CN102148345A - 一种具有内环境净化功能的电池隔板 - Google Patents

一种具有内环境净化功能的电池隔板 Download PDF

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石光
陈红雨
秦炜
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Abstract

本发明公开了一种特别适用于胶体蓄电池的、具有电池内环境净化功能的电池隔板，由树脂、无机填充相、功能添加剂及导电剂组成。本发明的功能性电池隔板在黑暗或自然光照射的条件对硫酸溶液中的有机物具有良好的催化降解功能，可起到净化电池内环境、持续补充微量水的作用。本发明的电池隔板中微孔的孔径分布在6微米以下，孔径分布均匀并形成迂回的孔道结构；孔隙率高，大于72％，且具有优异的力学性能。本发明的电池隔板可适用于各类阀控式蓄电池，特别是胶体蓄电池，从而应用于牵引型电池、固定型电池、电动车电池、储能电池等领域。

Description

一种具有内环境净化功能的电池隔板
技术领域
本发明涉及蓄电池，具体是一种可净化蓄电池内环境的新型功能性电池隔板。
背景技术
隔板是铅酸蓄电池的主要部件之一，对电池性能起着至关重要的作用。目前铅酸蓄电池所采用的隔板材料，除玻纤隔板外，均由有机高分子材料所制备。即使是玻纤隔板，在制备的过程中也需用有机物质进行一定程度的表面处理。由于需在硫酸电解液中长期工作，隔板中的有机物会逐渐分解而放出有机废气，使电池逐渐膨胀。当压力达到一定程度后，阀控式铅酸蓄电池压力阀会自动打开，将废气排放到空气中，从而造成一定程度的环境污染，特别是造成电池安置处局部小空间的较严重的环境污染；放气阀打开的瞬间，还会产生大量的水损失和酸雾，不仅导致电池过早干涸，而且会对电池安置的外部空间产生较严重的酸腐蚀。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有内环境净化功能的电池隔板，具有良好的有机废气分解功能，可明显减少电解液中水的损失，显著延长电池使用寿命。
本发明的技术方案如下：
一种具有内环境净化功能的电池隔板，其组成按重量百分比是：
树脂                  35～75％
无机填充相            0～60％
功能添加剂            0.5～20％
导电剂                0.5～5％；
无机填充相为比表面积为10～380m2/g的气相纳米二氧化硅、微米沉淀二氧化硅、层状硅酸盐中的一种或一种以上的组合物；
功能添加剂为具有催化降解有机物功能的耐酸功能粉体材料。
将上述原料及其配比将原料分散混合，于沸点大于100℃、可溶于水的PVC良溶剂中，制成粘度为0.1～10万Pa.s的粘稠溶液，通过常温挤出、流延的工艺成型，制成厚度为0.5～3.5mm的薄片。通过流延辊的表面设计，可赋予隔板表面不同形状及规格的筋条。成型后经过温度为40～70℃的热水浸提，浸提后经过50～70℃的烘道烘干，按要求尺寸进行裁剪即可。制成的电池隔板的孔隙率为72～82％，平均孔径小于6微米。
进一步的，所述树脂是热塑性树脂或热固性树脂，可以是PVC、氯醋树脂、橡胶中的一种或一种以上的组合物。
进一步的，所述橡胶是氯丁橡胶或氯化橡胶。
进一步的，所述的层状硅酸盐为蒙脱土、蛭石、高岭土、凹凸棒土、云母、累托石或粘土。
