Виды сепараторов для аккумулятора
Электроды в блоках разделены сепараторами. Сепараторы предотвращают короткое замыкание между разнополярными электродами, обеспечивают необходимый для высокой ионной проводимости запас электролита в междуэлектродном пространстве и предотвращают возможность переноса электролита от одного электрода к другому.
Кроме того, сепараторы фиксируют зазор между электродами и исключают вероятность их сдвига при тряске и вибрации. Качество сепараторов оказывает существенное влияние на работу свинцового аккумулятора.
От омического сопротивления сепараторов зависит внутреннее падение напряжения в батарее и уровень напряжения на выводах электростартера. Сепараторы замедляют оплывание активного вещества положительных электродов и скорость сульфатации отрицательных электродов, продлевая срок службы батареи.
Сепараторы должны обладать высокой пористостью, достаточной механической прочностью, кислотостойкостью, эластичностью, минимальной гигроскопичностью при длительном хранении батареи в сухозаряженном состоянии и сохранять свои свойства в широком диапазоне температур.
Электросопротивление сепаратора, пропитанного электролитом, должно быть минимальным по отношению к сопротивлению такого же по объему и геометрическим размерам слоя электролита. Для массовых автомобильных батарей важна также дешевизна и доступность сырья, простота изготовления.
В свинцовых аккумуляторах применяют сепараторы из мипора, мипласта, поровинила,
пластипора и винипора (табл. 1). В стартерных свинцовых аккумуляторных батареях устанавливают сепараторы из мипора и мипласта.
Мипор (микропористый эбонит) получают в результате вулканизации смеси натурального каучука с силикагелем и серой. К недостаткам сепараторов из мипора относятся хрупкость, малая скорость пропитки электролитом, дефицитность сырья и большая стоимость.
Таблица 1. Показатели сепараторов свинцовых аккумуляторов из разных материалов
диаметр пор, мкм
При изгибе ломается
Удовлетво- рительно эластичен
* — коэффициент извилистости пор показывает, во сколько раз средняя длина пор больше, чем толщина сепаратора.
Мипласт или микропористый полихлорвинил изготовляют из полихлорвиниловой смолы путем спекания. Технологический процесс изготовления сепараторов из мипласта проще, сырье менее дефицитно. Мипласт быстро пропитывается электролитом, обладает низким относительным электросопротивлением и достаточной механической прочностью. Имея меньшую пористость и больший диаметр пор по сравнению с мипором, мипласт менее стоек к образованию токопроводящих мостиков между электродами. Срок службы аккумуляторных батарей с сепараторами из мипласта меньше.
Сепараторы из мипора и мипласта не должны иметь влажность более 2%, а также сквозных микроотверстий, которые можно обнаружить при просвечивании электрической лампой мощностью 100 Вт, расположенной на расстоянии 100 мм от сепаратора.
Механическую прочность сепаратора оценивают по сопротивлению на разрыв, по способности выдерживать изгиб вокруг валика диаметром 60 мм (сепараторы из мипора) и диаметром 45-60 мм (сепараторы из мипласта).
Сепараторы из мипора и мипласта представляют собой тонкие (1-2 мм) прямоугольные пластины с трапециедальными, круглыми или овальными вертикальными выступами (рис. 4), которые обращены к положительному электроду для лучшего доступа к нему электролита. Небольшие ребра высотой 0,15-0,2 мм со стороны, обращенной к отрицательному электроду, снижают вероятность «прорастания» сепаратора, улучшают условия диффузии и конвекции электролита около отрицательного электрода.
Размеры сепараторов из мипора и мипласта на 3-5 мм по ширине и на 9-10 мм по высоте больше, чем у электродов. Это исключает появление токопроводящих мостиков по торцам пластин и сепараторов.
В необслуживаемых батареях применяют пленочные сепараторы и сепараторы-конверты (рис. 5), образуемые двумя сваренными с трех сторон пластиковыми сепараторами. При установке в сепаратор-конверт одного из аккумуляторных электродов, например, отрицательного, замыкание электродов разноименной полярности шламом исключается.
