度大5至20密耳。
20.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征是薄板的初級熱塑性合成物是由一種聚烯烴、一種惰性填料及一種用于上述聚烯烴的塑化劑構(gòu)成的基本均勻的混合物;塑化劑構(gòu)成體積百分數(shù)的50至75，聚烯烴與填料的體積比為1∶20至1∶1。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征是制成的微孔薄板制品是由占體積百分數(shù)3至50的聚烯烴;占體積百分數(shù)97至50的惰性填料;以及占體積百分數(shù)0至15的聚烯烴塑化劑所構(gòu)成的合成物。
22.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征是在步驟C)期間使基板溫度維持在175°F以下，并把突出部分的外延端維持在至少350°F。
23.一種電化學(xué)電池，具有至少一個正電極和至少一個負電極，在帶相反電荷的相鄰電極之間有一個隔板部件以及一種電解質(zhì)，其特征是上述隔板部件是權(quán)利要求1所述的薄板制品。
24.一種電化學(xué)電池，具有至少一個正電極，至少一個負電極，設(shè)在帶相反電荷的相鄰電極之間的隔板部件，以及一種電解質(zhì)，其特征是上述隔板部件是權(quán)利要求3所述的薄板制品。
25.一種電化學(xué)電池，具有至少一個正電極，至少一個負電極，設(shè)在帶相反電荷的相鄰電極之間的隔板部件，以及一種電解質(zhì)，其特征是上述隔板部件是權(quán)利要求4所述的薄板制品。
26.一種電化學(xué)電池，具有至少一個正電極，至少一個負電極，設(shè)在帶相反電荷的相鄰電極之間的隔板部件，以及一種電解質(zhì)，其特征是上述隔板部件是權(quán)利要求6所述的薄板制品。
27.一種電化學(xué)電池，具有至少一個正電極，至少一個負電極，設(shè)在帶相反電荷的相鄰電極之間的隔板部件，以及一種電解質(zhì)，其特征是上述隔板部件是權(quán)利要求10所述的薄板制品。
28.一種電化學(xué)電池，具有至少一個正電極，至少一個負電極，設(shè)在帶相反電荷的相鄰電極之間的隔板部件，以及一種電解質(zhì)，其特征是上述隔板部件是權(quán)利要求12所述的薄板制品。
29.一種電化學(xué)電池，具有至少一個正電極，至少一個負電極，設(shè)在帶相反電荷的相鄰電極之間的隔板部件，以及一種電解質(zhì)，其特征是上述隔板部件是權(quán)利要求13所述的薄板制品。
全文摘要
一種用作電池隔板的薄板制品，它由帶微孔的基板及從基板的一個表面上伸出的有間隔的T形(截面)肋構(gòu)成。
文檔編號H01M2/16GK1073807SQ9211247
公開日1993年6月30日 申請日期1992年9月23日 優(yōu)先權(quán)日1991年9月23日
發(fā)明者E·D·克拉格內(nèi)斯, J·T·隆德奎斯特 申請人:格雷斯公司