Какую функцию выполняет в электрической батарее сепаратор?

Главные составляющие части электрической батареи - анод и катод, и эти два электрода изолированы друг от друга сепаратором. Сепаратор, пропитанный электролитом, образует катализатор, который способствует движению ионов от катода к аноду при заряде, и в обратном направлении при разряде. Ионы представляют собой атомы, которые получили или потеряли электроны, и благодаря этому перестали быть электрически нейтральными. Несмотря на то, что ионы свободно перемещаются между электродами, сепаратор является изолятором, то есть не имеет электрической проводимости.

Небольшое количество тока, которое может проходить через сепаратор, формирует явление саморазряда, которое присутствует во всех электрических батареях в той или иной степени. Саморазряд в конечном итоге истощает заряд батареи при длительном хранении. На рисунке 1 показано строение литий-ионного элемента с сепаратором и поток ионов между электродами.

Ионный поток через сепаратор литий-ионного элемента

Рисунок 1: Ионный поток через сепаратор литий-ионного элемента. Сепаратор формирует барьер между анодом и катодом при одновременном обеспечении обмена ионов лития с одной стороны на другую.

Ранние модели электрических батарей были затопленные, в том числе, свинцово-кислотные и никель-кадмиевые. С изобретением герметичных никель-кадмиевых в 1947 году и необслуживаемых свинцово-кислотных в 1970-х, электролит стал впитываться в пористый сепаратор, который плотно располагался между электродами для лучшего обеспечения химических реакций. Конструктивно сепаратор и электроды в таких батареях образовывают прочный твердый механический узел, который имеет характеристики, аналогичные затопленным моделям, но меньше по размерам и может быть установлен в любом положении без риска утечки электролита. Газы, вырабатываемые во время зарядки, рекомбинируют обратно в воду, следовательно, такие аккумуляторы не требуют дополнительного обслуживания.


Аккумуляторы EverExceed

 

Standard Range AGM Deep Cycle Range AGM Gellyte Range GEL
свинцово-кислотные аккумуляторы аккумуляторы для газового котла гелевые аккумуляторы 12 вольт 100 ач и 200 ач 
10 - 12 лет / 600 циклов 10 - 12 лет / 700 циклов 10 - 12 лет / 750 циклов
универсальная серия AGM для глубоких разрядов AGM универсальная серия GEL

Первые сепараторы делались из каучука, стекловолокна, целлюлозы и полиэтилена. Использовалось даже дерево, но оно быстро теряло свои свойства из-за электролита. В никелевых батареях используют сепараторы из пористой полиолефиновой пленки, нейлона или целлофана. В герметичных свинцово-кислотных AGM [BU-201a] аккумуляторах в качестве сепаратора используется стекловолокно, смоченное серной кислотой.

Ранние модели гелевых свинцово-кислотных аккумуляторов, разработанные в 1970-х, преобразовывали жидкий электролит в гелеобразную пасту путем смешивания серной кислоты и содержащего кремний агента. Гелевые и AGM аккумуляторы имеют небольшие различия в производительности; гелевые широко используются в ИБП, а AGM - в роли стартерных и глубокоразрядных аккумуляторов. (Смотрите также BU-201: Как устроена свинцово-кислотная батарея).

Потребительские литий-ионный батареи используют полиолефин в качестве сепаратора. Этот материал обладает отличными механическими свойствами, хорошей химической стабильностью и низкой стоимостью. Полиолефины — класс высокомолекулярных соединений (полимеров), получаемых из низкомолекулярных веществ — олефинов (мономеров). Полиолефины вырабатываются из нефти или природного газа путём полимеризации одинаковых (гомополимеризации) или разных (сополимеризации) мономеров в присутствии катализатора.

Сепаратор для литий-ионного аккумулятора должен быть проницаемым и иметь поры размером от 30 до 100 нм. (Нм означает нанометр, который является одной миллионной миллиметра, что соответствует размеру 10 атомов). Рекомендуемая пористость составляет 30-50 процентов. Такой показатель обеспечит достаточное количество жидкого электролита и позволит перекрывать поры при перегреве аккумулятора.

