Роль сепараторов в конструкции АКБ — Информация

Конструктивно современный аккумулятор автомобильный не так прост, как может показаться на первый взгляд. Несмотря на то, что его прототипу давно перевалило за сотню лет, батареи, усовершенствование АКБ ведется по сей день. И важнейшим конструктивным элементом любого аккумулятора для автомобиля является сепаратор.

 

Для чего это нужно?

 

Сепараторы используются с целью предупреждения короткого замыкания пластин разной полярности, а также обеспечивают электролитическую проводимость. Сегодня их изготавливают из самых разнообразных материалов, начиная с древесины, заканчивая хлорвинилом. Поговорим о наиболее распространенных видах.

 

Какими бывают сепараторы?

 

Резиновые и эбонитовые, с перфорацией. Перфорированные, с добавлением резины, эбонитовые изделия широко используются в самых разнообразных видах аккумуляторных батарей. Среди их полезных свойств нужно отметить способность предотвращать оползание активной массы плюсовых пластин, а также обеспечивать защиту используемых в конструкции сепараторов из других материалов от негативного воздействия двуокиси свинца. Нередко такие сепараторы используются в сочетании с сепарирующими элементами конструкций из резины и стекловолокна.

 

Из хлорвинила. Прекрасные характеристики имеют сепараторы из листов хлорвинила с перфорацией. Они обладают гофрированной поверхностью, за счет чего отличаются прочностью и вязкостью. Благодаря этим свойствам, существенно увеличивается коэффициент открытия, который достигает 70%, Гофрированная поверхность сепараторов отлично сохраняется даже при высоких температурах, достигающих 80°. Кроме того, хлорвинил является химически стойким материалом. Он устойчив к кислотам, и этот параметр у хлорвинила выше по сравнению с эбонитом и прочими сепараторными материалами. Исключение составляет лишь стекло.

 

Из пористой резины. Такие сепараторы, исходя из сырья, используемого для из производства, подразделяются на несколько групп. Это элементы конструкции аккумулятора из латекса, пульверизованной резины и пр. Достаточно распространены сепараторы из латекса, который содержит до 40%каучука. В процессе изготовления он перемешивается с определенным количеством серы, а также раствором сернокислого магния. В смесь, кроме этого, добавляется фенол. Это необходимо, чтобы увеличить срок эксплуатации отрицательных пластин. Вместе с тем, в состав входят повышающие пористость компоненты, материалы, предупреждающие створаживание и пр.

 

Из стекловолокна. В последнее время начали успешно применяться сепарирующие элементы из стеклянного волокна. С целью предотвращение выпадения активной массы они располагаются в непосредственной близости от положительных пластин. Также они выполняют функцию резервуаров для электролита. Такие сепараторы всегда используются в сочетании с другими типами сепарирующих элементов, в частности, с эбонитовыми, резиновыми и пр.

 

Сепараторы для свинцово-кислотных аккумуляторов | Аккумуляторные батареи

Подробности

Категория: Оборудование

• эксплуатация
• ремонт
• хранение энергии

Содержание материала

• Аккумуляторные батареи
• Электрические характеристики аккумуляторных батарей
• Принцип действия аккумулятора
• Свинцово-кислотные аккумуляторы
• Пластины аккумуляторов
• Сепараторы для свинцово-кислотных аккумуляторов
• Сосуды для свинцово-кислотных аккумуляторов
• Сборка для свинцово-кислотных аккумуляторов
• Железо–никелевые аккумуляторы
• Никель-кадмиевые аккумуляторы
• Серебряно-цинковые аккумуляторы
• Электролит для свинцовых аккумуляторов
• Свойства щелочных электролитов
• Приготовление электролита
• Источники повреждений аккумуляторных батарей
• Заряд аккумуляторных батарей
• Зарядные устройства
• Ремонт аккумуляторных батарей
• Оборудование мастерской по ремонту аккумуляторных батарей
• Ремонт
• Сборка аккумуляторных батарей
• Охрана труда и техника безопасности
• Особенности эксплуатации аккумуляторных батарей на электростанциях и подстанциях
• Основные сведения по монтажу
• Порядок эксплуатации аккумуляторных батарей
• Техническое обслуживание аккумуляторных батарей

Страница 6 из 26

2. 5. Сепараторы для свинцово-кислотных аккумуляторов

Сепараторы применяются для предупреждения металлического соединения между пластинами различной полярности и в то же время сохранить электролитическую проводимость. В настоящее время применяются следующие типы сепараторов: деревянные фанеры, эбонитовые перфорированные и гофрированные сепараторы, сепараторы из пористой резины, сепараторы из стекловойлока, из хлорвинила и другие разнообразные типы сепараторов.
а) Деревянные сепараторы. Для производства сепараторов применяются определенные древесные породы, а именно: кедр, ольха, тополь, некоторые виды сосны, кипарис.

