PE+AGM雙層隔板在動力型VRLA電池中的應(yīng)用

祁永軍，孟祥輝（河北奧冠電源有限公司，河北 衡水 053000）

?

PE+AGM雙層隔板在動力型VRLA電池中的應(yīng)用

祁永軍，孟祥輝
（河北奧冠電源有限公司，河北 衡水 053000）

摘要：本文根據(jù)動力型 VRLA 電池常見的單只落后現(xiàn)象，在原有 VRLA 動力型電池

使用的 AGM 隔板基礎(chǔ)上，在 AGM 和極板間加一層 PE 隔板用以避免極板間微短路的發(fā)生，同時觀察此 PE 隔板對電解液的含浸效果以及較相對常規(guī)的 AGM 電池在內(nèi)阻、失水、循環(huán)壽命等方面的影響。試驗結(jié)果顯示，PE 隔板對電解液有更好的含浸能力，并且沒有使電池內(nèi)阻明顯增加，也沒有使電池在循環(huán)使用過程中明顯失水，避免了微短路的同時改善了電池循環(huán)壽命的一致性，特別是對電池的負極具有明顯的改善作用。

關(guān)鍵詞：PE+AGM 雙層隔板；短路；失水；電解液含浸能力；電池內(nèi)阻；動力型閥控蓄電池

0 前言

目前，動力型免維護鉛酸蓄電池遭遇顧客退貨的主要原因是單只落后，這種落后又表現(xiàn)在某一單格正負極容量同步衰減，出現(xiàn)短路的現(xiàn)象。動力型鉛酸蓄電池的特點主要是不斷地進行放電和再充電，輸出電流大，特別是車輛開始起動或加速時，這就要求電池具有極板較薄、極板間距較小、電解液密度較大等特點。較薄的極板和較小的極板間距容易使電池極板間發(fā)生微短路的現(xiàn)象。這類電池所用隔板主要是 AGM 隔板，其特點是孔率較高，孔徑較大（平均孔率在數(shù)微米，參見圖 1），這就使得 AGM 隔板很容易吸附稀硫酸電解液，而 AGM玻璃纖維本身所占用的體積較小，能保證電池極板間的含酸量，但其較大的孔徑也使電池間微短路的發(fā)生成為可能[1]。

用于汽車蓄電池的 PE 隔板，具有較小的孔徑，一般在 0.1～0.2 μm（圖 1），適合于高倍率放電，具有較高的強度和較薄的厚度，能起到預(yù)防穿晶短路的作用[2-3]。由于 PE 隔板不同于 AGM 隔板的明顯特性，因此筆者使用國產(chǎn)型 PE 隔板進行試驗，現(xiàn)將試驗結(jié)果做一下介紹，供業(yè)界參考。另外，筆者曾考慮過將鋰離子電池使用的 PE 隔膜應(yīng)用到此方面，但經(jīng)過測試，發(fā)現(xiàn)鋰電池的 PE 隔膜只對有機電解液有較好的親和性，而對稀硫酸電解液則基本上不能浸潤，所以稀硫酸電解液不能進入到隔膜微孔，從而使電極間不能很好地導(dǎo)電而無法得到應(yīng)用。

1 試驗結(jié)果鑒于 PE 隔膜不同于 AGM 的特性

因為 PE 隔板和 AGM 隔板的特性不同，所以筆者先對 PE 隔板與 AGM 隔板進行了孔徑對比，然后進行了吸水性能測試。結(jié)果如下：

1.1 孔徑對比

如圖 1 所示，PE 隔板的平均孔徑只有 AGM 隔板的幾十分之一，PE 隔板小的孔徑可能會有利于防止鉛枝晶微短路的發(fā)生。

圖 1 PE 與 AGM 孔徑分布比較

1.2 PE 隔板吸水性能測試

將相同面積的 1 層 PE 隔板及 2 層 AGM 隔板分別稱重后浸入水中，然后取出垂直放置，瀝干到基本無水滴滴下，再分別稱其重量。然后，將完全浸濕的 1 層 AGM 隔板放置在 ABS 塑料墊板上，上層再放置 1 層完全浸濕的 PE 隔板，再在 PE 隔板上放置 1 層完全浸濕的 AGM 隔板（圖 2 ）。最后，放置在室溫條件下任其自然蒸發(fā)。每隔一段時間測試上層 AGM 隔板、中間層 PE 隔板、下層AGM 隔板的重量。