Это позволяет устанавливать блоки электродов непосредственно на дно моноблоков без призм и шламового пространства. При сохранении высоты батареи можно более чем в 2 раза увеличить высоту h (рис 6) слоя электролита над электродами в ячейках моноблока и, следовательно, ту часть объема электролита, которая может быть израсходована в период эксплуатации между очередными добавками дистиллированной воды. При исправном электрооборудовании и отсутствии нарушений в эксплуатации необходимость в добавлении воды в батарею может возникнуть не чаще 1 раза в 1-2 года.
Источник
Конструкция аккумуляторной батареи
Современная аккумуляторная батарея состоит из следующих основных частей:
- моноблок (корпус), служащий резервуаром для электролита;
- крышка;
- пластины;
- сепараторы;
- соединительные выводы.
Моноблок
Первоначально корпус (моноблок) аккумуляторной батареи был деревянным, выложенным внутри листовым свинцом, затем — эбонитовым. Первые корпуса аккумуляторных батарей из синтетических материалов появились в 1941 г. (их начала производить австрийская фирма BAREN), а полипропилен для изготовления корпусов начала использовать американская фирма Johnson Controls. В настоящее время все современные аккумуляторные батареи имеют полипропиленовые корпуса, исключение составляют устаревшие модели, в основном производимые в России с моноблоками из эбонита. Эбонитовый корпус не имеет ни одного бесспорного достоинства, но ему присущи два крупных недостатка: большая масса и нетехнологичность производства. Внутри моноблок любой аккумуляторной батареи разделен на ячейки (три или шесть, в зависимости от напряжения батареи — 6 В либо 12 В) для отдельных блоков пластин.
Крышка
Крышка корпуса закрывает межэлементные соединения батареи и плотно прикрепляется (приваривается) к моноблоку. В обслуживаемых и малообслуживаемых батареях в крышке могут располагаться индикатор уровня плотности электролита (косвенно свидетельствующий о степени заряженности того аккумулятора, в банке которого индикатор установлен) и отверстия для контроля уровня и доливки электролита, закрываемые пробками. Для того чтобы избежать повышения давления внутри закрытого корпуса (т. к. в процессе заряда аккумулятора происходит электролиз находящейся в электролите воды, при этом на положительной пластине выделяется кислород, а на отрицательной — водород) в крышке (или в пробках) выполнены специальные газоотводные каналы. В современных батареях газоотводные каналы имеют форму лабиринта, позволяющего задержать внутри корпуса капли электролита, уносимые газом, и возвратить их в электролит. Тем самым с одной стороны устраняется выход во внешнюю среду вредных кислотных испарений, а с другой — предотвращается потеря электролита. В батареях устаревших конструкций (например, с эбонитовыми корпусами) общая крышка отсутствует, ее роль выполняет мастика, которой заливаются межэлементные перемычки.
Пластины
Пластины аккумулятора обеспечивают протекание основных электрохимических процессов работы батареи. Пластины аккумулятора представляют собой свинцовые решетки с нанесенной на них активной массой. Изначально активная масса решетки представляет собой порошок из мелко размолотого свинца с добавлением легирующих материалов, придающих пластинам необходимые технологичные свойства. Раньше в качестве основного легирующего материала применялась сурьма, сейчас используются сложные сплавы, рецепты которых ведущие мировые производители держат в секрете. В процессе формировки, представляющем собой многократный цикл заряда-разряда, активная масса пластин приобретает кристаллическую структуру, необходимую для правильного функционирования аккумулятора (активная масса положительной пластины преобразуется в PbO2, отрицательной — в Pb). Химическая реакция между активной массой и электролитом происходит на поверхности частиц активной массы, поэтому ее делают пористой, чтобы материал хорошо пропитывался электролитом и в реакции участвовал его максимальный объем. Кроме того, большинство фирм-производителей батарей разрабатывают свою рецептуру легирующих примесей, позволяющих улучшить характеристики пластин. Состав таких примесей и рецептуры результирующих сплавов в значительной степени определяют, насколько надежно и долговечно будет работать аккумулятор.
