磺化電池隔膜的製作方法

2023-07-30 05:06:56 1

專利名稱：磺化電池隔膜的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種鎳氫動力電池隔膜的新結構，具體說是一種磺化電池隔膜。 背景技術：
隨著社會經濟的快速發展，世界燃料日益枯竭，同時人們對環境保護要求越來越 高，鎳氫電池已成為目前最具發展前景的「綠色能源」電池之一。隨著鎳氫電池在電動汽車 特別是混合動力車輛上的成功應用，對電池的性能提出了更高的要求，不僅要具有大功率 的輸入和輸出能力，而且電池要具有良好的常溫與高溫下的荷電保持能力。電池隔膜作為 鎳氫電池不可缺少的重要組成部分，其性能的優劣對電池的容量，充放電性能，自放電和循 環使用壽命等方面都產生較大的影響。因此各方面性能更加優異的磺化電池隔膜的研製顯 得愈發重要。電池隔膜各種材料的搭配，隔膜的後處理工藝，對電池隔膜的性能指標影響很大。目前電池隔膜的主要材料組成，有聚醯胺纖維、維綸纖維、聚烯烴纖維和部分無機 纖維。從綜合性能分析，聚烯烴纖維及部分無機纖維因其具有較高耐溫性，良好的耐鹼性、 抗氧化性和絕緣性，而且材料價格低廉，所以最適合製造電池隔膜。但是表面未經改性處理 的聚烯烴纖維隔膜由於其碳氫結合物缺少極性基團，親水性差，造成電池內阻大，不利電極 間離子傳遞，影響電池容量和循環壽命。為發揮聚烯烴纖維隔膜的優點，必須對聚烯烴纖維 隔膜進行親水處理，以增加隔膜吸收電解液能力。目前親水處理所使用的方法，主要有磺化 處理和等離子體接枝處理方法。等離子體處理方法處理的隔膜，存在著自放電大和內阻偏 高缺陷，而經磺化處理的隔膜在電池使用中性能優良，表現在荷電保持率高，內阻小，特別 適合於鎳氫電池及其它大電流放電的電池。2006年第1期《過程工程學報》中的《隔膜對鎳 氫電池大電流放電性能的影響及特徵》一文中詳細進行綜合對比，得出磺化隔膜在鎳氫電 池中大電流放電性能優良；2009年第2期《有色金屬》中的《隔膜對MH/Ni電池容量、內阻 和自放電的影響》一文中就幾種隔膜對電池性能的影響對比試驗得出，採用磺化電池隔膜 可以改善MH/Ni電池的性能。因此經磺化處理的電池隔膜，是目前鎳氫動力電池的首選隔 膜材料。現在磺化處理的工藝主要有發煙硫酸、濃硫酸、氯磺酸、三氧化硫等處理方式。申 請號為200610015843. 4、公開號為CN1747199A的中國發明專利申請《一種鎳氫電池隔膜的 製備方法及其製品》，公開了一種含有低密度聚乙烯的聚烯烴纖維隔膜，缺點是選用濃硫酸 進行磺化處理工藝，該工藝對溫度、時間的控制要求非常嚴格，選用濃硫酸做試劑會產生大 量的廢酸，處理費用大且成本高。申請號為00108570. 0、公開號為CN1294416A的中國專利 申請《電池隔膜極其電池》，公開了使用了甲基戊烯和聚烯烴兩類材料及其形成的分割型超 細纖維製成的隔膜，缺點是使用發煙硫酸等磺化劑進行了磺化處理，超細纖維易碳化，隔膜 強度降低，生產成本高，而且沒有給出具體的磺化工藝及條件。電池隔膜的磺化處理，隔膜基布中使用不同的材料及不同的纖維搭配方式，使用 不同的磺化處理工藝及條件，對電池隔膜的各方面性能指標有著較大的影響。
