铅酸蓄电池PE隔板短路问题的研究.docx

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铅酸蓄电池PE隔板短路问题的研究

铅酸蓄电池PE隔板短路问题的研究

铅酸蓄电池PE隔板短路问题的研究

陈志雪,李亚辉,刘可畅,郑树国,张彦杰

（风帆股份有限公司,河北保定071057）

摘要:

对PE隔板引起蓄电池失效的3种主要方式:

渗透短路,氧化问题和机械损伤进行了分析

研究.对PE隔板渗透问题的机理,PE隔板氧化损坏的机理做了深入分析,并列举了造成PE隔

板机械损伤的原因.采用直观的照片对隔板失效状态加以说明,并使用扫描电子显微镜（SEM）

对不同状态PE隔板的微观结构进行了分析.

关键词:

铅酸蓄电池;PE隔板;短路;渗透;氧化;机械损伤

中图分类号:

TM912.9文献标识码:

B文章编号:

1f）（）6一（）847（201O）O4—154～04

DiscussiononshortcircuitofPEseparatorsforleadacidbatteries

CHENZhi—xue,LIYa—hui,LIUKe-chang,ZHENGShu-guo,ZHANGYan-3’ie

（FengfanCo.,Ltd.,BaodingHebei,071057,China）

Abstract:

Asweknowthatpenetration,oxidation,mechanicaldamagearethreemainfailuremodesof

PEseparators.Theobjectiveofthisstudyistodiscussandanalysethereasonsforfailuresaswellasthe

mechanismsthereof.ThefailedstatesofPEseparatorswereshownbyvisualpicture,andthemierostruc-

turesofPEseparatorswithdifferentstateswerestudiedbyusingSEM.

Keywords:

leadacidbattery;PEseparator;shortcircuit;penetration;oxidation;mechanicaldamage

1前言

隔板是介于蓄电池正,负极板之间既能防止

正,负极板短路,又能保证离子导电的部件.其重

要性不亚于极板本身,所以隔板又被业内人士称为

蓄电池的”第三极”lll.在解剖退返蓄电池的过程

中发现:

和隔板有关的蓄电池短路问题占了很大的

比例,隔板短路问题越来越受到业内人士的关注.

研究认为:

跟PE隔板有关的蓄电池缺陷主要是短

路问题,短路问题主要有3种方式:

一是渗透短

路,这是由PE隔板的基厚偏薄,抗刺穿强度较小

等原因引起的;二是PE隔板氧化引起的裂纹,破

修改稿日期:

2010—04—21

损等缺陷,这些缺陷部位引起渗透或极板接触短

路;是机械损伤PE隔板造成的短路.

2PE隔板的渗透短路

2.1铅枝晶渗透短路的机理

根据同离子效应可知,硫酸铅在硫酸中的溶解

度和硫酸的浓度成反比,即电解液的浓度越低,则

硫酸铅的溶解度越大.当蓄电池放电结束时,由于

电解液密度最低（硫酸根离子浓度最低）,就使得

硫酸铅的溶解度达到最高.而当电池充电时,硫酸

密度逐步上升,则硫酸铅的溶解度逐步降低,这样

就会有一部分铅离子析出来并转化为金属铅.蓄电

池经过长期反复充/放电,在负极板周围就会有绒

状铅的粒子析出,生长,形成树枝状结晶,它穿透

隔板与正极板接触而形成短路12I.电解液中硫酸铅

等铅的化合物还向隔板空隙中沉积,同时脱落的极

板活性物质也会沉积在隔板表面,并向孑L内渗

透.沉积的金属物质一旦穿透隔板就会引起隔板

渗透短路（图1）.

aPE隔板渗透b极群出现渗透短路

图1隔板渗透短路旦f{片

2.2PE隔板的渗透问题

PE隔板由超高分子量聚乙烯,二氧化硅,原

料油等组成,其微观结构见图2.聚乙烯在生产过

程中熔化,二氧化硅,碳黑等分散在PE矩阵中II.

