铅酸蓄电池PE隔板抗刺穿性能测试分析

陈志雪，席春青，许长洪，毕锡钢，梁红玉，杨 亮（风帆股份有限公司，河北 保定 071057）

铅酸蓄电池PE隔板抗刺穿性能测试分析

陈志雪，席春青，许长洪，毕锡钢，梁红玉，杨 亮
（风帆股份有限公司，河北 保定 071057）

摘要：本文对 PE 隔板刺穿造成的短路问题进行分析，介绍了 PE 隔板抗刺穿性能的测试方法，分析了不同厂家、不同批次 PE 隔板微观结构（SEM）与抗刺穿性能、伸长率之间的关系，认为结晶度高、晶体颗粒规则均一的 PE 隔板的抗刺穿性能好，但可能对伸长率有负面影响。本文还分析了造成隔板破损引起接触短路的 3 种情况。

关键词：铅酸蓄电池；PE 隔板；抗刺穿；伸长率；刺穿短路

0　前言

隔板是蓄电池中一个重要部件，隔板的性能要求除材料本身绝缘、疏松多孔、电阻小、化学稳定性好等之外，还要求隔板具有较大的机械强度[1]。如果隔板不具备足够的机械强度，就容易出现机械破损或被稍稍变形的极板压穿[2]。因为隔板和极板亲密接触，所以除隔板本身的强度要求外，提高极板质量，减少极板对隔板的损伤也非常重要。极板的毛刺、铅膏疙瘩和极板弯曲都会造成电池的早期失效[3]。板栅毛刺，尤其是拉网板栅极板刺穿隔板的现象更加常见，一片隔板短路就足以使整只电池报废，造成较大的经济损失。刺穿短路极群如图 1所示。

随着聚乙烯（PE）隔板使用越来越普遍，使用量逐渐增大，发生刺穿短路的问题增多，因此有必要深入地对 PE 隔板进行抗刺穿性能的研究。

图1　PE 隔板刺穿短路

1　PE 隔板的损伤引起接触短路

PE 隔板由高分子量聚乙烯、二氧化硅、油及溶剂混合，经过双螺杆高温挤压成型，再经抽油、气提、涂剂、干燥、检洞、卷取等过程制成[4]，其颗粒度细腻，结构紧密。一般 PE 隔板损伤有以下几种情况。

1.1PE 隔板的刺破短路

在铸造成型、切边或分板时都可能使板栅存在毛刺，拉网板栅裁剪不合适时，底部和侧边也会存在带尖部位，这些带尖部位在包封（或套袋）、极群整理、装配、搬运、使用过程振动时都可能刺破隔板（见图 2），引起正负极板导通短路，造成电池报废。

图2　PE 隔板刺穿短路

1.2PE 隔板的机械损伤

PE 隔板经常出现局部小坑和裂纹。这些机械损伤，可能是极板的铅膏疙瘩挤压，壳体、生产线平台等硬物磕碰，极群与接触面摩擦等原因造成的。这些小坑和裂纹很可能造成接触或渗透短路，如图 3。

图3　PE 隔板受到机械损伤

1.3PE 隔板的氧化损伤

根据铅酸蓄电池充放电原理，充电过程电解水产生的自由氧会与 PE 隔板中的炭黑、油和聚乙烯发生反应，破坏 PE 隔板的微观矩阵结构，造成聚乙烯分子长链的断裂，使得隔板内部结构疏松、强度变差，此时如果受到机械挤压，隔板极易被极板的凸起刺破，造成极板接触短路。

2　抗刺穿性能的测试

PE 隔板最终组成：ω(二氧化硅)为 60 %～70 %、ω(聚乙烯)为 20 %、ω(油)为 10 %[5]。在生产过程中，随着聚乙烯的熔化，二氧化硅、炭黑等分散在PE 矩阵中[6]，因此，PE 隔板的均匀性、结晶性均对隔板的强度造成影响，可以说表征隔板强度的抗刺穿性能实际上是由 PE 隔板微观结构决定的。抗刺穿性能是材料的一个宏观强度指标，但其大小能够间接地反映材料微观结构的均匀一致性；分析认为，抗刺穿性能较好，数据之间极差较小的隔板具有良好的微观结构。