Сепараторный шпон готовится двумя способами — лущением и радиальной резкой.
Лущение обеспечивает большую производительность и несколько меньше отходов, радиальная резка позволяет получать шпон с параллельными волокнами, более прочный и с несколько лучшей электропроводностью.
Браковка производится по средним пробам, проверяются размеры, механическая обработка, наличие плесени, сучков и влажность.
Для того чтобы шпон превратился в сепаратор, он должен быть обработан для удаления из древесины инкрустирующих веществ, которые увеличивают электрическое сопротивление сепаратора и, разлагаясь в серной кислоте, образуют уксусную кислоту, вызывающую коррозию свинца. Для выщелачивания шпон погружается в раствор каустической соды, выдерживается в нем в течение нескольких часов при температурах от 50 до 1000C, в зависимости от принятой технологии и породы древесины. При варке в щелочи из древесины удаляются главным образом лигнин, смолы, терпены, белковые вещества и жиры. Целлюлоза должна, по возможности, сохраниться, чтобы сохранилась структура древесины и достаточная ее прочность.
После выщелачивания шпон промывают в холодной воде для удаления щелочи и придания ему жесткости. Для оберегания от плесени при длительном хранении, обрабатывают слабым раствором серной кислоты.
Сепараторы имеют решающее значение для батарей плотной сборки, рассчитанных на. отдачу больших токов при коротких режимах. Особенно отчетливо сказывается качество сепарации при низких температурах. В этом отношении, а также с точки зрения срока службы, деревянный сепаратор нельзя считать удовлетворительным. Поэтому, несмотря на малую стоимость шпона, для улучшения электрических характеристик и повышения срока службы батарей применяются другие виды сепарации. Следует, однако, учесть, что древесина благоприятно действует на отрицательные пластины, уменьшая усадку активной массы. Поэтому, применяя другие сепараторы, необходимо вводить древесную муку или древесные экстракты в состав губчатого свинца отрицательной пластины в  качестве расширителя.
б) Эбонитовые и резиновые сепараторы. Перфорированные и прорезные эбонитовые сепараторы нашли широкое применение во всевозможных типах аккумуляторов.
Они удерживают активную массу положительных пластин от оползания и защищают применяющиеся в комбинации с ними сепараторы других типов от непосредственного окисляющего действия двуокиси свинца.
Перфорированные эбонитовые сепараторы вообще употребляются в комбинации с деревянными сепараторами, сепараторами из пористой резины со стекловойлоком. Перфорированные сепараторы во всех случаях, исключая комбинацию с сепараторами из стекловойлока, помещаются в непосредственном соприкосновении с положительными пластинами. Сепараторы из стекловойлока помещаются между положительной пластиной и перфорированным сепаратором. Толщина листов эбонита примерно 0,4 мм . Перфорация применяется круглая, в виде удлиненных прорезей и специальной формы.
Предпочтение отдается перфорации в виде прорезей, так как узкие длинные прорези эффективно предупреждают выпадение активной массы положительных пластин, сохраняя одновременно достаточную проводимость.
Некоторые из специальных форм перфорации предусматривают более легкое удаление пузырьков газа.
Достоинство любой формы и типа перфорации может быть оценено по так называемому коэффициенту открытия, под которым понимается средний процент площади сепаратора, занятой отверстиями. Сепараторы с круглой перфорацией при числе отверстий от 3 до 35 на 1 см²имеют открытую поверхность от 13 до 46%. Узкие прорези при ширине 0,3–0,5 мми длине 4,5 – 6,5 мми числе прорезей на 1 см²от 12 до 20 обеспечивают открытую поверхность сепаратора до 40%. Разные типы перфорированных сепараторов показаны на рис. 2.1. Поскольку открытие поверхности в перфорированных сепараторах достигается за счет потери материала при штамповке, величина открытия имеет важное  значение при определении характеристики аккумулятора. Слишком большое открытие, а, следовательно, и большая потеря материала обусловят малую механическую прочность сепаратора и склонность к поломкам. Слишком малое открытие заметно повышает внутреннее сопротивление аккумулятора.

