НЕТКАНЫЙ МИКРОПОРИСТЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СЕПАРАТОРОВ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ

НЕТКАНЫЙ МИКРОПОРИСТЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СЕПАРАТОРОВ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ


RU (11) 2307428 (13) C2

(51) МПК
H01M 2/16 (2006.01) 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 13.11.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(21) Заявка: 2003131003/09 
(22) Дата подачи заявки: 2003.10.21 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2003.10.21 
(45) Опубликовано: 2007.09.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: SU 1781737 A1, 15.12.1992. RU 95108510 A1, 27.04.1997. RU 93008081 А, 10.03.1995. RU 2098879 C1, 10.12.1997. US 5962161 А, 05.10.1999. US 4137379 A, 30.01.1979. 
(72) Автор(ы): Захарьян Арам Арташесович (RU); Садовский Богдан Феодосиевич (RU); Будыка Александр Константинович (RU); Филатов Юрий Николаевич (RU); Саакян Сурен Григорьевич (RU) 
(73) Патентообладатель(и): ООО "Нанотехнологические материалы БАЛТИКА" (RU); Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова (RU) 
Адрес для переписки: 197110, Санкт-Петербург, ул. Пионерская, 63, ООО "Нанотехнологические материалы БАЛТИКА" 

(54) НЕТКАНЫЙ МИКРОПОРИСТЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СЕПАРАТОРОВ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к материалам, используемым в качестве межэлектродных сепараторов в химических источниках тока и аккумуляторах электрической энергии. Предложен нетканый микропористый материал для сепараторов щелочных химических источников тока из ультратонкого полисульфонового волокна с диаметром пор не более 6 мкм и поверхностной плотностью 26-39 г/м2. Описан способ получения такого материала путем электроформования ультратонких полисульфоновых волокон, их прессования с последующей обработкой поверхностно-активным веществом. Техническим результатом изобретения является получение материала с высокой влаго- и щелочевпитываемостью, с низким электросопротивлением и высокой химической стойкостью. 2 н. и 2 з.п. ф-лы.




ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к материалам, используемым в качестве межэлектродных сепараторов в химических источниках тока и аккумуляторах электрической энергии.

Известны пленочные сепараторы, содержащие эластомеры, выбранные из группы сополимеров акрилонитрила с бутадиен-стиролом, полиэфиров и группы поливинилиденфторида, и его сополимеры, полиметилметакрилат, поливинилхлорид, имеющие пористость 30-95% и диаметр пор 0,1-5 мкм (US 6274276, 14.08.2001).

Однако электросопротивление аккумулятора с такой пористой мембраной оказывается высокой.

Для повышения удельной объемной электрической емкости и снижения электрического сопротивления используются сепараторы, изготовленные из тонких полимерных волокон.

Так, например, известны материалы для сепараторов из волокон полистирола, полиолефина, поликарбоната с диаметром волокна 0,05-20 мкм и средним диаметром пор 0,5-15 мкм (US 4137379, 30.01.1979).

Известен также материал для сепараторов из ультратонких полипропиленовых волокон, где 10% волокон имеют диаметр меньше 1 мкм, а большинство волокон с диаметром, меньше или равным 5 мкм, при этом пористость материала составляет около 90% (US 5962161, 05.10.1999).

Недостатком таких материалов является низкая стойкость к прорастанию дендритов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является волокнистый нетканый материал для сепараторов щелочных аккумуляторов из полиарилсульфона, полученный путем электроформования волокон диаметром 0,6-2 мкм, и характеризующихся диаметром пор 2-3 мкм (RU 95108510 A1, 27.04.1997).

Однако известный материал имеет высокие значения электропроводности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является также способ получения нетканого волокнистого материала для сепараторов, включающий формование волокон полисульфона и обработку волокна пропиточной композицией, содержащий (мас.%): поверхностно-активное вещество 0,2-1,0; фенилглицин 0,5-1,5; растворитель 97,5-99,3, причем обработку пропиточной композицией проводят при 60-70°С в течение 3-20 мин (RU 1781737, 15.12.1992).

Данный способ малопроизводителен из-за длительной обработки, дорог, а электрическое сопротивление получаемого сепаратора велико.

Задачей настоящего изобретения является разработка микропористого материала для сепараторов щелочных химических источников тока, способных выдерживать большое колличество циклов «заряд-разряд», имеющего высокую щелочевпитываемость, низкое электросопротивление, а также разработка способа получения этого материала.