进一步的，所述功能添加剂为电气石粉末、锐钛矿纳米TiO2、纳米SnO2、纳米氧化锌中的一种或一种以上的组合物。尽管锐钛矿纳米TiO2和纳米氧化锌本身的耐强酸的能力较弱，但是其与树脂复合后耐酸性大大增强，可以满足使用要求。由于电气石粉末和纳米SnO2本身的耐强酸的能力强，因此功能添加剂优选电气石粉末和纳米SnO2。
进一步的，所述导电剂为炭黑、碳纳米管、石墨、纳米碳纤维中的一种或一种以上的组合物。
进一步的，为了获得更高的孔隙率、更小的孔径，所述的电池隔板的组成按重量百分比是：
树脂            40～70％
无机填充相      25～55％
功能添加剂      0.5～8.5％
导电剂          1～4.2％；
按此原料配比制成的电池隔板，其孔隙率为78～82％，平均孔径小于或等于3微米。
本发明将具有有机物降解功能的无机粉体添加到PVC隔板中，能够起到分解隔板使用过程中所形成的有机小分子物质的功能，起到净化电池内环境的作用。小分子有机物被分解为二氧化碳和水，所生成的水能又够补充电池运行中的水损失，从而延长电池的使用寿命。纳米电气石粉末具有自发电极，能够产生具有强氧化功能的氧负离子，从而能够起到降解小分子有机物的作用。选用纳米电气石粉末作为功能性添加剂制备隔板，不用改变隔板的原有生产工艺。该种隔板在密闭、黑暗的空间内，仍然能够起到净化电池内环境的功能，明显改善电池长期使用的发臭问题。也可选用光触媒作为功能性添加剂，如纳米二氧化钛、纳米氧化锆、纳米氧化锌，隔板仍可按照原有制备工艺生产。虽然这类光触媒本身耐浓硫酸的性能较差，但与各种树脂复合后，其耐酸性能够得到明显改善，所以仍然可以选择作为电池隔板的功能性添加剂。应用光触媒为功能性添加剂所制备的隔板装配电池时，应选用透光外壳，如透明的有机玻璃外壳或透明的PVC外壳。隔板在吸收了一定波长的光后，隔板中活性物质的光催化功能被激活，起到清除电池内部小分子有机废物的作用，使电池的内环境得到改善，并使电解液中的水得到一定的补充。电池内环境的改善及微量水的持续性补充，显著提高了电池的电化学性能，延长了电池的使用寿命。
应用本发明所制备的隔板孔隙率大于72％，润湿性好，吸酸量大，隔板的微观结构及物理性能优异。
本发明的电池隔板可适用于各类阀控式蓄电池，特别是胶体蓄电池，从而应用于牵引型电池、固定型电池、电动车电池、储能电池等领域。
附图说明
图1为实施例1所制备隔板表面形貌的扫描电子显微镜图片；
图2为实施例2所制备隔板表面形貌的扫描电子显微镜图片；
图3为实施例3所制备隔板表面形貌的扫描电子显微镜图片；
图4为实施例4所制备隔板表面形貌的扫描电子显微镜图片；
图5为实施例5所制备隔板表面形貌的扫描电子显微镜图片；
图6为实施例6所制备隔板表面形貌的扫描电子显微镜图片；
图7为实施例7所制备隔板表面形貌的扫描电子显微镜图片；
图8为实施例8所制备隔板表面形貌的扫描电子显微镜图片；
图9为实施例9所制备隔板表面形貌的扫描电子显微镜图片。
具体实施方式
下面给出实施例以对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据本发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整仍属于本发明的保护范围。
下列实施例中，按重量配比称取干燥好的树脂粉、无机填充相、功能添加剂及导电剂。将称好的原材料分散混合于沸点大于100℃、可溶于水的PVC良溶剂中，制成粘度为0.1～10万Pa.s的粘稠溶液，通过常温挤出、流延的工艺成型，制成厚度为0.5～3.5mm的薄片。通过流延辊的表面设计，可赋予隔板表面不同形状及规格的筋条。成型后经过温度为40～70℃的热水浸提，浸提后经过50～70℃的烘道烘干，按要求尺寸进行裁剪即可。
