聚丙烯纖維在電池隔膜材料生產(chǎn)上的應(yīng)用

丁大歡(云南農(nóng)墾集團(tuán)有限責(zé)任公司，云南 昆明 650051)

0 引言

長期以來，技術(shù)人員注重研究電池隔膜材料，通過多種防護(hù)，加強(qiáng)電池隔膜材料生產(chǎn)質(zhì)量，優(yōu)化產(chǎn)品性能，比如：磺化處理、等離子體處理、輻射接枝處理、表面活性劑處理等。在近幾年發(fā)展中，推廣應(yīng)用聚丙烯纖維材料，能夠顯著提升產(chǎn)品效果。聚丙烯纖維質(zhì)地輕、熔點(diǎn)低，耐堿性良好，因此被廣泛應(yīng)用到紡織品、非紡織品領(lǐng)域。聚丙烯纖維制作電池隔膜，抗氧化性優(yōu)勢顯著。聚丙烯纖維，由濕法工藝制成品技術(shù)，可以滿足設(shè)備特殊要求，所以聚丙烯纖維的應(yīng)用仍然處于初步階段。

1 聚丙烯纖維材料特點(diǎn)

聚丙烯纖維材料，能夠應(yīng)用到多個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，強(qiáng)度高、耐腐蝕性能強(qiáng)，且電絕緣性良好。材料密度約為0.9 g/cm3，屬于輕質(zhì)化學(xué)纖維。聚丙烯纖維材料電阻率高，約為7×10 Ω·cm，導(dǎo)熱系數(shù)低。在電池隔膜材料應(yīng)用中，能夠發(fā)揮出材料使用優(yōu)勢，有助于提升電池隔膜材料生產(chǎn)質(zhì)量[1]。

2 電池隔膜材料介紹

當(dāng)前，我國電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)步大，并且形成成熟的工業(yè)體系，增長速度快。然而，高性能電池產(chǎn)業(yè)原材料，未實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化發(fā)展。電池隔膜材料，被稱為電池“第三級”，技術(shù)難度高，基本依賴進(jìn)口。電池隔膜是電池重要組成，材料性能對電池容量、使用壽命的影響大。儲能工業(yè)、消費(fèi)電子、新能源汽車領(lǐng)域發(fā)展，電池隔膜市場前景廣闊。電池隔膜材料、原料開發(fā)與研究，是高性能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要問題。技術(shù)專家注重研究電池隔膜材料問題，確保其具備小孔徑優(yōu)勢，孔徑分布窄，以此優(yōu)化電池使用性能。

隔膜材料，是電池的重要組成，性能指標(biāo)會(huì)極大影響電池質(zhì)量、循環(huán)壽命、放電容量等。電池隔膜作用，是電池使用期間，隔離正負(fù)極，避免兩極間形成電子通路，允許電解液離子通過。不管哪種隔膜材料、基本技術(shù)要求都相同，比如耐化學(xué)腐蝕性、保持電解液能力，隔膜厚度均勻，孔徑、孔率基本相同。高性能電池品種開發(fā)，電池隔膜材料，多應(yīng)用合成纖維、無機(jī)纖維原料。不同電池品種，隔膜材料選擇的差別較大，需要多種纖維混合抄造。電池?zé)o汞化、二次電池、自動(dòng)化生產(chǎn)線，都對電池隔膜要求高。濕法工藝，原料適應(yīng)范圍廣，產(chǎn)品均勻性強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)多種纖維混合使用特點(diǎn)。所以多數(shù)纖維質(zhì)電池隔膜，均應(yīng)用濕法工藝生產(chǎn)[2]。

適應(yīng)生產(chǎn)堿性電池隔膜，選擇聚丙烯、聚乙烯醇作為主體原料，具備良好的抗氧化性、耐堿性。聚酰胺纖維隔膜，是首次應(yīng)用合成纖維生產(chǎn)隔膜，廣泛應(yīng)用到堿性電池生產(chǎn)中，耐氧化、耐堿腐蝕力強(qiáng)。在分子結(jié)構(gòu)中，包含酰胺基團(tuán)，會(huì)與水形成氫鍵，吸堿性能良好。聚酰胺纖維充放電時(shí)，降解度高，化學(xué)穩(wěn)定性不足，導(dǎo)致電池存在嚴(yán)重充放電現(xiàn)象，對電池壽命影響大。

