CN103400953A - 一种具有无机涂层的锌银电池复合隔膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及锌银等碱性电池隔膜制备领域，特别是一种具有无机涂层的锌银电池复合隔膜及其制备方法。复合隔膜包括由有机高分子材料底膜和涂覆于其表面的无机涂层，有机高分子材料底膜保证隔膜的柔韧性，亲水性无机材料赋予隔膜高的吸液率、强的耐氧化性和耐碱腐蚀性。同时，无机粒子还具有调控复合隔膜孔径尺寸的作用。将无机粒子与粘合剂以及添加剂等混合获得涂膜浆料，在有机高分子材料底膜表面涂覆无机层，经干燥等工艺获得复合隔膜。本发明将无机材料与传统有机高分子材料复合，综合两种材料的优点，克服传统锌银电池隔膜的缺点，具有制膜工艺简单、成本低，隔膜综合性能优越等特点，易大规模大尺寸生产。

Description

一种具有无机涂层的锌银电池复合隔膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及锌银等碱性电池隔膜制备领域，特别是一种具有无机涂层的锌银电池复合隔膜及其制备方法。
背景技术
锌银电池的研制始于19世纪，由于其具有高比能量、高比功率、电压稳定、连续使用安全性高、可靠性能好、环境友好等优点，广泛应用于导弹、运载火箭、鱼雷、返回式卫星等特殊要求的军事设备上，在民用方面，新闻摄影、电视摄像、便携式通讯机、步话机等也广泛使用锌银电池，制成钮扣式微型的锌银电池可应用于电子手表、助听器、计算机和心脏起搏器等。
锌银单体电池由极板组、单体壳、单体盖、极柱、气塞等几部组成。极板组包括正极板、负极板和隔膜三部分，整个电池的性能由上述三种材料决定，其中隔膜具有分隔正、负极，为K+离子和OH-离子扩散提供通道的作用，同时还需阻止氧化银溶胶向负极的扩散，因此，隔膜性能严重影响锌银电池的电学性能和安全性能。
以纤维素、改性纤维素、改性聚乙烯醇等材料为主体的隔膜具有良好的阻银性能、低电阻和较高强度，是目前锌银电池隔膜广泛应用的材料。但是，上述材料属于有机高分子类材料，本身属性造成其耐高温、耐碱腐蚀和抗氧化能力较差，在电池使用环境中会发生分子链氧化降解，结构遭到破坏而失去隔离功能，造成电池短路等事故。为解决电池隔膜的上述问题，提高其抗氧化和抗腐蚀能力，研究者进行了大量的探索。有机-无机材料复合是改善锌银电池隔膜性能的有效方法之一，有研究者将醋酸纤维素与超细无机氧化物粉体混合、流延成膜，获得了耐氧化和耐腐蚀性较好的电池隔膜。但是，超细无机氧化物在高粘度醋酸纤维素溶液中易团聚，影响所制备隔膜的均一性；同时，由于有机材料的包覆，无机材料的吸液性没有完全发挥出来，影响锌银电池的大电流充放电性能，且所制备复合隔膜的机械强度还有待提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有无机涂层的锌银电池复合隔膜及其制备方法，此复合隔膜包括有机底膜和无机涂层，用此方法制备的电池隔膜具有电解液润湿性好、耐碱腐蚀、耐氧化性强等优点，能有效改善锌银电池的充放电性能和使用寿命，可满足高性能锌银电池对隔膜的严格要求。
本发明的技术方案是：
一种具有无机涂层的锌银电池复合隔膜，复合隔膜包括由有机高分子材料底膜和涂覆于其表面的无机涂层，由含有无机粒子的涂膜浆料经过涂膜工艺、干燥后获得无机涂层；
所述的有机高分子材料底膜为耐氧化性和耐碱性较高的无纺布，所述的无机粒子为亲水性好、耐碱性高的陶瓷类材料。
所述的含有无机粒子的涂膜浆料由以下质量份的原料组成：1500～10000质量份溶剂、20～200质量份粘合剂、10～400质量份无机粒子、30～500质量份添加剂。优选地，涂膜浆料由以下质量份的原料组成：2000～5000质量份溶剂、50～100质量份粘合剂、20～200质量份无机粒子、50～300质量份添加剂。