Рис.2.1. Типы перфорации резиновых сепараторов.
1, 2 -круглая перфорация; 3 — специальная форма перфорации; 4, 5, б

— щелевая перфорация.
Хлорвиниловые сепараторы. Отличными свойствами обладают сепараторы из перфорированных и гофрированных листов хлорвинила. Благодаря прочности и вязкости этого материала коэффициент открытия может быть доведен до 60 – 70%, Волнистая поверхность хорошо сохраняется до температуры 70 – 80°. Химическая стойкость хлорвинила, особенно по отношению к кислотам, выше, чем у эбонита и других сепараторных материалов, кроме стекла.
Сепараторы из пористой резины (мипоровые). Эти сепараторы в соответствии с исходным сырьем, применяющимся для их изготовления, делятся на несколько категорий: сепараторы из латекса, сепараторы из пульверизованной резины и т. д.
Латекс, содержащий около 40% каучука, смешивается с необходимым количеством серы и слабым раствором сернокислого магния. Добавляются также фенол или древесный экстракт для повышения срока службы отрицательных пластин, материалы, повышающие пористость, предупреждающие слишком быстрое створаживание, например, казеин, и т. д.
Вулканизация проводится с сохранением воды, содержащейся в порах коагулированного латекса. Пористость готового продукта после сушки регулируется количеством воды к латексе перед вулканизацией и может быть получена в пределах 15  — 80%. Количество пор на 1 см²площади сепаратора при пористости в 50% оценивается приблизительно в 500000000.
Мипор-сепараторы готовятся также из синтетического каучука, причем исходным продуктом служит искусственный латекс.
Волокнисто-резиновые сепараторы ранее изготовлялись в виде тонких листов вулканизированной резины, пронизанных сотнями тысяч нитей, которые играли роль маленьких фитильков, теперь они изготовляются в виде латексных сепараторов, содержащих ткань в сочетании с латексом.
Сепараторы из пористого эбонита по ряду известных способов приготовляются из пульверизованного, частично или полностью вулканизированного каучука, к которому добавляется небольшое количество невулканизированного каучука. Материал формуется и прессуется, чтобы получить требующуюся форму. Готовые изделия укрепляются повторной вулканизацией. Иногда  каучуку добавляют древесную муку, абсорбирующие коллоиды и т. д. Готовые сепараторы часто пропитывают силикагелем. Поры таких сепараторов значительно большего размера, чем у сепараторов из микропористой резины. Пористость лежит в пределах 20–60%. Другие виды пористых сепараторов изготовляются прессовкой нагретой смеси измельченной резины и силикагеля.
в) Сепараторы из стеклянного волокна. За последние годы нашли широкое применение сепараторы из стеклянного волокна (стекловойлочные). Для лучшей защиты положительной активной массы от выпадения в аккумуляторе они устанавливаются непосредственно у положительных пластин. Одновременно эти сепараторы служат как бы резервуаром для электролита. Стекловойлочные сепараторы употребляются всегда в комбинации с другими типами сепараторов: перфорированными эбонитовыми микропористыми резиновыми или деревянными. Толщина стеклянного волокна 8 – 16 микрон. Стеклянный войлок поставляется в виде листов толщиной до 1,6 мм нескольких сортов.
г) Гладкие сепараторы. При сборке некоторых типов аккумуляторов в стеклянных сосудах, где размещение пластин более свободное, чем в компактных портативных аккумуляторах, применяются гладкие микропористые резиновые или деревянные сепараторы. Они обычно усиливаются деревянными разрезанными вдоль палочками или резиновыми полосками.
Панцирные аккумуляторы снабжаются гладкими сепараторами из микропористой резины. Необходимый объем электролита в положительных пластинах этих аккумуляторов обеспечивается соответственной конструкцией. Вертикальные эбонитовые трубки служат двум целям: защите активной массы от выпадения и как дополнительные сепараторы.
Для лучшего доступа электролита трубки по длине снабжены узкими прорезями.
Сепараторы всегда устанавливаются ребристой стороной к положительной пластине. Это делается по нескольким причинам. Поверхность соприкосновения сепаратора с энергично окисляющей двуокисью свинца сводится к минимуму. Обеспечивается больший объем электролита около пластины, используемый во время разряда. При разрядах короткими режимами максимальная емкость положительных пластин может быть использована только при достаточно высоких концентрациях кислоты. Поэтому для поддержания концентрации необходимо, чтобы около положительной пластины имелся запас электролита.
Отрицательные пластины могут отдавать максимальные емкости при сравнительно низких концентрациях кислоты. Гладкая сторона сепаратора, обращенная к отрицательной пластине, защищает активную массу пластин от выпадения.
Надлежащая толщина сепаратора определяется назначением аккумулятора. Стартерные и осветительные аккумуляторы, разряжаемые большими токами, по необходимости должны иметь малое    внутреннее сопротивление. Для них поэтому требуются тонкие сепараторы, обычно до 2 ммтолщиной.
Аккумуляторы для целей сигнализации, разряжаемые малыми токами, собираются из толстых пластин и, толстых сепараторов. Сепараторы для таких аккумуляторов могут иметь толщину от 6 до 10 мм.

