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        鉛酸蓄電池PE隔板抗刺穿性能測試分析

        2015-07-02 03:22:48陳志雪席春青許長洪畢錫鋼梁紅玉風(fēng)帆股份有限公司河北保定071057
        蓄電池 2015年3期
        關(guān)鍵詞:隔板伸長率

        陳志雪,席春青,許長洪,畢錫鋼,梁紅玉,楊 亮(風(fēng)帆股份有限公司,河北 保定 071057)

        鉛酸蓄電池PE隔板抗刺穿性能測試分析

        陳志雪,席春青,許長洪,畢錫鋼,梁紅玉,楊 亮
        (風(fēng)帆股份有限公司,河北 保定 071057)

        摘要:本文對 PE 隔板刺穿造成的短路問題進(jìn)行分析,介紹了 PE 隔板抗刺穿性能的測試方法,分析了不同廠家、不同批次 PE 隔板微觀結(jié)構(gòu)(SEM)與抗刺穿性能、伸長率之間的關(guān)系,認(rèn)為結(jié)晶度高、晶體顆粒規(guī)則均一的 PE 隔板的抗刺穿性能好,但可能對伸長率有負(fù)面影響。本文還分析了造成隔板破損引起接觸短路的 3 種情況。

        關(guān)鍵詞:鉛酸蓄電池;PE 隔板;抗刺穿;伸長率;刺穿短路

        0 前言

        隔板是蓄電池中一個(gè)重要部件,隔板的性能要求除材料本身絕緣、疏松多孔、電阻小、化學(xué)穩(wěn)定性好等之外,還要求隔板具有較大的機(jī)械強(qiáng)度[1]。如果隔板不具備足夠的機(jī)械強(qiáng)度,就容易出現(xiàn)機(jī)械破損或被稍稍變形的極板壓穿[2]。因?yàn)楦舭搴蜆O板親密接觸,所以除隔板本身的強(qiáng)度要求外,提高極板質(zhì)量,減少極板對隔板的損傷也非常重要。極板的毛刺、鉛膏疙瘩和極板彎曲都會造成電池的早期失效[3]。板柵毛刺,尤其是拉網(wǎng)板柵極板刺穿隔板的現(xiàn)象更加常見,一片隔板短路就足以使整只電池報(bào)廢,造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。刺穿短路極群如圖 1所示。

        隨著聚乙烯(PE)隔板使用越來越普遍,使用量逐漸增大,發(fā)生刺穿短路的問題增多,因此有必要深入地對 PE 隔板進(jìn)行抗刺穿性能的研究。

        圖1 PE 隔板刺穿短路

        1 PE 隔板的損傷引起接觸短路

        PE 隔板由高分子量聚乙烯、二氧化硅、油及溶劑混合,經(jīng)過雙螺桿高溫?cái)D壓成型,再經(jīng)抽油、氣提、涂劑、干燥、檢洞、卷取等過程制成[4],其顆粒度細(xì)膩,結(jié)構(gòu)緊密。一般 PE 隔板損傷有以下幾種情況。

        1.1PE 隔板的刺破短路

        在鑄造成型、切邊或分板時(shí)都可能使板柵存在毛刺,拉網(wǎng)板柵裁剪不合適時(shí),底部和側(cè)邊也會存在帶尖部位,這些帶尖部位在包封(或套袋)、極群整理、裝配、搬運(yùn)、使用過程振動時(shí)都可能刺破隔板(見圖 2),引起正負(fù)極板導(dǎo)通短路,造成電池報(bào)廢。

        圖2 PE 隔板刺穿短路

        1.2PE 隔板的機(jī)械損傷

        PE 隔板經(jīng)常出現(xiàn)局部小坑和裂紋。這些機(jī)械損傷,可能是極板的鉛膏疙瘩擠壓,殼體、生產(chǎn)線平臺等硬物磕碰,極群與接觸面摩擦等原因造成的。這些小坑和裂紋很可能造成接觸或滲透短路,如圖 3。

