董 震 丁志荣 董文曼 (南通大学，南通，226007)

基于超吸水纤维的电池隔膜的性能研究

董 震 丁志荣 董文曼 (南通大学，南通，226007)

介绍了电池隔膜性能的分析方法;研究了超吸水纤维(SAF)含量与电池隔膜的吸液、保液及导水性能的关系。结果表明:随着SAF含量的增加，隔膜的吸液和保液能力提高，但导水能力下降;适当控制SAF含量，可以使电池隔膜的性能达到比较理想的效果。

超吸水纤维，电池隔膜，性能

电池主要由正极、负极、电解液和电池隔膜四个部分组成，其中电池隔膜是电池的重要组成部分。电池隔膜位于正负电极之间，其作用是隔离正负极，防止两极活性物质直接接触而造成电池内部短路。隔膜在电池放电过程中还起着离子迁移介质的作用，其材料选用和设计是决定电池内阻的重要因素之一。碱性电池隔膜的材料一般选用丙纶(PP纤维)或改性丙纶，通过非织造的加工工艺制成。

丙烯酸共聚超吸水纤维(SAF)具有极强的吸水锁水能力［1-2]，是电池隔膜的理想材料之一。为了兼顾隔膜的可加工性及导水性能，采用SAF/PP/ES纤维混合，通过开松—混合—梳理—气流成网—热轧的加工工艺［3-4]制取基于SAF的非织造电池隔膜材料。本试验制得组成比例(质量分数)不同的三种隔膜材料，其ES纤维均为10%，SAF分别为10%，20%和30%，其余为PP纤维。为了了解隔膜材料的应用效果，研究了隔膜的吸液、保液和导水能力，为其实际应用提供理论依据。

1 电池隔膜的性能测试

1.1 吸液性能的测试方法

电池隔膜的吸液性能反映了电池表面的润湿性，吸液能力越强，离子通过时的阻力越小，即电池内阻越小。试验时参照南通江潮纤维制品有限公司Q/320683KDW01—2007《超吸水纤维吸液倍率的测试方法》企业标准及SJ/10171.7—1991《隔膜吸碱率的测定》行业标准的方法，隔膜的吸液能力以吸液倍率Q表达。取40 mm×40 mm电池隔膜试样，称重;在恒温水中浸泡30 min后夹住试样一角，悬空(30±2)s后称重。电池隔膜吸液倍率Q的计算式:

式中:G1——浸液前试样的质量(g);

G2——浸液后试样的质量(g)。

1.2 保液能力的测试方法

电池隔膜的保液性能反映了隔膜保持及锁住电池溶液的能力，以失水速率R来表达。R越小，说明隔膜锁水能力越强，离子通过时阻力越小，即电池内阻越小。取40 mm×40 mm电池隔膜试样，在27℃的水中浸泡30 min后称重，再在一定温度的干燥环境下烘燥30 min后称重。失水速率R的计算式:

式中:m1——试样烘前的质量(g);

m2——试样烘后的质量(g);

s——试样面积(m2);

t——烘燥时间(min)。

1.3 导水性能的测试方法

隔膜的导水性能反映了水分沿着电池隔膜表面快速均匀扩散的能力，也是反映电池内阻的指标之一，电池的导水性能以芯吸高度H表达。H越大，越有利于电池溶液在隔膜表面的均匀分布，从而有利于降低电池内阻。测试依据FZ/T 01071—2008《毛细效应试验方法》标准，取 250 mm×30 mm电池隔膜试样，测试30 min时液体沿试样表面上升的高度H(mm)。

2 结果与分析

2.1 SAF对电池隔膜吸液能力的影响

分别测试SAF质量分数为10%、20%和30%的三种电池隔膜的吸液倍率。由于电池在实际应用过程中温度变化较大，为模拟应用环境，分别在27、60和90℃三种温度下测试其吸液倍率，结果见图1。

图1 吸液温度对电池隔膜吸液倍率的影响

由图1可以看出，随着吸液温度的升高，电池隔膜吸液倍率均呈现逐渐增加的趋势。这是由于随着温度增高，水分子热运动能力逐渐增强，更容易进入纤维之间和纤维内部，故纤维集合体的吸液倍率逐渐升高。但由于SAF的吸水溶胀过程是放热过程，水温的升高会抑制放热从而限制其吸水，所以温度对吸液的促进作用是有限的。由图1还可以看出，SAF含量越高，隔膜材料的吸液能力越好，表明SAF可显著增强电池隔膜的吸液能力。

2.2 SAF对电池隔膜保液能力的影响

电池隔膜的保液能力以一定温度下的失水速率来表达。图2是SAF质量分数分别为10%、20%和30%的三种电池隔膜，在27、60和90℃的恒温条件下的失水速率。由图2可以看出，随温度的升高，电池隔膜的失水速率逐渐升高，即电池隔膜的保液能力随环境温度的升高而降低。这是由于随着温度的升高，水分子动能增加，锁在SAF内部及纤维集合体内纤维之间的水分子的动能也变大，水分的挥发量增加。试验发现，SAF含量越高的隔膜材料，其失水速率越低，显示了SAF具有比其他纤维更出色的锁水性能。

图2 失水速率随烘干温度的变化

2.3 SAF对电池隔膜芯吸高度的影响

取SAF质量分数为10%、20%和30%的三种电池隔膜，分别在27、60和90℃的恒温条件下，测其溶液的芯吸高度，结果见图3。由图3可以看出，溶液温度越高，电池隔膜的芯吸高度越大。这是由于溶液温度升高后，水分子动能增加，沿隔膜表面的扩散速度增加。试验发现，SAF含量越高，试样的芯吸速度越低。这是因为SAF的锁水能力较强，水分沿着纤维表面的扩散速度比较慢。这一现象对离子沿着电池隔膜快速均匀传导是不利的，会提高电池内阻，所以在选用SAF作为电池隔膜纤维组分时需控制SAF含量，实际生产中取SAF质量分数为20%。

图3 溶液温度对电池隔膜芯吸高度的影响

3 结论

由以上试验结果可以得出:

(1)SAF的含量越高，隔膜吸液能力越好，隔膜锁水能力越强，隔膜的导水速度越慢。

(2)电池内使用温度越高，隔膜的吸液能力越高，隔膜的保液能力越低，隔膜的导水性能越好。

［1]董震，丁志荣，辛三法，等.超吸水纤维的化学性能研究［J].产业用纺织品，2009，27(8):19-21.

［2]董震，丁志荣，辛三法，等.超吸水纤维的热湿性能［J].纺织学报，2009，30(7):23-26.

［3]倪冰选，焦晓宁.电池隔膜用聚丙烯非织造布改性研究［J].非织造布，2008(6):17-19.

［4]汤人望，李红祝，王虹，等.聚丙烯纤维在电池隔膜材料生产上的应用［J].产业用纺织品，2007，25(1):24-25.

Research on performance of battery separator based on SAF

Dong Zhen，Ding Zhirong and Dong Wenman (Nantong University)

Analysis method of battery separator was introduced，and the relationship between SAF content and other properties including absorption，liquid-lock and conductivity performance was studied.The results showed that with the increase of SAF content，absorption and liquid-lock performance of battery separator enhanced，and its water conductivity went down.With SAF content being controlled properly，comprehensive performance of battery separator could be in ideal effect.

SAF，battery separator，performance

TS176.5

A

1004－7093(2010)11－0022－03

2010－07－12

董震，男，1978年生，讲师。主要研究方向是纺织新材料及纺织品设计。