所述的涂膜浆料的溶剂为甲苯、丙酮、二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、N-甲基甲酰胺的一种或两种以上任意比例混合物；
所述的涂膜浆料的粘合剂为醋酸纤维素、甲基羟乙基纤维素、乙基羟乙基纤维素、甲基羟丙基纤维素、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲脂溶液或丁苯橡胶乳液、具有粘性的有机高分子材料中的一种或两种以上任意比例混合物；
所述的涂膜浆料的无机粒子为微孔、中孔或大孔类沸石粒子、三氧化二铝、二氧化硅、氧化锆、氧化钛、氧化镁中的一种或两种以上任意比例混合物，无机粒子为粉末状，粒径分布均匀，范围为0.04～6.0μm；
所述的涂膜浆料的添加剂为水、甲醇、乙醇、异丙醇、环己烷、四氢呋喃的一种或两种以上任意比例混合物。
所述的有机高分子材料底膜为纤维素类无纺布、聚丙烯无纺布、聚酯无纺布或尼龙无纺布。
所述的涂膜浆料的固含量为2wt%～50wt%，其中无机粒子、粘合剂的质量比25:1～1:5。
所述的具有无机涂层的锌银电池复合隔膜的制备方法，包括无机粒子的表面改性、涂膜浆料的制备、底膜表面涂膜、干燥、压制过程。
所述的无机粒子的表面改性为经过硅烷偶联剂进行表面处理，硅烷偶联剂包括乙烯基硅烷、氨基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷的一种或两种以上任意比例混合物。
所述的涂膜浆料的制备，将溶剂、粘合剂、无机粒子和添加剂混合，浆料的混合方式采用机械搅拌、球磨搅拌和超声处理方式中的一种或两种以上配合。
所述的底膜表面涂膜工艺采用喷膜法、刮膜法、流延法、辊涂法中的一种或两种以上共用，在有机高分子材料底膜表面涂覆无机涂层。
所述的底膜表面涂膜、干燥后，还包括压制工艺，在50℃～150℃下以10N/cm2～200N/cm2的压力对复合隔膜进行压制。
本发明的优点和有益效果是：
1、基于传统锌银电池隔膜的缺陷，本发明提出以下想法：在有机高分子材料底膜表面涂覆无机涂层，充分利用无机材料的耐高温性、耐腐蚀性和电解液浸润性等优点，同时，利用无机粒子调控复合隔膜孔径，获得机械性能和电学性能俱佳的复合隔膜，该方法能够综合提高锌银电池的电学性能和使用寿命。
2、使用本发明工艺制备的锌银电池隔膜具有生产工艺简单、成本低廉、综合性能优异等特点，可实现大规模工业化生产。
总之，本发明复合隔膜包括柔性有机高分子材料底膜以及涂覆于其表面的无机涂层。有机高分子材料底膜保证了隔膜的柔韧性，亲水性无机材料赋予隔膜高的吸液率、强的耐氧化性和耐碱腐蚀性。同时，无机粒子还具有调控复合隔膜孔径尺寸的作用。将无机粒子与粘合剂以及添加剂等混合获得涂膜浆料，在有机高分子材料底膜表面涂覆无机层，经干燥等工艺获得复合隔膜。本发明将无机材料与传统有机高分子材料复合，综合了两种材料的优点，克服了传统锌银电池隔膜的缺点，具有制膜工艺简单、成本低，隔膜综合性能优越等特点，易大规模大尺寸生产。
具体实施方式
本发明中，除特别指明，涉及的百分数均为质量百分比。
实施例1
将2.0g3-氨丙基三乙氧基硅烷缓慢加入到100ml水中，搅拌混合均匀。向上述溶液中加入10gNaA沸石粒子（2.0μm），超声波辅助下继续搅拌6h。离心水洗2次后于80℃干燥12小时，获得表面改性的无机粒子。将0.5g醋酸纤维素、2.0gNaA沸石粒子、0.8g水加入到50g丙酮中，超声处理1h，球磨处理4h，获得理想的涂膜浆料。以聚酯无纺布（20g/m2）为底膜，通过浸渍涂膜法在底膜两个表面获得无机涂层，室温干燥2h后置于80℃烘箱中干燥6h，最后在100℃以100N/cm2的压力下经过对辊机压制获得有机-无机复合隔膜。
将上述复合隔膜进行测试。
厚度测试结果：膜厚度为25μm。