        圖3 PE 隔板受到機(jī)械損傷

        1.3PE 隔板的氧化損傷

        根據(jù)鉛酸蓄電池充放電原理,充電過程電解水產(chǎn)生的自由氧會與 PE 隔板中的炭黑、油和聚乙烯發(fā)生反應(yīng),破壞 PE 隔板的微觀矩陣結(jié)構(gòu),造成聚乙烯分子長鏈的斷裂,使得隔板內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松、強(qiáng)度變差,此時(shí)如果受到機(jī)械擠壓,隔板極易被極板的凸起刺破,造成極板接觸短路。

        2 抗刺穿性能的測試

        PE 隔板最終組成:ω(二氧化硅)為 60 %~70 %、ω(聚乙烯)為 20 %、ω(油)為 10 %[5]。在生產(chǎn)過程中,隨著聚乙烯的熔化,二氧化硅、炭黑等分散在PE 矩陣中[6],因此,PE 隔板的均勻性、結(jié)晶性均對隔板的強(qiáng)度造成影響,可以說表征隔板強(qiáng)度的抗刺穿性能實(shí)際上是由 PE 隔板微觀結(jié)構(gòu)決定的。抗刺穿性能是材料的一個(gè)宏觀強(qiáng)度指標(biāo),但其大小能夠間接地反映材料微觀結(jié)構(gòu)的均勻一致性;分析認(rèn)為,抗刺穿性能較好,數(shù)據(jù)之間極差較小的隔板具有良好的微觀結(jié)構(gòu)。

        可用抗刺穿測試儀測試 PE 隔板的抗刺穿性能。具體測試方法如下:打開測試儀表,調(diào)整到所需狀態(tài),設(shè)定儀器升降速率為(300±5)mm/min,按下測試鍵,當(dāng)刺針刺穿隔板時(shí),迅速按停止鍵,讀取測試值,取隔板的不同部位測試 3 次,取平均值作為結(jié)果。

        選取 3 個(gè)不同廠家的 PE 隔板(分別標(biāo)號為:A、B、C),測試其微觀結(jié)構(gòu)(圖 4)和機(jī)械性能(表 1)。通過圖 4 電鏡掃描照片和表 1 中 PE 隔板機(jī)械性能(橫向伸長率和刺穿強(qiáng)度)的測試結(jié)果,可以得出以下結(jié)論:① A 隔板顆粒均勻,類似球形,顆粒形狀和大小相近;B 隔板顆粒呈現(xiàn)明顯的片狀,微孔比較明顯,隔板的微觀質(zhì)量較差;C 隔板顆粒介于球狀和片狀之間,微孔明顯;② A隔板結(jié)晶度高,抗刺穿強(qiáng)度大,但伸長率較??;B隔板結(jié)晶度最差,抗刺穿強(qiáng)度最低,橫向伸長率最大;C 隔板結(jié)晶度介乎 A、B 之間,抗刺穿強(qiáng)度和橫向伸長率均介乎中間。

        圖4 三種不同廠家 PE 隔板的掃描電鏡圖

        表1 不同 PE 隔板性能

        同一廠家不同產(chǎn)品之間也會存在一些性能差距,為進(jìn)一步驗(yàn)證 PE 隔板微觀結(jié)構(gòu)和宏觀機(jī)械性能之間的關(guān)系,故選取同一廠家 3 種型號 PE 隔板(分別標(biāo)號為:E、F、G)進(jìn)行研究。這 3 種型號PE 隔板的機(jī)械性能測試結(jié)果見表 2,橫截面微觀結(jié)構(gòu)掃描分析見圖 5。通過表 2 和圖 5 的測試,可以得出以下結(jié)論:① E 隔板球狀顆粒不太明顯,微觀結(jié)構(gòu)不太均勻,微孔較為明顯。F 隔板球狀顆粒相對明顯,顆粒形狀和大小相近,無明顯微孔;G 隔板顆粒和結(jié)構(gòu)最不均勻,有纖維拉絲結(jié)構(gòu),微孔明顯;② F 隔板結(jié)晶度最好,抗刺穿強(qiáng)度最高,橫向伸長率最??;G 隔板結(jié)晶度較差,結(jié)構(gòu)疏松,抗刺穿強(qiáng)度小,伸長率較高;E 隔板結(jié)晶度介乎 A、B之間,抗刺穿強(qiáng)度和橫向伸長率均居中。

