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 隔板微觀結構（SEM）與抗刺穿性能、伸長率之間的關系，認為結晶度高、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、化學穩(wěn)定性好等之外，還要求隔板具有較大的機械強度[1]。如果隔板不具備足夠的機械強度，就容易出現(xiàn)機械破損或被稍稍變形的極板壓穿[2]。因為隔板和極板親密接觸，所以除隔板本身的強度要求外，提高極板質量，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廢，造成較大的經(jīng)濟損失。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)過雙螺桿高溫擠壓成型，再經(jīng)抽油、氣提、涂劑、干燥、檢洞、卷取等過程制成[4]，其顆粒度細膩，結構緊密。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、切邊或分板時都可能使板柵存在毛刺，拉網(wǎng)板柵裁剪不合適時，底部和側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、使用過程振動時都可能刺破隔板（見圖 2），引起正負極板導通短路，造成電池報廢。

圖2　PE 隔板刺穿短路

1.2PE 隔板的機械損傷

PE 隔板經(jīng)常出現(xiàn)局部小坑和裂紋。這些機械損傷，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，破壞 PE 隔板的微觀矩陣結構，造成聚乙烯分子長鏈的斷裂，使得隔板內部結構疏松、強度變差，此時如果受到機械擠壓，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、結晶性均對隔板的強度造成影響，可以說表征隔板強度的抗刺穿性能實際上是由 PE 隔板微觀結構決定的?？勾檀┬阅苁遣牧系囊粋€宏觀強度指標，但其大小能夠間接地反映材料微觀結構的均勻一致性；分析認為，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構。

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，調整到所需狀態(tài)，設定儀器升降速率為（300±5）mm/min，按下測試鍵，當刺針刺穿隔板時，迅速按停止鍵，讀取測試值，取隔板的不同部位測試 3 次，取平均值作為結果。

選取 3 個不同廠家的 PE 隔板（分別標號為：A、B、C），測試其微觀結構（圖 4）和機械性能（表 1）。通過圖 4 電鏡掃描照片和表 1 中 PE 隔板機械性能（橫向伸長率和刺穿強度）的測試結果，可以得出以下結論：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隔板結晶度高，抗刺穿強度大，但伸長率較?。籅隔板結晶度最差，抗刺穿強度最低，橫向伸長率最大；C 隔板結晶度介乎 A、B 之間，抗刺穿強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，為進一步驗證 PE 隔板微觀結構和宏觀機械性能之間的關系，故選取同一廠家 3 種型號 PE 隔板（分別標號為：E、F、G）進行研究。這 3 種型號PE 隔板的機械性能測試結果見表 2，橫截面微觀結構掃描分析見圖 5。通過表 2 和圖 5 的測試，可以得出以下結論：① E 隔板球狀顆粒不太明顯，微觀結構不太均勻，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 隔板顆粒和結構最不均勻，有纖維拉絲結構，微孔明顯；② F 隔板結晶度最好，抗刺穿強度最高，橫向伸長率最小；G 隔板結晶度較差，結構疏松，抗刺穿強度小，伸長率較高；E 隔板結晶度介乎 A、B之間，抗刺穿強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 隔板的抗刺穿強度和伸長率一般為負相關。即 PE 隔板的結晶度好，結構致密、均一，則抗刺穿強度高，但是伸長率??；相反結晶度較差，隔板的抗刺穿強度較低，但是伸長率較大。

3　討論與結果

由 PE 隔板微觀結構和機械性能之間的關系可以看出：PE 隔板材料的結晶度越高，微觀結構顆粒越明顯，抗刺穿強度也越高，但對隔板的伸長率有一些負面影響?？勾檀姸却螅f明隔板的微觀結構致密，均勻一致性較好，所以，一般來說抗刺穿強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構的均勻性。PE 隔板的成型靠雙螺桿擠出機的不斷攪拌、剪切、勻化，這是由螺桿非常復雜的結構決定的。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構不均勻，導致隔板機械強度差。PE 隔板在擠出后，還需要壓延出筋條，并較為迅速地冷卻，而材料的結晶度，或者說晶粒的大小與溫度密切相關，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。當成型壓力和過冷度較大時，隔板結構致密，晶體規(guī)則、細小。機械損傷、氧化都可能造成隔板局部強度降低，如果受損傷部位再發(fā)生機械擠壓，更容易造成隔板刺穿形成接觸短路。

參考文獻：

[1] 陳紅雨, 羅有榮, 段淑貞. 蓄電池失效與隔板的關系[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構和宏觀性能之間關系的研究[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用[J]. 電源技術, 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

文獻標識碼：B

文章編號：1006-0847(2015)03-135-03

收稿日期：2014-09-19