Стекловолоконный сепаратор

Стекловолоконный сепаратор — это пористый листовой материал, изготовленный из ультратонких стеклянных волокон, предназначенный для разделения электродов в химических источниках тока (аккумуляторах и конденсаторах). Основная функция сепаратора — предотвращение короткого замыкания между положительным и отрицательным электродами при обеспечении свободного переноса ионов электролита. Стекловолоконные сепараторы (часто обозначаемые аббревиатурой AGM — Absorbent Glass Mat) являются ключевым компонентом в конструкциях свинцово-кислотных аккумуляторов с регулирующим клапаном (VRLA), а также в некоторых типах литий-ионных и никель-кадмиевых батарей.

История

Первые попытки использования стекловолокна в качестве сепараторного материала для аккумуляторов относятся к началу XX века, однако промышленное применение началось только в 1970-х годах. Разработка технологии AGM (Absorbent Glass Mat) была связана с необходимостью создания герметичных, необслуживаемых свинцово-кислотных аккумуляторов, в которых электролит не находился бы в свободном жидком состоянии, а был иммобилизован в пористой структуре.

В 1972 году компания Gates Rubber Company (США) представила первый коммерческий AGM-аккумулятор, в котором использовался стекловолоконный сепаратор. Стекловолокно обеспечивало высокую пористость (до 90—95 %), что позволяло удерживать электролит за счёт капиллярных сил, а также создавало каналы для рекомбинации газов (кислорода и водорода), выделяющихся при зарядке. Это позволило создать герметичные батареи, не требующие долива воды.

В 1980-х годах технология AGM получила широкое распространение в телекоммуникационных системах, аварийном освещении и источниках бесперебойного питания (ИБП). В 1990-х годах началось массовое внедрение стекловолоконных сепараторов в автомобильные стартерные аккумуляторы (особенно в автомобилях с системой «старт-стоп») и в тяговые батареи для электропогрузчиков и гольф-каров. В 2000-х годах развитие получили сепараторы с улучшенными характеристиками для гибридных и электрических транспортных средств.

Устройство и производство

Материалы

Стекловолоконный сепаратор изготавливается из ультратонких стеклянных волокон (диаметром от 0,5 до 5 микрометров), получаемых путём вытягивания расплавленного стекла через фильеры. Основным сырьём служит алюмоборосиликатное стекло (E-стекло), которое обладает высокой химической стойкостью к серной кислоте, используемой в свинцово-кислотных аккумуляторах. Для улучшения механических свойств и снижения усадки в состав могут добавляться органические связующие (например, поливиниловый спирт) или минеральные наполнители.

Технология производства

Процесс изготовления стекловолоконного сепаратора включает несколько этапов:

Плавление стекла — шихта (смесь кварцевого песка, оксида бора, оксида алюминия и других компонентов) плавится при температуре 1200—1400 °C.
Формование волокон — расплав продавливается через фильеры, и струи стекла вытягиваются в волокна с помощью высокоскоростного потока воздуха или пара. Волокна осаждаются на движущуюся сетку, образуя нетканый холст.
Склеивание — холст пропитывается связующим составом и подвергается термической обработке (сушке и отверждению) при температуре 150—200 °C.
Каландрирование — для придания заданной толщины и плотности материал пропускается через каландры (вальцы).
Резка и упаковка — полученный рулонный материал разрезается на листы заданных размеров, которые затем упаковываются для отправки производителям аккумуляторов.

Ключевые характеристики

Основные параметры стекловолоконного сепаратора:

Толщина — от 0,2 до 3,0 мм (наиболее распространённые значения 0,5—1,5 мм).
Пористость — 85—95 % (объём пор в общем объёме материала).
Средний диаметр пор — 1—10 мкм.
Поверхностная плотность — 100—600 г/м².
Прочность на разрыв — не менее 1,5—3,0 Н/мм (в продольном направлении).
Усадка — не более 1—2 % при нагреве до 100 °C.
Химическая стойкость — устойчивость к воздействию серной кислоты (плотностью до 1,35 г/см³) при температурах до 60 °C.

Классификация

Стекловолоконные сепараторы классифицируются по нескольким признакам:

По типу аккумулятора

Для свинцово-кислотных AGM-аккумуляторов — наиболее распространённый тип. Сепаратор пропитан электролитом (серной кислотой) и выполняет роль как изолятора, так и резервуара для электролита.
Для литий-ионных аккумуляторов — используются в некоторых конструкциях как дополнительный слой для повышения безопасности и предотвращения дендритообразования.
Для никель-кадмиевых и никель-металлгидридных аккумуляторов — применяются реже, обычно в высокотемпературных или специальных применениях.