PE隔板的特点是颗粒度细腻,结构紧密,强度很

大,孔径极小（最大孔径<1ni）,平均孔径大约

为0.1tx1TI,能有效阻止铅枝晶生长穿过隔板而引

起的短路.但任何隔板都不会完全消除由于隔板本

身造成的短路,即使隔板的孔径再小,也会远远大

于硫酸铅的粒晶II.现在我们已经发现了PE隔板

的渗透短路问题（如图1中a）,分析造成的原因

主要是:

基片很薄,PE隔板基片一般在0.20illm

左右,现在降低到了0.151Tim,明显低于其它隔板

（其它隔板基厚一般在0.60Illm以上）.隔板的渗透

短路不仅与隔板的平均孔径和最大孔径有关,还与

隔板的基厚有一定的关系,隔板的基厚越薄,其发

生渗透短路的比例也会越高.所以,PE隔板基片

很薄为铅枝晶穿透隔板提供了可能.在PE隔板存

在成型缺陷,外力挤压,划伤等情况下,缺陷部位

就更容易现渗透短路问题.

图2PE隔板不同倍率的扫捕电镜图

3PE隔板的氧化损坏

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PE隔板作为～种塑料隔板,其耐高温氧化性

较差,在隔板被氧化等情况下PE隔板容易m现裂

纹,破损等缺陷,引起渗透短路或极板接触短路

（如图3）.

aPE隔板氧化腐烂bPE袋子边缘裂开

冈3PE隔板破损造成短路

3.1PE隔板的氧化机理

PE隔板在蓄电池中使用一段时间后,面对正

极板的一面会变成灰白色,严重时呈现白色,直到

出现明显的裂纹或凹坑（如图4）.而面对负极板

aPE隔板筋条I司氧化变白hPE隔板被氧化变白腐烂

冈4已经发生氰化的PE隔板月旦片

的一面,一般情况下都能保持PE隔板原来的灰

色.原因是充电时,且当充电率达到70%以上时,

正极上有两种主要的反应:

PbSO4+2H10—2ePbO,+4H+

（1）

40H一4e—20+2H2O—（）2+2H2O

（2）

说明蓄电池在充电末期,正极板上有活性很强

的自由氧产生,也就是说在正极板表面附近存在一

个较强的氧化性环境.这些活性很强的自由氧在高

温下极易与PE隔板中的炭黑,油和聚乙烯反应,

破坏PE隔板的微观矩阵结构,当然这也和正极板

具有较高的电极电位有关.炭黑和原料油被氧化使

得隔板颜色变浅,呈现灰白色或白色;而聚乙烯

被氧化则造成超高分子量聚乙烯分子长链的断裂,

使得隔板内部结构疏松,强度变差,直至局部最后

只剩下化学稳定性极强的二氧化硅,聚集脱落后形

成裂纹和孔洞,造成PE隔板渗透或极板接触短路.

浮尊圆

;l¨¨¨¨¨Ⅲl¨¨蓬誊豫一;0

负极板在充电时主要发生如下反应:

PbSO4+2ePb+一（3）

该反应由负极提供电子,将铅离子还原成金属

铅,说明负极附近至少氧化性环境特征不明显15l,

一

般情况下,PE隔板面向负极板的一面很少现

氧化变白.但隔板一旦发生穿孔,活性氧便能够顺

利穿过隔板,沿孑L洞边缘继续氧化.

3.2氧化后PE隔板的微观结构和元素分析

PE隔板基本上都是从面向正极板的一面开始

氧化的,原因在3.1节中已经做了比较详细的解

释.但我们注意到,就是朝向正极板的PE隔板一

面,氧化也不是均匀分布的——变白的部分一般处

于筋条中间,这又是为什么呢?

虽然在蓄电池装配时,为保证正极板附近有更

多的酸量,隔板带筋条的一侧朝向正极板,但在极

板膨胀,变形的情况下,正极板和PE隔板柔软的

基片仍有可能贴服在一起.隔板贴服在正极板上的

部分和极板温度接近,热量不容易散失,更容易和

电解水释放的活性氧迅速反应,正极板高的电极

电势等都造成隔板相应部分氧化较快.筋条部分材

料厚,不易因氧化而破损;而临近筋条的部位不会

完全贴服在正极板上,可以让活性氧自由上升到电

池上部.另一方面,这些部位被热容大,温度相对

较低的电解液包围,所以温度低,自由氧浓度低的

环境能够使靠近筋条部位氧化速度较慢.

