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 ультратонкого перхлорвинилового волокна для сепараторов щелочных химических источников тока, выполненный трехслойным из волокон различного диаметра, с диаметром пор не более 9 мкм. Предложен способ получения нетканого микропористого материала для сепараторов щелочных химических источников тока, включающий электроформование ультратонких перхлорвиниловых волокон и выполнение материала в виде трех слоев из волокон различного диаметра, 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 высокой.

Для повышения 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, 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 микропористым материалом для сепараторов щелочных химических источников тока из ультратонких перхлорвиниловых волокон, выполненного трехслойным: внутренний слой из волокон с диаметром 0,3-3,0 мкм, а наружные слои из волокон 4-8 мкм, при этом поверхностная плотность составляет 26-39 г/м².

Предпочтительно, материал имеет диаметр пор 9 мкм, щелочевпитываемость 100%, электросопротивление 0,075 Ом·см², прочность на разрыв не менее 18 кгс/см², относительное удлинение не менее 25%.

Поставленная задача решается также описываемым способом изготовления нетканого материала для сепараторов щелочных химических источников тока, включающий электроформование тонковолокнистого материала из раствора перхлорвинила в органическом растворителе, прессование этого материала под давлением и обработку поверхностно-активным веществом, при этом материал изготавливают трехслойным: внутренний слой из волокон с диаметром 0,3-3,0 мкм, а наружные из проклеенных между собой волокон диаметром 4-8 мкм, прессование осуществляют до толщины материала 40-60 мкм.

Как правило, электроформование ведут из раствора перхлорвинила в растворителе, выбранном из ряда: дихлорэтан, этилацетат, бутилацетат, циклогексанон или их смеси.

Ниже приведены примеры получения заявленного материала и его характеристики.

Пример 1

Приготавливают 12% раствор перхлорвинила в дихлорэтане.

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

Затем материал прессуют под давлением 250 кг/см² при температуре 25°С до толщины 50 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-10С имеет следующие характеристики:

диаметр пор	5 мкм
щелочевпитываемость	140%
электросопротивление	0,050 Ом·см2
прочность на разрыв	20 кгс/см2
относительное удлинение при разрыве	28%

Пример 2

Приготавливают 14% раствор перхлорвинила в смеси этилацетата и бутилацетата в объемном отношении 1:1.

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

разность потенциалов	100 кВ
расстояние между электродами	30 см
объемный расход на один капилляр	6·10-3 см3/с

Из волокон диаметром 1,8-2,0 мкм формируют внутренний слой с поверхностной плотностью 9 г/см². Из волокон диаметром 4,0-5,0 мкм формируют проклеенные слои с поверхностной плотностью 15 г/см². При этом общая поверхностная плотность материала составляет 39 г/см².

Затем материал прессуют под давлением 300 кг/см² при температуре 25°С до толщины 50 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-20СА имеет следующие характеристики:

диаметр пор	8 мкм
щелочевпитываемость	110%
электросопротивление	0,065 Ом·см2
прочность на разрыв	22 кгс/см2
относительное удлинение при разрыве	26%

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 на 20% выше, а электросопротивление на 30% ниже, чем у прототипа.

1. Нетканый микропористый материал для сепараторов щелочных источников тока из ультратонкого перхлорвинилового волокна, отличающийся тем, что он содержит три слоя, при этом внутренний слой образован из волокон диаметром 0,3÷3 мкм, а наружные слои - из проклеенных между собой волокон с диаметром 4÷8 мкм, при этом поверхностная плотность составляет 26-39 г/м², диаметр пор не более 9 мкм.

2. Нетканый материал по п.1, отличающийся тем, что имеет щелочевпитываемость не менее 100%, электросопротивление не более 0,075 Ом·см², прочность на разрыв не менее 18 кгс/см², относительное удлинение при разрыве не менее 25%.

3. Способ получения нетканого 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 перхлорвинила 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 перхлорвинила в органическом растворителе, выбранном из ряда: дихлорэтан, этилацетат, бутилацетат, циклогексанон или их смеси.