非織造布蓄電池隔膜材料的研究進展

非織造布蓄電池隔膜材料的研究進展

隨著科學技術(shù)的進步，對化學電源的需求也越來越大。由于充電量大、壽命長、可快速充電、高倍率放電和耐過度充電等良好性能，電池越來越受到重視。蓄電池主要有兩大類型,一是在酸性介質(zhì)中發(fā)生反應(yīng)的,如鉛酸蓄電池;二是在堿性介質(zhì)中發(fā)生反應(yīng)的,如鎘—鎳蓄電池和氫—鎳蓄電池。不管是哪種類型的蓄電池都需要有一性能良好的蓄電池隔膜。由于蓄電池反應(yīng)一般都在強堿和強酸條件下,并伴有氧氣生成和陰陽離子或電荷的轉(zhuǎn)移,所以對蓄電池隔膜都有一定的技術(shù)要求,如:①材料絕緣性能好,結(jié)構(gòu)疏密多孔、電阻低;②良好的機械強度和彈性抗彎曲變形;③耐強酸和強堿腐蝕、耐氧化性能好;④化學性能穩(wěn)定,盡量避免含無機物和離子類物質(zhì)。非織造布電池隔膜具有高度的化學穩(wěn)定性,較好的機械強度,較強的電解液保持能力以及比電阻小,透氣性能好等優(yōu)點順應(yīng)了上述要求,所以非織造布蓄電池隔膜是個極佳的選擇,具有較好的發(fā)展前景。1非織造布蓄電池隔膜材料鎘—鎳、氫—鎳蓄電池隔膜材料要求具有耐堿性好、吸堿速度快、吸堿率高、孔隙率高、耐氧化性好和較好的機械強度等。以化學纖維為原料生產(chǎn)的非織造布蓄電池隔膜材料,其性能優(yōu)于植物纖維和某些無機纖維,滿足了上述要求,是非織造布蓄電池隔膜材料研究的主要方向。目前用于鎘—鎳、氫—鎳蓄電池的非織造布隔膜材料主要有:尼龍纖維蓄電池隔膜、丙綸纖維蓄電池隔膜和維綸纖維蓄電池隔膜等。1.1尼龍纖維及其蓄水膜尼龍纖維蓄電池隔膜一般采用尼龍—6、尼龍—66制造。尼龍—6(即聚己內(nèi)酰胺),其分子結(jié)構(gòu)式為ue0fcHN(CH1.2尼龍纖維隔膜丙綸即聚丙烯纖維,其分子結(jié)構(gòu)是ue0fbCH由表1和表2相比較,可以看出,丙綸纖維隔膜的耐堿性能、耐氧化性能都比尼龍纖維隔膜好。這是由于丙綸纖維分子結(jié)構(gòu)相當穩(wěn)定,而尼龍纖維分子中的仲胺基在濃堿及高溫(50℃以上)下易發(fā)生水解氧化。而尼龍纖維隔膜的吸堿率和吸堿速度比丙綸纖維隔膜好,這是由于尼龍纖維分子有含極性的酰胺基,而丙綸則沒有。為了彌補丙綸纖維的不足,可以通過接枝改性的方法引入丙烯酸等極性基因,如聚苯并咪唑接枝聚丙烯,大大提高了它的潤濕能力。1.3維綸纖維隔膜耐堿性和耐氧化性維綸纖維即聚乙烯醇縮醛,分子結(jié)構(gòu)式為ue0fcCH由表中數(shù)據(jù)可知,雖然維綸纖維隔膜的耐堿性和耐氧化性不如尼龍纖維隔膜,但它也有一定的優(yōu)勢,如吸堿率高,價格便宜等,故被多家蓄電池廠采用。1.4蓄電池隔膜的工藝介紹鎘?鎳、氫?鎳蓄電池非織造布隔膜大都采用熱軋法、紡粘法或飽和浸漬法。其成網(wǎng)方式多采用氣流雜亂成網(wǎng),其固結(jié)方法則根據(jù)所用纖維不同特性而采用不同的方法。例如,尼龍和丙綸纖維都可采用熱軋法或紡粘法,而維綸纖維因不是熱塑性纖維,故不能采用熱軋法,只好用飽和浸漬法。其主要工藝流程是:混開棉—儲棉—梳理—氣流成網(wǎng)—飽和浸軋—烘燥—定型—燙光—產(chǎn)品。為了改進蓄電池隔膜的性能,各廠家都在尋找更好的工藝制造方法,比如通過復(fù)合的方式,進來日本寶翎公司就利用這種復(fù)合方式而生產(chǎn)出高性能的非織造布電池隔膜。這種隔膜主要利用聚烯烴纖維先制成短纖維和長纖維網(wǎng)。