可用抗刺穿测试仪测试 PE 隔板的抗刺穿性能。具体测试方法如下：打开测试仪表，调整到所需状态，设定仪器升降速率为（300±5）mm/min，按下测试键，当刺针刺穿隔板时，迅速按停止键，读取测试值，取隔板的不同部位测试 3 次，取平均值作为结果。

选取 3 个不同厂家的 PE 隔板（分别标号为：A、B、C），测试其微观结构（图 4）和机械性能（表 1）。通过图 4 电镜扫描照片和表 1 中 PE 隔板机械性能（横向伸长率和刺穿强度）的测试结果，可以得出以下结论：① A 隔板颗粒均匀，类似球形，颗粒形状和大小相近；B 隔板颗粒呈现明显的片状，微孔比较明显，隔板的微观质量较差；C 隔板颗粒介于球状和片状之间，微孔明显；② A隔板结晶度高，抗刺穿强度大，但伸长率较小；B隔板结晶度最差，抗刺穿强度最低，横向伸长率最大；C 隔板结晶度介乎 A、B 之间，抗刺穿强度和横向伸长率均介乎中间。

图4　三种不同厂家 PE 隔板的扫描电镜图

表1　不同 PE 隔板性能

同一厂家不同产品之间也会存在一些性能差距，为进一步验证 PE 隔板微观结构和宏观机械性能之间的关系，故选取同一厂家 3 种型号 PE 隔板（分别标号为：E、F、G）进行研究。这 3 种型号PE 隔板的机械性能测试结果见表 2，横截面微观结构扫描分析见图 5。通过表 2 和图 5 的测试，可以得出以下结论：① E 隔板球状颗粒不太明显，微观结构不太均匀，微孔较为明显。F 隔板球状颗粒相对明显，颗粒形状和大小相近，无明显微孔；G 隔板颗粒和结构最不均匀，有纤维拉丝结构，微孔明显；② F 隔板结晶度最好，抗刺穿强度最高，横向伸长率最小；G 隔板结晶度较差，结构疏松，抗刺穿强度小，伸长率较高；E 隔板结晶度介乎 A、B之间，抗刺穿强度和横向伸长率均居中。

表2　同一厂家 3 种型号 PE 隔板性能

综合上述两轮测试，PE 隔板的抗刺穿强度和伸长率一般为负相关。即 PE 隔板的结晶度好，结构致密、均一，则抗刺穿强度高，但是伸长率小；相反结晶度较差，隔板的抗刺穿强度较低，但是伸长率较大。

3　讨论与结果

由 PE 隔板微观结构和机械性能之间的关系可以看出：PE 隔板材料的结晶度越高，微观结构颗粒越明显，抗刺穿强度也越高，但对隔板的伸长率有一些负面影响。抗刺穿强度大，说明隔板的微观结构致密，均匀一致性较好，所以，一般来说抗刺穿强度大对降低隔板渗透也有好处。

PE 隔板生产工艺会影响隔板微观结构的均匀性。PE 隔板的成型靠双螺杆挤出机的不断搅拌、剪切、匀化，这是由螺杆非常复杂的结构决定的。由于原材料中含有非常耐磨的二氧化硅，所以容易造成螺杆磨损，螺杆的磨损会引起隔板微观结构不均匀，导致隔板机械强度差。PE 隔板在挤出后，还需要压延出筋条，并较为迅速地冷却，而材料的结晶度，或者说晶粒的大小与温度密切相关，因此成型及成型后的冷却温度（过冷度）对晶粒的形成影响巨大。当成型压力和过冷度较大时，隔板结构致密，晶体规则、细小。机械损伤、氧化都可能造成隔板局部强度降低，如果受损伤部位再发生机械挤压，更容易造成隔板刺穿形成接触短路。

参考文献：

[1] 陈红雨, 罗有荣, 段淑贞. 蓄电池失效与隔板的关系[J]. 蓄电池, 1996(2): 20-21.

[2] 郭志刚. 使用 PE 隔板的摩托车电池的早期失效方式[J]. 蓄电池, 2006(3): 139-142.

[3] 陈志雪, 高俊刚, 等. 铅酸蓄电池隔板微观结构和宏观性能之间关系的研究[J]. 蓄电池, 2004(3): 128-132.

[4] 陈红雨, 段淑贞. PE 隔板在铅酸蓄电池中的应用[J]. 电源技术, 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

中图分类号：TM 912.1

文献标识码：B

文章编号：1006-0847(2015)03-135-03

收稿日期：2014-09-19