• Назад
• Вперёд

• Назад
• Вперёд

• Вы здесь:  
• Главная
• org/ListItem»> Книги
• Оборудование
• Аккумуляторные батареи

Еще по теме:

• Предремонтные испытания электрических машин
• Взрывозащищенная контрольно-измерительная и аппаратура автоматики
• Ремонт электрооборудования на судах
• Интеграция системы передачи и хранения ремонтных заявок с системой их режимной проработки
• Строительство, реконструкция и ремонт дымовых труб

БУ-306: Какова функция сепаратора?

Составными элементами батареи являются катод и анод, и эти два электрода изолированы сепаратором. Сепаратор смачивается электролитом и образует катализатор, который способствует движению ионов от катода к аноду при заряде и обратно при разряде. Ионы — это атомы, которые потеряли или приобрели электроны и стали электрически заряженными. Хотя ионы свободно проходят между электродами, сепаратор представляет собой изолятор без электропроводности.

Небольшое количество тока, которое может проходить через сепаратор, является саморазрядом, и это в той или иной степени присутствует во всех батареях. Саморазряд в конечном итоге истощает заряд батареи при длительном хранении. На рис. 1 показан строительный блок литий-ионного элемента с сепаратором и ионным потоком между электродами.

Рис. 1. Ионный поток через сепаратор Li-ion ^[1]

Аккумуляторные сепараторы создают барьер между анодом (отрицательным) и катодом (положительным), обеспечивая при этом обмен ионами лития с одной стороны на другую.

Ранние аккумуляторы заливались, в том числе свинцово-кислотные и никель-кадмиевые. С разработкой герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов в 1947 году и необслуживаемых свинцово-кислотных аккумуляторов в 1970-х годах электролит поглощается пористым сепаратором, который прижимается к электродам для осуществления химической реакции. Плотно намотанные или уложенные друг на друга сепараторы/электроды образуют прочный механический блок, который обладает такими же характеристиками, как и затопленный тип, но меньше по размеру и может быть установлен в любом положении без утечек. Газы, образующиеся во время заряда, поглощаются, и потери воды не происходит, если вентиляция может быть предотвращена.

Ранние сепараторы изготавливались из резины, стекломата, целлюлозы и полиэтилена. Древесина была первоначальным выбором, но она испортилась в электролите. В батареях на основе никеля используются разделители из пористых полиолефиновых пленок, нейлона или целлофана. Абсорбированный стеклянный мат (AGM) в герметичной свинцово-кислотной версии использует мат из стекловолокна в качестве сепаратора, пропитанного серной кислотой.

Более ранняя желированная свинцовая кислота, разработанная в 1970-х годах, превращает жидкий электролит в полужесткую пасту путем смешивания серной кислоты с силикагелеобразующим агентом. Гелевые и AGM-аккумуляторы имеют небольшие различия в производительности; гелевые батареи обычно используются в ИБП и AGM в пусковых устройствах и приложениях глубокого цикла. (См. BU-201: Как работает свинцово-кислотная батарея?)

