Нетканый микропористый материал для сепараторов химических источников тока и способ его получения

Изобретение относится к области электротехники, в частности к материалам, используемым в качестве межэлектродных сепараторов в химических источниках тока и аккумуляторах электрической энергии. Предложен нетканый микропористый материал для сепараторов щелочных химических источников тока из ультратонкого перхлорвинилового волокна, выполненный трехслойным, с поверхностной плотностью 26-30 г/см² и диаметром пор не более 6 мкм. Предложен способ получения нетканого микропористого материала для сепараторов щелочных химических источников тока, включающий электроформование ультратонких волокон, прессование материала под давлением и обработку поверхностно-активным веществом. Полученный материал имеет высокую влаго- и щелочевпитываемость, низкое электросопротивление и высокую химическую стойкость, что является техническим результатом изобретения. 2 н. и 2 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к материалам, используемым в качестве межэлектродных сепараторов в химических источниках тока и аккумуляторах электрической энергии.

Известны пленочные сепараторы, содержащие эластомеры, выбранные из группы сополимеров акрилонитрила с бутадиен-стиролом, полиэфиров и группы поливинилиденфторида и его сополимеры, полиметилметакрилат, поливинилхлорид, имеющие пористость 30-95% и диаметр пор 0,1-5 мкм (US 6274276, 14.08.2001).

Однако электросопротивление аккумулятора с такой пористой мембраной оказывается высоким.

Для повышений удельной объемной электрической емкости и снижения электрического сопротивления используются сепараторы, изготовленные из тонких полимерных волокон.

Так, например, известны материалы для сепараторов из волокон полистирола, полиолефина, поликарбоната с диаметром волокна 0,05-20 мкм и средним диаметром пор 0,5-15 мкм (US 4137379, 30.01.1979).

Известен также материал для сепараторов из ультратонких полипропиленовых волокон, где 10% волокон имеют диаметр меньше 1 мкм, а большинство волокон с диаметром меньше или равных 5 мкм, при этом пористость материала составляет около 90% (US 5962161, 05.10.1999).

Недостатком таких материалов является низкая стойкость к прорастанию дендритов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является материал для сепаратора химических источников тока, выполненный из перхлорвиниловых ультратонких волокон с диаметром порядка 1-7 мкм (Ю.Н.Филатов, Электроформование волокнистых материалов, М.: Нефть и газ, 1997 г., стр.199 и 278).

Наиболее близким к предложенному способу является способ изготовления известного материала, который заключается в прессовании волокнистого перхлорвинилового материала под давлением от 100 до 400 кг/см² и обработка поверхностно-активным веществом типа ОП-7 или ОП-10 (RU 166393, 19.09.1964).

Недостатком этого материала является невысокая стойкость к прорастанию дендритов и недостаточная электропроводность, за счет малой щелочевпитываемости.

Задачей настоящего изобретения является разработка микропористого материала для сепараторов щелочных химических источников тока, обладающих повышенной стойкостью к прорастанию дендритов, увеличение щелочевпитываемости и уменьшение электросопротивления.

Поставленная задача решается описываемым нетканым пористым материалом для сепараторов химических источников тока из ультратонкого перхлорвинилового волокна, который выполнен трехслойным, внутренний слой из гидрофильных волокон с диаметром волокна 0,3-1,3 мкм, а наружные слои из гидрофильных волокон с диаметром 4-8 мкм, при этом поверхностная плотность материала составляет 26-30 г/м².

Преимущественно материал имеет диаметр пор 6 мкм, щелочевпитываемость не менее 130%, впитываемость по воде не менее 1000%, электросопротивление не более 0,055 Ом/см², прочность на разрыв не менее 18 кгс/см², относительное удлинение при рызрыве не менее 25%.

