Capa con un cuerpo de base de material no tejido, en la que el cuerpo de base consiste en fibras (1) y presenta unos primeros poros (2) formados por las fibras (1),

en la que el cuerpo de base está relleno al menos parcialmente de partículas (3), en la que las partículas (3) rellenan al menos parcialmente los primeros poros (2) y forman zonas (4) rellenas de partículas (3), en la que las partículas (3) forman unos segundos poros (5) en las zonas rellenas (4), en la que el diámetro medio de las partículas (3) es mayor que el tamaño de poro medio de la mayoría de los segundos poros (5), en la que al menos una parte de las zonas rellenas (4) está configurada como un revestimiento del cuerpo de base con las partículas (3), en la que las partículas (3) se han fabricado a base de polímeros orgánicos que se han seleccionado en el grupo de poliacetales, copolímeros de policicloolefinas, poliésteres, poliimidas, polietercetonas, ácidos policarboxílicos, policarboxilatos, cauchos, polímeros halogenados y polímeros insaturados, así como copolímeros y mezclas de los mismos y/o en el grupo de polipropileno, polivinilpirrolidona, polifluoruro de vinilideno, poliéster, polímeros fluorados, polímeros clorados, politetrafluoretileno, perfluor-etilenopropileno (FEP), poliestireno, copolímeros de estireno-butadieno, poliacrilato, polímeros de nitrilo-butadieno, polimetacrilatos, polieteramidas, polieterimidas, polietercetonas, caucho de estireno-butadieno, caucho EPDM, caucho fluorado, así como copolímeros y mezclas de los polímeros antes citados estando comprendido el peso específico de la capa entre 10 y 60 g/m 2 y estando calandrado el cuerpo de base, caracterizada por un calandrado, mostrando las partículas utilizadas en la superficie del material no tejido unos aplanamientos después del calandrado

Material no tejido con relleno de partículas.

Campo técnico

La invención concierne a una capa según el preámbulo de la reivindicación 1.

Estado de la técnica

Se conoce por el documento DE 102 38 944 A1 una capa de un velo de fibras de polímero que presenta un revestimiento cerámico. Se conoce por el documento US 2005/0208383 A1 una capa en la que un cuerpo poroso está provisto de un revestimiento de resina en al menos una cara. El documento WO 2006/062153 A1 revela un cuerpo poroso en el que están alojadas partículas y una resina. Se conoce por el documento DE 103 47 568 A1 un cuerpo poroso que está provisto de un revestimiento cerámico. El documento US 2006/0008700 A1 revela un cuerpo poroso que está revestido con una mezcla de partículas inorgánicas y un polímero aglutinante. El documento DE 31 25 751 A1 revela una capa que contiene partículas inorgánicas. Estas partículas se incorporan en una papilla juntamente con fibras de poliolefina-celulosa. Por último, el documento DE 36 05 981 A1 revela un material de junta plana blanda alejado de la clase genérica considerada para juntas de culatas. Este material comprende un cuerpo poroso que contiene partículas inorgánicas, por ejemplo ácido silícico pirógeno.

Capas de la clase citada son ya conocidas por el estado de la técnica. Tales capas se utilizan como separadores en baterías y condensadores que sirven para la acumulación de energía. La acumulación de carga en baterías y condensadores tiene lugar por vía química, física o en una forma mixta, por ejemplo mediante quimisorción.

Para evitar una descarga interna dentro de la batería o del condensador se establece una separación mecánica entre electrodos de carga opuesta por medio de materiales no conductores de electrones, los llamados separadores o espaciadores. Al mismo tiempo, los separadores o espaciadores, debido a su porosidad adaptada al sistema de acumulación de energía y a su aplicación, hacen posible el transporte de portadores de carga iónicos de un electrolito entre los electrodos.

Los separadores conocidos por el estado de la técnica presentan pequeñas aberturas en el rango micrométrico que están entrelazadas unas con otras. Estas aberturas deberán ser lo más grandes posible para que la conductividad del electrolito en el separador impregnado sea lo más alta posible y, por tanto, la batería presente una alta densidad de potencia. Sin embargo, si las aberturas son demasiado grandas, unas dendritas metálicas pueden conducir entonces a un cortocircuito entre los dos electrodos que se deben someter expresamente a una separación eléctrica. Las dendritas metálicas consisten en litio u otros metales que puedan presentarse como impurezas en la batería.

Además, pueden migrar partículas de materiales de electrodo eléctricamente conductivos a través de las aberturas. Debido a estos procesos, se puede producir un cortocircuito entre los electrodos y se puede acelerar fuertemente la autodescarga de la batería o del condensador.

En caso de un cortocircuito pueden circular corrientes localmente muy altas, con lo que se libera calor. Este calor puede conducir a la fusión del separador, con lo que a su vez puede disminuir netamente la acción aislante del separador. Una batería que se autodescargue con mucha rapidez alberga así un alto riesgo para la seguridad debido a su alto contenido de energía y a la combustibilidad del electrolito y otros constituyentes.

