亲水熔喷聚丙烯非织造材料的镍氢电池隔膜的研究

亲水熔喷聚丙烯非织造材料的镍氢电池隔膜的研究

由于衬底密封质量对铜氢电池的放电电压、自压和循环寿命有显著影响。熔喷非织造材料的纤维直径基本为2～5μm,容易得到平均孔径低于10μm的产品,被广泛用作空气和血液过滤材料有鉴于此,本文作者进一步研究该材料用作镍氢电池隔膜的可行性。11.11.1.1pp非织造材料按文献[4]的方法制备永久亲水熔喷PP非织造材料,其中亲水改性剂CHA(Ciba公司产,商品名IRGASURFHL560)的含量为5.5%。1.1.2电池隔膜的制备用XLB-400*400*2电热平板硫化机(上海产)将制备的永久亲水熔喷PP非织造材料在一定的温度、压力和时间下模压,制成电池隔膜材料。1.1.3材料的织物浸提采用烧结式正极基板(上海交通大学提供)负极制作步骤为:将0.3gAB将5cm×7cm的隔膜对折后,夹住负极,镍条向上,再夹于两块正极(3.0cm×4.5cm)之间,置于带孔的塑料固定板中,然后放入略大于自身尺寸的开口塑料方盒中,注入6mol/LKOH,确保样品全部浸入溶液中。1.1.4不同充电容量和充电限制电压组装的电池的理论放电比容量为370mAh/g,设定充电比容量为450mAh/g,充电限制电压为2V。试样经5次充放电进行活化:以150mA/g的电流充电3h、放电至0.9V。1.21.2.1孔径大小分布按FZ/T60004-1991《非织造布厚度的测定》=[(1-式(1)中:使用CFP-1100-AI毛细管流动孔径分析仪(美国产)测试样品的孔径尺寸及分布。使用YG(B)026H型电子织物强力机(温州产),按照GB/T24218.3-2010《纺织品非织造布试验方法》1.2.2电池测试使用保鲜膜将制成的电池封口后,使用DC-5电池测试仪器(武汉产)分析电池的性能。以0.322.1模压过程与温度的影响镍氢电池隔膜越薄,电阻越小,组装的电池的性能越好;增加膜的厚度,可提高力学性能,电阻大会影响电池的输出电压。熔喷非织造材料是一种蓬松性结构,要用作电池隔膜,首先需要研究模压温度、时间和压力等工艺条件对样品厚度的影响,所得结果见图1。由于熔喷PP纤维较常规PP的热变形温度低,考虑到需要保持多孔状结构,应该在远低于PP熔点的温度下进行模压。从图1可知,随着模压温度的升高、时间的延长,样品越来越薄,原因是:模压温度越高,熔喷非织造材料中的纤维越容易吸收到更多的热量,产生变形;模压时间越长,样品中的PP纤维受热时间长,更容易变形。模压时间与温度超过一定范围后,样品厚度减小不明显,可能是由于在试验的温度区间,PP仍以纤维状存在,在模压过程中,PP纤维并未熔融。随着压力的升高,样品厚度下降明显,这一方面是因为随着压力的增大,样品的孔隙率降低;另一方面是因为随着压力增大,PP纤维网形变产生的形变热可使纤维温度上升,使纤维容易变形模压前后隔膜的表面结构见图2。从图2可知,模压后,隔膜仍保持了良好的纤维状态和熔喷非织造材料的弯曲微孔结构。测量了不同模压条件下所得样品的孔径尺寸,平均孔径都小于10μm,最大孔径都小于20μm,符合镍氢电池隔膜孔径尺寸的要求。2.2模压温度与时间对隔膜孔隙率的影响吸碱速率可衡量隔膜吸收电解液的速度,具有较高吸碱速率的隔膜是电池进行高速生产的前提条件。模压工艺对隔膜吸碱速率的影响见图3。从图3可知,隔膜的吸碱速率基本上随着模压时间的增加而增加;随着模压压力与温度的增加,先增加,后降低。在模压温度远低于熔喷PP非织造材料熔点时,厚度及孔隙率的变化取决于模压的温度、时间和压力。温度越高,压力越大,时间越长,蓬松的样品被压得越致密,孔隙率越低,芯吸效应就越明显,样品对电解液的吸收速率就越快。当压力过大或者温度过高时,隔膜过于致密,反而抑制了芯吸效应,因此吸碱速率下降。2.3模压工艺条件的影响吸碱率体现了隔膜承载电解液的能力,较高的吸碱率能够在电池的正、负极板间引入足够的电解液,保证电池的正常工作从图4可知,隔膜的吸碱率随着模压时间的延长和压力的增大而减小,原因是隔膜变得越来越薄,孔隙率降低,可容纳电解液的空间减少。虽然模压工艺对吸碱率有影响,但吸碱率基本上都高于350%,最高吸碱率达760%,说明采用的永久亲水改性方法可提高PP纤维材料吸收电解液的能力。综上所述,隔膜的厚度和吸碱率随着模压温度、压力和时间的增加而变小,但吸碱率随着模压温度和压力的增加,先增加,后降低。为了得到高吸碱率和吸碱速率的镍氢电池用隔膜材料,需要保持熔喷非织造材料的多孔状纤维结构。永久亲水改性熔喷PP非织造材料应在一定的模压温度、时间和压力工艺条件范围内成形。本实验的最佳模压条件为:单面模压时间30s,模压压力2MPa,模压温度55℃。在此条件下得到的隔膜,面密度为92g/m2.4电池的循环性能选取具有较好吸碱率和吸碱速率的5种隔膜材料(见表1)进行电池性能的测试。电池的首次放电比容量见图5。从图5可知,1号隔膜组装的电池,最大放电比容量略高于280mAh/g,平均放电比容量为270mAh/g,约为理论值370mAh/g的75%;3号隔膜组装的电池最大放电比容量最低,也有理论值的70%。表明该材料适合用做镍氢电池隔膜。1号隔膜具有较高吸碱率和孔隙率,因此组装的电池具有较高的放电比容量。该电池的循环性能见图6。从图6可知,由于负极活化不完全,电池的放电比容量在循环初期逐渐增大,到15次循环时,达到最大值。第35次循环时的放电比容量与最大值之比,为容量保持率。5种隔膜组装的电池放电比容量数据见表2。从表2可知,5种隔膜组装的电池的容量保持率都在90%以上,说明该永久亲水改性熔喷PP非织造材料具有较好的电池性能。1号隔膜组装的电池表现出相对较高的放电比容量和循环稳定性,进一步说明隔膜的吸碱率和孔隙率是影响电池性能的主要指标。3模压温度和压力对电池隔膜抗菌材料吸碱率的影响根据压力和温度下的工本文作者研究了永久亲水改性熔喷PP非织造材料用做镍氢电池隔膜的可行性。首先研究了模压工艺参数对样品厚度、吸碱率、吸碱速率的影响,发现随着模压时间、压力、温度的增加,样品的厚度逐渐降低;样品的吸碱率随着模压时间和压力的增大而减少;吸碱速率随模压温度和压力的升高呈现出先上升后下降的趋势。在单面模压时间30s、模压压力2.0MPa、模压温度55℃的条件下制得的电