含离心玻璃纤维AGM隔板的性能研究

收稿日期：2017–03–02
含离心玻璃纤维AGM隔板的性能研究
孔春凤，张峰博，陈飞，郭志刚，陈跃武，毛书彦
（天能集团研究院，浙江 长兴 313100）
摘要：为了降低能耗，改善 AGM 隔板中玻璃微纤维的离散度，将离心玻璃微纤维按一定质量分数添加到火焰法生产的玻璃微纤维中来制备铅酸蓄电池 AGM 隔板。

结果表明，把离心玻璃微纤维加入到 AGM 隔板中能提高 AGM 隔板的常态吸酸、加压吸酸 、5 min 吸酸高度、吸酸速率、耐久压力及单体电池装配压力等性能，但是 AGM 隔板的压缩回弹性和强度会有一定程度的降低。

关键词：铅酸蓄电池；玻璃微纤维；离心棉；AGM 隔板；能耗；离散度；吸酸速率；拉伸强度；压缩率；耐久压力
中图分类号：TM 912.1 文献标识码：B 文章编号：1006-0847(2017)04-185-05
Property research of AGM separators with different content
centrifugal glass fiber
KONG Chunfeng, ZHANG Fengbo, CHEN Fei, GUO Zhigang, CHEN Yuewu, MAO Shuyan
(The Academy of Tianneng Group, Changxing Zhejiang 313100, China)
Abstract: In the paper, in order to reduce energy consumption and improve the discrete degree of glass fiber, a certain content of centrifugal glass fiber has been added to the flame glass fiber in the process of preparing AGM separators for lead-acid batteries. The results show that a certain content of the centrifugal glass fiber add into AGM separators can improve normal acid absorption, pressurized acid absorption, acid absorption height for 5 min, acid absorption rate, durability and cell’s assembly pressure, but reduce the compression resilience and intensity.
Keywords: lead-acid battery; glass fiber; centrifugal fiber; AGM separator; energy consumption; discrete degree; acid absorption rate; tensile strength; compressibility; durable pressure 0 引言
隔板被称为铅酸蓄电池的“第三极”，在铅酸蓄电池中起着举足轻重的作用[1]。

AGM 隔板是一种由直径为 0.8～3 μm 的玻璃微纤维通过湿法成型
工艺而制得的薄片状绝缘材料。

它不仅需要具有一定的机械强度，保证机械化生产和使用的需要，而且要作为一种隔离层，将铅酸蓄电池的正、负极板分离开来，防止铅酸蓄电池正、负极板之间短路，阻止正极活性物质脱落[2-3]。

此外，AGM 隔板还是一种多孔材料，在铅酸蓄电池中能够吸附和固定足够量的电解液，使其处于 90 % 的饱和状态，让电池处于贫液状态，以保证电池的放电容量[4]。

AGM
隔板在电解液中的稳定性直接影响着铅酸蓄电池的循环寿命；其压缩回弹性可控制铅酸蓄电池正极活
性物质的脱落；其孔径大小影响着铅枝晶短路；其吸酸特性影响着铅酸蓄电池的蓄存电解液的能力；其电阻大小影响着铅酸蓄电池的高倍率放电容量和端电压水平等[5-6]。

目前，制备铅酸蓄电池 AG M 隔板的主要材料是玻璃微纤维。

玻璃微纤维的生产方式有火焰法和离心法。

采用火焰法生产玻璃微纤维时能耗较高，虽然生产出来的玻璃微纤维强度等性能指标相对较好，但是纤维长度和细度的离散度高；而用离心法生产玻璃微纤维时能耗相对较低，纤维长度和细度的离散度低，但强度也低。

随着电池行业竞争压力的增大，价格低廉、性能良好是未来铅蓄电池隔板发展的需要。

用离心法生产出来的离心玻璃棉的价格比火焰法玻璃棉的便宜，并且离心玻璃棉的纤维长度均匀性较好[7-8]。

笔者考虑在铅酸蓄电池的 AGM 隔板中添加一定量的离心玻璃纤维而制定了相关实验，并对未加离心棉的 AG M 隔板与加入离心棉的 AG M 隔板进行对比，探究加入离心法玻璃纤维对 AGM 隔板性能的影响。

1 实验仪器和样品
实验使用的仪器有：碎浆机、搅拌机 、成型机、烘干机、收卷机、微机控制电子万能试验机、叩解度仪、孔径仪、热风烘箱等。

实验中采用了离心玻璃棉和火焰玻璃棉两种类型的玻璃棉。

离心玻璃棉因其内部纤维蓬松交错，存在大量微小的孔隙，所以是典型的多孔性材料，具有纤维直径粗、阻燃、无毒、耐腐蚀、容重小、导热系数低、化学稳定性强的特点。

火焰玻璃棉是一种纤维直径细，非纤维杂质少，柔软的玻璃纤维材料。

将两种类型的玻璃棉按照不同质量比混合，以湿法成网的方式制备成 AG M 隔板样品，并给其编号。

2 实验过程及结果
2.1 含离心棉的 AGM 隔板的理化性能
按照标准 G B/T 28535—2012 测定隔板的最大孔径、毛细吸收高度和其他各项理化指标[9]。

