基于超吸水纖維的電池隔膜的性能研究

董 震 丁志榮 董文曼 (南通大學(xué)，南通，226007)

基于超吸水纖維的電池隔膜的性能研究

董 震 丁志榮 董文曼 (南通大學(xué)，南通，226007)

介紹了電池隔膜性能的分析方法;研究了超吸水纖維(SAF)含量與電池隔膜的吸液、保液及導(dǎo)水性能的關(guān)系。結(jié)果表明:隨著SAF含量的增加，隔膜的吸液和保液能力提高，但導(dǎo)水能力下降;適當(dāng)控制SAF含量，可以使電池隔膜的性能達(dá)到比較理想的效果。

超吸水纖維，電池隔膜，性能

電池主要由正極、負(fù)極、電解液和電池隔膜四個(gè)部分組成，其中電池隔膜是電池的重要組成部分。電池隔膜位于正負(fù)電極之間，其作用是隔離正負(fù)極，防止兩極活性物質(zhì)直接接觸而造成電池內(nèi)部短路。隔膜在電池放電過程中還起著離子遷移介質(zhì)的作用，其材料選用和設(shè)計(jì)是決定電池內(nèi)阻的重要因素之一。堿性電池隔膜的材料一般選用丙綸(PP纖維)或改性丙綸，通過非織造的加工工藝制成。

丙烯酸共聚超吸水纖維(SAF)具有極強(qiáng)的吸水鎖水能力［1-2]，是電池隔膜的理想材料之一。為了兼顧隔膜的可加工性及導(dǎo)水性能，采用SAF/PP/ES纖維混合，通過開松—混合—梳理—?dú)饬鞒删W(wǎng)—熱軋的加工工藝［3-4]制取基于SAF的非織造電池隔膜材料。本試驗(yàn)制得組成比例(質(zhì)量分?jǐn)?shù))不同的三種隔膜材料，其ES纖維均為10%，SAF分別為10%，20%和30%，其余為PP纖維。為了了解隔膜材料的應(yīng)用效果，研究了隔膜的吸液、保液和導(dǎo)水能力，為其實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 電池隔膜的性能測(cè)試

1.1 吸液性能的測(cè)試方法

電池隔膜的吸液性能反映了電池表面的潤(rùn)濕性，吸液能力越強(qiáng)，離子通過時(shí)的阻力越小，即電池內(nèi)阻越小。試驗(yàn)時(shí)參照南通江潮纖維制品有限公司Q/320683KDW01—2007《超吸水纖維吸液倍率的測(cè)試方法》企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及SJ/10171.7—1991《隔膜吸堿率的測(cè)定》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的方法，隔膜的吸液能力以吸液倍率Q表達(dá)。取40 mm×40 mm電池隔膜試樣，稱重;在恒溫水中浸泡30 min后夾住試樣一角，懸空(30±2)s后稱重。電池隔膜吸液倍率Q的計(jì)算式:

式中:G1——浸液前試樣的質(zhì)量(g);

G2——浸液后試樣的質(zhì)量(g)。

1.2 保液能力的測(cè)試方法

電池隔膜的保液性能反映了隔膜保持及鎖住電池溶液的能力，以失水速率R來表達(dá)。R越小，說明隔膜鎖水能力越強(qiáng)，離子通過時(shí)阻力越小，即電池內(nèi)阻越小。取40 mm×40 mm電池隔膜試樣，在27℃的水中浸泡30 min后稱重，再在一定溫度的干燥環(huán)境下烘燥30 min后稱重。失水速率R的計(jì)算式:

式中:m1——試樣烘前的質(zhì)量(g);

m2——試樣烘后的質(zhì)量(g);

s——試樣面積(m2);

t——烘燥時(shí)間(min)。

1.3 導(dǎo)水性能的測(cè)試方法

隔膜的導(dǎo)水性能反映了水分沿著電池隔膜表面快速均勻擴(kuò)散的能力，也是反映電池內(nèi)阻的指標(biāo)之一，電池的導(dǎo)水性能以芯吸高度H表達(dá)。H越大，越有利于電池溶液在隔膜表面的均勻分布，從而有利于降低電池內(nèi)阻。測(cè)試依據(jù)FZ/T 01071—2008《毛細(xì)效應(yīng)試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，取 250 mm×30 mm電池隔膜試樣，測(cè)試30 min時(shí)液體沿試樣表面上升的高度H(mm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 SAF對(duì)電池隔膜吸液能力的影響