Сепараторы
Для предотвращения короткого замыкания между разноименно заряженными пластинами между ними располагается изолятор — диэлектрическая прослойка, называемая «сепаратор». На первых аккумуляторах сепаратор представлял собой тонкий лист шпона, позже шпон заменили стекловолокно и микропористый эбонит (мипор). Современные сепараторы изготавливают из микропористой пластмассы (мипласта). В современных батареях сепаратор выполнен в виде конверта, надетого на положительные пластины. Это позволяет повысить надежность аккумуляторных батарей, так как в этом случае оплывающая в процессе длительной работы батареи с положительных пластин активная масса («шлам») остается внутри конверта, а не оседает на дно корпуса и не достигает отрицательных пластин (в результате чего происходит короткое замыкание). Кроме того, конверт-сепаратор дает возможность устанавливать пластины прямо на дно моноблока, что позволяет увеличить объем эффективно используемого электролита при тех же габаритах батареи. В батареях без конверта-сепаратора во избежание короткого замыкания между пластинами блоки пластин устанавливаются на специальные ребра на дне моноблока, в результате чего создается так называемое «шламовое пространство». Это увеличивает габариты батареи и снижает ее надежность. Появление конверта-сепаратора, наряду с изменением рецептуры сплава решеток пластин, позволило создать мало- и необслуживаемые батареи.
Соединительные выводы
Элементы батареи соединяются между собой последовательно с помощью межэлементных соединений (МЭС). Существуют два основных типа МЭС:
- традиционные МЭС, при которых элементы соединяются между собой поверх крышки аккумуляторных батарей. В настоящее время этот вид МЭС применяется в некоторых отечественных батареях и батареях для тяжелых грузовиков (исполнение Heavy Duty);
- МЭС, при которых соединение бареток проходит через стенки секций посредством контактной сварки.
Борны (выходящие наружу корпуса электрические контакты) батарей изготавливаются из свинца и имеют стандартизованные размеры. Расположение, тип и размер выводов следуют из применяемости батарей и указываются в каталогах. Также из каталога аккумуляторных батарей можно узнать размер моноблока и тип фланца крепления моноблока к корпусу автомобиля.
Ряд автомобилей требуют специфического типа моноблока (японские автомобили, некоторые модели BMW) или специфических выводов (японские автомобили с тонкими клеммами и автомобили Ford прежних моделей). Обозначение батареи в каталоге, соответствующее данной модели автомобиля, однозначно указывает на наличие или отсутствие вышеуказанных специфических особенностей.
Если вы решили купить автомобильный аккумулятор с доставкой, обратите внимание на вышеперечисленные особенности.
Источник
Виды сепараторов для аккумулятора
В настоящее время на мировом рынке представлено несколько видов аккумуляторных батарей, различное устройство которых предъявляет обособленные требования к сепараторам. Тип химии аккумулятора определяет все его основные характеристики, достоинства и недостатки. Невозможно выделить «лучший» тип аккумулятора. Каждому из них свойственны свои плюсы и минусы, которые делают аккумулятор оптимальным для одних применений и совершенно неприемлемым для других.
В современной технике используются пять основных типов аккумуляторов, отличающихся по своему химическому составу:
1. Никель-кадмиевые (NiCd). Хорошо отработанная и изученная технология, но обладает низкой плотностью энергии. Используется там, где важны долговечность, способность обеспечить высокий ток нагрузки и малая стоимость. Основные области применения: портативные радиостанции, медицинское оборудование, профессиональные видеокамеры и электроинструмент. NiCd аккумуляторы содержат токсичные материалы и являются экологически грязными.
2. Никель-металлогидридные (NiMH). По сравнению с NiCd имеют более высокую плотность энергии, но меньшее время жизни. NiMH не содержат токсичных материалов. Применяются в мобильных телефонах и портативных компьютерах.
3. Литий-ионные (Li-ion). Наиболее бурно развивающаяся технология. Используются там, где нужна высокая плотность энергии и малый вес. Li-ion дороже всех других аккумуляторов. При эксплуатации необходимо строго соблюдать режимы заряда и разряда, указанные производителем из соображений безопасности. Применяются в компьютерах и сотовых телефонах.
4. Литий-полимерные (Li-polymer). Задуманы как удешевленная версия Li-ion аккумуляторов. Этот тип химии по плотности энергии аналогичен Li-ion . Это позволяет делать Li-polymer аккумуляторы очень компактными. В основном, используются в мобильных телефонах.
