电动助力车用铅酸电池隔膜改性研究

文◎ 薛奎网

摘要：通过在超细玻璃纤维隔膜中加入合适浓度憎水有机聚合物质，提供横向气体通道，改善隔膜的横向透气性。采用恰当的处理方法，增加了隔膜吸液量，减少游离酸, 提高复合效率，减少失水, 进而提高电动车电池的深循环寿命能力。

关键词：电动车用铅酸电池；超细玻璃纤维隔膜；憎水聚合物；气体复合；循环寿命

1 研究背景

目前电动车用铅酸蓄电池循环寿命较短，通过改进电池内部电极材料性能，提高蓄电池的循环使用寿命，是促进电动车产业健康快速发展的关键。

国内外有许多企图通过对隔膜的改性来增加蓄电池的复合效率的研究，比如：在隔膜中直接加入聚丙烯短纤维、特种聚酯纤维和一些有机物，虽然增加隔膜的透气性，提高了复合效率，但增加了热失控的概率，其效果并不理想。

此研究方案利用憎水聚合物对隔膜进行改性处理，使隔膜具有不浸电液的位置。改性后的隔膜在不降低吸液能力的条件下，为气体提供了横向通道，提高氧气在隔膜中的扩散速度，从而改善了隔膜的透气性，提高气体的复合效率。在增加隔膜吸液量的同时，保留有气体通道，保证气体的有效复合，降低了电池的内压，减少水损失，避免电池的干涸，从而延长电池使用寿命。

2 实验步骤及方法

2.1 隔膜改性处理方法实验

试验目的：以压力气体或液体为载体，用憎水的有机聚合物对隔膜进行改性处理，使之具有适宜的憎水性，通过处理使隔膜具有横贯性的憎水性，以便在隔膜中形成横向的气体通道。

为了找出一种隔膜改性的最佳处理方法，我们拟定了3 种不同的方法，分别对隔膜进行改性处理，将憎水物质加入到隔膜中。对隔膜表面按一定几何分布的位置进行处理，使隔膜在这些位置的憎水性增加。处理中使未处理处仍保持亲水性能，以保持隔膜整体的吸液性能。方法1 和方法3 为局部处理隔膜的方法。以气体或液体为压力载体，使憎水有机聚合物粉料或悬浮液对隔膜进行全面积的处理。使隔膜整体具有一定的憎水性能，达到增加隔膜透气的能力。方法2 为整体处理隔膜的方法。

2.2 横向透气性的测定实验

把隔膜（D=75 mm） 放置于透气性实验装置（如图1）中，拧紧法兰盘，从加液口注入蒸馏水25 mL， 浸泡10～15 min，检查气密性，再从压力气源口缓慢加上压力为0.05 MPa 气源，观察隔膜上冒出气体的大小和疏密程度以及最初冒气的气压，并在恒定气压下收集气体5 min，记录气体体积。

2.3 吸液高度的测定实验

沿隔膜成型方向裁取（250mm×15 mm） 的试样，将其一端夹在隔膜吸酸高度检测仪（如图2） 的夹具上，使试样的另一端垂直浸入密度为1.280 g/cm3硫酸溶液中5 mm 深， 记录5min 时酸液爬升的高度，以最高点测量。

2.4 吸液量的测定实验

把隔膜裁成D=50 mm 的隔膜试样，放入干燥箱中在70 ℃的条件下干燥2 h。取出后将试样放在室温干燥皿中，冷却至室温，用分析天平称重，再放入蒸馏水中浸泡10 min，使隔膜完全吸水饱和，提出用吸足蒸馏水的棉布轻轻擦，使之表面不带水滴，立即称重。

2.5 密封反应效率实验

加入的一定浓度的憎水有机聚合物，分别用3 种不同的方法对隔膜进行改性处理后，按本公司现行生产工艺装配8 只12V20 Ah 电动助力车电池（方法1、方法、方法3 及未处理的隔膜组装的电池各2 只），加酸量均为250 mL，压缩比为10%左右。在完全充电状态下按照电动助力车电池标准进行密封反应试验。

2.6 寿命试验

按2.4 规定的方法同时制作样品12 只电池（方法1、方法、方法3 及未处理的隔膜组装的电池各3 只）。每3 只为1 个电池组，以10 A 放电至终压31.5V，再以恒压44.8 V 限流3.6 A 充电10 h，为1 次循环，直至容量下降至额定容量的80%结束。统计循环次数。

3 试验结果分析

3.1 改性隔膜的微观结构分析

隔膜是由纵向小孔和横向大孔组成，小孔用于存电解液，大孔用于形成氧气扩散的气体通道。

对隔膜进行改性处理后，在粘有憎水物质的纤维周围，为气体的横向通过单独提供了通道。用方法1 处理的隔膜的气体通道微孔结构如图3 所示，用方法2处理的隔膜气体通道微孔结构如图4 所示。浸润憎水物质的隔膜不会或很少浸润有电解液，在隔膜处于工作状态时，提供氧气扩散的气体通道。

