提高了电性和机械性能的铅酸电池隔离膜制造技术

一种具有高强度机械性能和低电阻率性质的抗氧化的，微孔聚烯烃网是一种包括超高分子量聚烯烃组分和脆性沉淀二氧化硅组分的固体基体。该超高分子量聚烯烃组分使网具有高强度的机械性能。脆性沉淀二氧化硅组分降解成基本的分散的二氧化硅聚集体分散在整个的微孔网中以使在电解液的存在下具有低电阻率。在另一个具体实施例中，聚乙烯网包括抗氧化剂涂层，它是在萃取了大部分工艺油后应用到隔离膜网上，并且将隔离膜孔中的萃取液干燥。所得到的抗氧化剂“护套”通过抑制聚乙烯降解保护聚乙烯隔离膜的机械性能完整。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本申请涉及应用在铅酸电池中的电池隔离膜，特别是，涉及一种包括超高分子量聚烯烃和脆性沉淀二氧化硅组分的隔离膜，该二种组分的含量同时提高电阻率，抗氧化能力，和抗穿孔强度。
技术介绍
重组电池和溢流电池(flooded cell)是商业上应用的两类不同类型的铅酸电池设计。这两类电池都包括相邻的正极和负极，由一多孔的电池隔离膜将正极和负极彼此分开。这个多孔的电池隔离膜阻止相邻的两电极发生物理接触并提供存储电解液的空间。这种隔离膜是由具有足够多的多孔材料组成的以使电解液存储在该隔离膜材料的孔中，由此使离子流在相邻的正极板和负极板之间流动。VRLA电池是一类重组电池，典型地包括一种由微量玻璃纤维组成的吸附玻璃垫(AGM)隔离膜。尽管AGM隔离膜具有高多孔性和均匀的电解液分布，但是它们无法控制氧运输速率或重组过程。而且，AGM隔离膜具有低的抗穿孔强度，这对于在高震动环境中使用这种VRLA电池极为不利，比如在汽车内。抗击穿强度低由于两个原因而带来问题(1)短路影响范围提高，和(2)由于AGM薄片易碎提高了生产费用。生产提高了隔离膜抗击穿强度和氧重组的VRLA电池的一种方法是使用具有胶质电解液设计的聚乙烯隔离膜。该电池包括硫酸电解液和形成三维凝胶的交联二氧化硅颗粒。溢流电池是第二类的铅酸电池，只有少部分的电解液被吸收到隔离膜中。溢流电池隔离膜典型地包括多孔的纤维素衍生物，聚氯乙烯，有机橡胶，和聚烯烃。特别是，通常使用微孔的聚乙烯隔离膜因为它们具有超细孔径，该超细孔径抑制树枝状的生长而同时具有电阻率低，抗氧化能力好，和极佳的弹性。这些特性有利于将电池密封在袋中或包络结构中。所以，绝大多数溢流铅酸电池包括聚乙烯隔离膜。所用术语“聚乙烯隔离膜”有些不准确因为这些微孔隔离膜需要大量的沉淀二氧化硅以使它具有足够的酸润湿性。在隔离膜中二氧化硅所占的体积部分及其分布通常控制它的电性，而在隔离膜中聚乙烯所占的体积部分和聚乙烯的取向通常控制它的机械性质。绝大多数类型的商业用的沉淀二氧化硅是以收到状态为基准的独立颗粒的粉末，颗粒的直径在约5-50微米范围内。如图1所示，二氧化硅颗粒10是由多个互相连接的二氧化硅聚集体20组成，其中每一个二氧化硅聚集体的直径约0.1到约0.2微米。每个单独的二氧化硅聚集体20是由多个共价连接的初级颗粒30组成，每一个初级颗粒的直径约为20nm。二氧化硅颗粒10的多孔性是由二氧化硅聚集体20之间和之内的缝隙产生的。二氧化硅聚集体20之间氢化程度和/或共价键的程度决定商业上应用的沉淀二氧化硅的脆性。二氧化硅聚集体20之间的氢化量和/或共价键含量受用于商业上应用的沉淀二氧化硅生产过程中使用的沉淀过程和干燥过程的影响商业上应用的二氧化硅主要与聚烯烃，工艺油和各种小组分结合以形成隔离膜混合物，该混合物在高温下经过一个狭缝模具被挤压形成充油的薄片。该充油薄片被砑光机砑光成所需的厚度和形状，多数的工艺油被排走。该薄片被干燥以形成微孔聚烯烃隔离膜，并被切割成特定电池形状的合适宽度。在电池生产过程中，将隔离膜放入形成“包络”的机器中，通过切断隔离膜材料并将其边缘密封以便于能够插入电极形成电极组件。电极组件叠排以便于隔离膜充当正极与负极间的物理空间和电绝缘体。然后将电解液加入到组合电池中以利于离子在电池内导电。含在隔离膜内的聚烯烃的主要目的是(1)使多聚体基体具有机械完整性以便于隔离膜能够在较高的速度下被包络。(2)阻止在电池装配或工作过程中栅丝孔穿。所以，疏水性的聚烯烃优选具有一个分子量，能够提供足够的分子链缠结以形成具有高抗击穿强度的多孔网。亲水的二氧化硅主要目的是用于提高隔离膜网的酸润湿性，从而降低隔离膜的电阻率。