Коммерчески доступные литий-ионные элементы используют полиолефин в качестве сепаратора. Этот материал имеет отличные механические свойства, хорошую химическую стабильность и низкую стоимость. Полиолефины представляют собой класс полимеров, которые получают из олефинов путем полимеризации олефинов с этиленом. Этилен поступает из нефтехимического источника; полиолефин изготавливается из полиэтилена, полипропилена или ламинатов обоих материалов.

Литий-ионный сепаратор должен быть проницаемым и иметь размер пор от 30 до 100 нм. (Нм означает нанометр, 10 ^-9 , что составляет одну миллионную миллиметра или толщину около 10 атомов.) Рекомендуемая пористость составляет 30–50 процентов. Это удерживает достаточно жидкого электролита и позволяет порам закрыться в случае перегрева элемента.

Сепаратор служит предохранителем в литий-ионном аккумуляторе

При чрезмерном нагреве происходит отключение путем закрытия пор литий-ионного сепаратора в процессе плавления. Полиэтиленовый (PE) сепаратор плавится, когда температура ядра достигает 130°C (266°F). Это останавливает транспорт ионов, эффективно закрывая клетку. Без этого положения тепло в неисправной ячейке может подняться до порога теплового разгона и выйти наружу с пламенем. Этот внутренний предохранитель также помогает пройти строгие Транспортные испытания ООН для литиевых батарей который включает в себя моделирование высоты, а также испытания на перегрев, вибрацию, удар, внешнее короткое замыкание, удар, перезарядку и принудительный разряд. (См. BU-304a: Вопросы безопасности при использовании Li-ion.)

Большинство аккумуляторов для мобильных телефонов и планшетов имеют один полиэтиленовый сепаратор. С ок. 2000 г., в более крупных промышленных батареях используется трехслойный сепаратор , который обеспечивает улучшенную защиту плавких предохранителей при экстремальных температурах и в многоэлементных конфигурациях. На рис. 2 показан трехслойный сепаратор PP/PE/PP, состоящий из полиэтилена посередине, между которыми расположены внешние полипропиленовые (PP) слои. В то время как внутренний полиэтиленовый слой отключается при 130°C, закрывая поры, внешние полипропиленовые слои остаются твердыми и не плавятся до достижения температуры 155°C (311°F).

Рис. 2: Трехслойный материал PP/PE/PP, вид сбоку. ^[2]

Сочетание материала сепаратора с различными свойствами плавления повышает безопасность. PE плавится раньше, чем PP, чтобы закрыть поры и остановить ток.

Прибл. В 2008 г. были внесены дополнительные усовершенствования за счет добавления сепаратора с керамическим покрытием. Керамические частицы не плавятся, и это дополнение обеспечивает дополнительный уровень безопасности. Керамическое покрытие также используется в элементах из оксида лития-кобальта (LCO), которые заряжаются до 4,40 В на элемент вместо традиционных 4,20 В на элемент. Керамическое покрытие работает в тандеме со слоями PE и PP и размещается рядом с положительной стороной для предотвращения электрического контакта.

Сепаратор должен быть как можно тоньше, чтобы не увеличивать мертвый объем и при этом обеспечивать достаточную прочность на растяжение, предотвращать растяжение в процессе намотки и обеспечивать хорошую стабильность в течение всего срока службы. Поры должны быть равномерно распределены по листу, чтобы обеспечить равномерное распределение по всей площади сепаратора. Кроме того, сепаратор должен быть совместим с электролитом и легко смачиваться. Сухие участки могут создавать горячие точки из-за повышенного сопротивления, что приводит к отказу клеток.

Сепараторы становятся тоньше. Толщина 25,4 мкм (1,0 мил) является обычной, но некоторые из них уменьшаются до 20 мкм, 16 мкм, а теперь даже до 12 мкм без значительного ухудшения свойств ячейки. (Один микрон, также известный как мкм, составляет одну миллионную часть метра.) Сепаратор с электролитом в современных литий-ионных батареях составляет всего 3 процента содержимого ячейки.