Поставленная задача решается также описываемым способом изготовления нетканого пористого материала для химических источников тока, включающий электроформование ультратонких волокон из раствора перхлорвиниловой смолы в органическом растворителе в присутствии поверхностно-активных веществ в прядильном растворе, материал изготавливают трехслойным, внутренний слой из волокон с диаметром 0,3-1,3 мкм, а наружные слои из проклеенных между собой волокон диаметром 4-8 мкм, затем проводят прессование до толщины материала 40-60 мкм.

Предпочтительно прядильный раствор содержит органические растворители, выбранные из ряда: дихлорэтан, этилацетат, бутилацетат, циклогексанон или их смеси в количестве до 90% с добавками поверхностно-активных веществ, выбранных из ряда: алкиларилсульфокислоты или ее солей в количестве до 5%.

Ниже приведены примеры получения заявленного материала и его характеристики.

Пример

Приготавливают 14%-ный раствор перхлорвинила в дихлорэтане с добавкой 3% алкиларилсульфокислоты и 2% циклогексанона.

Полученный прядильный раствор подают к капиллярам различного гидродинамического сопротивления установки электроформования волокон и ведут процесс со следующими параметрами:

разность потенциалов	120 кВ
расстояние между электродами	30 см
объемный расход на один капилляр	3·10-3 см3/с

Из гидрофильных волокон диаметром 0,9-1,1 мкм формируют внутренний слой с поверхностной плотностью 10 г/см². Из гидрофильных волокон диаметром 4,0-5,0 мкм формируют проклеенные слои с поверхностной плотностью 9 г/см². При этом общая поверхностаная плотность материала составляет 28 г/см².

Затем материал прессуют под давлением 300 кг/см² при температуре 20°С до толщины 55 мкм и смачивают водным раствором поверхностно-активного вещества ОП-10 с концентрацией 5 г/л с последующей сушкой при нормальной температуре.

Полученный сепарационный материал типа ФПП-10СГ имеет следующие характеристики:

диаметр пор	5 мкм
впитываемость по воде	1100%
щелочевпитываемость	150%
электросопротивление	0,050 Ом·см2
прочность на разрыв	20 кгс/см2
относительное удлинение при разрыве	28%

Аналогично представленному выше примеру получены материалы во всем интервале заявленных параметров.

Использование полученных сепарационных материалов в щелочных аккумуляторах обеспечивает до 600 циклов «заряд-разряд» до замыкания. Имеют щелочевпитываемость в 1,5 раза выше, а электросопротивление в 2 раза ниже, чем у прототипа.

1. Нетканый микропористый материал для сепараторов щелочных источников тока из ультратонкого перхлорвинилового волокна, отличающийся тем, что он выполнен трехслойным: внутренний состоит из гидрофилизированных волокон с диаметром 0,3÷1,3 мкм, а наружные слои - из гидрофилизированных проклеенных между собой волокон с диаметром 4÷8 мкм, при этом поверхностная плотность составляет 26÷30 г/см², а диаметр пор не более 6 мкм.

2. Нетканый материал по п.1, отличающийся тем, что он имеет впитываемость по воде не менее 1000%, щелочевпитываемость не менее 130%, электросопротивление не более 0,055 Ом.см², прочность на разрыв не менее 18 кгс/см, относительное удлинение при разрыве не менее 25%.

3. Способ получения нетканого микропористого материала для сепараторов щелочных химических источников тока, включающий формование ультратонких волокон из раствора полимера в органическом растворителе, прессование материала под давлением и обработку поверхностно-активным веществом, отличающийся тем, что электроформование волокон проводят из раствора полисульфона в органическом растворителе, материал изготавливают трехслойным: внутренний слой - из волокон с диаметром 0,3-3,0 мкм, а наружные слои - из проклеенных между собой волокон диаметром 4-8 мкм, прессование осуществляют до толщины материала 40-60 мкм.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что формование ведут из раствора полисульфона в органическом растворителе, выбранном из ряда: дихлорэтан, этилацетат, бутилацетат, циклогексанон или их смеси.