由扫捕电镜图（图5）和各元素的质量百分数

分析（表1）可知:

PE隔板变白的部分（a,b）

实际上已经出现了微裂纹,在元素分析上表现为

（与隔板灰色部分相比,如b,d）碳元素质量分数

减少,硅元素质量分数提高.隔板氧化使得隔板基

片局部变得更薄,尤其是微裂纹部分,很容易造成

铅枝晶穿透,形成渗透短路.这些微裂纹在极板膨

胀引起的隔板应力及进一步氧化等作用下就会完全

裂开,PE隔板现破损（凹坑,裂纹等）,引起隔

板渗透或极板接触短路.

一一a严重粉化的PE隔板筋条

面（面对正极板）

ba对应的PE隔板

光面（面对负极板）

一一轻微发门的PE隔板筋

条面（面对正极板）

dc对应的PE隔板光

面（而对负极板）

冈5氰化后的PE隔板『F,反面扫捕电镜

表1氧化后的PE隔板元素分析（编号和图5对应）

4PE隔板的机械损伤造成蓄电池短路失效5结论

PE隔板机械损伤造成的原因有以下几种:

（1）在蓄电池装配过程中,套袋,焊接,极

群组装槽等丁序都有可能对PE隔板造成损伤,这

些机械损伤可能在PE隔板的表而形成小坑或划

痕,焊接时还会现隔板烧伤（图6）.

6PE隔板受到机械损伤后现做裂纹和小坑

（2）极板表面存在铅豆,活性物质疙瘩等缺

陷在装配和使用中都会对柔软的PE隔板造成损

伤.铅膏疙瘩一般发生在涂板上序,如果在后续的

收板,化成,分板,装配等过程中未将带有铅膏疙

瘩的极板处理或剔除,使用木素磺酸钠的负极板在

极板化成水洗时,会造成负板表面相互粘连,分开

时相邻极板表而分别形成凹陷或突起II.

（3）拉网式板栅由于没有边框,相对锋利的

极板边缘容易对PE隔板造成伤害.

（4）PE袋式隔板能够基本解决极板边缘短路

和活性物质脱落引起的底部短路问题,但在极板膨

胀,弯曲等情况下,PE隔板袋子底部或边缘受到

挤压,也会现破损;在涂板时,两而严重不均匀

的生极板在固化和化成后会造成极板变形;在分

板,焊接,装配过程中,如果操作不当也会导致极

板变形;两面不均匀的极板在循环充/放电过程

中,由于两面膨胀的程度不同,就会造成极板弯

曲,变形.

（5）板脚的存在对PE隔板有不利影响,板

脚弯曲时危害更大.建议使用PE隔板的极板去掉

板脚,既可以减轻对PE隔板的伤害,还能去掉蓄

电池槽的鞍脚,提高电解液的利用效率.

PE隔板的边缘小筋有利于袋子的包封效果,

也能有效防止极板边缘将隔板袋子撑开.但由于极

板不可避免地存在一定的弯曲变形,因此在膨胀或

蓄电池振动时不会将封边撑开,而是挤压袋子边

缘,造成PE隔板袋子破损（如图3中l）.

.

璧广—————————一黼㈣l{l}{I-htt.……

（1）PE隔板孔径很小,但也存在渗透问题,

主要原因是PE隔板基厚很薄,为铅枝晶穿透隔板

提供了可能.

（2）PE隔板具有良好的抗氧化性能,但在蓄

电池高温,亏液,过充电等条件下还是会发生氧化

反应,PE隔板氧化后出现裂纹,凹坑等缺陷,缺

陷部位容易造成铅枝晶穿透隔板或接触短路.

（3）PE隔板被氧化后碳元素质量分数降低,

硅元素质量分数升高,说明超高分子量聚乙烯发生

了氧化反应,也即PE分子链发生了断裂,使得

PE隔板的机械强度降低.

（4）氧化部分的PE隔板出现填料二氧化硅

的形貌特征,表明在PE隔板矩阵结构被氧化破坏

之后,二氧化硅在应力作用下发生了聚集,PE隔

板氧化部分的机械强度大大降低.二氧化硅脱落后

出现孑L洞和裂纹,孔洞,裂纹及更严重时的隔板破

损是造成PE隔板短路的主要原因.

（5）蓄电池装配,使用过程中对PE隔板的

机械损伤也会给蓄电池使用带来质量隐患.

（6）极板表面缺陷,如铅豆,铅疙瘩,极板

毛刺都会对PE隔板造成伤害.

（7）极板膨胀,弯曲变形及板脚等都会对PE

隔板造成损伤,使用PE隔板应尽量不使用带板脚

的极板

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