镍氢电池隔膜纸的关键技术

镍氢电池隔膜纸的关键技术

陈松

内蒙古稀奥科贮氢合金有限公司  单位省市：内蒙古自治区单位邮编：014030

摘要：镍氢电池隔膜纸是镍氢电池的重要组成部分，其结构和性能直接影响电池的使用寿命。对镍氢电池产业发展来说，镍氢电池隔膜纸的开发意义重大。制备高性能镍氢电池的关键是隔膜纸的生产，电池隔膜纸的性能对镍氢电池有很大影响，如定量、厚度、强度、吸液性、耐酸碱性、孔径、电阻和透气率等。镍氢电池具有高容量、长寿命和充放电等特性，所以对电池隔膜纸的定量、厚度、强度、抗氧化性、亲水性、吸碱率和耐强碱性等要求都很高。本文介绍了镍氢电池隔膜纸的特点与要求，对镍氢电池隔膜纸的关键技术进行了简单分析。

关键词：镍氢电池；隔膜纸；关键技术

1. 镍氢电池隔膜纸的特点与要求

镍氢电池隔膜纸主要具有湿态性能、干态性能和电化学性能。湿态性能有吸液速率、吸液量和离子交换能力；干态性能有定量、厚度和强度，电化学性能有耐酸、耐碱、低电阻和低杂质。定量和厚度有助于控制隔膜纸本身的性能，具体见表1。氢电池的用途越来越广泛，对其性能的要求也越来越高，为了满足高性能镍氢电池的需要，隔膜纸正向着低定量、低电阻、高保液性和长寿命方向发展。

表1镍氢电池隔膜纸

镍氢电池隔膜纸的主要要求如下：

1.1机械性能

抗张强度是镍氢电池隔膜纸的一个重要指标，隔膜纸内部结构、定量、原料纤维种类和直径对其有很大影响。对于磺化镍氢电池隔膜纸，即先抄纸后磺化，表面磺化处理也会影响其强度。强度好可以防止电池卷绕时隔膜纸受损而导致电池短路。

1.2化学稳定性和尺寸稳定性

隔膜纸的化学稳定性主要包括耐酸碱性能和抗氧化性能，镍氢电池的电解液是30%KOH，同时正负极间来回充放电会发生氧化还原反应。因此耐酸碱性能和抗氧化性能要好，尤其在热碱下的耐碱性能要好，这可以确保电容量稳定。镍氢电池隔膜纸在碱性电解液中尺寸稳定可以防止隔膜纸变形短路。

1.3亲水性和保液性能

镍氢电池隔膜纸的亲水性可保证电池快速有效地生产；镍氢电池隔膜纸的保液性能可确保寿命不受影响，对电解液吸收率高且均匀。纤维直径影响镍氢电池隔膜纸对电解液保留能力，同时也影响隔膜纸孔径。好的亲水性、渗透性可以快速吸收电解液和提高保液率，可以满足镍氢电池连续放电时离子导电性；好的吸液性能可以防止正负极直接接触产生电子导电形成短路。镍氢电池隔膜纸的吸液性取决于纸张结构和纤维亲水性，纸张结构主要指多孔性结构，是影响吸收性能的关键因素之一，同时多孔性结构和制造工艺以及纸张的厚度和定量有一定关系。

1.4低电阻

碱液量及其浓度和隔膜纸性能等因素影响电池内阻。镍氢电池隔膜纸的电阻要低，能被离子有效穿透。Ni电极在充电过程中消耗碱液，在放电过程中放出碱液，MH电极在放电过程中消耗碱液，在充电过程中放出碱液、隔膜必须能够保持碱液，帮助碱液在极片间迁移。

1.5透气性

孔隙分布均匀的镍氢电池隔膜纸可以阻挡电极上脱落的活性物质互相迁移穿透隔膜纸形成短路，同时保证电池放电的均一性和稳定性；对于镍氢电池隔膜纸来说，紧度和生产工艺直接影响空隙的大小，进而影响透气度和吸液性能。