Otra desventaja de los separadores conocidos por el estado de la técnica reside en su deficiente estabilidad frente a temperaturas crecientes. El punto de fusión está en torno a 130ºC cuando se emplea polietileno o en torno a 150ºC cuando se emplea polipropileno.

Como causas de cortocircuitos pueden citarse la contracción del separador por efecto de una temperatura demasiado alta en la batería, el crecimiento de dendritas metálicas por reducción de iones metálicos (litio, hierro, manganeso u otras impurezas metálicas) , el polvo de abrasión de partículas de electrodo, el polvo de abrasión de corte o un recubrimiento de electrodo roto y un contacto directo de los dos electrodos planos bajo presión.

En el documento EP 0 892 448 A2 se revela el llamado mecanismo “shut down” (cierre) . En caso de un calentamiento local por efecto de, por ejemplo, un cortocircuito, este mecanismo contrarresta su propagación superficial reprimiendo la conducción iónica en las proximidades del cortocircuito inicial. Debido a la pérdida del calor del cortocircuito se calienta polietileno hasta tal punto que éste se funde y cierra los poros del separador. El polipropileno de más alto punto de fusión se mantiene mecánicamente intacto.

El documento US 2002/0168569 A1 describe la constitución de un separador consistente en polidifluoruro de vinilo que, en el proceso de fabricación, se disuelve con un disolvente, se mezcla con partículas de dióxido de silicio y se descarga como una delgada película. Al retirar el disolvente queda una membrana porosa.

El documento WO 2006/068428 A1 describe la fabricación de separadores para baterías de iones de litio empleando un separador de poliolefina que se rellena adicionalmente con polímeros tipo gel y partículas inorgánicas.

El documento WO 2004/021475 A1 describe la utilización de partículas cerámicas que se transforman en un producto plano delgado mediante inductores de adherencia organosilícicos y aglutinantes inorgánicos a base de óxidos de los elementos silicio, aluminio y/o circonio.

Para asegurar una flexibilidad mecánica suficiente se introducen las partículas cerámicas en un material de apoyo, por ejemplo un material no tejido. Esto se revela en el documento WO 2005/038959 A1.

Para reprimir cortocircuitos en el estado inicial de formación de dendritas metálicas se describe en el documento WO 2005/104269 A1 la utilización de ceras de bajo punto de fusión como adición a una pasta cerámica.

En el documento WO 2007/028662 A1 se describe la adición de partículas de polímero con un punto de fusión de más de 100ºC a materiales de relleno cerámicos para mejorar las propiedades mecánicas del separador. Los materiales descritos deberán servir como separador para materiales de iones de litio. Aunque se puede lograr con estos separadores una mayor estabilidad frente a la temperatura en comparación con membranas, éstos no se pueden imponer todavía comercialmente. Esto puede basarse, por un lado, en los costes relativamente altos y, por otro, en el espesor demasiado grande del material, que es superior a 25 !m.

El documento WO 2000/024075 A1 describe la fabricación de una membrana que puede utilizarse en pilas decombustible. Ésta consiste en materiales de fibra de vidrio en los que se inmovilizan polímeros de hidrocarburos fluorados por medio de un aglutinante de silicato.

Por último, el documento JP 2005268096 A describe un separador para baterías de iones de Li que se representa por la fusión conjunta mediante calentamiento de partículas termoplásticas en un material de apoyo fibroso depolietileno/polipropileno. Éste posee una estructura de poros en forma de burbujas con un diámetro de poro de 0, 1 a 15 !m.

Sin embargo, el estado de la técnica no muestra ningún separador barato que, junto con un pequeño espesor, muestre una alta porosidad y una alta estabilidad frente a la temperatura y pueda utilizarse en baterías con alta densidad de potencia y de energía a lo largo de un amplio intervalo de temperaturas y satisfaciendo altos requisitos de seguridad.

Exposición de la invención Por tanto, la invención se basa en el problema de configurar y perfeccionar una capa de la clase citada al principio de tal manera que ésta, después de una fabricación barata, presente, junto a un pequeño espesor, una alta porosidad y una alta estabilidad frente a la temperatura.

La presente invención resuelve el problema anteriormente citado por medio de las características de la reivindicación 1.

La distribución de la frecuencia de los tamaños medios de los poros se ajusta según la invención de tal manera que más de un 50% de los segundos poros presentan tamaños medios de poros que están por debajo del diámetro medio de las partículas. Según la invención, se ha reconocido que la estructura de los poros de un material no tejido barato puede modificarse mediante una disposición y selección adecuadas de partículas. En términos muy concretos,... [Seguir leyendo]