3.2 憎水物质加入量与隔膜处理方法对应关系试验

出于对生产工艺和成本上的考虑，我们进行了不同浓度的憎水物质和3 种不同的改性方法处理的隔膜的对应关系试验。憎水物质在隔膜中所占的百分比如图5 所示。

试验结果表明：就加入量而言，用方法1 处理隔膜的最佳浓度是30%～45%，用方法2 处理隔膜的最佳浓度是1%～3%，用方法3 处理隔膜的最佳浓度是10%～30%。

3.3 吸液量的试验分析

电液量与电池容量有着密切的关系，它是控制电池容量的主要因素，在一定范围内，酸量增加，容量会增加。电池吸酸饱和度又是影响氧气复合的主要因素，饱和吸酸量小于100%时，密封反应效率可达到94%以上，饱和吸酸量大于100%时，密封反应效率较低。

隔膜是用来贮存电液的物质，通过隔膜改性，提高吸液量后，对提高电池性能有着重要的意义。因此通过实验，得出憎水物质加入的浓度和隔膜吸液量的关系，如图6。

实验研究表明：用方法1 改性的隔膜，当憎水物质的浓度在10%～40%时，隔膜的吸液量变化不大；用方法2 改性，当憎水物质的浓度大于10%时，隔膜的吸液量会发生很大变化；用方法3 改性隔膜, 当憎水物质的浓度在10%～40%时，对隔膜的吸液量影响不大。

3.4 隔膜吸液高度的测定

隔膜吸液高度对隔膜的吸液速度有着很大关系，吸液高度决定电池注酸时间及电解液在电池中的分布。使用吸液高度检测装置（图3）对隔膜进行了试验,得出了隔膜5 min 吸液高度与憎水物质浓度的关系如图7。

试验表明：只要采用适当浓度的憎水物质对隔膜进行改性处理，隔膜5 min 吸液高度不会产生变化。用方法1 改性的隔膜，当憎水物质的浓度在10%～30%时，隔膜的5 min 吸液高度几乎没有变化；用方法2 改性，当憎水物质的浓度小于10%，隔膜的5 min 吸液高度不会发生很大变化；用方法3 改性，当憎水物质的浓度在10%～30%时，对隔膜的5min 吸液高度影响不大。

3.5 横向透气性的测定

为了改善隔膜横向透气性，我们在隔膜中添加憎水物质，采用横向透气性检测装置（图1） 对隔膜横向透气性进行检测，结果如图8 所示。

可见，憎水物质加入隔膜后，隔膜的横向透气性得到了大大的改善。说明了用憎水物质对隔膜进行改性是有效的。而且，隔膜的横向透气性，随着憎水物质浓度的增加而增强。

3.6 密封反应效率及容量试验

为了了解加入的憎水物质的浓度及改性方法对隔膜性能的影响关系。经过筛选确定了合适的浓度，并分别用3 种不同的处理方法对隔膜进行处理，装配8 只12 V20 Ah 电动助力车电池（每种方法2 只）。加酸量为250mL，电池压缩比为10%左右。原始隔膜采用的是南京贝达公司生产的玻璃纤维隔膜。利用电池复合效率检测装置（见图4） 进行了电池的复合效率和容量试验，数据结果如表1。

表1 电池的复合效率和容量

从表1 可以说明，改性后的隔膜复合效率明显提高，特别是采用方法1 处理的隔膜，效果更明显，且对电池容量没有影响。隔膜的透气性增加，增加了电池的复合效率，但可能导致热失控。伴随着热失控或高温，将导致隔膜软化，甚至发生爆炸，这对电池寿命影响特别大，因此密封反应效率应控制在合适的数值。

3.7 循环寿命检测试验

以10 A 电流放电至终压31.5 V，恒压44.8 V 限流3.6 A充电10 h，为1 次循环，直至容量下降至额定容量的80%结束。按上述方法进行试验，按方法1、方法、方法3 及未处理的隔膜制作电池的循环次数分别为401 次、305 次、263 次、251次。由此可见，方法1 对提高循环寿命最明显。

4 结论

在隔膜中加入合适浓度的憎水性的聚合物，采用合适的处理方法对隔膜进行技术改性处理，可以改进材料性能，提高循环寿命，具体表现为：

（1）改性隔膜能单独为气体提供了横向通道，改善了隔膜的横向透气性。

（2）通过合适的改性方法和合适的憎水物质浓度对隔膜进行改性，即使在适当增加电液量时，仍留有有效的气体通道，提高了电池的复合效率，对容量没有影响，也不会导致热失控。

（3） 合适的改性方法和合适的憎水物质浓度制作的电池，循环寿命大大提高。

参考文献

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摘自《电动自行车》