圖 2　AGM 和 PE 隔板在室溫環(huán)境下的水分蒸發(fā)

將還未蒸發(fā)的含水隔板重量減去隔板的干重，即為隔板的飽和吸液量，記做 100 %。在進行蒸發(fā)后的各個不同時段對 AGM 及 PE 隔板的吸液量依次進行計算，結(jié)果如圖 3 所示。

圖 3　PE 與 AGM 吸液量對比

從圖 3 中可以看出：下層 AGM 隔板與上層AGM 隔板的含水量因蒸發(fā)而不斷減少，基本上是同步的，沒有出現(xiàn)下層 AGM 隔板因不能接觸空氣蒸發(fā)而出現(xiàn)重量不變或是緩慢減少的現(xiàn)象。也就說是隨著上層 AGM 隔板含水量的減少，下層 AGM隔板的水能夠很快地透過中間 PE 隔板進入到上層AGM 隔板當中，這說明 PE 隔板讓水通過的能力是較強的。

AGM 隔板的含水量隨著蒸發(fā)的進行在不斷地減少，而 PE 隔板在經(jīng)過了開始蒸發(fā)階段較短時間的含水量減少后，長時間地保持穩(wěn)定不變。此現(xiàn)象說明了 PE 隔板含浸電解液的能力是較強的，這與PE 隔板孔徑較小有關(guān)。根據(jù)毛細現(xiàn)象，水對 AGM 及 PE 隔板的吸引力，可通過毛細管上升高度公式h=2γ cos θ/(ρ?g?r) 進行估算。式中 h 為毛細管上升高度；γ 為表面張力系數(shù)；θ 為接觸角 90°，cos θ=1；ρ 為液體密度；g 為重力加速度；r 為毛細管半徑。由此可知，由于 PE 隔板的孔徑相對 AGM 隔板來說小得多，所以 PE 隔板的毛細上升高度會較大，也就說是 PE 隔板對水的含浸能力要遠高于 AGM隔板。PE 隔板在最初階段含水量有所減少，可以判斷為 PE 隔板表面吸附的水分薄層隨著 AGM 隔板含水量的減少而擴散到 AGM 隔板當中，而微孔中的水分子由于較強的毛細作用而較難失去，所以PE 隔板在失去表面水分后保持了相對穩(wěn)定不變的含水量。

眾所周知，隨著電池的充放電循環(huán)使用，電池隔板內(nèi)的水分會因電解及負極上氫氣的產(chǎn)生而逐漸失去，同時電解液中的水分也會從 AGM 隔板中失去。如果存在 PE 隔板，就會較好地保持隔板內(nèi)電解液含量不變且分布均勻，可能會有利于其相鄰的電極保持充分的電解液供給。

2 電池性能測試

在進行了上述測試之后，筆者選擇 6-DZM-30電動三輪車用電池及 6-EVF-100 電動四輪車用電池進行了測試。用常規(guī)的極板來組裝電池，不同的是先用袋式 PE 隔板把負極板包好，然后進行常規(guī)的電池內(nèi)化成。電池化成后，進行以下試驗：

2.1 初期容量試驗

從電池初期容量來看，基本上與常規(guī)電池相同 (圖 4 )，也就說是 PE 隔板沒有因為隔板含酸量的減少而明顯地影響到電池的容量。筆者注意到，在對電池進行真空灌注電解液時，PE+AGM 電池酸壺內(nèi)的硫酸液面比標準 AGM 電池的有所上升，也證實了 PE 隔板較小的孔率使其占用了一部分空間，也就是說化成后電池所含電解液的量會有所減少，但這部分減少的電解液沒有影響到 PE+AGM電池的容量。