2. 镍氢电池隔膜纸的关键技术

电池隔膜是可充电电池的重要组成部分，起着隔离电池正负极，防止短路，负载电解液，允许导电离子通过的作用。隔膜的品质对镍氢电池放电电压、自放电率及循环寿命等都有较大的影响。这就要求电池隔膜具有良好的机械强度，在电解液中有较好的化学稳定性，与电解液有良好的亲附性，对电子不导电、对离子导电，有一定的孔隙率、合适的孔径等性能。

聚烯烃因具有良好的耐碱性，目前被认为是生产镍氢电池隔膜最佳的材料。但其不具有亲水性，一般需要对其进行处理，使其具备吸水性，以赋予该材料具有吸附电解液氢氧化钾溶液的性能。一般的处理方法有添加亲水化学助剂法、电晕法、等离子体接枝法、辐射法、磺化法、化学接枝法等。目前镍氢电池隔膜的制造方法主要有湿法、熔喷法、干法等。通常来讲,湿法生产的镍氢隔膜纸均匀性好、品质佳；熔喷法隔膜纤维直径小，但强度差；干法隔膜品质较差。

匀度是衡量隔膜纸的重要指标之一，聚烯烃类纤维在水中分散情况是影响隔膜纸匀度的重要因素。对于聚烯烃类纤维，是疏水纤维，容易分散不均匀，成纸后出现“云彩花”。聚烯烃类纤维在水中均匀分散是生产的一大难题，使其均匀分散的方法如下：

使用斜网成型器，兼容了长网、圆网成形的特点，特别适合于抄造长纤维特种纸，其有助于纤维分散均匀，成纸匀度好；添加消泡剂，聚烯烃类纤维密度小，容易上浮，同时其在疏解时易产生气泡，气泡带动纤维更容易上浮和絮聚，成纸匀度差，因此可以加入消泡剂，常用的消泡剂有脂肪醇类、有机硅类、聚醚类、高碳醇类；使用分散剂，分散剂具有一定的水溶性、亲水性和适宜的流变学特性，可以增大聚烯烃类纤维在水中的运动阻力，常用的分散剂有聚氧化乙烯（ＰＥＯ）、十二烷基硫酸钠、脂肪醇醚硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠等；对聚烯烃类纤维进行亲水改性，改性方法有磺化、辐射、米氏酸改性等。

可采用热压+磺化处理的方式，对隔膜纸进行改性处理：

热压的压力和温度对隔膜纸的厚度、透气度、强度有重要的影响。在95~123℃随着热压温度的升高，隔膜纸的抗张指数先增大，然后维持不变；隔膜纸的透气度随热压温度升高而减小。随着热压压力的增加，隔膜纸的厚度和透气度都减小。综合考虑，选取热压压力为6N/mm，热压温度为120℃为最适宜条件，隔膜纸具有较好的物理指标。

将热压后的隔膜纸进行磺化处理，隔膜纸接枝上磺酸基和羧基，具备很好的吸碱性和耐碱性，隔膜纸指标可达到：吸碱高度73ｍｍ，吸碱率225.9%，碱损失率小于１％。

结 语：

为了满足高性能镍氢电池的需要，隔膜纸正向着低定量、低电阻、高保液性和长寿命方向发展。随着化学纤维亲水改性的发展，聚烯烃类（ＰＥ、ＰＰ）现在正在替代其他化学纤维来制备镍氢电池隔膜纸。湿法生产工艺具有成纸匀度好、配比灵活和成本低等优点，是镍氢电池隔膜纸制造工艺未来的发展趋势。此外，还要对其进行改性处理，可采用热压+磺化处理的方式，提高提高隔膜纸的性能。

参考文献：

[1]赵丽君，周立春，刘文，等．镍氢电池隔膜纸的特性及研究进展[J]．纸和造纸，2016,35(1)：27-33.

[2]吴立群，王安，李民．碱性电池隔膜纸的研发及其发展趋势[J].中华纸业，2007(10):45-48.