5. Свинцово-кислотные аккумуляторы (LA). Применяются там, где требуется большая мощность, а вес не имеет значения. Наиболее распространенный тип аккумулятора в мире (из расчета ампер-часов). Основная область применения – стартерные батареи. Герметичные свинцово-кислотные (SLA) – один из видов свинцово-кислотных аккумуляторов. Применяются там, где требуется большая мощность, а вес не имеет значения. Типовые области применения — стационарное медицинское оборудование, электромобили, системы аварийного энергоснабжения, UPS (источники бесперебойного питания).
6. Алкалиновые аккумуляторы — созданы для замены бытовых батареек. Хорошо подходят в случаях, когда не требуется большой мощности. Небольшое время жизни этих аккумуляторов компенсируется очень низким током саморазряда, что делает их оптимальными для применения в портативных магнитолах и фонарях.
Ниже приведена сводная таблица параметров наиболее популярных аккумуляторов.
Технологические характеристики аккумуляторных батарей
Наименование показателя
Alkaline
мОм
6V
6V
7.2V
7.2V
6V
300
500
10%
— пиковый
— оптимальный
1C
0.5C или ниже
0.2C
1C или ниже
1C или ниже
0.2C или ниже
60°C
60°C
60°C
60°C
60°C
65°C
Наибольшее распространение в мире получили свинцово-кислотные аккумуляторы. Свыше 90% производимых в России аккумуляторов относятся к данному типу. В мировой структуре производства аккумуляторных батарей доля свинцово-кислотных аккумуляторов составляет 85%.
Аккумулятор состоит из положительного и отрицательного электродов, раствора серной кислоты (27. 39%-ный раствор) и сепаратора, разделяющего положительные и отрицательные пластины.
Стандартная свинцовая аккумуляторная батарея состоит из пяти основных элементов:
1. Пластиковый бокс (контейнер);
2. Положительные и отрицательные электроды из свинца;
3. Сепараторы между электродами из синтетических пористых материалов;
4. Электролит, представляющий собой раствор серной кислоты;
5. Питающие элементы – место в котором происходит соединение аккумуляторной батареи с предметом, которой она снабжает энергией.
Сепаратор внутри аккумуляторной батареи применяется при разделении положительных и отрицательных электродов для избежания короткого замыкания.
Сепараторы, как правило, представляют собой тонкие пористые листы. Малые поры сепаратора позволяют электрическому заряду переходить между пластинами без короткого замыкания.
Соответственно, от размера пор сепаратора, его эластичности и устойчивости к среде агрессивной среде внутри аккумулятора зависит качество и время работы самой батареи.
В течение всей истории развития современных аккумуляторов в качестве сепараторов использовалось множество различных материалов.
Натуральные продукты (1800 до середины 1900):
• Стекло;
• Волоконное полотно;
• Каучук;
• Полотно различных типов;
• Деревянная и целлюлозная основа.
Деревянный шпон (середина 1900 — 1960)
• Port Orford Cedar (наиболее используемый тип древесины);
• Пористая структура, предварительно вымоченная до ее использования
Стеклянные и целлюлозные волокна (конец 1960-х до наших дней в ограниченном количестве):
• 100% стекловолокно;
• Стеклянное и целлюлозное волокно.
Полимеры (конец 1930-х по настоящее время);
• ПВХ;
• Пористый каучук (1940-е);
• Полиэтилен (1970-е).
Это несколько ранних типов батарей, но и сегодня многие из них используются в их основной электрохимической форме. Кислотно-свинцовая батарея, впервые продемонстрированная Раймондом Гастоном Плантом, является одной из ведущих.
В зависимости от типа аккумулятора требования к сепарационным материалам меняются. Тип сепаратора определяется химией аккумуляторной батареи и требуемыми показателями данной батареи.
Свойства и технические характеристики сепараторов, используемых в свинцово-кислотных аккумуляторах
Свинцово – кислотные аккумуляторы — это наиболее популярный тип аккумуляторов в мире – на их долю приходится порядка 80% мирового производства, и от 75% до 90% производства в зависимости от региона. Соответственно, основные производства и разработки в области сепараторов направлены именно на данный тип аккумуляторных батарей. В Росси на их долю приходится до 90% производства аккумуляторов и потребления сепараторов.