發明內容本實用新型的目的是為了克服已有電池隔膜細纖維易碳化，高溫收縮率大等影響 電池性能指標的缺點，提出一種高溫收縮率低、高保液性、高透氣性、高荷電保持率的磺化 電池隔膜。本實用新型目的由以下技術方案實現該種磺化電池隔膜，由隔膜基布及其外表 面磺化處理的磺酸基5均勻地接枝在表面組成，其特徵在於隔膜基布是由有機纖維1和無 機纖維2隨機排列，纖維之間充滿金屬氧化物3和有機粘合劑4組成單層隔膜基布，由兩層 以上單層隔膜基布粘接成隔膜基布。有機纖維1是聚烯烴纖維，聚烯烴皮芯型纖維，即皮為聚乙烯，芯為聚丙烯，及聚 丙烯超細纖維，纖維直徑為3 μ m 15 μ m，其長度在5mm 51mm範圍內。在第一成分有機 纖維1優選時，考慮到纖維過細，在進行磺化處理時，會引起碳化而使隔膜強度降低，從而 效果不好，因此優選纖維直徑在3 μ m 15 μ m之間。無機纖維2是氧化鋯纖維、氧化鈦纖維、氧化鎂纖維，纖維直徑是納米級的或微米 級的，纖維長度在2mm 51mm範圍內，優選是氧化鋯纖維。無機金屬氧化物3，是納米級的或者是微米級的氧化鋯粉末、氧化鈦粉末、氧化鎂 粉末、鑭系元素氧化物粉末，優選是氧化鈦粉末。有機粘合劑4為液態無規聚丙烯，其濃度為5% 30%。隔膜基布由有機纖維1中的兩種，按一定重量比搭配聚烯烴皮芯型纖維50% 90%，搭配聚丙烯超細纖維10% 50%，優選為聚烯烴皮芯型纖維70%，聚丙烯超細纖維 30%，隨機排列製成的面密度40g/m2 70g/m2的隔膜基布，優選為55g/m2的隔膜基布。隔膜基布由有機纖維1中的聚烯烴皮芯型纖維隨機排列製成的面密度40g/m2 70g/m2的基布，優選為60g/m2，再塗布有機粘合劑4，塗布量0 40g/m2，優選為20g/m2，組 成隔膜基布。隔膜基布由有機纖維1和無機纖維2按重量比可以搭配成有機纖維70% 99. 9%，無機纖維0. 30%，優選為聚烯烴纖維80%，氧化鋯20%，隨機排列組成的隔 膜基布40g/m2 70g/m2，優選為60g/m2。將上述由有機纖維和無機纖維按重量比隨機排列搭配成的隔膜基布，再塗布有 機粘合劑或標準粘合劑O 40g/m2，是又一種面密度45g/m2 75g/m2的隔膜基布，。將前述中的任一種隔膜基布組成的電池隔膜裝入電池，都可以改善自身放電性 能，特別適用於混合動力汽車(HEV)。前述的任意一種電池隔膜基布，都可以成為獨立的電池隔膜基布，使用95%以上 濃度的氣態三氧化硫對隔膜基布進行磺化處理，磺化完畢後再進行減洗、水洗、添加表面活 性劑，並壓軋到標稱厚度，即得到磺化電池隔膜。本實用新型的優點是採用不同有機纖維搭配、或有機纖維和無機纖維搭配，填充 無機金屬氧化物並塗布有機粘合劑，再使用三氧化硫進行磺化處理，是一種以前沒有的技 術手段。由於採用了有機纖維和無機纖維搭配得方式，所以熱縮率低，抗氧化性能好；因 採用了液態無規聚丙烯有機粘合劑及合理的磺化方式，磺化時大部分磺酸基均勻地接枝在 無規聚丙烯有機粘合劑和有機纖維表面，纖維不易遭到破壞，而且磺化均勻，所以抗拉強度 大；因採用了無機金屬氧化物粉末及無機纖維，提高了耐高溫性能，提高了吸液量，降低了纖維高溫閉孔率，加快了離子傳遞速度，降低了內阻，磺酸基團阻擋了氨等雜性離子通過， 提高了荷電保持率。

圖1是一種磺化電池隔膜結構放大圖，圖2也是一種磺化電池隔膜結構放大圖，其有機纖維1和無機纖維2的纖維與圖 1中的不同。
具體實施方式下面結合實施例對本實用新型進一步說明。隔膜基布製備將聚烯烴皮芯纖維1、聚丙烯超細纖維1或無機纖維2裁成 15mm 51mm的短纖維，使用梳理設備，梳理成型，再進行水刺烘乾成隔膜基布。或將各種纖 維裁成為5mm 15mm的超短纖維，使用溼法造紙工藝，經打漿、成型、脫水、水刺、烘乾成隔 膜基布。然後根據產品設計技術要求進行塗布適量有機粘合劑4，進行兩層或三層複合成滿 足面密度要求的隔膜基布。經磺化的隔膜基布被磺酸基5均勻接枝在表面，製成鎳氫動力 電池的磺化電池隔膜。實施例1 上述的成分材料按重量比，即聚烯烴皮芯型纖維1，即皮為聚乙烯、芯為聚丙烯，纖 維直徑8 μ m 10 μ m，長度38mm，含量80% ；氧化鋯纖維2，直徑3 μ m 6 μ m，長度30mm 50mm，含量20%，將上述纖維採用梳理機梳理成型，上述纖維排列呈現隨機狀態。