实施例1
按重量配比称取干燥好的PVC树脂35％，比表面积为180m2/g的气相纳米二氧化硅30％，微米二氧化硅30％，纳米电气石粉末4.5％，炭黑0.5％。
将混合好的物料分散到二甲基乙酰胺中，调至成粘度为0.1万Pa.s的粘稠液，通过常温挤出、流延工艺成型，制成厚度1mm的薄片。成型后经过温度为50℃的热水浸提3分钟，浸提后经过60℃的烘道烘干2分钟。
图1为实施例1所制备隔板表面形貌的扫描电子显微镜图片，从图中可以看出该微孔隔板的孔隙直径在5.6微米左右，分布均匀，孔隙率高，形成了曲折迂回的孔隙路径。所制备的隔板在黑暗及自然光照射条件下对酸性溶液中的甲基橙都具有良好的催化降解功能。
实施例2
按重量配比称取干燥好的氯醋树脂40％，比表面积为100m2/g的气相纳米二氧化硅55％，纳米二氧化钛4％，超导炭黑1％。
将混合好的物料分散到二甲基甲酰胺中，调至成粘度为0.8万Pa.s的粘稠液，通过常温挤出、流延工艺成型，制成厚度0.5mm的薄片。成型后经过温度为55℃的热水浸提1分钟，浸提后经过50℃的烘道烘干1分钟。
图2为实施例2所制备隔板表面形貌的扫描电子显微镜图片，从图中可以看出该微孔隔板的孔隙直径在3.1微米左右，分布均匀，孔隙率高，形成了曲折迂回的孔隙路径。所制备的隔板在自然光照射条件下对酸性溶液中的甲基橙具有良好的催化降解功能。
实施例3
按重量配比称取干燥好的PVC树脂23％、氯化橡胶23.2％，比表面积为150m2/g的气相纳米二氧化硅36.1％，高岭土14.1％，纳米电气石粉末2.1％，碳纳米管1.5％。
将混合好的物料分散到二甲基亚砜中，调至成粘度为2.5万Pa.s的粘稠液，通过常温挤出、流延工艺成型，制成厚度1.5mm的薄片。成型后经过温度为50℃的热水浸提3分钟，浸提后经过70℃的烘道烘干1分钟。
图3为实施例3所制备隔板表面形貌的扫描电子显微镜图片，从图中可以看出该微孔隔板的孔隙直径在1.9微米左右，分布均匀，孔隙率高，形成了曲折迂回的孔隙路径。所制备的隔板在自然光照射条件下对酸性溶液中的甲基橙具有良好的催化降解功能。
实施例4
按重量配比称取干燥好的PVC树脂30％，氯丁橡胶19.6％，比表面积为80m2/g的气相纳米二氧化硅30.1％，沉淀二氧化硅5.3％，云母12％，纳米氧化锌0.5％，超导炭黑2.5％。
将混合好的物料分散到二丙酮醇中，调至成粘度为4.1万Pa.s的粘稠液，通过常温挤出、流延工艺成型，制成厚度2.0mm的薄片。成型后经过温度为50℃的热水浸提4分钟，浸提后经过60℃的烘道烘干2分钟。
图4为实施例4所制备隔板表面形貌的扫描电子显微镜图片，从图中可以看出该微孔隔板的孔隙直径在2.3微米左右，分布均匀，孔隙率高，形成了曲折迂回的孔隙路径。所制备的隔板在自然光照射条件下对酸性溶液中的甲基橙具有良好的催化降解功能。
实施例5
按重量配比称取干燥好的氯醋树脂20％，PVC树脂35.3％，比表面积为50m2/g的气相纳米二氧化硅30.7％，蛭石1.3％，纳米电气石粉4％及纳米氧化锌共4.5％，超导炭黑3.7％，碳纳米管0.5％。
将混合好的物料分散到二甲基乙酰胺与二甲亚砜的混合溶剂中，调至成粘度为6.2万Pa.s的粘稠液，通过常温挤出、流延工艺成型，制成厚度2.5mm的薄片。成型后经过温度为70℃的热水浸提2分钟，浸提后经过70℃的烘道烘干1分钟。
