聚丙烯纖維在電池隔膜材料生產上的應用

丁大歡(云南農墾集團有限責任公司，云南 昆明 650051)

0 引言

長期以來，技術人員注重研究電池隔膜材料，通過多種防護，加強電池隔膜材料生產質量，優化產品性能，比如：磺化處理、等離子體處理、輻射接枝處理、表面活性劑處理等。在近幾年發展中，推廣應用聚丙烯纖維材料，能夠顯著提升產品效果。聚丙烯纖維質地輕、熔點低，耐堿性良好，因此被廣泛應用到紡織品、非紡織品領域。聚丙烯纖維制作電池隔膜，抗氧化性優勢顯著。聚丙烯纖維，由濕法工藝制成品技術，可以滿足設備特殊要求，所以聚丙烯纖維的應用仍然處于初步階段。

1 聚丙烯纖維材料特點

聚丙烯纖維材料，能夠應用到多個產業發展中，強度高、耐腐蝕性能強，且電絕緣性良好。材料密度約為0.9 g/cm3，屬于輕質化學纖維。聚丙烯纖維材料電阻率高，約為7×10 Ω·cm，導熱系數低。在電池隔膜材料應用中，能夠發揮出材料使用優勢，有助于提升電池隔膜材料生產質量[1]。

2 電池隔膜材料介紹

當前，我國電池產業發展進步大，并且形成成熟的工業體系，增長速度快。然而，高性能電池產業原材料，未實現國產化發展。電池隔膜材料，被稱為電池“第三級”，技術難度高，基本依賴進口。電池隔膜是電池重要組成，材料性能對電池容量、使用壽命的影響大。儲能工業、消費電子、新能源汽車領域發展，電池隔膜市場前景廣闊。電池隔膜材料、原料開發與研究，是高性能電池產業發展的重要問題。技術專家注重研究電池隔膜材料問題，確保其具備小孔徑優勢，孔徑分布窄，以此優化電池使用性能。

隔膜材料，是電池的重要組成，性能指標會極大影響電池質量、循環壽命、放電容量等。電池隔膜作用，是電池使用期間，隔離正負極，避免兩極間形成電子通路，允許電解液離子通過。不管哪種隔膜材料、基本技術要求都相同，比如耐化學腐蝕性、保持電解液能力，隔膜厚度均勻，孔徑、孔率基本相同。高性能電池品種開發，電池隔膜材料，多應用合成纖維、無機纖維原料。不同電池品種，隔膜材料選擇的差別較大，需要多種纖維混合抄造。電池無汞化、二次電池、自動化生產線，都對電池隔膜要求高。濕法工藝，原料適應范圍廣，產品均勻性強，可以實現多種纖維混合使用特點。所以多數纖維質電池隔膜，均應用濕法工藝生產[2]。

適應生產堿性電池隔膜，選擇聚丙烯、聚乙烯醇作為主體原料，具備良好的抗氧化性、耐堿性。聚酰胺纖維隔膜，是首次應用合成纖維生產隔膜，廣泛應用到堿性電池生產中，耐氧化、耐堿腐蝕力強。在分子結構中，包含酰胺基團，會與水形成氫鍵，吸堿性能良好。聚酰胺纖維充放電時，降解度高，化學穩定性不足，導致電池存在嚴重充放電現象，對電池壽命影響大。

聚丙烯纖維的耐堿性良好，能夠適應電池對隔膜性能的優勢。聚丙烯纖維制作隔膜，是氫鎳電池優選材料。聚丙烯材料的不足在于，分子不含親水基團，吸液、保液性差，所以作為電池原材料時，必須做好親水改性處理，以此滿足應用要求。氫鎳電池對隔膜的電解液吸收能力、存儲能力要求高，離子導通能力強，能夠控制正極氧氣傳輸[3]。

3 聚丙烯纖維電池隔膜

在電池隔膜材料中，親水改性屬于熱議話題。電池隔膜材料親水改性，對電池隔膜材料質量影響大。當前，電池隔膜材料親水改性中，涉及到較多技術方法，比如：表面活性劑處理、等離子體處理、磺化處理等。

3.1 制作方法

非織造工藝，均可以作為電池隔膜制作工藝。聚丙烯纖維制作電池隔膜，干法產品多為熱軋非織造布，具備良好機械強度。紡粘非織造布，具備良好機械強度，然而分布不均勻。熔噴非織造布，雖然質地密度大，但是強度不足。現代科學技術支持下，電池逐漸朝著小型化、高容量發展，降低隔膜面密度，且不會導致電池鍛煉，所以對隔膜厚度、面密度均勻性要求高。濕法非織造工藝，屬于優質制造方法[4]。