高温测试结果：160℃保温30min，隔膜尺寸无变化。
吸液性测试结果：复合隔膜在30wt%的KOH溶液中浸泡1h，与干膜比较吸液率为420%。
拉伸强度测试结果：横向、纵向拉伸强度均大于30MPa。
实施例2
将1.5g乙烯基三甲氧基硅烷缓慢加入到100ml水中，搅拌混合均匀。向上述溶液中加入10g MFI沸石粒子（2.5μm），继续搅拌6h。离心水洗2次后于80℃干燥12小时，获得表面改性的无机粒子。将0.8g甲基羟乙基纤维素、2.5gMFI沸石粒子、0.5g水加入到50g丙酮中，超声处理1h，球磨处理4h，获得理想的涂膜浆料。以聚酯无纺布（17g/m2）为底膜，通过浸渍涂膜法在底膜两个表面获得无机涂层，室温干燥2h后置于100℃烘箱中干燥6h，最后在80℃以120N/cm2的压力下经过对辊机压制获得有机-无机复合隔膜。
将上述复合隔膜进行测试。
厚度测试结果：干膜厚度为22μm。
高温测试结果：150℃保温30min，隔膜尺寸无变化。
吸液性测试结果：复合隔膜在30wt%的KOH溶液中浸泡1h，与干膜比较吸液率为430%。
拉伸强度测试结果：横向、纵向拉伸强度均大于30MPa。
实施例3
将3.2g乙烯基三甲氧基硅烷缓慢加入到100ml水中，搅拌混合均匀。向上述溶液中加入10g Al2O3粒子（0.5μm），继续搅拌6h。水洗2次后于80℃干燥12小时，获得表面改性的无机粒子。将0.5g醋酸纤维素、1.5g Al2O3粒子、1.2g水加入到50g丙酮中，超声处理1h，球磨处理4h，获得理想的涂膜浆料。以聚丙烯无纺布（30g/m2）为底膜，通过浸渍涂膜法在底膜两个表面获得无机涂层，室温干燥2h后置于80℃烘箱中干燥6h，最后在150℃以90N/cm2的压力下经过对辊机压制获得有机-无机复合隔膜。
将上述复合隔膜进行测试。
厚度测试结果：干膜厚度为32μm。
高温测试结果：150℃保温30min，隔膜尺寸无变化。
吸液性测试结果：复合隔膜在30wt%的KOH溶液中浸泡1h，与干膜比较吸液率为426%。
拉伸强度测试结果：横向、纵向拉伸强度均大于30MPa。
实施例4
将2.5g3-氨丙基三乙氧基硅烷缓慢加入到100ml水中，搅拌混合均匀。向上述溶液中加入10g SiO2粒子（0.8μm），继续搅拌6h。离心水洗2次后于80℃干燥12小时，获得表面改性的无机粒子。将1.5g聚甲基丙烯酸甲脂、4.0g SiO2粒子、2.2g水加入到100g甲苯中，超声处理1h，球磨处理4h。以尼龙无纺布（30g/m2）为底膜，通过刮膜法在底膜两个表面获得无机涂层，室温干燥2h后置于80℃烘箱中干燥6h，最后在120℃以100N/cm2的压力下经过对辊机压制获得有机-无机复合隔膜。
将上述复合隔膜进行测试。
厚度测试结果：干膜厚度为40μm。
高温测试结果：150℃保温30min，隔膜尺寸无变化。
吸液性测试结果：复合隔膜在30wt%的KOH溶液中浸泡1h，与干膜比较吸液率为438%。
拉伸强度测试结果：横向、纵向拉伸强度均大于30MPa。
实施例5
将3.5g3-氨丙基三乙氧基硅烷缓慢加入到100ml水中，搅拌混合均匀。向上述溶液中加入10g NaA沸石粒子（1.5μm），继续搅拌6h。离心水洗2次后于80℃干燥12小时，获得表面改性的无机粒子。将1.5g聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、10g NaA沸石粒子、2.2g水加入到100g N-甲基甲酰胺中，超声处理1h，球磨处理4h。以尼龙无纺布（40g/m2）为底膜，通过刮膜法在底膜单个表面制备无机涂层，室温干燥2h后置于80℃烘箱中干燥6h，最后在70℃以100N/cm2的压力下经过对辊机压制获得有机-无机复合隔膜。
将上述复合隔膜进行测试。
厚度测试结果：干膜厚度为45μm。
高温测试结果：150℃保温30min，隔膜尺寸无变化。