В зависимости от типа свинцово-кислотного аккумулятора применяются две различные конструкции сепараторов: выполняющие разделительную функцию и сочетающие разделительную функцию с абсорбирующей возможностью.
Свинцово-кислотные аккумуляторы с жидким электролитом
В мире используется множество различных материалов для сепараторов, но все они были получены из натуральных материалов типа ткани или волокон и натурального резинового листа. В 1960-70гг синтетический полимер как основной материал стал преобладающим.
Одним из наиболее интересных аспектов замены деревянной основы сепаратора на синтетический материал было открытие, что устранение лигнинтного элемента, который присутствовал в древесных и целлюлозных типах и оказывал существенное влияние на продолжительность жизни батареи. Без лигнинтного компонента отрицательная активная масса стала уплотненной и потеряла пористость, что явилось ограничительным фактором для работы и жизни. Это явление породило различные формулировки так называемый экспандерный материал, который содержит различные лигнинтивные производные.
Сейчас экспандер является необходимым дополнением ко всем отрицательно пластинным материалам.
Развитие данного материала привело к увеличению продолжительности жизни и эффективности работы. Увеличение использования автоматизации для многих процессов собрания батарей требует сепараторных материалов, может потребоваться дополнительная сила и гибкость для обработки машинами против людей. Отличным примером является почти полностью измененный в строну конвертного типа сепаратор в сравнении с плоским (листового типа) сепаратором из полиэтилена и использование широкого набора автоматизированного оборудования для производства всех типов батарей.
Свойства и дизайн сепараторов
В большинстве случаев, ключевой задачей сепаратора является применение его в батареях. Признаки типа продолжительность жизни, высокие против низких норм разрядки и процессов собрания батарей диктуются многими материальными свойствами сепаратора и его размерами. Например, батарея с глубоким циклом разряда, которая имеет относительно низкие показатели по максимальному уровню разрядки, может быть разработана с более низкой пористостью и с увеличенной обратной толщиной холста с небольшим риском возникновения короткого замыкания. С другой стороны, в типичной стартерной батареи, малогабаритных автономных батареях пористость (%) и толщина сепаратора являются ключевыми факторами, позволяющие батареи отдавать более высокую силу тока при разрядке.
Наиболее часто используемые типы сепараторов в зависимости от области применения аккумуляторной батареи
Назначение аккумуляторной батареи
Наиболее важными характеристиками сепараторов являются:
1) Конфигурация ребер и толщина основного слоя:
• Поддерживает активную массу и предоставляет свободное место для электролита;
• Толщина основного слоя сепаратора в значительной мере влияет на электрическое сопротивление;
• Типичные формы ребра диагональные, извилистые, вертикальные.
2) Пористость и структура пор
• Средний и очень большой размер пор;
• Количество пор (%);
• Извилистость;
3) Электрическое сопротивление
• Напряжение при разрядке
• Определяется основной толщиной сепаратора, структурой пор и извилистостью
4) Химическая чистота
• Тяжелые металлы и органические соединения
• Негативное влияние на напряжение батареи
5) Сопротивление окислению
• Сопротивление к электролиту
• Сопротивление к активным материалам
6) Требования к производству и эксплуатации
• Обертывание в конверт, закладка листа
Все этими характеристиками можно управлять и менять их согласно критериям производимой батареи.
Некоторые дополнительные свойства, которые могут повлиять на показатели работы батареи могут быть достигнуты с помощью специального сепаратора, включая возможности натурального каучука или гибридный тип резины-полиэтилена, которые увеличивают продолжительность жизни батареи благодаря удержанию кристаллизующихся элементов на пути к отрицательному электроду.
Физико-химические показатели различных типов сепараторов
Показатели
Способы производства сепараторов
Во всех базовых типах сепараторов, описанных ниже, за исключением сепараторов на основе феноловых смол, используется мелкоячеистый кремнезем, образующий в материале пористую структуру. Кремнезем вводится в структуру сепаратора на основе полиэтилена, каучука и др. с помощью посредствам масел или воды. Затем жидкость из структуры сепаратора удаляется с помощью специального растворителя и путем просушивания материала. Оставшаяся структура из кремнезема кварца определяет пористую структуру сепаратора – размер пор, пористость (%), извилистость. Во всех производственных процессах, за исключением одного, профиль ребер сепаратора формируется с помощью каландра. Исключением являются сепараторы на основе феноловых смол, в которых для производства профилей ребер используется гофрированный ремень. Схемы, представленные ниже, демонстрируют способы производства описанных видов сепараторов.