1. Capa con un cuerpo de base de material no tejido, en la que el cuerpo de base consiste en fibras (1) y presenta unos primeros poros (2) formados por las fibras (1) , en la que el cuerpo de base está relleno al menos parcialmente de partículas (3) , en la que las partículas (3) rellenan al menos parcialmente los primeros poros (2) y forman zonas (4) rellenas de partículas (3) , en la que las partículas (3) forman unos segundos poros (5) en las zonas rellenas (4) , en la que el diámetro medio de las partículas (3) es mayor que el tamaño de poro medio de la mayoría de los segundos poros (5) , en la que al menos una parte de las zonas rellenas (4) está configurada como un revestimiento del cuerpo de base con las partículas (3) , en la que las partículas (3) se han fabricado a base de polímeros orgánicos que se han seleccionado en el grupo de poliacetales, copolímeros de policicloolefinas, poliésteres, poliimidas, polietercetonas, ácidos policarboxílicos, policarboxilatos, cauchos, polímeros halogenados y polímeros insaturados, así como copolímeros y mezclas de los mismos y/o en el grupo de polipropileno, polivinilpirrolidona, polifluoruro de vinilideno, poliéster, polímeros fluorados, polímeros clorados, politetrafluoretileno, perfluor-etilenopropileno (FEP) , poliestireno, copolímeros de estireno-butadieno, poliacrilato, polímeros de nitrilo-butadieno, polimetacrilatos, polieteramidas, polieterimidas, polietercetonas, caucho de estireno-butadieno, caucho EPDM, caucho fluorado, así como copolímeros y mezclas de los polímeros antes citados estando comprendido el peso específico de la capa entre 10 y 60 g/m2 y estando calandrado el cuerpo de base, caracterizada por un calandrado, mostrando las partículas utilizadas en la superficie del material no tejido unos aplanamientos después del calandrado.

2. Capa según la reivindicación 1, caracterizada porque las partículas (3) están configuradas en forma esférica.

3. Capa según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque las partículas (3) están distribuidas homogéneamente en la superficie del cuerpo de base.

4. Capa según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque las partículas (3) están unidas con el material no tejido por un aglutinante a base de polímeros orgánicos que se han seleccionado en el grupo de los poliésteres, poliamidas, poliéteres, policarboxilatos, ácidos policarboxílicos, compuestos polivinílicos, poliolefinas, cauchos, polímeros halogenados y polímeros insaturados, así como copolímeros y mezclas de los mismos.

5. Capa según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque las partículas (3) están unidas con el material no tejido por un aglutinante a base de polímeros orgánicos que se han seleccionado en el grupo de polivinilpirrolidona, ácido poliacrílico, poliacrilato, ácido polimetacrílico, polimetacrilato, poliestireno, alcohol polivinílico, acetato de polivinilo, poliacrilamida y copolímeros de los antes citados, celulosa y sus derivados, poliéter, resina fenólica, resina de melamina, poliuretano, caucho nitrílico (NBR) , caucho de estireno-butadieno (SBR) , látex, polímeros fluorados, polímeros clorados, siloxanos, compuestos de sililo, silanos, así como copolímeros y mezclas de los antes citados.

6. Capa según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque el punto de fusión del aglutinante es inferior a los puntos de fusión de las partículas (3) y/o de las fibras (1) .

7. Capa según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque las partículas (3) presentan un diámetro medio en el intervalo de 0, 01 a 10 !m.

8. Capa según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque las fibras (1) del material no tejido se han fabricado a base de polímeros orgánicos que se han seleccionado en el grupo de politereftalato de butilo, politereftalato de etileno, poliacrilonitrilo, polifluoruro de vinilideno, polieteretercetona, polinaftalato de etileno, polisulfona, poliimida, poliéster, polipropileno, polioximetileno, poliamida, polifluoruro de vinilideno o polivinilpirrolidona.

9. Capa según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque la longitud media de las fibras (1) del material no tejido sobrepasa su diámetro medio y al menos es superior al doble y preferiblemente a un múltiplo de éste.

10. Capa según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizada porque al menos un 90% de las fibras (1) del material no tejido presentan un diámetro medio de a lo sumo 12 !m.

11. Capa según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizada porque al menos un 40% de las fibras (1) del material no tejido presentan un diámetro medio de a lo sumo 8 !m.

12. Capa según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizada por un espesor de a lo sumo 100 !m, preferiblemente de a lo sumo 60 !m y de manera especialmente preferida de 25 !m.

13. Capa según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizada por una porosidad de al menos un 25%, preferiblemente de al menos un 35%.

14. Capa según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizada porque los primeros y los segundos poros

(2, 5) forman una estructura de tipo laberíntico.

15. Capa según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizada por un tamaño de los segundos poros (5) de a lo sumo 3 !m y preferiblemente de a lo sumo 1 !m.

16. Capa según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizada por una fuerza de tracción máxima de al 5 menos 15 N/5 cm en dirección longitudinal.

17. Procedimiento para fabricar una capa según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, en el que a) se prepara primero un solución o dispersión de las partículas (3) y eventualmente un aglutinante, b) se revisten las fibras (1) con la dispersión y c) eventualmente se seca y/o se calienta el material no tejido revestido.

18. Uso de una capa según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16 como separador en pilas de combustible, baterías o condensadores, como estrato de difusión de gas o como membrana.