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镍氢电池由于其高性价比和绿色环保的特点而倍受关注。隔膜是镍氢电池的重要组成材料之一,被称为镍氢电池的“第三电极”,其性能直接影响镍氢电池的性能。聚丙烯隔膜具有化学稳定性高、比电阻小、透气性好、成本低等优点,是最常用的镍氢电池隔膜。但聚丙烯亲水性差,导致隔膜的电解液吸液速率和保液率差,严重影响了镍氢电池的性能。
本文采用接枝丙烯酸的方法对聚丙烯隔膜进行亲水改性。探讨了三种实验方案亲水改性的效果,实验结果表明:紫外诱导接枝聚合法和高聚物固定引发剂引发接枝聚合均不能达到改善聚丙烯隔膜亲水性能的目的;强氧化剂预处理——氧化还原引发接枝聚合法是一种有效的方法,接枝率2.82％改性隔膜对去离子水的接触角由基膜的102.1°下降至12.7°,这表明通过接枝丙烯酸可有效改善PP隔膜的亲水性能。
考察了强氧化剂预处理——氧化还原引发接枝聚合法中各反应条件对改性隔膜接枝率的影响。过硫酸钾预处理阶段通过羟基化隔膜表面羟基数量影响改性隔膜接枝率,接枝聚合阶段通过丙烯酸接枝链段数量和聚合度影响改性隔膜接枝率。考察反应条件对改性隔膜接枝率的影响,改性隔膜接枝率随过硫酸钾浓度和反应温度的升高呈先升高后降低的趋势,随处理时间的延长而先升高后趋于稳定,随接枝反应条件的升高或延长均呈现先升高后降低的趋势。当过硫酸钾浓度10％、十二烷基硫酸钠0.2％、处理温度90℃、处理时间2h;丙烯酸浓度5％、硝酸铈铵2.0×10-3mol/L、反应温度75℃、反应时间4h时,改性隔膜的接枝率最高,为14.5％。改性隔膜SEM照片表明己成功将丙烯酸接枝到PP隔膜纤维表面,而且接枝率过高会破坏隔膜孔道结构。PP隔膜接枝丙烯酸前后的红外光谱分析也表明丙烯酸已被接枝到PP隔膜表面,改性隔膜的IR谱图中出现了1557cm-1处的羧酸盐官能团特征吸收峰和1712cm-1处的C=O伸缩振动峰。
改性隔膜接枝率对其理化性质有明显影响。接枝率小于6.87％改性隔膜的厚度、面密度、拉伸强度和透气性可满足隔膜应用要求。改性隔膜接触角随接枝率的升高呈先减小后增大,表面自由能随接枝率的变化与之相反。接枝率4.10％改性隔膜对去离子水和KOH水溶液(比重1.30)的接触角最小,分别为0°和23.9°,表面自由能最大,为71.2mN·m-1;即其亲水性最好,故电解液吸液速率和保液率最高。电化学测试结果表明:接枝率2.82％改性隔膜的离子电导率最高,接枝率4.10％改性隔膜次之。将改性隔膜组装成5号镍氢电池进行电池性能测试,接枝率4.10％改性隔膜制成电池的容量最高,放电平台稳定,循环性能最好。
综上所述,接枝率4.10％改性隔膜的综合性能最好,并有效提升了镍氢电池的充放电性能和循环寿命。