Способы производства различных типов сепараторов
Схема 1
В России из современных типов сепараторов распространено производство сепараторов на основе ПВХ типа «Мипласт» и сепараторов на основе каучука типа «Мипор».
Для производства сепаратора «Мипласт» используются специальные марки ПВХ. Подобную марку производит ООО «Усольехимпром» (ООО «Группа НИТОЛ»). Эмульсионный ПВХ Е-6642Ж применяется для получения сепараторов типа «Мипласт», характеризующихся низким электросопротивлением, небольшим диаметром пор и высокой объемной пористостью.
Среди производителей сепараторов подобного типа можно отметить крупнейшего российского производителя аккумуляторов ОАО «Тюменский аккумуляторный завод». На предприятии установлена производственная линия, позволяющая изготавливать сепараторы «Мипласт» из поливинилхлоридной смолы путём засыпки, формовки, спекания на металлической ленте конвейера.
Среди предприятий СНГ собственным производством сепараторов располагает ОАО «Кайнар», являющийся крупнейшим производителем аккумуляторов в Республике Казахстан.
Сепаратор «Миплас» производится на предприятии из поливинилхлоридной смолы на собственных линиях немецкой фирмы «Thyssen Henschel». В свою очередь, полиэтиленовый сепаратор закупается у западной компании «Daramic».
Производство наиболее современных и самых востребованных типов сепараторов на основе полиэтилена и полиэтилена/каучука в России отсутствует. Один из московских институтов пытался запустить производство подобного материала, но по качеству не вышел — был косой, тянулся.
Исходными материалами для производства полиэтиленовых сепараторов являются:
1) Кремнезем
Кремнезем является важной частью полиэтиленового сепаратора для аккумулятора. Он образует «становой хребет» или скелет, позволяющий сепаратору приобрести гидрофильные свойства, поглощать H2SO4 и обеспечивать электрохимический перенос ионов между отрицательной и положительной пластинами свинцово-кислотной батареи.
2) «UHMWPE»
Когда речь заходит о полиэтиленовых сепараторах, то следовало бы говорить о сепараторах «UHMWPE», то есть о сепараторах из полиэтилена сверхвысокого молекулярного веса. UHMWPE придает продукту уникальность:
• UHMWPE не поддается обработке плавлением вследствие сильного переплетения цепочек;
• UHMWPE должен пластифицироваться с использованием углеводородных технологических масел и переработки в гель;
• UHMWPE способен связывать большие количества наполнителя (например, кремнезема);
• Поэтому UHMWPE образует плотные, свободностоящие пленки.
UHMWPE стоек к истиранию. Он часто применяется в качестве полимера, предпочтительного в современных деталях для замены костных фрагментов. Другое, хорошо известное применение UHMWPE находит в конструкции пуленепробиваемой брони для личной защиты.
3) Технологические масла
Технологическое масло, используемое в полиэтиленовых сепараторах аккумуляторов, играет тройную роль:
• Оно позволяет превращать UHMWPE в гель, и, благодаря плотному переплетению цепочек, миновать процесс плавления;
• Извлечение технологического масла из сепаратора UHMWPE с кремнеземным заполнителем создает пористую пленку со средним диаметром пор 26 и 27 нанометров;
• Масло, остающееся в сепараторе, служит начальной защитой UHMWPE от высокотемпературного электрохимического окисления.
C текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка сепараторов для аккумуляторных батарей можно познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков « Анализ спроса на стеклохолст в производстве сепараторов для аккумуляторных батарей ».
Об авторе:
Академия Конъюнктуры Промышленных Рынков оказывает три вида услуг, связанных с анализом рынков, технологий и проектов в промышленных отраслях — проведение маркетинговых исследований, разработка ТЭО и бизнес-планов инвестиционных проектов.
• Маркетинговые исследования
• Технико-экономическое обоснование
• Бизнес-планирование
Источник