从表1可以看出，虽然离心棉所占的质量分数不同，但是制备的 AG M 隔板各项理化性能指标都达到了国标要求。

这 4 种 AGM 隔板的定量相差不大，铁含量、氯含量、还原高锰酸钾量都在标准范围之内，但含离心玻璃棉的 AGM 隔板与不含离心玻璃棉的 AGM 隔板相比，最大孔径增大了，湿回弹性降低了。

2.2 含离心棉的 AGM 隔板的形貌
对不含离心棉 AG M 隔板和含离心棉隔板进行电镜观察。

从图 1 和图 2 可见：不含离心棉 AGM 隔板中细纤维较多，而且纤维相对较短，在 AG M 隔板中杂乱无序地排列着；而 ω(离心棉)=10 % 的 AGM 隔板中分布着一些相对较粗的长玻璃纤维。

因此，在隔板中加入一定质量的离心棉使得 AG M 隔板中粗细纤维直径的离散度增大，从而间接地增大 AGM 隔板的最大孔径。

2.3 含离心棉 AGM 隔板的拉伸断裂强度
将 4 种含有离心棉的 AGM 隔板分别切割成长 10 cm ，宽 1.5 cm 的长条状。

在（25±2）℃、湿度为（50±6）% 的条件下，采用 MTS 万能拉伸仪器，按照标准 G B/T 24218.3—2010 进行拉伸测试。

拉伸测试结果如图 3 所示。

从图 3 可以看出，添加离心棉后，AGM 隔板的强度有所降低，这主要是由于离心玻璃棉的直径较粗，使得离心玻璃微纤维本身的强度较小，纤维和纤维之间的摩擦力变小。

因此，在常规的 AG M 隔板中加入一定量的离心棉会在一定程度上降低 AGM 隔板的强度。

2.4 含离心棉 AGM 隔板的吸酸性
4 种 AG M 隔板样品的加压吸酸量、常态吸酸量、
5 min 内吸酸高度的测试结果如表 2 所示。

从
表 1 AGM 隔板样品的基本理化性能
隔板ω(离心棉)/ %定量/(g/m 2
•mm)还原高锰酸钾
物质量/(mL/g)
ω(Fe)/%浸酸后质量
损失率/%
湿态回弹率/%最大孔
径/μm ω(Cl)/%
耐酸煮时间/min 样品 10212.250.220.000 29 1.0494.4312.80>5样品 25211.230.250.000 790.9293.4114.70>5样品 310211.810.250.000 79 1.7093.2414.80>5样品 4
15
211.27
0.25
0.000 84
1.79
93.19
14.6
>5
粗，使得纤维间的空隙较大，从而使得离心玻璃棉隔板的吸酸能力增强，因此为了提高隔板的吸酸高度，在隔板中加入一定质量的离心棉是必要的。

2.5 不同压强下含离心棉 AGM 隔板的干态压缩率
AGM 隔板压缩率是指隔板受到压力后引起的厚度变化率 [10]。

本实验中，4 种 AG M 隔板在不同压强下的干态压缩率如图 4 所示。

从图 4 可以看出，AGM 隔板的干态压缩率随压强的增大而增大，且含离心棉 AG M 隔板在不同压强下的干态压缩率比不含离心棉 AGM 隔板的大。

ω(离心棉)=10 % 和
ω(离心棉)=5 % 的 AGM 隔板在不同压强下的干态
压缩率相差不大，而ω(离心棉)=15 % 的 AGM 隔板在不同压强下的干态压缩率最大。

它们在相同压强下干态压缩率的大小趋势为：ω(离心棉)=15 % AGM 隔板>ω(离心棉)=5 % AGM 隔板>ω(离心棉)=10 % AGM 隔板>未加离心棉的 AGM 隔板。

由于离心玻璃棉是一种多孔性材料，内部纤维蓬松交错，存在大量微小的孔隙，纤维中的这些空隙使得含离心玻璃棉 AG M 隔板相对容易被压缩，从而使得含离心玻璃棉隔板的干态压缩率相对较大。

由此可见，在铅酸蓄电池的 AG M 隔板中加入一定质量的离心棉可以提高隔板的压缩率。

理想的 AG M 隔板应该具有较大的压缩率，因为有利于铅酸蓄电池的装配及
图 1 样品 1
的形貌
图 2 样品 3
的形貌
图 3 AGM
隔板样品的拉伸断裂强度
隔板ω(离心棉)/ %加压吸酸量/( g•g -1)常态吸酸/( g•g -1) 5 min 内吸酸高度/cm 样品 10 5.85 7.72 82.6样品 25 5.92 7.88 84.8样品 310 5.92 7.82 84.9样品 4
15 5.93 7.81 85.9
表 2 AGM 隔板样品的吸酸特性
图 4 AGM
隔板样品的干态压缩率
表 2 可以看出，与未加离心棉的 AGM 隔板相比，加入离心棉的 AG M 隔板的常态吸酸量、加压吸酸量和 5 min 内吸酸高度都有不同程度的增加。