图5为实施例5所制备隔板表面形貌的扫描电子显微镜图片，从图中可以看出该微孔隔板的孔隙直径在2.4微米左右，分布均匀，孔隙率高，形成了曲折迂回的孔隙路径。所制备的隔板在黑暗及自然光照射条件下对酸性溶液中的甲基橙都具有良好的催化降解功能。
实施例6
按重量配比称取干燥好的氯化橡胶60.7％，比表面积为10m2/g的气相纳米二氧化硅16.1％，280目的累托石及蒙脱土各3.9％，纳米电气石粉末8％及纳米氧化锌5.5％，超导炭黑1％及石墨0.9％。
将混合好的物料分散到二甲基甲酰胺与二甲基乙酰胺的混合溶剂中，调至成粘度为7.6万Pa.s的粘稠液，通过常温挤出、流延工艺成型，制成厚度3mm的薄片。成型后经过温度为60℃的热水浸提3分钟，浸提后经过70℃的烘道烘干2分钟。
图6为实施例6所制备隔板表面形貌的扫描电子显微镜图片，从图中可以看出该微孔隔板的孔隙直径在2.6微米左右，分布均匀，孔隙率高，形成了曲折迂回的孔隙路径。所制备的隔板在黑暗及自然光照射条件下对酸性溶液中的甲基橙都具有良好的催化降解功能。
实施例7
按重量配比称取干燥好的氯丁橡胶65.4％，比表面积为30m2/g的气相纳米二氧化硅5.9％，微米二氧化硅5％及高岭土共4.1％，纳米二氧化钛9％及纳米SnO2共9.6％，超导炭黑0.5％及胶体石墨0.5％。
将混合好的物料加分散到二甲基乙酰胺与二丙酮醇的混合溶剂中，调至成粘度为8.5万Pa.s的粘稠液，通过常温挤出、流延工艺成型，制成厚度3.5mm的薄片。成型后经过温度为70℃的热水浸提5分钟，浸提后经过70℃的烘道烘干2分钟。
图7为实施例7所制备隔板表面形貌的扫描电子显微镜图片，从图中可以看出该微孔隔板的孔隙直径在4.1微米左右，分布均匀，孔隙率高，形成了曲折迂回的孔隙路径。所制备的隔板在自然光照射条件下对酸性溶液中的甲基橙都具有良好的催化降解功能。
实施例8
按重量配比称取干燥好的氯丁橡胶35％和氯化橡胶35％，比表面积为380m2/g的气相纳米二氧化硅10％，粘土5％及微米二氧化硅10％，纳米电气石粉末1％、纳米氧化钛1％及纳米氧化锌1.5％，纳米碳纤维1％及胶体石墨0.5％。
将混合好的物料分散到二甲基甲酰胺与二甲亚砜的混合溶剂中，调至成粘度为9.2万Pa.s的粘稠液，通过常温挤出、流延工艺成型，制成厚度1.2mm的薄片。成型后经过温度为50℃的热水浸提2分钟，浸提后经过55℃的烘道烘干1分钟。
图8为实施例8所制备隔板表面形貌的扫描电子显微镜图片，从图中可以看出该微孔隔板的孔隙直径在2.1微米左右，分布均匀，孔隙率高，形成了曲折迂回的孔隙路径。所制备的隔板在黑暗及自然光照射条件下对酸性溶液中的甲基橙都具有良好的催化降解功能。
实施例9
按重量配比称取干燥好的PVC树脂25％、氯醋树脂25％及氯化橡胶25％，纳米电气石粉末10％、纳米SnO25％及纳米氧化锌5％，超导炭黑3％及胶体石墨2％。
将混合好的物料分散到二甲基甲酰胺中，调至成粘度为2.3万Pa.s的粘稠液，通过常温挤出、流延工艺成型，制成厚度2.7mm的薄片。成型后经过温度为60℃的热水浸提4分钟，浸提后经过65℃的烘道烘干2分钟。
图9为实施例9所制备隔板表面形貌的扫描电子显微镜图片，从图中可以看出该微孔隔板的孔隙直径在4.2微米左右，分布均匀，孔隙率高，形成了曲折迂回的孔隙路径。所制备的隔板在黑暗及自然光照射条件下对酸性溶液中的甲基橙都具有良好的催化降解功能。
对上述实施例隔板按照JB/T7630.2-2008标准进行隔板常规项目分析，结果见表1。