Поставленная задача решается описываемым нетканым микропористым материалом для сепараторов щелочных аккумуляторов, который выполнен трехслойным: внутренний слой состоит из волокон с диаметром 0,3-3,0 мкм, а наружные слои из волокон с диаметром 4-8 мкм, при этом поверхностная плотность составляет 26-39 г/м 2. Полученный материал имеет поверхностную плотность 26-34 г/м2, сопротивление потоку воздуха не менее 12 Па при скорости потока 1 см/с, диаметр пор не более 6 мкм, щелочевпитываемость не менее 150%, электросопротивление не более 0,05 Ом·см-1, прочность на разрыв не менее 0,5 кгс.

Поставленная задача решается также описываемым способом получения нетканого материала для сепараторов щелочных аккумуляторов, включающий электроформование тонковолокнистого материала из раствора полисульфона в органическом растворителе, при этом материал изготавливают трехслойным: внутренний слой из волокон с диаметром 0,3-3,0 мкм, а наружные слои из проклеенных между собой волокон диаметром 4-8 мкм, прессование осуществляют до толщины материала 40-60 мкм, с последующим прессованием этого материала под давлением и пропиткой поверхностно-активным веществом.

Как правило, электроформование ведут из раствора полисульфона в растворителе, выбранном из ряда: дихлорэтан, этилацетат, бутилацетат, циклогексанон или их смеси в количестве до 90%.

Предпочтительно прессование проводят под давлением проводят 200-400 кг/см 2 при температуре 20-25°С до толщины материала 40-60 мкм.

Ниже приведены примеры получения заявленного материала и его характеристики.

Пример

Приготавливают 13% раствор полисульфона в дихлорэтане с добавкой 1% циклогексанона.

Полученный прядильный раствор подают к капиллярам различного гидродинамического сопротивления установки электроформования волокон и ведут процесс со следующим параметрам:

разность потенциалов 120 кВ 
расстояние между электродами 30 см 
объемный расход на один капилляр 3·10 -3 см3/с 


Из волокон диаметром 0,9-1,1 мкм формируют внутренний слой с поверхностной плотностью 10 г/см2. Из волокон диаметром 4,0-5,0 мкм формируют проклеенные слои с поверхностной плотностью 9 г/см2. При этом общая поверхностаная плотность материала составляет 28 г/см2 .

Затем материал прессуют под давлением 250 кг/см 2 при температуре 25°С до толщины 50 мкм и смачивают водным раствором поверхностно-активного вещества ОП-10 с концентрацией 5 г/л с последующей сушкой при нормальной температуре.

Полученный сепарационный материал типа ФПСФ-6С имеет следующие характеристики:

диаметр пор 5 мкм 
щелочевпитываемость 155% 
электросопротивление 0,045 Ом·см2 
разрывная нагрузка 0,6 кгс 


Аналогично представленному выше примеру получены материалы во всем интервале заявленных параметров.

Использование полученных сепарационных материалов в щелочных аккумуляторах обеспечивает до 1000 циклов «заряд-разряд» до замыкания. Имеют щелочевпитываемость в 2 раза выше, а электросопротивление в 2,5 раза ниже, чем у прототипа.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


1. Нетканый микропористый материал для сепараторов щелочных химических источников тока, выполненный из ультратонкого полисульфонового волокна, отличающийся тем, что он содержит три слоя, при этом внутренний слой образован из волокон диаметром 0,3-3 мкм, наружные слои из проклеенных между собой волокон диаметром 4-8 мкм, при этом он имеет диаметр пор не более 6 мкм и поверхностную плотность 26-39 г/м2.

2. Нетканый материал по п.1, отличающийся тем, что он имеет щелочевпитываемость не менее 150%, электросопротивление не более 0,05 Ом·см 2.

3. Способ получения нетканого микропористого материала для сепараторов щелочных химических источников тока из полисульфоновых волокон путем обработки волокнистого полимерного материала пропиточным поверхностно-активным материалом, отличающийся тем, что электроформование ультратонких волокон ведут из раствора полисульфона в органическом растворителе, материал изготавливают трехслойным, где внутренний слой образован из волокон с диаметром 0,3-3,0 мкм, наружные слои из проклеенных между собой волокон диаметром 4-8 мкм, после чего материал прессуют до толщины 40-60 мкм и осуществляют его пропитку.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что формование ведут из раствора полисульфона в органическом растворителе, выбранном из ряда: дихлорэтан, этилацетат, бутилацетат, циклогексанон или их смеси.