分別測(cè)試SAF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、20%和30%的三種電池隔膜的吸液倍率。由于電池在實(shí)際應(yīng)用過程中溫度變化較大，為模擬應(yīng)用環(huán)境，分別在27、60和90℃三種溫度下測(cè)試其吸液倍率，結(jié)果見圖1。

圖1 吸液溫度對(duì)電池隔膜吸液倍率的影響

由圖1可以看出，隨著吸液溫度的升高，電池隔膜吸液倍率均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。這是由于隨著溫度增高，水分子熱運(yùn)動(dòng)能力逐漸增強(qiáng)，更容易進(jìn)入纖維之間和纖維內(nèi)部，故纖維集合體的吸液倍率逐漸升高。但由于SAF的吸水溶脹過程是放熱過程，水溫的升高會(huì)抑制放熱從而限制其吸水，所以溫度對(duì)吸液的促進(jìn)作用是有限的。由圖1還可以看出，SAF含量越高，隔膜材料的吸液能力越好，表明SAF可顯著增強(qiáng)電池隔膜的吸液能力。

2.2 SAF對(duì)電池隔膜保液能力的影響

電池隔膜的保液能力以一定溫度下的失水速率來表達(dá)。圖2是SAF質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%、20%和30%的三種電池隔膜，在27、60和90℃的恒溫條件下的失水速率。由圖2可以看出，隨溫度的升高，電池隔膜的失水速率逐漸升高，即電池隔膜的保液能力隨環(huán)境溫度的升高而降低。這是由于隨著溫度的升高，水分子動(dòng)能增加，鎖在SAF內(nèi)部及纖維集合體內(nèi)纖維之間的水分子的動(dòng)能也變大，水分的揮發(fā)量增加。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，SAF含量越高的隔膜材料，其失水速率越低，顯示了SAF具有比其他纖維更出色的鎖水性能。

圖2 失水速率隨烘干溫度的變化

2.3 SAF對(duì)電池隔膜芯吸高度的影響

取SAF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、20%和30%的三種電池隔膜，分別在27、60和90℃的恒溫條件下，測(cè)其溶液的芯吸高度，結(jié)果見圖3。由圖3可以看出，溶液溫度越高，電池隔膜的芯吸高度越大。這是由于溶液溫度升高后，水分子動(dòng)能增加，沿隔膜表面的擴(kuò)散速度增加。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，SAF含量越高，試樣的芯吸速度越低。這是因?yàn)镾AF的鎖水能力較強(qiáng)，水分沿著纖維表面的擴(kuò)散速度比較慢。這一現(xiàn)象對(duì)離子沿著電池隔膜快速均勻傳導(dǎo)是不利的，會(huì)提高電池內(nèi)阻，所以在選用SAF作為電池隔膜纖維組分時(shí)需控制SAF含量，實(shí)際生產(chǎn)中取SAF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%。

圖3 溶液溫度對(duì)電池隔膜芯吸高度的影響

3 結(jié)論

由以上試驗(yàn)結(jié)果可以得出:

(1)SAF的含量越高，隔膜吸液能力越好，隔膜鎖水能力越強(qiáng)，隔膜的導(dǎo)水速度越慢。

(2)電池內(nèi)使用溫度越高，隔膜的吸液能力越高，隔膜的保液能力越低，隔膜的導(dǎo)水性能越好。

［1]董震，丁志榮，辛三法，等.超吸水纖維的化學(xué)性能研究［J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2009，27(8):19-21.

［2]董震，丁志榮，辛三法，等.超吸水纖維的熱濕性能［J].紡織學(xué)報(bào)，2009，30(7):23-26.

［3]倪冰選，焦曉寧.電池隔膜用聚丙烯非織造布改性研究［J].非織造布，2008(6):17-19.

［4]湯人望，李紅祝，王虹，等.聚丙烯纖維在電池隔膜材料生產(chǎn)上的應(yīng)用［J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2007，25(1):24-25.

Research on performance of battery separator based on SAF

Dong Zhen，Ding Zhirong and Dong Wenman (Nantong University)

Analysis method of battery separator was introduced，and the relationship between SAF content and other properties including absorption，liquid-lock and conductivity performance was studied.The results showed that with the increase of SAF content，absorption and liquid-lock performance of battery separator enhanced，and its water conductivity went down.With SAF content being controlled properly，comprehensive performance of battery separator could be in ideal effect.

SAF，battery separator，performance

TS176.5

A

1004－7093(2010)11－0022－03

2010－07－12

董震，男，1978年生，講師。主要研究方向是紡織新材料及紡織品設(shè)計(jì)。