超細(xì)玻璃纖維隔板包板方式研究與探討

李現(xiàn)紅，宋然，孔德龍，賈巧巧，孫大強(qiáng)

（山東圣陽電源股份有限公司，山東 曲阜 273100）

0 引言

超細(xì)玻璃纖維隔板（簡稱 AGM 隔板）作為第三電極，對電池的整體性能和使用壽命有重要影響[1-2]。理想的 AGM 隔板應(yīng)具備如下幾個(gè)特點(diǎn)：①電絕緣性能良好；② 具有滿足加工過程所需的強(qiáng)度；③ 能夠維持正極板高的壓力，對極板膨脹變形有一定的抑制作用；④ 在所需的壓力條件下能夠與極板表面貼合；⑤ 能夠?yàn)闃O板提供足夠的電解液，即吸液和保液能力好；⑥ 允許氧有效傳輸?shù)截?fù)極板[3]。

AGM 隔板原材料和生產(chǎn)工藝造成了 AGM 隔板正反兩面的表觀特征和物理性能不同。在鉛酸蓄電池生產(chǎn)過程中，如何確定 AGM 隔板的包板方式更有利于電池性能的發(fā)揮，也是鉛酸蓄電池技術(shù)工作者的一個(gè)重要研究課題。

1 AGM 隔板網(wǎng)格面與毛面的形成原因

AGM 隔板生產(chǎn)為流程性連續(xù)生產(chǎn)，大多沿用傳統(tǒng)斜長網(wǎng)濕法造紙的工藝流程，包括制漿工段、成形工段、烘干卷取工段、成品后加工及包裝工段。AGM 隔板成形技術(shù)的關(guān)鍵有制漿、上漿、成型、烘干等[4]。其中 AGM 隔板網(wǎng)格面和毛面是在隔板成型過程中形成的：漿料被連續(xù)均勻地流淌在網(wǎng)孔輸送帶上成型，由網(wǎng)孔輸送帶下部抽真空去除漿料中的水分，因此成型的 AGM 隔板靠近網(wǎng)帶的一面表觀為較平整的網(wǎng)格面，我們稱之為“網(wǎng)格面或平坦面（Flat）”，而表觀質(zhì)地較疏松的另一面，我們稱之為“毛面（Rough）”。

2 AGM 隔板網(wǎng)格面與毛面的微觀形貌

AGM 隔板是由長短不一的粗玻璃纖維和細(xì)玻璃纖維按一定質(zhì)量比混合而成的。在隔板成型過程中，常規(guī)的 AGM 隔板生產(chǎn)工藝和脫水設(shè)施是借助漿液的重力來實(shí)現(xiàn)的。在漿液沉積脫水過程中，由于粗玻璃纖維的沉降速度比細(xì)玻璃纖維的快，粗玻璃纖維先沉積在隔板底層即網(wǎng)格面。因此，相比于上層的毛面，網(wǎng)格面中粗玻璃纖維較多。AGM 隔板的物理性能與玻璃纖維的直徑密切相關(guān)。粗纖維對隔板的抗壓縮性能有利，而細(xì)纖維對電解液均勻分布有利[5]。

采用顯微鏡對多個(gè)規(guī)格的 AGM 隔板的網(wǎng)格面和毛面的微觀形貌進(jìn)行表征。雖然規(guī)格不同，所采用的玻璃纖維原料形貌也有一定的差異，但大多的 AGM 隔板網(wǎng)格面與毛面特征基本相同。網(wǎng)格面中粗玻璃纖維占比略高于毛面，且個(gè)別隔板網(wǎng)格面中存在一部分較短且偏粗的碎玻璃纖維，而毛面中整體來說細(xì)玻璃纖維更明顯（參見圖 2 中隔板 A、B、C）。個(gè)別規(guī)格的 AGM 隔板雖然也是粗細(xì)玻璃纖維搭配，但粗細(xì)玻璃纖維的分布在網(wǎng)格面和毛面上沒有很明顯的區(qū)別（參見圖 2 中的隔板 D）。粗細(xì)玻璃纖維在隔板整體中分布很均勻，且網(wǎng)格面和毛面的微觀圖片中均未出現(xiàn)明顯的短碎玻璃纖維。

3 AGM 隔板網(wǎng)格面與毛面的測試與分析

為了更好地將 AGM 隔板應(yīng)用于鉛酸蓄電池，D. Pavlov 等人[6]也曾對 AGM 隔板的兩面分別進(jìn)行改性研究。本文中，筆者對幾種 AGM 隔板兩面的機(jī)械性能、吸酸速率、吸酸量等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行對比分析，為鉛酸蓄電池生產(chǎn)過程中合理的包板方式提供參考依據(jù)。

