CN105990036A - 一种机械强度高的超级电容器复合隔膜材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机械强度高的超级电容器复合隔膜材料，由下列重量份的原料制成：聚乙烯醇纤维35-40、聚丙烯纤维33-35、聚丙烯腈粉末10-13、丙酮30-32、N，N-二甲基甲酰胺72-75、70℃水溶PVA纤维8-10、水适量、碳酸钙13-15、玻璃纤维5-7、云母粉7-9、氧化聚乙烯蜡2-3、十二烷基苯磺酸钠1-1.2、水性聚氨酯乳液2-3、动物胶3-4、聚二甲基硅氧烷1-1.5。本发明还在非织造布的制备过程中添加了处理后的碳酸钙、玻璃纤维、云母粉等成分，均匀地分散在浆料中，能够进一步提高制成产品的机械强度，使得产品抗拉伸，不易断裂，是一种性能优异的超级电容器用复合隔膜材料。
Description
技术领域
本发明涉及电容器隔膜技术领域，尤其涉及一种机械强度高的超级电容器复合隔膜材料。
背景技术
超级电容器是一种极具市场竞争力的储能器，由于它可以实现快速充电、大电流放电，且具有10万次以上的充电寿命，在一些需要短时高倍率放电的应用中占有重要地位。混合动力汽车和电动汽车对动力电源的要求也引起了全世界范围内对超级电容器这一新型储能装置的广泛重视。在超级电容器的组成中，电极、电解液和隔膜纸对超级电容器的性能起着决定性的影响。目前超级电容器的电极和电解液是研究的热点，但是人们对于隔膜的研究和关注度并不高。
超级电容器的隔膜纸位于两个多孔化碳电极之间，与电极一起完全浸润在电解液中，在反复充放电过程中起到隔离的作用，阻止电子传导，防止两极间接触造成的内部短路。这就要求隔膜材料是电子的绝缘体，具有良好的隔离性能，并且其孔隙应尽可能小于电极表面活性物质的最小粒径。隔离性能较好的隔膜纸必须孔径小，这样可使电解液的流通性下降，电池充放电性能下降；而电解液浸透率较高，离子通过性好的隔膜材料往往孔隙较大较多，容易造成两极之间接触造成的内部短路。超级电容器最大的优势在于充放电速度快、可以大功率放电，因此，隔膜材料将向着厚度更薄、孔隙率更高、孔径更小且分布更均匀等高性能趋势发展。
目前用于超级电容器隔膜的材料主要有纤维素隔膜纸和传统电池隔膜，高性能隔膜纸制造技术困难，价格高昂；传统电池隔膜厚度较厚，孔隙率低，对电解液亲和性差，而静电纺纳米纤维膜制造技术简单，成本低，隔膜孔隙率高达90%，对电解液亲和性良好，但是缺点是强度不高。如果能将纤维素隔膜纸与静电纺丝纤维膜进行复合，取长补短，可以得到成本低、孔隙率高、强度大的复合隔膜材料。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种机械强度高的超级电容器复合隔膜材料。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种机械强度高的超级电容器复合隔膜材料，由下列重量份的原料制成：聚乙烯醇纤维35-40、聚丙烯纤维33-35、聚丙烯腈粉末10-13、丙酮30-32、N，N-二甲基甲酰胺72-75、70℃水溶PVA纤维8-10、水适量、碳酸钙13-15、玻璃纤维5-7、云母粉7-9、氧化聚乙烯蜡2-3、十二烷基苯磺酸钠1-1.2、水性聚氨酯乳液2-3、动物胶3-4、聚二甲基硅氧烷1-1.5。
根据权利要求书1所述一种机械强度高的超级电容器复合隔膜材料，由下列具体方法制备而成：