經水刺加 固，120°C熱空氣烘乾製成單層隔膜基布，再用氣霧方式塗布粘合劑4，塗布量20g/m2，二層 複合，製成隔膜基布，真空箱抽氣的同時給隔膜基布加熱至130°C，壓到所需厚度，輸送到磺 化器中用95%的三氧化硫進行磺化，磺化後的表面均勻接枝有磺酸基的隔膜基布輸送到鹼 洗槽，其氫氧化鈉濃度1%，鹼洗速度控制在10米/分，再經純水漂洗、壓軋烘乾，烘乾溫度 控制在10(TC，烘乾後添加5%。濃度表面活性劑，其溫度控制在50°C，烘乾後壓軋機處理，得 到面密度到為70g/m2，厚度為0. 18mm的磺化電池隔膜。實施例2 上述的第一成分材料按重量比搭配製成隔膜基布，即聚烯烴皮芯型纖維70%，長 度5mm 15mm，纖維直徑8 μ m 10 μ m，聚丙烯超細纖維30%，長度5mm 15mm，纖維直徑 3 μ m 4 μ m，採用溼法造紙成型工藝即打漿、上漿、成型、烘乾、複合，製成隔膜基布。然後 再經過磺化處理，(按實施例1的後處理方式，)得到面密度到為55g/m2，厚度為0. 12mm的 磺化電池隔膜。實施例3 上述的第一成分聚烯烴纖維，其纖維長度38mm，纖維直徑8 μ m 10 μ m，採用梳 理機梳理成型，水刺加固，120°C熱空氣烘乾製成單層隔膜基布，再用氣霧方式塗布粘合劑， 塗布量40g/m2，二層複合，製成隔膜基布，然後按實施例1的後處理方式，得到面密度到為 65g/m2，厚度為0. 18mm的磺化電池隔膜。實施例4 上述的有機纖維1材料中聚烯烴皮芯型纖維和無機纖維2材料中氧化鋯纖維按重量比搭配製成基布，即聚烯烴皮芯型纖維80 %，其長度5mm 15mm，纖維直徑8 μ m IOym ；氧化鋯纖維20 %，長度5mm 15mm，纖維直徑3 μ m 6 μ m。採用溼法造紙成型工 藝即打漿、上漿、成型、烘乾、複合，製成隔膜基布，然後按實施例1的後處理方式，得到面密 度到為6g/m2，厚度為0. 18mm的磺化電池隔膜。採用上述配料方式，製成的電池隔膜性能指標如下表
權利要求一種磺化電池隔膜，由隔膜基布及其外表面磺化處理的磺酸基(5)均勻地接枝在表面組成，其特徵在於隔膜基布是由有機纖維(1)和無機纖維(2)隨機排列，纖維之間充滿金屬氧化物(3)和有機粘合劑(4)組成單層隔膜基布，由兩層以上單層隔膜基布粘接成隔膜基布。
2.按照權利要求1所述的磺化電池隔膜，其特徵在於有機纖維(1)是聚烯烴纖維，聚烯 烴皮芯型纖維，即皮為聚乙烯，芯為聚丙烯，及聚丙烯超細纖維，纖維直徑為3 μ m 15 μ m 其長度在5mm 51mm範圍內。
3.按照權利要求1所述的磺化電池隔膜，其特徵在於無機纖維(2)是氧化鋯纖維、氧化 鈦纖維、氧化鎂纖維，纖維直徑是納米級的或微米級的，纖維長度在2mm 51mm範圍內，優 選是氧化鋯纖維。
專利摘要磺化電池隔膜屬於一種鎳氫動力電池隔膜的新結構。由隔膜基布及其外表面磺化處理的磺酸基5均勻地接枝在表面組成。其特徵在於隔膜基布是由有機纖維1和無機纖維2隨機排列，纖維之間充滿金屬氧化物3和有機粘合劑4組成單層隔膜基布，由兩層以上單層隔膜基布粘接成隔膜基布。優點是熱縮率低，抗氧化性能好；抗拉強度大；降低了熱收縮率，提高了耐高溫性能，而且也提高了吸液量，加快了離子傳遞速度，降低了內阻，提高了荷電保持率。
文檔編號H01M2/16GK201689929SQ200920352460
公開日2010年12月29日 申請日期2009年12月30日 優先權日2009年12月30日
發明者徐繼亮, 方開東 申請人:萊州聯友金浩新型材料有限公司