吸液性测试结果：复合隔膜在30wt%的KOH溶液中浸泡1h，与干膜比较吸液率为425%。
拉伸强度测试结果：横向、纵向拉伸强度均大于40MPa。
实施例结果表明，本发明提供的有机-无机复合隔膜及其制备方法，由于在有机高分子材料底膜表面涂覆耐腐蚀性、耐氧化性和吸液性俱佳的无机涂层，实现了锌银电池隔膜综合性能的提高，且具有制备工艺简单、成本低、无需昂贵的生产设备等优点，可实现大规模工业化生产。

Claims (10)

1.一种具有无机涂层的锌银电池复合隔膜，其特征在于，复合隔膜包括由有机高分子材料底膜和涂覆于其表面的无机涂层，由含有无机粒子的涂膜浆料经过涂膜工艺、干燥后获得无机涂层；
所述的有机高分子材料底膜为耐氧化性和耐碱性较高的无纺布，所述的无机粒子为亲水性好、耐碱性高的陶瓷类材料。
2.根据权利要求1所述的具有无机涂层的锌银电池复合隔膜，其特征在于：含有无机粒子的涂膜浆料由以下质量份的原料组成：1500～10000质量份溶剂、20～200质量份粘合剂、10～400质量份无机粒子、30～500质量份添加剂。
3.根据权利要求1所述的具有无机涂层的锌银电池复合隔膜，其特征在于：
所述的涂膜浆料的溶剂为甲苯、丙酮、二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、N-甲基甲酰胺的一种或两种以上任意比例混合物；
所述的涂膜浆料的粘合剂为醋酸纤维素、甲基羟乙基纤维素、乙基羟乙基纤维素、甲基羟丙基纤维素、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲脂溶液或丁苯橡胶乳液、具有粘性的有机高分子材料中的一种或两种以上任意比例混合物；
所述的涂膜浆料的无机粒子为微孔、中孔或大孔类沸石粒子、三氧化二铝、二氧化硅、氧化锆、氧化钛、氧化镁中的一种或两种以上任意比例混合物，无机粒子为粉末状，粒径分布均匀，范围为0.04～6.0μm；
所述的涂膜浆料的添加剂为水、甲醇、乙醇、异丙醇、环己烷、四氢呋喃的一种或两种以上任意比例混合物。
4.根据权利要求1所述的具有无机涂层的锌银电池复合隔膜，其特征在于：所述的有机高分子材料底膜为纤维素类无纺布、聚丙烯无纺布、聚酯无纺布或尼龙无纺布。
5.根据权利要求1所述的具有无机涂层的锌银电池复合隔膜，其特征在于：所述的涂膜浆料的固含量为2wt%～50wt%，其中无机粒子、粘合剂的质量比25:1～1:5。
6.一种权利要求1-5之一所述的具有无机涂层的锌银电池复合隔膜的制备方法，其特征在于：包括无机粒子的表面改性、涂膜浆料的制备、底膜表面涂膜、干燥、压制过程。
7.根据权利要求6所述的具有无机涂层的锌银电池复合隔膜的制备方法，其特征在于：所述的无机粒子的表面改性为经过硅烷偶联剂进行表面处理，硅烷偶联剂包括乙烯基硅烷、氨基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷的一种或两种以上任意比例混合物。
8.根据权利要求6所述的具有无机涂层的锌银电池复合隔膜的制备方法，其特征在于：所述的涂膜浆料的制备，将溶剂、粘合剂、无机粒子和添加剂混合，浆料的混合方式采用机械搅拌、球磨搅拌和超声处理方式中的一种或两种以上配合。
9.根据权利要求6所述的具有无机涂层的锌银电池复合隔膜的制备方法，其特征在于：所述的底膜表面涂膜工艺采用喷膜法、刮膜法、流延法、辊涂法中的一种或两种以上共用，在有机高分子材料底膜表面涂覆无机涂层。
10.根据权利要求6所述的具有无机涂层的锌银电池复合隔膜的制备方法，其特征在于：所述的底膜表面涂膜、干燥后，还包括压制工艺，在50℃～150℃下以10N/cm2～200N/cm2的压力对复合隔膜进行压制。
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