短纖維長度一般在10～20mm,能在混纖層中形成較好的分散效果:長纖維一般在25～60mm,起到增強隔膜拉伸強度,撕裂強度和抗彎曲性能的作用。然后兩種纖網(wǎng)鋪疊在一起,通過高壓水刺纏結(jié)成混纖網(wǎng),再通過熱處理熔化熱熔纖維成分,最后制成隔膜纖維。隨著應(yīng)用對蓄電池性能的要求,非織造布隔膜材料的制造工藝也在不斷的改進,又因其設(shè)備流程短、工藝簡單、產(chǎn)量高、投資少、見效快而有廣闊的發(fā)展前景。2進展之一:鉛酸蓄電池隔膜目前,鉛酸蓄電池非織造布隔膜材料主要是熔噴聚丙烯非織造布。它是一種新型的蓄電池鎘層材料,發(fā)展迅速,年生產(chǎn)能力已超過1500噸,逐漸代替了傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池隔膜:橡膠、PVC和玻璃纖維隔膜。其主要原因是聚丙烯熔噴非織造布鉛酸蓄電池隔膜(簡稱熔噴蓄電池隔膜)不但能延長蓄電池的壽命,而且有許多優(yōu)于傳統(tǒng)鉛酸蓄電池隔膜的特點。2.1蓄電池隔膜熔噴非織造布具有獨特的超細纖維三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(纖維直徑1～10μm),纖維在三維方向帶有大量微細孔,孔隙率高達80%,這是熔噴隔膜對離子的透過阻力減小。下面是北京超綸無紡布公司生產(chǎn)的熔噴蓄電池隔膜的理化性能指標:直流電阻率<0.001Ω·dm熔噴蓄電池隔膜具有許多優(yōu)于傳統(tǒng)鉛酸蓄電池隔膜的特點,它不但孔隙率高,電阻低,無污染而且更重要的是延長了蓄電池的使用壽命。傳統(tǒng)的橡膠和PVC隔膜都是硬質(zhì)隔膜,不能適應(yīng)極板在充放電過程中的體積變化,所以加速了極板上鉛膏的軟化脫落,縮短了蓄電池的平均使用壽命,一般它們的耐久循環(huán)能力只有4個單元。而熔噴蓄電池隔膜具有良好的機械性能,可以對極板進行緊裝配,以減緩活性物質(zhì)的脫落;又因其屬軟質(zhì)隔膜,對極板的彎曲變形有良好的適應(yīng)能力,也有利于防止極板活性物質(zhì)的脫落,所以它能延長蓄電池的使用壽命,目前使用熔噴蓄電池隔膜的蓄電池循環(huán)耐久能力測試已超過14個單元,是標準要求5個單元的近三倍。2.2聚丙烯熔噴蓄電池隔膜蓄電池隔膜生產(chǎn)原料由玻璃纖維或化學纖維制作,在化學纖維中一般采用聚乙烯、聚丙烯為原料,在生產(chǎn)工藝上也有所不同:一種是把原料生產(chǎn)成短纖維,再將一種或兩種原料的短纖維經(jīng)過梳理熱軋制成。這種方法生產(chǎn)工藝長,易起毛和產(chǎn)生不均,適于較厚的電池隔膜。另一種方法是把原料通過熔融的方法直接鋪網(wǎng)再經(jīng)熱軋制成電池隔膜。這一種方法生產(chǎn)工藝短、不易起毛和產(chǎn)生不勻,強度均勻,適用于高級電池用隔膜。較多采用的是把聚乙烯與聚丙烯纖網(wǎng)經(jīng)復(fù)合后熱軋制成隔膜,從而吸收了聚乙烯的強度高和聚丙烯耐高溫的優(yōu)點,但由于聚乙烯耐高溫性能差而影響電池的使用壽命,因此研究生產(chǎn)單一聚丙烯制作電池隔膜成為發(fā)展的趨勢,它不僅具有生產(chǎn)工藝簡單,不需要符合,還有耐高溫、使用壽命長等優(yōu)點。熔噴蓄電池隔膜是采用聚丙烯通過熔噴的方法制成纖網(wǎng)再經(jīng)熱軋和后處理制成電池隔膜,或者卷曲成卷后再與聚乙烯復(fù)合后經(jīng)熱軋