催化降解实验：将上述各实施例所制备隔板分别称取5g，浸泡于100ml的浓度为20mg/L的甲基橙的硫酸溶液中(硫酸浓度为1.28g/cm3)，于室温下将上述溶液分别置于黑暗处及自然光下，在磁力搅拌下以处置24h的降解率作为最终降解率。各实施例所制备的隔板对甲基橙的催化降解性能见表2。
从测试结果来看，本发明的新型隔板孔隙结构均匀，主要分布在6个微米以下；孔隙率高，都在72％以上；隔板对硫酸的吸附量大，对硫酸的浸润速度快；新型隔板具有更好的机械力学性能。本发明的新型隔板在自然光或暗条件下对酸性溶液中的甲基橙都具有良好的催化降解功能，是一种具有电池内环境净化功能的性能优异的隔板产品。对于更优化的配方组成，当无机填充相在25～55％范围内时，各实施例所述隔板具有更高的孔隙率、更小的孔径、更小的电阻，以及在自然光或黑暗条件下对有机物具有更好的催化降解功能。
表1：实施例1～9的配方及材料性能
表2：新型功能隔板在不同条件下对甲基橙的催化降解性能(降解率/24小时)
  实施例序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
  自然光   85.6   90.4   89.9   89.2   90.6   87.4   89.2   89.6   84.4
  黑暗   85.3   12.3   11.5   9.6   89.7   86.3   10.3   90.7   83.7

Claims (9)

1.一种具有内环境净化功能的电池隔板，其特征在于其组成按重量百分比是：
树脂                    35～75％
无机填充相              0～60％
功能添加剂              0.5～20％
导电剂                  0.5～5％；
无机填充相为比表面积为10～380m2/g的气相纳米二氧化硅、微米沉淀二氧化硅、层状硅酸盐中的一种或一种以上的组合物；
功能添加剂为具有催化降解有机物功能的耐酸功能粉体材料。
2.根据权利要求1所述的电池隔板，其特征在于所述树脂是PVC、氯醋树脂、橡胶中的一种或一种以上的组合物。
3.根据权利要求2所述的电池隔板，其特征在于所述橡胶是氯丁橡胶或氯化橡胶。
4.根据权利要求1所述的电池隔板，其特征在于所述的层状硅酸盐为蒙脱土、蛭石、高岭土、凹凸棒土、云母、累托石或粘土。
5.根据权利要求1所述的电池隔板，其特征在于所述功能添加剂为电气石粉末、锐钛矿纳米TiO2、纳米SnO2、纳米氧化锌中的一种或一种以上的组合物。
6.根据权利要求1所述的电池隔板，其特征在于所述导电剂为炭黑、碳纳米管、石墨、纳米碳纤维中的一种或一种以上的组合物。
7.根据权利要求1所述的电池隔板，其特征在于电池隔板的孔隙率为72～82％，平均孔径小于6微米。
8.根据权利要求1至7任一项所述的电池隔板，其特征在于其组成按重量百分比是：
树脂                      40～70％
无机填充相                25～55％
功能添加剂                0.5～8.5％
导电剂                    1～4.2％。
9.根据权利要求8所述的电池隔板，其特征在于电池隔板的孔隙率为78～82％，平均孔径小于或等于3微米。
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