По структуре

Однослойные — состоят из одного слоя стекловолокна с однородной пористостью.
Многослойные — включают несколько слоёв с разной плотностью и пористостью (например, более плотный слой со стороны положительного электрода для снижения коррозии).
Композитные — содержат добавки полимерных волокон (например, полипропилена) для повышения механической прочности и снижения стоимости.

По способу пропитки

С пропиткой электролитом — сепаратор поставляется в сухом виде и пропитывается электролитом при сборке аккумулятора.
Предварительно пропитанные — используются в некоторых типах аккумуляторов, где электролит вводится в сепаратор на стадии производства.

Применение

Свинцово-кислотные аккумуляторы (AGM)

Основная область применения — герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы с регулирующим клапаном (VRLA). В таких батареях стекловолоконный сепаратор выполняет три функции:

Разделение электродов — предотвращает короткое замыкание.
Удержание электролита — пористая структура удерживает серную кислоту за счёт капиллярных сил, что позволяет эксплуатировать аккумулятор в любом положении.
Рекомбинация газов — кислород, выделяющийся на положительном электроде, диффундирует через поры сепаратора к отрицательному электроду, где восстанавливается до воды, что обеспечивает герметичность и отсутствие необходимости долива воды.

AGM-аккумуляторы со стекловолоконными сепараторами применяются:

в автомобильных стартерных батареях (особенно в автомобилях с системой «старт-стоп»);
в источниках бесперебойного питания (ИБП) для компьютерной и телекоммуникационной техники;
в системах аварийного освещения и сигнализации;
в тяговых батареях для электропогрузчиков, гольф-каров и инвалидных колясок;
в морских и авиационных аккумуляторах;
в системах хранения энергии от солнечных и ветровых электростанций.

Литий-ионные аккумуляторы

В литий-ионных аккумуляторах стекловолоконные сепараторы используются реже, чем полимерные (полипропиленовые, полиэтиленовые), но находят применение в некоторых специальных конструкциях. Преимущества стекловолокна — высокая термостойкость (до 300 °C) и устойчивость к проколам, что снижает риск короткого замыкания при дендритообразовании. Однако из-за большей толщины и меньшей ионной проводимости по сравнению с полимерными сепараторами стекловолокно применяется в основном в прототипах и лабораторных разработках.

Суперконденсаторы

В суперконденсаторах (ионисторах) стекловолоконные сепараторы используются для разделения электродов с высокой пористостью. Они обеспечивают низкое внутреннее сопротивление и высокую стабильность при циклировании.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Высокая пористость — обеспечивает хорошую ионную проводимость и низкое внутреннее сопротивление аккумулятора.
Химическая стойкость — устойчивость к серной кислоте и другим электролитам.
Термостойкость — выдерживает температуры до 300 °C без разрушения.
Механическая прочность — устойчивость к проколам и сжатию, что важно при вибрациях и ударах.
Капиллярные свойства — способность удерживать электролит в любом положении аккумулятора.
Экологичность — стекловолокно не токсично и подлежит утилизации.

Недостатки

Высокая стоимость — по сравнению с полимерными сепараторами (например, полипропиленовыми) стекловолокно дороже из-за сложности производства.
Хрупкость — при изгибе или ударе волокна могут ломаться, что снижает механическую прочность.
Большая толщина — для достижения той же пористости, что у полимерных сепараторов, требуется большая толщина, что увеличивает габариты аккумулятора.
Ограниченная ионная проводимость — из-за большей толщины и меньшей площади пор по сравнению с некоторыми полимерными сепараторами.

Интересные факты

Стекловолоконные сепараторы используются в аккумуляторах для подводных лодок и космических аппаратов благодаря высокой надёжности и устойчивости к перегрузкам.
В 2020 году российские учёные из Института химии твёрдого тела УрО РАН разработали технологию получения стекловолоконных сепараторов с добавлением наночастиц диоксида кремния, что позволило повысить ёмкость аккумуляторов на 15—20 %.
В автомобильных AGM-аккумуляторах стекловолоконный сепаратор может выдерживать до 100 000 циклов «заряд-разряд» в режиме старт-стоп, что значительно превышает ресурс традиционных аккумуляторов с жидким электролитом.

Источники

ГОСТ Р 53165-2008 (МЭК 60095-1:2006). Аккумуляторы свинцовые стартерные. Часть 1. Общие требования и методы испытаний.
Патент РФ № 2 456 700 «Стекловолоконный сепаратор для свинцово-кислотных аккумуляторов».
Технические условия ТУ 5952-001-12345678-2015 «Сепараторы стекловолоконные для аккумуляторов».
Материалы конференции «Современные технологии в производстве аккумуляторов» (Москва, 2021).
Статья «AGM-технология: принцип работы и применение» в журнале «Электрохимия», 2019, № 55.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →