Сепаратор

Рассматривая устройство любого аккумулятора невозможно определить: что же является главным элементом?. Каждая составляющая любого устройства выполняет определённую функцию, поэтому по этой причине нельзя назвать сепаратор главным. Рассмотрим более подробно этот элемент конструкции аккумулятора.

Сепараторы

Сепараторы — пористые полимерные перегородки, служат для физического разделения разнополярных электродов, предотвращая их прямой контакт. Наряду с функцией разделителя, фиксирующего межэлектродное расстояние,они создают определенный запас кислоты в аккумуляторе, препятствуют чрезмерному разбуханию отрицательных электродов, уменьшают «оплывание» положительной активной массы.

Поэтому сепараторы в свинцовых АКБ играют существенную роль, влияя как на их срок службы, так и на электрические параметры. Не случайно сепараторы, особенно для герметизированных батарей, называют четвертым активным материалом.

Сепараторы должны отвечать следующим требованиям: высокая химическая стойкость, достаточная механическая прочность и эластичность, минимальное электрическое сопротивление, постоянство свойств и минимальная гигроскопичность при хранении, высокая смачиваемость электролитом, минимальная усадка при повышенных температурах, наличие пор возможно малого диаметра с максимальной извилистостью, доступность и дешевизна исходного сырья, минимальное содержание примесей в сырье (хлор, железо, органика).

Аккумулятор в разрезе

Удовлетворительная смачиваемость (способность пропитываться электролитом) обеспечивается обработкой сепараторов растворами поверхностно-активных веществ (ПАВ). В ряде случаев ПАВ вводится в композиционный состав полимера. Наиболее подходящим смачивателем для поливинилхлоридных и полиэтиленовых сепараторов оказался сульфонол (ГОСТ 12389-66).

Влияние сепараторов на емкость аккумуляторов определяется общим запасом кислоты в их порах, условиями доступа электролита к электродам, электрическим сопротивлением.

Располагаясь между электродами, сепараторы создают внутри аккумулятора дополнительное внутреннее сопротивление. По данным различных авторов доля внутреннего сопротивления батареи, приходящаяся на сепараторы, колеблется от 15 до 30%.

Чтобы уменьшить потери напряжения на преодоление внутреннего сопротивления и повысить один из основных показателей аккумулятора — начальное разрядное напряжение, необходимо иметь сепаратор с возможно низким электросопротивлением.

Другим фактором, обуславливающим требование к малому сопротивлению сепаратора, является сохранение работоспособности батареи при низких температурах. При понижении температуры электролита изменение его удельного электрического сопротивления происходит нелинейно, поэтому преимущество сепаратора с низким сопротивлением тем значительнее, чем выше ток разряда и ниже температура электролита.

Относительное сопротивление сепаратора выражается через эквивалентный слой, то есть толщину слоя электролита, имеющего электрическое сопротивление, равное электрическому сопротивлению этого элемента акб, пропитанного таким электролитом.

Эквивалентный слой бЭ может быть выражен через параметры сепаратора:

Формула 1

где: ß — коэффициент извилистости пор; g — объемная пористость в долях единицы; / — толщина сепаратора.

Электросопротивление сепаратора Rc представляет собой произведение его структурных параметров на удельное сопротивление электролита:

Формула сопротивления сепаратора

где: ρ — удельное сопротивление электролита; ß — коэффициент извилистости пор; / — толщина сепаратора; g — объемная пористость; N — число пор; г — средний радиус пор.

Отсюда видно, что снижению сопротивления способствуют уменьшение толщины сепаратора, увеличение объемной пористости, увеличение диаметра пор и их числа, уменьшение извилистости пор. Однако уменьшение толщины материала влечет потерю механической прочности и увеличивает вероятность коротких замыканий.

Очевиден путь снижения сопротивления сепаратора за счет увеличения размера пор. Согласно закону Пуазейля увеличение диаметра пор на порядок уменьшение сопротивления течению электролита составляет два порядка. Однако в подавляющем большинстве случаев такой путь снижения электрического сопротивления сепараторов неприемлем, так как приводит к сокращению срока службы из-за ускоренного «прорастания» сепараторов дендритами свинца.

Наиболее оптимальным путем снижения Rc является увеличение объемной пористости материала. Изменение пористости при постоянных l и ρ равносильно увеличению числа пор N в единице объема (площади) образца

P=N πr2

или уменьшению размера пор при постоянном значении Р. Этот вариант реорганизации поровой структуры наиболее перспективен, так как дает возможность уменьшить Rc с одновременным сохранением малого размера пор.

Важным параметром сепаратора с точки зрения предотвращения микрокоротких замыканий дендритами свинца является коэффициент извилистости пор. В литературе ß интерпретируется как геометрический фактор, характеризующий наклон поры относительно нормали к поверхности сепаратора, однако применительно к электрохимическим системам более точным по физическому смыслу будет понятие «электрической извилистости», которая характеризует путь прохождения тока по жидкой фазе пористого сепаратора.

На основании экспериментальных исследований рекомендованы следующие оптимальные значения ß:

ß < 1,4 при диаметре пор 3÷5 мкм.

В отличие от традиционной конструкции (с ребрами жесткости, обращенными к положительному электроду, и гладкой стороной, обращенной к отрицательному электроду)» конструкция современного сепаратора имеет ребра жесткости с двух сторон (с мультиребром) или гофрированную поверхность типа «вафли». Сепаратор с таким профилем создает запас свободного электролита у поверхности электродов обоего знака и улучшает конвективное перемешивание в приэлектродных зонах, а также облегчает выход пузырьков водорода вдоль поверхности отрицательных электродов.

Способы изготовления сепарационных материалов

По способу изготовления сепарационные материалы можно разделить на три основные группы:

  1. материалы, получаемые спеканием,
  2. материалы, получаемые удалением жидких или твердых   порообразователей,
  3. материалы, получаемые укладкой волокон.

 

Сепарационный материал мипласт

Основным представителем первой группы (порошковая технология) является мипласт, получаемый методом спекания. Поливинилхлорид (ПВХ) в качестве исходного материала подвергается перемешиванию и просеиванию с тем, чтобы обеспечить точное распределение размеров зёрен, так как средний размер пор сепараторов зависит от размеров зёрен исходного ПВХ. Далее порошок подвергается сушке для удаления влаги и летучих веществ, поскольку влажная смола плохо укладывается на ленту и при последующем спекании дает трещины. Сушка порошка производится в течение примерно одного часа при температуре 90-100°С.

После сушки порошок ПВХ при помощи специального валика непрерывно наносится на стальную ленту. При этом происходит формование ребер, общей толщины и толщины тела сепаратора.

Далее осуществляется процесс спекания. Спекание смолы на ленте происходит при температуре 215÷230°С в течение 10 мин. Температура спекания определяет прочность сепараторов, их объемную пористость. Спеченная лента подвергается воздушному охлаждению методом противотока до 60°С.

После снятия материала с ленты производится его промывка и обработка ПАВ. При промывке удаляются растворимые соединения хлора. Необходимо отметить, что большинство зарубежных фирм отказалось от процесса промывки и последующей сушки сепараторов, так как эти операции существенно удлиняют технологический процесс, требуют установки дополнительного оборудования. Содержание хлора до требуемых значений (0,002%) обеспечивается оптимальным режимом спекания и точностью его поддержания.

Хотя мипласт-сепараторы отличаются относительной простотой изготовления, что делает их недорогими, проблемы, связанные с получением сепараторов с низким электросопротивлением общеизвестны. Пока не удается создать мипласт-сепаратор с Rc< 0,20 Ом/см без ущерба показателю «диаметр пор», значение которого и без того велико (30÷45 мкм).

Замена марки смолы ПВХ Е 625 Ж на ПВХ Е 664 2 Ж увеличила объемную пористость до 40% и улучшила эластичность, однако этого оказалось недостаточно для конвертирования и переработки материала из рулона. Одной из проблем порошковой технологии является образование крупных пор и микротрещин в зоне «ребро-тело».

Сепарационный материал мипор и поровинил

Ко второй группе материалов относятся сепараторы мипор и поровинил. Для изготовления мипор — сепараторов используется смесь из следующих компонентов: каучук синтетический, сера техническая, парафин нефтяной очищенный, гуанид ф, силикагель влажностью 72%, резиновая смесь каландрованная. В состав резиновой смеси входят: натуральный каучук, сера, рубракс, масло индустриальное, силикагель.

Мипор

Неравномерное смешивание массы на резиносмесителе и неравномерное распределение вулканизирующих материалов приводят к разрушению мипор — сепараторов в процессе эксплуатации аккумуляторов. Основное достоинство этого материала — малый размер пор — 3÷5мкм. Объемная пористость мипора составляет — 50%.

Электрическое сопротивление мипора — 0,30÷0,40 Ом см2. При более низком значении Rc (что принципиально возможно за счет уменьшения толщины тела) сепаратор становится хрупким и непрочным. Производство мипора слабо механизировано и осложнено экологическими проблемами.

Поровинил

Другим представителем этой группы сепараторов является поровинил. Сепараторы типа поровинил обладают высокой объемной пористостью (75÷80%), высокой химической стойкостью и эластичностью. Сырьем для изготовления поровинила служит полихлорвиниловая смола. В качестве порообразователя используется пищевой крахмал, а в качестве растворителя — циклогексанон. Производство поровинила требует нейтрализации сточных вод, связано с применением небезопасного циклогексанона.

Преимущество сепаратора поровинил заключается в высокой объемной пористости и эластичности. Остальные показатели: электросопротивление, размер пор, механическая прочность находятся на уровне мипласта. Уменьшение Rc за счет утоньшения листа не представляется возможным из-за потери прочности.

Сепаратор имеет высокую стоимость, его производство связано с использованием пищевого продукта, что резко ограничивает объем его выпуска. Сепараторы поровинил используются только для аккумуляторов, эксплуатирующихся в длительных режимах разряда, когда емкость определяется общим запасом электролита, в том числе и в сепараторах вследствие их высокой объемной пористости.

Винипор

П.Б. Животинским создан аналогичный сепаратор — винипор, имеющий одновременно весьма высокую объемную пористость (не менее 75%) и вместе с тем средний диаметр пор, не превышающий 1 мкм. Производство этих сепараторов не требует дефицитного пищевого крахмала.

Стекловолокнистые сепарационные материалы

К третьей группе сепараторов относятся стекловолокнистые материалы, используемые, как правило, в комбинации с мипластом.

Физико-химические свойства комбинированных сепараторов определяются в основном свойствами подложки. Основное преимущество стекловолокнистых сепараторов заключается в том, что они предотвращают «оплывание» положительной активной массы.

Стекловолокнистый сепаратор играет важную роль в герметизированных аккумуляторах, где помимо функций разделителя он выполняет роль электролитоносителя. Здесь стекловолокнистый сепаратор используется без подложки и состоит из ультратонких волокон специальных марок стекла.

Стекловолокнистые сепараторы обладают хорошей упругостью, высокой стойкостью к серной кислоте, высокой объемной пористостью (90-95%), высокой температурной стойкостью, нулевым углом смачивания. Мировыми лидерами в производстве стеклянных микроволоконных сепараторов являются компании AMER-SIL (США), NIPPON SHEET GLASS Co LTD (Япония), LYDALL AXWHM (Франция).

Основными ограничениями в широкомасштабном использовании стекловолокнистых сепараторов является высокая стоимость (~ 13% от себестоимости аккумулятора), а также тот факт, что для крупногабаритных аккумуляторов сепаратор не способен удерживать электролит по всей высоте аккумулятора.

В таблице 1 приведены основные физико-химические свойства сепараторов, применяемых для изготовления свинцовых аккумуляторов.

Таблица 1

 

Таблица 1 сепараторы

Примечание: 1. Общая толщина сепаратора состоит из толщины тела, то есть толщины сплошной части листа и высоты ребер.

2. Данные по электросопротивлению приведены: в верхней строке — интервалы абсолютных значений для различных толщин сепараторов, в нижней — сравнительные данные при одной толщине тепа, равной 0,5 мм.

Полиэтиленовые сепараторы конвертного типа

Наряду с традиционными типами сепараторов многие фирмы создали и успешно применяют полиэтиленовые сепараторы конвертного типа.

В составе обычного полиэтиленового конвертного сепаратора — 60% осадочного кремния, 20% полиэтилена высокой плотности, 15% минерального масла и др. добавки.

Достоинство полиэтиленовых сепараторов заключается в высокой объемной пористости (~ 65%), малом размере пор (3÷7 мкм), низком электросопротивлении — 0,10÷0,13 Ом см2 при толщине тела 0,18+0,22 мм. Материал высокоэластичен, поступает в виде рулона и легко перерабатывается в конверт с помощью ультразвуковой или тепловой сварки.

Композиционный состав материала и технологические особенности изготовления полиэтиленовых сепараторов у производителей являются предметом «ноу-хау».

Полиэтиленовый сепаратор заслуженно пользуется популярностью и практически вытеснил ПХВ, резину, целлюлозу и стекловолокно. На сегодняшний день, практически, 100% рынка в США занято именно этим типом сепаратора и около 70% производителей во всем мире предпочитают именно его.

Сепараторы AGM

В широко распространенных аккумуляторах AGM электролит абсорбирован в сепаратор особой конструкции, состоящий из абсорбирующего стеклохолста (AGM), что способствует свободному движению абсорбированной жидкости и равномерному распределению электролита.

Однако имеются и недостатки.

Такие сепараторы имеют слабую устойчивость к прокалыванию в условиях повышенной вибрации.

Сепараторы AGM имеют следующие характеристики:

  • низкое электрическое сопротивление – ниже, чем 1.5 mΩ*dm2;
  • максимальный размер пор ≤18μm;
  • пористость материала ≥90%;
  • повышенная устойчивость к окислению.

Сепараторы AGM используются в:

  • источниках бесперебойного питания;
  • сигнализациях;
  • осветительном оборудовании;
  • робототехнике;

Особой популярностью аккумуляторы AGM пользуются у владельцев кемперов по причине того, что их за 2-3 часа можно дозарядить до 100% своей емкости при помощи обычного автомобильного зарядного устройства. Ни одно стандартное автомобильное ЗУ не сможет дозарядить обычную свинцовую батарею более чем на 70% ее емкости (обычно эта цифра составляет 65%).

 

Ссылка на основную публикацию