（1）将丙酮与N，N-二甲基甲酰胺在常温下混合均匀，加入聚丙烯腈粉末，以100转/分的速度在常温下搅拌3小时，形成聚丙烯腈纺丝溶液，在接收距离为20cm、电压为25kV、供液速率为1mL/h的条件下进行静电纺丝2小时，纺制出厚度为10μm的聚丙烯腈纳米纤维膜待用；
（2）将聚丙烯纤维与聚乙烯醇纤维混合，加入适量的水，放入打浆机中，按2%浓度进行分散成纤维悬浮液，加入70℃水溶PVA纤维，以1000转/分的速度边搅拌边加热至70℃，直至70℃水溶PVA纤维完全溶解形成混合悬浮液待用；
（3）将碳酸钙、玻璃纤维、云母粉放入球磨机中，先干磨60分钟后加入氧化聚乙烯蜡，加热至60℃，继续球磨40分钟后倒出；处理后的填料加入总量2倍量的水中，以600转/分的速度搅拌至分散均匀，加入十二烷基苯磺酸钠、水性聚氨酯乳液、动物胶以及除70℃水溶PVA纤维之外的其余剩余成分，继续搅拌30分钟后，喷雾干燥，得到增强填料；
（4）将步骤（2）中得到的混合悬浮液中加入步骤（3）得到的增强填料，继续加入适量的水，以600转/分的速度搅拌30分钟，形成上网浓度为0.1wt%的浆料，采用湿法成型工艺将上述浆料送入造纸机经网部及压榨部脱水成形，然后用电热鼓风干燥10分钟，再采用热压成形机以135℃的温度热压粘合得到非织造布基布待用；
（5）将步骤（1）得到的聚丙烯腈纳米纤维膜覆盖在步骤（4）得到的非织造布基布上面，通过135℃的热辊进行热压结合，冷却后剪切、包装得到本发明。
本发明的优点是：本发明首先将聚丙烯腈进行静电纺丝制成聚丙烯腈纳米纤维膜，然后利用聚乙烯醇纤维与聚丙烯纤维混合，采用湿法无纺布工艺制成非织造布，将两者通过热压的方式很好的粘合在一起，可以得到强度高、透气性好的性能，而且更好的控制了隔膜材料的孔径以及分布，使得孔径更小分布更均匀、孔隙率高，从而能够更好的浸透电解液，使得放电电流更均匀；同时添加70℃水溶PVA纤维作为增强剂，制成的复合隔膜材料还具有较好的抗张强度、化学稳定性，吸液保液性以及隔离性能。
本发明还在非织造布的制备过程中添加了处理后的碳酸钙、玻璃纤维、云母粉等成分，均匀地分散在浆料中，能够进一步提高制成产品的机械强度，使得产品抗拉伸，不易断裂；本发明在工艺采用浆内施胶，工艺简单便于控制，而且制成的隔膜纸致密、低电阻、机械强度高，是一种性能优异的超级电容器用复合隔膜材料。
具体实施方式
一种机械强度高的超级电容器复合隔膜材料，由下列重量份（公斤）的原料制成：聚乙烯醇纤维35、聚丙烯纤维33、聚丙烯腈粉末10、丙酮30、N，N二甲基甲酰胺72、70℃水溶PVA纤维8、水适量、碳酸钙13、玻璃纤维5、云母粉7、氧化聚乙烯蜡2、十二烷基苯磺酸钠1、水性聚氨酯乳液2、动物胶3、聚二甲基硅氧烷1。
根据权利要求书1所述一种机械强度高的超级电容器复合隔膜材料，由下列具体方法制备而成：
（1）将丙酮与N，N二甲基甲酰胺在常温下混合均匀，加入聚丙烯腈粉末，以100转/分的速度在常温下搅拌3小时，形成聚丙烯腈纺丝溶液，在接收距离为20cm、电压为25kV、供液速率为1mL/h的条件下进行静电纺丝2小时，纺制出厚度为10μm的聚丙烯腈纳米纤维膜待用；
（2）将聚丙烯纤维与聚乙烯醇纤维混合，加入适量的水，放入打浆机中，按2%浓度进行分散成纤维悬浮液，加入70℃水溶PVA纤维，以1000转/分的速度边搅拌边加热至70℃，直至70℃水溶PVA纤维完全溶解形成混合悬浮液待用；