Ультратонкие сепараторы вызывают опасения по поводу безопасности. На ум приходит массовый обратный вызов Sony, в котором поломка одной из 200 000 ячеек вызвала отзыв почти шести миллионов литий-ионных аккумуляторов. В редких случаях микроскопические частицы металла соприкасались с другими частями аккумуляторной батареи, что приводило к короткому замыканию. Рассматриваемые ячейки Sony имели толщину сепаратора от 20 мкм до 25 мкм. (Микрометр (мкм) составляет одну тысячу миллиметров.) Некоторые сепараторы имеют толщину всего 10 мкм. Микрошорты на сепараторах, исследованных в судебно-медицинских лабораториях, имеют диаметр около миллиметра. Хорошо спроектированный сепаратор плавится в месте короткого замыкания и обеспечивает локальное отключение.

---

Каталожные номера

^{[1] Источник: CELGARD, LLC}

^{[2 ] Источник: Dalhousie, Handbook of Batteries}

Аккумуляторы в портативном мире

Материал Университета аккумуляторов основан на обязательном новом 4-м издании « Аккумуляторы в портативном мире — Справочник по перезаряжаемым аккумуляторам для не инженеров », который доступен для заказа на Amazon.com.

Знакомство с сепараторами аккумуляторов

Опубликовано Hollingsworth-Vose 31 марта 2021 г. 14:21 | Оставить комментарий

Аккумуляторы

состоят из следующих основных компонентов: анода, катода и электролита. Однако другой ключевой частью, которую часто упускают из виду, является сепаратор батареи. Этот компонент жизненно важен для функциональности и производительности батарей. Ниже мы расскажем, что это такое, его происхождение и применение.

Что такое аккумуляторный сепаратор?

Аккумуляторный сепаратор представляет собой тип полимерной мембраны, расположенной между положительно заряженным анодом и отрицательно заряженным катодом. Такое расположение помогает предотвратить короткое замыкание.

Когда мембрана увлажняется электролитом, она действует как катализатор, который увеличивает движение ионов от одного электрода к другому. Ионы движутся от катода к аноду, когда аккумулятор заряжается, и от анода к катоду, когда аккумулятор разряжается. Поскольку мембрана контролирует количество ионов, перемещающихся между клеммами, она также отвечает за заряд и разряд батареи в идеальных условиях.

Следует помнить, что сепараторы позволяют ионам свободно проходить, но не являются электропроводными. Поэтому они всегда действуют как изоляторы.

История аккумуляторных сепараторов

Первая перезаряжаемая батарея была изобретена французским физиком Гастоном Планте в 1859 году. Эта батарея, как и более поздние варианты, имела конструкцию с мокрым элементом / затоплением. Так было до разработки герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов в 1947 году и необслуживаемых свинцово-кислотных аккумуляторов в 1919 году.70-х годах были введены аккумуляторные сепараторы.

Пористый компонент впитывает электролиты при прижатии к электродам, обеспечивая инициирование необходимой химической реакции. Он также позволяет плотно смотать или сложить сепаратор/электрод, который образует прочный механический блок, обеспечивающий производительность, аналогичную ранее залитым батареям, в меньшем и герметичном корпусе. Поскольку газы, образующиеся при зарядке, поглощаются, вентиляция не требуется. Такая конструкция исключает риск потери воды.

Первые аккумуляторные сепараторы были изготовлены из дерева. Однако материал быстро разрушался в электролите. Позже они были изготовлены из целлюлозы, мата из стекловолокна, полиуретана и резины. Сегодня в батареях на основе никеля используются сепараторы из пористого целлофана, нейлона или полиолефиновой пленки, в герметичных свинцово-кислотных батареях используются сепараторы из стекловолокна, пропитанного серной кислотой, а в литий-ионных батареях используются сепараторы из полиолефина.

Применение первичных элементов аккумуляторных сепараторов

Литий-металлические батареи

иногда называют первичными или неперезаряжаемыми батареями. Они имеют две или более ячеек, электрически соединенных между собой и оборудованных необходимыми устройствами. Термин «ячейка» относится к заключенному в корпус электрохимическому устройству, т. е. одному положительному электроду и одному отрицательному электроду, которое имеет разность потенциалов между двумя выводами.