[发明专利]具有受控孔结构的电池隔离件

说明书

公开了电池隔离件，其包含玻璃纤维并且具有满足本文中公开的方程式的基重(gsm)、比表面积(m²/g)、密度(gsm/mm)和平均孔径(μm)，条件是：所述比表面积小于1.5m²/g，或者所述密度大于180gsm/mm。还公开了包括所述电池隔离件的电池以及制造所述隔离件的方法。

背景技术

电池通常用作能源。通常，电池包括负电极和正电极。负电极和正电极通常设置在电解介质中。在电池放电期间，发生化学反应，其中活性正电极材料被还原并且活性负电极材料被氧化。在反应期间，电子通过负载从负电极流向正电极，电解介质中的离子在电极之间流动。为了防止活性正电极材料和活性负电极材料的直接反应，电极通过隔离件彼此机械地且电学地隔离。

一种类型的电池为铅酸电池。在铅酸电池中，铅通常是活性负电极材料，二氧化铅通常是活性正电极材料。(在铅酸电池中，电极通常被称为“极板”)。一般来说，铅酸电池也包含硫酸，硫酸充当电解质并参与化学反应。

由玻璃纤维构成的垫可用作隔离件。玻璃纤维垫隔离件在电解质填充中具有关键作用。这种材料的物理特性的变化可影响填充和成形的电池的品质。隔离件结构(包括其纤维组成)可影响未填充元件接受电解质的程度、内部单元组件上对压力或力的承受以及电池性能的某些属性。

当将电解质添加到电池中时，理想的情况是所有区域都通过相同量和浓度的酸尽可能地润湿，使得当填充过程完成时，电解质在整个极板堆叠件中的分布完全均匀。这种理想情况在实践中是困难的或不可能实现的，因为隔离件和电解质的极板表面之间存在动态竞争。当电解质渗入到极板堆叠件中时，被隔离件阻挡(毛细管力倾向于相当强烈地阻挡电解质)，并且同时电解质被硫酸与极板的放热反应PbO+H₂SO₄＝PbSO₄+H₂O(简单化学反应)耗尽。由于与铅氧化物发生放热反应，随着液体前沿渗入堆叠件中越深，其变得更加稀释，并且也变得更热。随着酸与铅氧化物反应，硫酸电解质逐渐变得更稀。硫酸铅相对可溶于酸强度低且接近中性pH的热电解质中，并且溶解的硫酸铅会扩散到隔离件中。这将加速隔离件中铅枝晶和/或水合作用短路(hydration short)的形成。在成形期间中可能会发生短路并被检测到，或者更细微地，由于形成穿过隔离件结构并且使正极板和负极板短路的铅枝晶，电池将在运行时过早失效。如果填充过程差或不完整，填充后单个单元也可能具有“干区域”。这些差的湿润区域可能不含酸或水(完全干的)、可能包含稀的酸或者可能仅包含水。这些干区域在成形期间和之后将缓慢变湿，但是由于未成形的活性材料迫使所有电流仅流过电极栅(grid)，可能导致显著的电极栅腐蚀。

在放电期间，电解质中的硫酸被消耗，并产生水，稀释酸浓度并导致电解质的比重减少。在充电期间，分别在负极板和正极板中形成铅和二氧化铅，导致纯硫酸释放。由于纯硫酸的高比重，其倾向于在电解质中沉淀到底部(或“分层”，产生层)，称为“酸分层”现象。在分层的电池中，电解质集中在底部，使电池单元的上部变空。上面的轻酸限制板活化，促进腐蚀并降低性能，而底部高的酸浓度产生严重的硫酸盐化作用和大的晶体，降低电池性能。

遗憾地，改善某些性能属性的设计或材料变更可能会负面影响其他性能属性和/或提高成本。

发明内容

需要一种电池隔离件，所述电池隔离件可以平衡某些性能属性，同时不会显著地负面影响其他性能属性和/或提高成本。例如，更粗的纤维(即，具有较大的平均直径)通常比更细的纤维(即，具有较小的平均直径)便宜，并且一些更粗的纤维赋予隔离件所需的压缩强度。任何电池的设计都涉及平衡许多不同的特性，导致需要具有某些属性(例如，特定平均孔径或湿拉伸强度)的隔离件。由更粗的纤维制成的隔离件通常表现出较低的湿拉伸强度，并且通常具有比由更细的纤维制成的那些更大的平均孔径，所有其他因素相同。因此，需要某些特性(例如，较小的平均孔径和/或较高的湿拉伸强度)的隔离件可能需要使用较贵的更细的纤维。