（3）将碳酸钙、玻璃纤维、云母粉放入球磨机中，先干磨60分钟后加入氧化聚乙烯蜡，加热至60℃，继续球磨40分钟后倒出；处理后的填料加入总量2倍量的水中，以600转/分的速度搅拌至分散均匀，加入十二烷基苯磺酸钠、水性聚氨酯乳液、动物胶以及除70℃水溶PVA纤维之外的其余剩余成分，继续搅拌30分钟后，喷雾干燥，得到增强填料；
（4）将步骤（2）中得到的混合悬浮液中加入步骤（3）得到的增强填料，继续加入适量的水，以600转/分的速度搅拌30分钟，形成上网浓度为0.1wt%的浆料，采用湿法成型工艺将上述浆料送入造纸机经网部及压榨部脱水成形，然后用电热鼓风干燥10分钟，再采用热压成形机以135℃的温度热压粘合得到非织造布基布待用；
（5）将步骤（1）得到的聚丙烯腈纳米纤维膜覆盖在步骤（4）得到的非织造布基布上面，通过135℃的热辊进行热压结合，冷却后剪切、包装得到本发明。
通过对本实施例隔膜材料进行测试，厚度为45μm，平均孔径为0.19μm，孔隙率为59%，吸液率为579%，110℃下热收缩率小于1%，150℃下热收缩率小于1%。
Claims (2)
1.一种机械强度高的超级电容器复合隔膜材料，其特征在于，由下列重量份的原料制成：聚乙烯醇纤维35-40、聚丙烯纤维33-35、聚丙烯腈粉末10-13、丙酮30-32、N，N-二甲基甲酰胺72-75、70℃水溶PVA纤维8-10、水适量、碳酸钙13-15、玻璃纤维5-7、云母粉7-9、氧化聚乙烯蜡2-3、十二烷基苯磺酸钠1-1.2、水性聚氨酯乳液2-3、动物胶3-4、聚二甲基硅氧烷1-1.5。
2.根据权利要求书1所述一种机械强度高的超级电容器复合隔膜材料，其特征在于，由下列具体方法制备而成：
（1）将丙酮与N，N-二甲基甲酰胺在常温下混合均匀，加入聚丙烯腈粉末，以100转/分的速度在常温下搅拌3小时，形成聚丙烯腈纺丝溶液，在接收距离为20cm、电压为25kV、供液速率为1mL/h的条件下进行静电纺丝2小时，纺制出厚度为10μm的聚丙烯腈纳米纤维膜待用；
（2）将聚丙烯纤维与聚乙烯醇纤维混合，加入适量的水，放入打浆机中，按2%浓度进行分散成纤维悬浮液，加入70℃水溶PVA纤维，以1000转/分的速度边搅拌边加热至70℃，直至70℃水溶PVA纤维完全溶解形成混合悬浮液待用；
（3）将碳酸钙、玻璃纤维、云母粉放入球磨机中，先干磨60分钟后加入氧化聚乙烯蜡，加热至60℃，继续球磨40分钟后倒出；处理后的填料加入总量2倍量的水中，以600转/分的速度搅拌至分散均匀，加入十二烷基苯磺酸钠、水性聚氨酯乳液、动物胶以及除70℃水溶PVA纤维之外的其余剩余成分，继续搅拌30分钟后，喷雾干燥，得到增强填料；
（4）将步骤（2）中得到的混合悬浮液中加入步骤（3）得到的增强填料，继续加入适量的水，以600转/分的速度搅拌30分钟，形成上网浓度为0.1wt%的浆料，采用湿法成型工艺将上述浆料送入造纸机经网部及压榨部脱水成形，然后用电热鼓风干燥10分钟，再采用热压成形机以135℃的温度热压粘合得到非织造布基布待用；
（5）将步骤（1）得到的聚丙烯腈纳米纤维膜覆盖在步骤（4）得到的非织造布基布上面，通过135℃的热辊进行热压结合，冷却后剪切、包装得到本发明。
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