3.2 親水改性方法

親水改性方法比較多，比如輻射接枝處理法、等離子體處理法、表面活性劑處理法。經過表面活性劑處理，親水性效果不理想。應用濕法工藝加工時，表面活性劑溶解在水中。使用干法工藝制作織造布，之后處理電池隔膜，此時初期具備親水性，在充放電之后，表面活性劑溶解在電解液中，隔膜親水性不足。使用負荷接枝、等離子體、磺化處理電池隔膜，親水性良好，且永久性強。國外應用磺化工藝比較多，低壓等離子體處理工藝，可以應用到聚丙烯纖維電池隔膜制造中。

3.3 輻射接枝親水改性法

在聚丙烯纖維電池隔膜中，輻射接枝親水改性法應用比較多。該項技術應用接枝共聚反應，使用化學鍵方式，將親水性單體、聚烯烴纖維結合在一起，以此加強聚烯烴纖維親水性。60 Coγ射線，會引發接枝共聚反應，屬于重要輻射源，高能物理射線、紫外線優勢。比較分析不同輻射源可知，高能物理射線、紫外線的敷設穿透效果不佳，60 Coγ射線的接枝率高，且穿透力強，具備顯著應用效果。

輻射接枝親水改性法，按照輻射、接枝反應順序，可以劃分為預輻射法、共輻射法。其中，預輻射法主要是輻射聚丙烯，產生自由基，之后使用親水性單體，在反應容器內，與聚丙烯材料相混合，引發接枝反應。共輻射法，是混合聚丙烯、親水性單體后輻射。在輻射時，會產生接枝反應。通過試驗研究可知，應用預敷設接枝工藝，會損傷聚丙烯強度。接枝反應后，后續接枝技術工藝復雜。共敷設法輻射、接枝完成后，接枝工藝較為簡單[5]。

電池隔膜生產工藝，首先要加工聚丙烯纖維，使其成為非織造布，之后接枝改性。在纖維接枝后，加工為非織造布。部分學者研究非織造卷材接枝工藝，發現存在較多不合理問題。第一，非織造卷筒大小適宜，當卷筒較大時，則接枝容器大。接枝容器中，以接枝改性液為主，會增加運輸難度。第二，改性液不能均勻滲透到卷筒內部，當卷筒較大時，則不良問題比較多。卷筒內外層非織造布接枝差異不均勻，內層非織造布無接枝。第三，接枝后成卷產品，需要經過洗滌、堿處理、干燥設備，因此該種方法多處理平張產品。應用纖維接枝后，抄造電池隔膜工藝路線。改性后，纖維洗滌便利性強。按照常規方法，能夠生產卷筒產品，滿足電池小型化發展，符合配套隔膜材料要求[6]。

4 聚丙烯纖維在電池隔膜材料中的注意事項

通過相關分析可知，電池隔膜材料生產中，應用聚丙烯纖維材料的價值顯著。對于新的生產材料。盡管電池隔膜材料生產優勢強，然而生產過程的不良因素比較多，對電池隔膜材料生產質量、產品性能影響大。所以，在應用聚丙烯纖維時，必須關注到以下問題：合理控制聚丙烯纖維材料，防止纖維并絲、僵絲，此種問題多出現在國產聚丙烯纖維材料中，受到生產設備、技術工藝后，就會出現該類問題，已經成為電池隔膜材料生產的重要問題。國產聚丙烯纖維，只有部分廠家生產1 dtex長絲，短纖維細度為1.67 dtex。輻射親水改性后，接枝親水單體纖維增粗，生產低面密度電池隔膜時，孔徑比較大，隔膜隔離效果不佳，極易出現短路問題。在現代技術支持下，注重改善聚丙烯纖維性能，加強聚丙烯纖維的材料生產適應性，維護生產質量，加強產品性能，擴展聚丙烯纖維應用范圍。國外纖維原料，不僅滿足紡織需求，還需要滿足非織造布專用纖維、濕法非織造布纖維。國內生產電池隔膜材料時，主要應用聚乙烯醇縮甲醛纖維，性能指標不滿足濕法非織造布要求。國產聚丙烯纖維，作為電池隔膜原材料時，所面臨的問題與不足非常多。聚丙烯纖維，是電池隔膜原料，研發單位自主開展改性處理，工藝流程復雜，且生產能力不足，導致廢棄物處理問題也比較多。國內聚丙烯纖維研發企業，開發親水性聚丙烯纖維，優化改善聚丙烯纖維性能，加強技術工藝適應性[7]。

5 結語

綜上所述，在電池隔膜材料生產中，應用聚丙烯纖維的價值顯著，能夠促進行業發展，不斷提升產品應用有效性。然而在實際應用中，聯合聚丙烯纖維特點，分析材料不足與缺陷問題，聯合現代處理技術，持續優化聚丙烯纖維的應用工藝，以此展示出聚丙烯纖維應用優勢，加強電池隔膜產品應用性能。