聚丙烯纖維的耐堿性良好，能夠適應(yīng)電池對隔膜性能的優(yōu)勢。聚丙烯纖維制作隔膜，是氫鎳電池優(yōu)選材料。聚丙烯材料的不足在于，分子不含親水基團(tuán)，吸液、保液性差，所以作為電池原材料時(shí)，必須做好親水改性處理，以此滿足應(yīng)用要求。氫鎳電池對隔膜的電解液吸收能力、存儲能力要求高，離子導(dǎo)通能力強(qiáng)，能夠控制正極氧氣傳輸[3]。

3 聚丙烯纖維電池隔膜

在電池隔膜材料中，親水改性屬于熱議話題。電池隔膜材料親水改性，對電池隔膜材料質(zhì)量影響大。當(dāng)前，電池隔膜材料親水改性中，涉及到較多技術(shù)方法，比如：表面活性劑處理、等離子體處理、磺化處理等。

3.1 制作方法

非織造工藝，均可以作為電池隔膜制作工藝。聚丙烯纖維制作電池隔膜，干法產(chǎn)品多為熱軋非織造布，具備良好機(jī)械強(qiáng)度。紡粘非織造布，具備良好機(jī)械強(qiáng)度，然而分布不均勻。熔噴非織造布，雖然質(zhì)地密度大，但是強(qiáng)度不足。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)支持下，電池逐漸朝著小型化、高容量發(fā)展，降低隔膜面密度，且不會(huì)導(dǎo)致電池鍛煉，所以對隔膜厚度、面密度均勻性要求高。濕法非織造工藝，屬于優(yōu)質(zhì)制造方法[4]。

3.2 親水改性方法

親水改性方法比較多，比如輻射接枝處理法、等離子體處理法、表面活性劑處理法。經(jīng)過表面活性劑處理，親水性效果不理想。應(yīng)用濕法工藝加工時(shí)，表面活性劑溶解在水中。使用干法工藝制作織造布，之后處理電池隔膜，此時(shí)初期具備親水性，在充放電之后，表面活性劑溶解在電解液中，隔膜親水性不足。使用負(fù)荷接枝、等離子體、磺化處理電池隔膜，親水性良好，且永久性強(qiáng)。國外應(yīng)用磺化工藝比較多，低壓等離子體處理工藝，可以應(yīng)用到聚丙烯纖維電池隔膜制造中。

3.3 輻射接枝親水改性法

在聚丙烯纖維電池隔膜中，輻射接枝親水改性法應(yīng)用比較多。該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用接枝共聚反應(yīng)，使用化學(xué)鍵方式，將親水性單體、聚烯烴纖維結(jié)合在一起，以此加強(qiáng)聚烯烴纖維親水性。60 Coγ射線，會(huì)引發(fā)接枝共聚反應(yīng)，屬于重要輻射源，高能物理射線、紫外線優(yōu)勢。比較分析不同輻射源可知，高能物理射線、紫外線的敷設(shè)穿透效果不佳，60 Coγ射線的接枝率高，且穿透力強(qiáng)，具備顯著應(yīng)用效果。

輻射接枝親水改性法，按照輻射、接枝反應(yīng)順序，可以劃分為預(yù)輻射法、共輻射法。其中，預(yù)輻射法主要是輻射聚丙烯，產(chǎn)生自由基，之后使用親水性單體，在反應(yīng)容器內(nèi)，與聚丙烯材料相混合，引發(fā)接枝反應(yīng)。共輻射法，是混合聚丙烯、親水性單體后輻射。在輻射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生接枝反應(yīng)。通過試驗(yàn)研究可知，應(yīng)用預(yù)敷設(shè)接枝工藝，會(huì)損傷聚丙烯強(qiáng)度。接枝反應(yīng)后，后續(xù)接枝技術(shù)工藝復(fù)雜。共敷設(shè)法輻射、接枝完成后，接枝工藝較為簡單[5]。