Сепаратор как предохранитель в литий-ионном аккумуляторе

При высоких температурах происходит остановка работы литий-ионного аккумулятора путем перекрытия пор в сепараторе из-за его плавления. Полиэтиленовый сепаратор начинает плавиться при 130°С. Это останавливает транспорт ионов, эффективно “выключая” аккумулятор. Без этого свойства сепаратора значение температуры может повышаться и далее, достигнув значения теплового пробоя, что чревато возгоранием или даже взрывом. Присутствие такого механизма предохранения помогает литий-ионным аккумуляторам проходить различные тесты безопасности, которые включают в себя имитацию высоты, тепловое воздействие, вибрации, удары, внешнее короткое замыкание, перезарядку и принудительный разряд. (Смотрите также BU-304a: Проблемы безопасности литий-ионных аккумуляторов).


Тяговые аккумуляторы Trojan (USA)

 

Trojan Marine RV AGM Deep Cycle Trojan GEL Deep Cycle
тяговые лодочные аккумуляторы 12 вольт Тяговые аккумуляторы agm Аккумуляторы для поломоечных машин
10 - 12 лет / 700 циклов 10 - 12 лет / 600 циклов 10 - 12 лет / 800 циклов
для речного и морского траспорта для электромоторов, солнечных электростанций, высоких нагрузок

Большинство потребительских аккумуляторов для мобильных телефонов, планшетов и прочих устройств имеют однослойный полиэтиленовый сепаратор. Более же крупные промышленные образцы имеют уже трехслойный сепаратор, который обеспечивает повышенную защиту в многоэлементных системах при экстремальных температурах. На рисунке 2 показан трехслойный сепаратор ПП/ПЭ/ПП, состоящий из полиэтилена, зажатого полипропиленовыми слоями. В то время как внутренний полиэтиленовый слой начинает плавиться при 130°С, закрывая поры, внешние слои полипропилена сохраняют проводимость ионов до температуры в 155°С.

Вид сбоку на трехслойный ПП/ПЭ/ПП сепаратор

Рисунок 2: Вид сбоку на трехслойный ПП/ПЭ/ПП сепаратор. Комбинация материалов сепаратора с различными температурами плавления позволяет создать конструкцию с повышенной безопасностью. Полиэтилен плавится раньше полипропилена, чтобы закрыть поры и остановить движение электрического тока.

Дальнейшее улучшение сепаратора было сделано путем добавления керамического покрытия. Керамические частицы не плавятся, и их добавление обеспечивает дополнительный уровень безопасности. Керамическое покрытие используется в литий-кобальт-оксидных (LCO) аккумуляторах, в которых номинальное напряжение составляет 4,40 В на элемент вместо традиционных 4,20 В. Такое покрытие работает в тандеме со слоями полиэтилена и полипропилена и помещается рядом с положительной стороной для предотвращения электрического контакта.

Сепаратор должен быть как можно тоньше, обеспечивать достаточную прочность на разрыв и иметь хорошую стабильность конструкции на протяжении всей жизни аккумулятора. Поры должны быть равномерно распределены по всему сепаратору, и кроме того, материал сепаратора должен быть совместим с электролитом и позволять легко ему впитываться. Сухие участки сепаратора могут привести к увеличению температуры из-за повышенного сопротивления, что в конечном итоге может привести к выходу из строя такого элемента.

Существует общая тенденция к уменьшению толщины сепараторов. Толщина в 25,4 микрометра уже является стандартной, и проводятся разработки, которые способны уменьшить ее до 20, 16 и даже 12 микрометров без существенного ухудшения свойств элемента. (Один микрометр, также известный как микрон, составляет одну миллионную часть метра). Сепаратор с электролитом в современных литий-ионных элементах составляет лишь 3 процента от всего содержимого.


Аккумуляторы EverExceed GEL

 

Marin GEL Range Deep Cycle GEL Range Solar GEL Range
аккумулятор для электромотора аккумуляторы глубокого разряда аккумуляторы для солнечных батарей
10 - 12 лет / 800 циклов 10 - 12 лет / 800 циклов 10 - 12 лет / 800 циклов
для электромоторов лодок и катеров для глубоких циклических разрядов для солнечных электростанций

Но использование ультратонких сепараторов также поднимает и вопросы безопасности. Корпорации Sony пришлось отозвать 6 миллионов аккумуляторов из-за нескольких случаев возгорания. Причиной этих возгораний служили микроскопические частицы металла, которые вступали в контакт с частями батареи и приводили к короткому замыканию. Электрические элементы аккумуляторов Sony, о которых идет речь, имели толщину сепараторов между 20 и 25 мкм.

Последнее обновление 2016-02-21


Рейтинг и отзывы: 1 1 1 1 1 5/5 на основе 1 голоса