        表2 同一廠家 3 種型號 PE 隔板性能

        綜合上述兩輪測試,PE 隔板的抗刺穿強(qiáng)度和伸長率一般為負(fù)相關(guān)。即 PE 隔板的結(jié)晶度好,結(jié)構(gòu)致密、均一,則抗刺穿強(qiáng)度高,但是伸長率?。幌喾唇Y(jié)晶度較差,隔板的抗刺穿強(qiáng)度較低,但是伸長率較大。

        3 討論與結(jié)果

        由 PE 隔板微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能之間的關(guān)系可以看出:PE 隔板材料的結(jié)晶度越高,微觀結(jié)構(gòu)顆粒越明顯,抗刺穿強(qiáng)度也越高,但對隔板的伸長率有一些負(fù)面影響。抗刺穿強(qiáng)度大,說明隔板的微觀結(jié)構(gòu)致密,均勻一致性較好,所以,一般來說抗刺穿強(qiáng)度大對降低隔板滲透也有好處。

        PE 隔板生產(chǎn)工藝會影響隔板微觀結(jié)構(gòu)的均勻性。PE 隔板的成型靠雙螺桿擠出機(jī)的不斷攪拌、剪切、勻化,這是由螺桿非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)決定的。由于原材料中含有非常耐磨的二氧化硅,所以容易造成螺桿磨損,螺桿的磨損會引起隔板微觀結(jié)構(gòu)不均勻,導(dǎo)致隔板機(jī)械強(qiáng)度差。PE 隔板在擠出后,還需要壓延出筋條,并較為迅速地冷卻,而材料的結(jié)晶度,或者說晶粒的大小與溫度密切相關(guān),因此成型及成型后的冷卻溫度(過冷度)對晶粒的形成影響巨大。當(dāng)成型壓力和過冷度較大時(shí),隔板結(jié)構(gòu)致密,晶體規(guī)則、細(xì)小。機(jī)械損傷、氧化都可能造成隔板局部強(qiáng)度降低,如果受損傷部位再發(fā)生機(jī)械擠壓,更容易造成隔板刺穿形成接觸短路。

        參考文獻(xiàn):

        [1] 陳紅雨, 羅有榮, 段淑貞. 蓄電池失效與隔板的關(guān)系[J]. 蓄電池, 1996(2): 20-21.

        [2] 郭志剛. 使用 PE 隔板的摩托車電池的早期失效方式[J]. 蓄電池, 2006(3): 139-142.

        [3] 陳志雪, 高俊剛, 等. 鉛酸蓄電池隔板微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能之間關(guān)系的研究[J]. 蓄電池, 2004(3): 128-132.

        [4] 陳紅雨, 段淑貞. PE 隔板在鉛酸蓄電池中的應(yīng)用[J]. 電源技術(shù), 1996(5): 212-215.

        [5] H. Winkler. Microstructure of PE-Separators[J]. Journal of Power Sources, 2003,113: 396-399.

        The test analysis of penetration-resistance performance of PE separators in lead-acid battery

        CHEN Zhi-xue, XI Chun-qing, XU Chang-hong, BI Xi-gang, LIANG Hong-yu, YANG Liang
        (Fengfan Co., Ltd., Baoding Hebei 071057, China)

        Abstract:This paper analyzes the short-circuit problem caused by penetration of PE separators, introduces the methods of penetration-resistance performance test of PE separators, and analyzes the microstructure (SEM), penetration-resistance performance and elongation of PE separators from different manufactures and different batches, and the relationship between them. The conclusion is that the penetration-resistance performance of PE separators with high crystallinity and regular/ uniform crystal particles is good, but the elongation may be affected negatively. In addition, this paper analyzes three situations that cause separators break and lead to short-circuit eventually.

        Key words:lead-acid battery; PE separator; penetration-resistance; elongation; penetration short-circuit

        中圖分類號:TM 912.1

        文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

        文章編號:1006-0847(2015)03-135-03

        收稿日期:2014-09-19

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