圖 4　6-DZM-30 電池組 2 小時率放電曲線

2.2 內(nèi)阻試驗

根據(jù) GB/T 19638 標準第 7.9 條“短路電流和內(nèi)阻水平”進行了測試。測試結(jié)果如圖 5 所示，PE+AGM 電池的內(nèi)阻與標準 AGM 隔板電池的內(nèi)阻相同 ( 18 m Ω 左右)，電池的內(nèi)阻沒有因為使用 PE隔板而出現(xiàn)明顯的增加。

圖 5　6-DZM-30 電池內(nèi)阻值

2.3 低溫試驗

如圖 6 所示，PE+AGM 隔板的電池在低溫時的放電能力已超過 AGM 電池的。這可能與其較強的電解液保持能力及較快的電解液交換能力有關(guān)，并與張玉娥所提“放電溫度越低，PE 隔板的優(yōu)勢越明顯”[4]相符。

圖 6　PE 與 AGM 隔板電池低溫（-15 ℃）放電曲線

2.4 充電接受能力

從圖 7 可以看到，PE+AGM 隔板電池的充電接受能力要稍好于 AGM 電池，原因可能是 AGM 電池化成后呈微貧液的狀態(tài)。由于 PE 隔板的細孔相對 AGM 隔板的大孔含浸電解液的能力強（圖 3），PE 隔板可較好地與負極板貼合，對負極板相當于提供了相對稍多的電解液，在充電時有利于負極釋放出的硫酸向電解液中擴散，因此在充電時充電接受能力會稍好一些。

圖 7　低溫充電接受能力（0 ℃）

2.5 密封反應(yīng)效率

根據(jù) GB/T 22199 標準中第 6.13 條“密封反應(yīng)效率”進行了測試。20 ℃ 時，將兩只型號均為6-DZM-30 的標準 AGM 電池和兩只 PE+AGM 電池串聯(lián)后，以 0.2I2充電 48 h，然后以 0.1I2充電 29 h，從第 25 h 開始收集氣體 5 h。測試數(shù)據(jù)和計算結(jié)果如表 1 所示。

表 1　標準 AGM 電池與 PE+AGM 電池密封反應(yīng)效率

由表 1 來看，PE+AGM 電池的密封反應(yīng)效率比標準 AGM 電池稍高。這可能是因為在生產(chǎn)時注意了 PE 隔膜與 AGM 隔板緊密裝配，正極上產(chǎn)生的氧氣能較好地透過 PE 隔板與負極上的鉛進行反應(yīng)。值得說明的是，密封反應(yīng)效率還與電池極群內(nèi)電解液的充滿度等有關(guān)。

2.6 循環(huán)壽命

如圖 8 所示，PE+AGM 隔板電池達到了接近600 次的循環(huán)壽命，而普通 AGM 電池的壽命只有接近 400 次。之所以在壽命上出現(xiàn)了區(qū)別，主要是因為 PE+AGM 隔板電池在整個循環(huán)壽命期間一直保持著非常好的一致性（圖 9 )，而 AGM 電池在中后期一致性變差而較早結(jié)束了壽命（圖 10 ）。這可能說明了 PE 隔板確實起到了較好的防止微短路的作用。

圖 8　標準 AGM 與 PE+AGM 隔板電池組循環(huán)壽命

圖 9　PE+AGM 電池組放電終止電壓

圖 10　標準 AGM 電池組放電終止電壓

為了驗證電池壽命結(jié)束的原因，對循環(huán)了近650 次的 PE+AGM 隔板電池進行了解剖。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：電池內(nèi)部正極板腐蝕嚴重（圖 11a ）；負極板則保持了非常好的狀態(tài)，表面非常光滑，并無產(chǎn)生硫酸鉛時的顆粒感，且表面經(jīng)過輕輕一劃，即表現(xiàn)出很好的金屬光澤（圖 11b ），此現(xiàn)象可能與負極板包裹的 PE 隔板具有良好的電解液含浸能力有關(guān)；另外，解剖后的 PE 隔板與 AGM 隔板能很好地結(jié)合在一起，分開后，有少量的 AGM 纖維粘附在 PE 隔板的表面（圖11c ）。