但由于隔板内离心棉所占的质量分数不同，3 种加入离心棉的 AGM 隔板在加压吸酸量、常态吸酸量、5 min 吸酸高度上有一定程度的差别。

离心玻璃棉的内部纤维蓬松交错，而且离心棉纤维的直径较
改善电池的性能。

2.6 含离心棉 AGM 隔板的湿态耐久压力
AGM 隔板的湿态耐久压力测试方法是：① 裁取一定面积的 AG M 隔板，码放整齐，然后测定隔板在一定压强（60 kPa ）下的实际厚度来计算 AGM 隔板的压缩量；② 在微机控制电子万能试验机上设定万能试验机工作程序，使 AG M 隔板达到预定压缩量后静置 120 s ；③ 在码放整齐的 AG M 隔板中注入一定质量的蒸馏水，使 AG M 隔板吸液饱和后析出多余的水；④ 夹具回到位移为零处。

按照①—②—③—④循环往复，AGM 隔板随着循环次数的增加所受的变化压力值即为其耐久压力。

从图 5 可以看出，经过 100 次循环后，各 AGM 隔板样品的耐久压力都有不同程度的降低，而加入离心棉隔板的耐久压力比未加离心棉隔板的更大一些，其压力大小依次为：ω(离心棉)=15 % AGM 隔板>ω(离心棉)=5 % AG M 隔板>ω(离心棉)=10 % AGM 隔板>未加离心棉的 AGM 隔板。

如果铅酸蓄电池的隔板与极板接触良好，一方面能防止电池使用过程中产生的气体直接从极群表面窜到极群顶部，有效降低氧气复合效率，另一方面还可以阻止活性物质的脱落，因此一定程度上提高铅酸蓄电池隔板的耐久压力是非常重要的，能够有效保证电池具有良好的性能。

2.7 含离心棉 AGM 隔板的吸酸速率
对 4 种 AGM 隔板样品分别进行 0.5～5 min 吸酸速率的测试分析。

从图 6 可以看出，随着吸酸时间的延长，4 种 AG M 隔板的吸酸速率都呈现下降的趋势，最后趋于缓和达到平衡，但含离心棉
AGM 隔板与不含离心棉 AG M 隔板的吸酸速率有一定的差别。

在吸酸时间为 0.5 min 时，它们的吸酸速率的大小是：ω(离心棉)= 5 % AGM 隔板>ω(离心棉)=10 % AGM 隔板>ω(离心棉)=15 % AGM 隔板>未加离心棉的 AGM 隔板；而在 1～5 min 内它们的吸酸速率为：ω(离心棉)=10 % AGM 隔板>ω(离心棉)=5 % AGM 隔板>ω(离心棉)=15 % AGM 隔板>未加离心棉的 AG M 隔板。

像离心棉这种粗纤维的加入增大了隔板的孔径，进而增大了 AG M 隔板吸酸时的毛细芯吸效应。

因此在 AG M 隔板中加入一定质量的离心棉可以提高吸酸速率。

2.8 含离心棉 AGM 隔板制备的单体电池的装配压力
用这 4 种 AGM 隔板制备单体电池，并测试各单体电池的装配压力。

从图 7 可以看出，所制备的单体电池的装配压力大小是：ω(离心棉)=10 % 隔板单体电池>ω(离心棉)=15 % 隔板单体电池>ω(离心棉)=5 % 隔板单体电池>不含离心棉隔板的单体电池。

在隔板中加入一定质量的离心棉可在一定程度上提高单体电池的装配压力，由于在一定范围内
图 5 AGM
隔板样品的耐久压力
图 6 AGM
隔板样品的吸酸速率
图 7 由 AGM
隔板样品制备的单体电池的装配压力
装配压力越大，电池的深循环寿命越长，因此加入一定质量的离心棉对提升电池的寿命有好处。

3 结论
由于离心棉的直径较粗，因此 AG M 隔板中加入一定质量的离心棉，可提高 AG M 隔板的最大孔径，从而在一定程度上提高了 AG M 隔板的常态吸酸量、加压吸酸量、吸酸速率及压缩率。

虽然加入离心棉使 AG M 隔板的强度有所降低，但其耐久压力有了一定程度的提升。

并且，由加入离心棉 AG M 隔板制备的单体电池与不含离心棉 AG M 隔板制备的单体电池相比较，装配压力提高了 5.3 %～8.8 %。

这些都为提高单体电池的循环寿命奠定了基础。

此外，离心玻璃纤维的生产过程能耗低，所以加入一定质量的离心棉可以降低 AGM 隔板的成本。

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