超细玻璃纤维隔板包板方式研究与探讨

2022-10-26李现红宋然孔德龙贾巧巧孙大强

蓄电池 2022年5期

李现红，宋然，孔德龙，贾巧巧，孙大强

（山东圣阳电源股份有限公司，山东曲阜 273100）

0 引言

超细玻璃纤维隔板（简称 AGM 隔板）作为第三电极，对电池的整体性能和使用寿命有重要影响[1-2]。理想的 AGM 隔板应具备如下几个特点：①电绝缘性能良好；② 具有满足加工过程所需的强度；③ 能够维持正极板高的压力，对极板膨胀变形有一定的抑制作用；④ 在所需的压力条件下能够与极板表面贴合；⑤ 能够为极板提供足够的电解液，即吸液和保液能力好；⑥ 允许氧有效传输到负极板[3]。

AGM 隔板原材料和生产工艺造成了 AGM 隔板正反两面的表观特征和物理性能不同。在铅酸蓄电池生产过程中，如何确定 AGM 隔板的包板方式更有利于电池性能的发挥，也是铅酸蓄电池技术工作者的一个重要研究课题。

1 AGM 隔板网格面与毛面的形成原因

AGM 隔板生产为流程性连续生产，大多沿用传统斜长网湿法造纸的工艺流程，包括制浆工段、成形工段、烘干卷取工段、成品后加工及包装工段。AGM 隔板成形技术的关键有制浆、上浆、成型、烘干等[4]。其中 AGM 隔板网格面和毛面是在隔板成型过程中形成的：浆料被连续均匀地流淌在网孔输送带上成型，由网孔输送带下部抽真空去除浆料中的水分，因此成型的 AGM 隔板靠近网带的一面表观为较平整的网格面，我们称之为“网格面或平坦面（Flat）”，而表观质地较疏松的另一面，我们称之为“毛面（Rough）”。

2 AGM 隔板网格面与毛面的微观形貌

AGM 隔板是由长短不一的粗玻璃纤维和细玻璃纤维按一定质量比混合而成的。在隔板成型过程中，常规的 AGM 隔板生产工艺和脱水设施是借助浆液的重力来实现的。在浆液沉积脱水过程中，由于粗玻璃纤维的沉降速度比细玻璃纤维的快，粗玻璃纤维先沉积在隔板底层即网格面。因此，相比于上层的毛面，网格面中粗玻璃纤维较多。AGM 隔板的物理性能与玻璃纤维的直径密切相关。粗纤维对隔板的抗压缩性能有利，而细纤维对电解液均匀分布有利[5]。

采用显微镜对多个规格的 AGM 隔板的网格面和毛面的微观形貌进行表征。虽然规格不同，所采用的玻璃纤维原料形貌也有一定的差异，但大多的 AGM 隔板网格面与毛面特征基本相同。网格面中粗玻璃纤维占比略高于毛面，且个别隔板网格面中存在一部分较短且偏粗的碎玻璃纤维，而毛面中整体来说细玻璃纤维更明显（参见图 2 中隔板 A、B、C）。个别规格的 AGM 隔板虽然也是粗细玻璃纤维搭配，但粗细玻璃纤维的分布在网格面和毛面上没有很明显的区别（参见图 2 中的隔板 D）。粗细玻璃纤维在隔板整体中分布很均匀，且网格面和毛面的微观图片中均未出现明显的短碎玻璃纤维。

3 AGM 隔板网格面与毛面的测试与分析

为了更好地将 AGM 隔板应用于铅酸蓄电池，D. Pavlov 等人[6]也曾对 AGM 隔板的两面分别进行改性研究。本文中，笔者对几种 AGM 隔板两面的机械性能、吸酸速率、吸酸量等关键指标进行对比分析，为铅酸蓄电池生产过程中合理的包板方式提供参考依据。

3.1 拉伸强度

取 4 种规格 AGM 隔板，先依次测试完整的AGM 隔板的拉伸强度，再将这 4 种隔板分别从中间分开，各分成网格面一侧（Flat）和毛面（Rough）一侧，然后测试每种 AGM 隔板两侧的拉伸强度，得到表 1 中结果。可见，所有隔板的网格面的拉伸强度均高于毛面。一方面，AGM 隔板的生产工艺（底层压实）使得网格面外观更平整，更紧实。另一方面，网格面由于粗玻璃纤维偏多，在结构强度上也优于毛面。

表1 AGM 隔板拉伸强度测试数据

3.2 对折强度

分别将不同 AGM 隔板的网格面和毛面朝里，进行 180°纵向对折，在对折处压平，往复折叠 3次，观察隔板两面是否有会出现断裂或者裂纹。由图 3 可见，这 4 种隔板对折均未出现断裂和明显的裂纹。

3.3 吸酸速率

取 4 种规格的 AGM 隔板，同样分割成网格面一侧和毛面一侧，分别测量自然状态下 5 min、1 h、1.5 h、2 h、2.5 h、3 h、4 h、5 h 的吸酸（ρ15℃=1.28 g/cm3± 0.005 g/cm3的硫酸溶液）高度。由图4 可以看出，4 种 AGM 隔板网格面的吸酸高度均大于毛面。这一方面与玻璃纤维之间结合的紧实度有关；另一方面是受到玻璃纤维粗细的影响。玻璃纤维之间结合紧实有利于酸液的毛细传递。网格面中粗纤维偏多，所以孔隙偏大。参考 Washburn 和Laplace 方程，以及 Leverett[7]提出的毛细压力，爬液速度与孔隙大小成正比，所以孔隙相对越大，液体在毛细管中上升得越快。

AGM 隔板的吸酸速率与隔板中的粗细纤维质量比有一定的关系[8]。粗玻璃纤维短时间吸酸速率优于细玻璃纤维，而细玻璃纤维由于芯吸能力较强，在浸润性和保液能力上占优势。吸酸速率也与隔板的孔径分布有很大关系。如果孔径太大，隔板在垂直方向吸酸易出现断层。如果把孔径太大的隔板应用于铅酸蓄电池中，就不能有效地抑制电解液的分层。如果孔径太小，由于表面张力的作用，容易形成不浸润酸液的盲孔，不利于储酸。因此，需要将孔径分布控制在合理的范围，以保证一定的吸酸速率和保液能力。

3.4 吸酸量

取 4 种规格的 AGM 隔板，裁剪成 50 mm ×50 mm 各 10 片，再分别分割成网格面一侧和毛面一侧，参考标准 GB/T 28535—2018《铅酸蓄电池隔板》中的加压吸酸量测试方法，对每种 AGM 隔板的网格面和毛面在加压 50 kPa 下测试吸酸量。硫酸电解液密度为 ρ15℃=1.28 g/cm3± 0.005 g/cm3。由图 10 可以看出，4 种 AGM 隔板均是毛面的加压吸酸量高于网格面。毛面中细玻璃纤维多于网格面，而且长短不一的细玻璃纤维交织形成了复杂的相互连接的三位网状结构。在酸液中，相比于粗纤维偏多的网格面，毛面中细小的孔隙能提供更高的芯吸能力。这种芯吸能力不仅可以增加 AGM 隔板的浸润性，还在铅酸蓄电池应用过程中，对电解液的分层有一定的抑制作用。