2.7 蓄電池失水

在電池進入循環(huán)壽命測試前，對每只電池進行稱重，每隔一定循環(huán)次數(shù)后再對電池進行稱重，電池累積的失水量與電池內(nèi)部電解液總量之比即為累積失水率。試驗前曾預(yù)計，由于 PE 隔板的孔徑較小，正極產(chǎn)生的氧氣會較難透過 PE 隔板到負極上進行復(fù)合，但從圖 12 來看，PE+AGM 隔板電池的失水率甚至要小于標準 AGM 電池的。

圖 11　PE +AGM 隔板電池解剖圖

圖 12　標準 AGM 與 PE 隔板電池循環(huán)過程中失水率

2.8 PE 隔板在 EVF 電池中的應(yīng)用

筆者又將 PE 隔板使用于 EVF 電動汽車電池上，并從中抽取了兩組電池進行循環(huán)壽命試驗，結(jié)果如圖 13。從尚未結(jié)束的試驗分析，PE+AGM 電池仍顯示出較好的一致性，使得電池在長期的循環(huán)壽命試驗中保持了相對不變的容量。

圖 13　PE+AGM 隔板之 48 V-EVF-100 電池循環(huán)壽命

3 結(jié)論及說明

通過本文的試驗說明， PE 隔板沒有明顯地影響電池的性能，甚至對電池的部分性能指標起到了促進的作用，特別是電池的一致性，從而對延長電池的壽命起到較明顯的影響。這可能歸結(jié)于 PE 隔板孔徑小，確實能起到防止鉛枝晶短路的作用，使電池的壽命有所保證。另外由于孔率較小，PE 隔板有較強的浸含電解液的能力，從而對其鄰近的負極起到了積極的作用，使得負極板不易硫酸鹽化。當然，也有報道稱，即使使用了 PE 隔板，仍可能在 PE 隔板上生成白色的硫酸鉛而導(dǎo)致電池短路。鉛枝晶短路也不是完全能靠 PE 隔板來杜絕的[5]。以上僅為采用 PE+AGM 隔板的電池的部分性能試驗結(jié)果，在使用上可能還有許多實際問題需要注意和解決。

參考文獻：

[1] 陳志雪, 李亞輝, 劉可暢, 等. 鉛酸蓄電池 PE 隔板短路問題的研究[J]. 蓄電池, 2010(4): 154-157.

[2] 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.

[3] 陳志雪, 劉成江, 陳曉琴, 等. PE 隔板最大孔徑測試分析[J]. 蓄電池, 2012(4): 151-156.

[4] 張玉娥. PE 隔板在鉛酸蓄電池中的應(yīng)用[J]. 內(nèi)蒙古石油化工, 2009(19): 67-68.

[5] 劉璐, 張霄喃, 王建新, 等. 鉛酸蓄電池使用后 PE隔板上白色物質(zhì)的分析研究[J]. 蓄電池, 2014(5): 202-206.

The application of PE+AGM double layers of separators in the VRLA batteries for bicycles and vehicles

QI Yongjun, MENG Xianghui
(Heibei Allgrand Power Co., Ltd., Hengshui Hebei 053000, China)

Abstract:According to that the main failure mode of power VRLA batteries for bicycle and vehicles is single cell lagging because of capacity loss which is similar to short circuit, hence we added one thin layer of PE separator between AGM and negative plate to prevent battery from short circuit. In the other hand, we wanted to know the infl uences of PE separators on the battery performances of internal resistance, water loss, cycle life, etc. The test results showed that PE separator had the better ability to absorb water than AGM, not changed signifi cantly the internal resistance and water loss, and prevented the battery from short circuit, in the meantime improved the consistency of cycle life, especially for negative performance.

Key words:PE+AGM double layer separator; short-circuit; water-loss; infiltration capability of electrolyte; internal resistance; power VRLA batteries

收稿日期：2016-01-25

中圖分類號：TM 912.9

文獻標識碼：A

文章編號：1006-0847(2016)02-59-05