電池隔膜生產(chǎn)工藝，首先要加工聚丙烯纖維，使其成為非織造布，之后接枝改性。在纖維接枝后，加工為非織造布。部分學(xué)者研究非織造卷材接枝工藝，發(fā)現(xiàn)存在較多不合理問題。第一，非織造卷筒大小適宜，當(dāng)卷筒較大時(shí)，則接枝容器大。接枝容器中，以接枝改性液為主，會(huì)增加運(yùn)輸難度。第二，改性液不能均勻滲透到卷筒內(nèi)部，當(dāng)卷筒較大時(shí)，則不良問題比較多。卷筒內(nèi)外層非織造布接枝差異不均勻，內(nèi)層非織造布無接枝。第三，接枝后成卷產(chǎn)品，需要經(jīng)過洗滌、堿處理、干燥設(shè)備，因此該種方法多處理平張產(chǎn)品。應(yīng)用纖維接枝后，抄造電池隔膜工藝路線。改性后，纖維洗滌便利性強(qiáng)。按照常規(guī)方法，能夠生產(chǎn)卷筒產(chǎn)品，滿足電池小型化發(fā)展，符合配套隔膜材料要求[6]。

4 聚丙烯纖維在電池隔膜材料中的注意事項(xiàng)

通過相關(guān)分析可知，電池隔膜材料生產(chǎn)中，應(yīng)用聚丙烯纖維材料的價(jià)值顯著。對于新的生產(chǎn)材料。盡管電池隔膜材料生產(chǎn)優(yōu)勢強(qiáng)，然而生產(chǎn)過程的不良因素比較多，對電池隔膜材料生產(chǎn)質(zhì)量、產(chǎn)品性能影響大。所以，在應(yīng)用聚丙烯纖維時(shí)，必須關(guān)注到以下問題：合理控制聚丙烯纖維材料，防止纖維并絲、僵絲，此種問題多出現(xiàn)在國產(chǎn)聚丙烯纖維材料中，受到生產(chǎn)設(shè)備、技術(shù)工藝后，就會(huì)出現(xiàn)該類問題，已經(jīng)成為電池隔膜材料生產(chǎn)的重要問題。國產(chǎn)聚丙烯纖維，只有部分廠家生產(chǎn)1 dtex長絲，短纖維細(xì)度為1.67 dtex。輻射親水改性后，接枝親水單體纖維增粗，生產(chǎn)低面密度電池隔膜時(shí)，孔徑比較大，隔膜隔離效果不佳，極易出現(xiàn)短路問題。在現(xiàn)代技術(shù)支持下，注重改善聚丙烯纖維性能，加強(qiáng)聚丙烯纖維的材料生產(chǎn)適應(yīng)性，維護(hù)生產(chǎn)質(zhì)量，加強(qiáng)產(chǎn)品性能，擴(kuò)展聚丙烯纖維應(yīng)用范圍。國外纖維原料，不僅滿足紡織需求，還需要滿足非織造布專用纖維、濕法非織造布纖維。國內(nèi)生產(chǎn)電池隔膜材料時(shí)，主要應(yīng)用聚乙烯醇縮甲醛纖維，性能指標(biāo)不滿足濕法非織造布要求。國產(chǎn)聚丙烯纖維，作為電池隔膜原材料時(shí)，所面臨的問題與不足非常多。聚丙烯纖維，是電池隔膜原料，研發(fā)單位自主開展改性處理，工藝流程復(fù)雜，且生產(chǎn)能力不足，導(dǎo)致廢棄物處理問題也比較多。國內(nèi)聚丙烯纖維研發(fā)企業(yè)，開發(fā)親水性聚丙烯纖維，優(yōu)化改善聚丙烯纖維性能，加強(qiáng)技術(shù)工藝適應(yīng)性[7]。

5 結(jié)語

綜上所述，在電池隔膜材料生產(chǎn)中，應(yīng)用聚丙烯纖維的價(jià)值顯著，能夠促進(jìn)行業(yè)發(fā)展，不斷提升產(chǎn)品應(yīng)用有效性。然而在實(shí)際應(yīng)用中，聯(lián)合聚丙烯纖維特點(diǎn)，分析材料不足與缺陷問題，聯(lián)合現(xiàn)代處理技術(shù)，持續(xù)優(yōu)化聚丙烯纖維的應(yīng)用工藝，以此展示出聚丙烯纖維應(yīng)用優(yōu)勢，加強(qiáng)電池隔膜產(chǎn)品應(yīng)用性能。