没有二氧化硅，硫酸不能润湿疏水性的网，离子运输就不会发生，从而导致电池无法工作。所以隔离膜的二氧化硅组分典型地占隔离膜约60％和约80％之间重量，即隔离膜的二氧化硅与聚烯烃重量比为介于约2.7∶1和约3.5∶1之间。需要大量的二氧化硅的一个原因是在挤压过程中二氧化硅颗粒不能全部降解成单独的聚集体，从而在整个隔离膜网上二氧化硅分散不充分。相对于稳定机械完整性的聚烯烃的含量来说，提高网中二氧化硅的含量导致电阻率降低是以抗击穿强度降低为代价而获得的。为了适应商业需要提高抗击穿强度，一些隔离膜生产商试图降低聚乙烯隔离膜中二氧化硅的浓度。但是，这样提高了电阻率，这是不希望的。而且，这些隔离膜的酸润湿性显示不足。提高低浓度二氧化硅隔离膜的酸润湿性的方法包括应用具有亲水和疏水的两性表面活化剂在网上涂层。尽管表面活化剂成功地提高了隔离膜的酸润湿性并降低了隔离膜的电阻率，但是表面活化剂与电池中可溶性的氧化铅络合并降解为干扰电池工作的黑色浮渣。而且，应用表面活化剂明显增加了额外的加工费用。因此渴望生产一种节约费用的微孔的聚乙烯隔离膜，该隔离膜含有一种能提高抗击穿强度和高抗氧化强度并同时保持低电阻率的重要的组分。一个有关的但独立的考虑包括在隔离膜中加入抗氧化剂。将抗氧化剂加入到聚乙烯隔离膜中以阻止聚乙烯在加工和使用中降解从而保护隔离膜的机械性能完整。在挤压之前将这些抗氧化剂典型地加入到聚合物基体系统中以降低在挤压过程中的氧化作用和分子量下降。在很多情况下已发现绝大多数被添加的抗氧化剂物质经溶剂萃取后没有存在于隔离膜的网上。事实上，只有约20％到约30％的起始抗氧化剂浓度存在于最终的隔离膜内。这种大量的流失发生在从隔离膜网上溶剂萃取工艺油的过程中。此外，有些抗氧化剂在挤压和萃取的过程中受热分解。因此还渴望生产一种微孔聚乙烯电池隔离膜，它能在整个网上更有效的保持和分布抗氧化剂。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种微孔聚乙烯网，含有一种重要的同时提高电阻率，抗氧化强度和击穿强度的组分。应用本专利技术也能在整个加工过程中保持微孔聚乙烯网的抗氧化剂浓度。本专利技术是一种抗氧化的，微孔聚烯烃网，它具有高强度的机械性能和低的电阻率的特性。该微孔聚乙烯网含有一种固体基体，该基体包括一种超高分子量的聚烯烃组分，一种脆性沉淀二氧化硅组分，和使聚合体相成塑的残余工艺油。超高分子量的聚烯烃组分使网具有高强度的机械性能。脆性沉淀二氧化硅组分被分解为基本的分散的二氧化硅聚集体分散在整个微孔网上以在电解液存在下保持低电阻率。成为隔离膜的本专利技术微孔聚乙烯网含有一组分窗，由脆性的，高分散的沉淀二氧化硅对聚乙烯的重量比限定，该重量比足以提供高抗穿孔强度和高抗氧化强度而同时保持低的电阻率。使用脆性的，高分散的二氧化硅能够生产具有二氧化硅对聚乙烯重量比为约1.8∶1到约2.7∶1的隔离膜。优选的脆性二氧化硅组分是Web-37TM，由位于Pittsburgh，PA的PPG Industries Inc出售。优选的聚烯烃组分是超高分子量的聚乙烯。在另一个优选的实施例中，聚乙烯网包括抗氧化剂涂层，它是在萃取了大部分工艺油后应用到隔离膜网上，并且将隔离膜孔中的萃取液干燥之后。所得到的抗氧化剂“护套”通过抑制聚乙烯降解保护聚乙烯隔离膜的机械性能完整。本专利技术的其它方面和优点将从下面优选实施例的详细描述中显而易见，将结合附图进行说明。附图说明图1是沉淀二氧化硅的三级结构的示意图，表示出一级颗粒，聚集体，和较大的得到的颗粒。图2是现有技术隔离膜的示意图，包括未分散的二氧化硅颗粒和具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有高强度机械性能和低电阻率性质的抗氧化的，微孔聚烯烃网，包括：含有超高分子量聚烯烃组分和脆性沉淀二氧化硅组分的固体基体，该超高分子量聚烯烃组分的特征是其分子量提供足够的分子链缠结以形成具有高强度的机械性能的微孔网，并且该脆性沉淀二氧化硅组分降解成基本的分散的二氧化硅聚集体分散在整个的微孔网中以使在电解液的存在下具有低电阻率。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：RW派考洛，
申请(专利权)人：恩泰克国际有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]