3.1 拉伸強(qiáng)度

取 4 種規(guī)格 AGM 隔板，先依次測試完整的AGM 隔板的拉伸強(qiáng)度，再將這 4 種隔板分別從中間分開，各分成網(wǎng)格面一側(cè)（Flat）和毛面（Rough）一側(cè)，然后測試每種 AGM 隔板兩側(cè)的拉伸強(qiáng)度，得到表 1 中結(jié)果。可見，所有隔板的網(wǎng)格面的拉伸強(qiáng)度均高于毛面。一方面，AGM 隔板的生產(chǎn)工藝（底層壓實(shí)）使得網(wǎng)格面外觀更平整，更緊實(shí)。另一方面，網(wǎng)格面由于粗玻璃纖維偏多，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上也優(yōu)于毛面。

表1 AGM 隔板拉伸強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)

3.2 對折強(qiáng)度

分別將不同 AGM 隔板的網(wǎng)格面和毛面朝里，進(jìn)行 180°縱向?qū)φ?，在對折處壓平，往?fù)折疊 3次，觀察隔板兩面是否有會(huì)出現(xiàn)斷裂或者裂紋。由圖 3 可見，這 4 種隔板對折均未出現(xiàn)斷裂和明顯的裂紋。

3.3 吸酸速率

取 4 種規(guī)格的 AGM 隔板，同樣分割成網(wǎng)格面一側(cè)和毛面一側(cè)，分別測量自然狀態(tài)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。由圖4 可以看出，4 種 AGM 隔板網(wǎng)格面的吸酸高度均大于毛面。這一方面與玻璃纖維之間結(jié)合的緊實(shí)度有關(guān)；另一方面是受到玻璃纖維粗細(xì)的影響。玻璃纖維之間結(jié)合緊實(shí)有利于酸液的毛細(xì)傳遞。網(wǎng)格面中粗纖維偏多，所以孔隙偏大。參考 Washburn 和Laplace 方程，以及 Leverett[7]提出的毛細(xì)壓力，爬液速度與孔隙大小成正比，所以孔隙相對越大，液體在毛細(xì)管中上升得越快。

AGM 隔板的吸酸速率與隔板中的粗細(xì)纖維質(zhì)量比有一定的關(guān)系[8]。粗玻璃纖維短時(shí)間吸酸速率優(yōu)于細(xì)玻璃纖維，而細(xì)玻璃纖維由于芯吸能力較強(qiáng)，在浸潤性和保液能力上占優(yōu)勢。吸酸速率也與隔板的孔徑分布有很大關(guān)系。如果孔徑太大，隔板在垂直方向吸酸易出現(xiàn)斷層。如果把孔徑太大的隔板應(yīng)用于鉛酸蓄電池中，就不能有效地抑制電解液的分層。如果孔徑太小，由于表面張力的作用，容易形成不浸潤酸液的盲孔，不利于儲(chǔ)酸。因此，需要將孔徑分布控制在合理的范圍，以保證一定的吸酸速率和保液能力。

3.4 吸酸量

取 4 種規(guī)格的 AGM 隔板，裁剪成 50 mm ×50 mm 各 10 片，再分別分割成網(wǎng)格面一側(cè)和毛面一側(cè)，參考標(biāo)準(zhǔn) GB/T 28535—2018《鉛酸蓄電池隔板》中的加壓吸酸量測試方法，對每種 AGM 隔板的網(wǎng)格面和毛面在加壓 50 kPa 下測試吸酸量。硫酸電解液密度為 ρ15℃=1.28 g/cm3± 0.005 g/cm3。由圖 10 可以看出，4 種 AGM 隔板均是毛面的加壓吸酸量高于網(wǎng)格面。毛面中細(xì)玻璃纖維多于網(wǎng)格面，而且長短不一的細(xì)玻璃纖維交織形成了復(fù)雜的相互連接的三位網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在酸液中，相比于粗纖維偏多的網(wǎng)格面，毛面中細(xì)小的孔隙能提供更高的芯吸能力。這種芯吸能力不僅可以增加 AGM 隔板的浸潤性，還在鉛酸蓄電池應(yīng)用過程中，對電解液的分層有一定的抑制作用。

4 AGM 隔板包板方式探討

基于以上 4 種 AGM 隔板網(wǎng)格面和毛面關(guān)鍵指標(biāo)的對比分析，對于 AGM 隔板在閥控式鉛酸蓄電池中的應(yīng)用，如何確定更合適的包板方式，以保障產(chǎn)品性能穩(wěn)定，探討如下：

（1）為了防止正極活性物質(zhì)泥化脫落考慮，由于 AGM 隔板網(wǎng)格面的強(qiáng)度優(yōu)于毛面，把網(wǎng)格面面向正極更合適。

（2）對于高功率電池，由于隔板毛面在存儲(chǔ)電解液方面占優(yōu)勢，將毛面面向正極板更有利于電池發(fā)揮高功率的性能。

（3）通過解剖電池發(fā)現(xiàn)，在裝配比未失效之前，隔板毛面與極板貼合整體上要比網(wǎng)格面與極板貼合得更完整。這樣有利于充放電過程中離子在極板、隔板間的傳輸，也是毛面面向正極板的另一個(gè)優(yōu)勢。