СЕПАРАТОР СВИНЦОВО-КИСЛОТНОГО АККУМУЛЯТОРА

Полезная модель сепаратора относится к электротехнической промышленности и может быть использована при производстве свинцовых аккумуляторов.
Из предшествующего уровня техники (Патент WO 9967831, публ. 29.12.1999) известен микропористый сепаратор для свинцовой аккумуляторной батареи, изготовленный на основе однородной вещественной смеси термопластического полимера, инертного наполнителя и размягчающей добавки. Сепаратор содержит не менее 20% (об.) пирогенного диоксида кремния и не более 62% (об.) других инертных наполнителей, в том числе осажденного кремнезема, при этом общее содержание компонентов не превышает 82% (об.), а доля термопластичного полимера составляет от 18 до 40% (об.). Размягчающую добавку (пластификатор) дозируют в пределах от 0 до 20% (мас.) от суммы смеси наполнителей и полимера.
Этот сепаратор предназначен для изготовления газонепроницаемых аккумуляторов и непригоден для производства обслуживаемых бесклапанных аккумуляторов с жидким электролитом.
Известен также сепаратор свинцово-кислотного аккумулятора, содержащий в качестве инертного наполнителя 63,5-72,4% (мас.) сажу белую БС-120 и 27,6-36,5% (мас.) высокомолекулярного полиэтилена. Пластификатор (индустриальное масло) дозируют в пределах от 130 до 160% (мас), а антиоксидант - от 0,9 до 1,4% (мас.) от суммы смеси наполнителя и полимера (Выписка из проектной документации: «ОАО «Тюменский аккумуляторный завод». Производство сепараторной ленты. Техническое перевооружение», 000.1130-ИОС7, 2013 - ближайший аналог).
Известный сепаратор характеризуется недостаточным объемом пор, снижающим степень заполнения электролитом сепаратора и повышающим его удельное электрическое сопротивление в электролите.
Другим недостатком известного технического решения является значительный разброс размеров пор в локальных участках сепаратора, вследствие формирования нерациональной внутренней структуры частиц (зерен) кремнезема белой сажи в процессе измельчении инертного наполнителя и последующего перемешивании смеси наполнителя и полимера. Вследствие этого наблюдается неравномерность распределения электрического тока по сечению электродов при эксплуатации аккумулятора, также приводящая к повышению удельного электрического сопротивления сепаратора в электролите.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение пористости сепаратора и уменьшение его удельного электрического сопротивления в электролите за счет улучшения структуры частиц (зерен) кремнезема белой сажи в полиэтилене и эффективности пропитки сепаратора электролитом.
2
Указанный технический результат достигается тем, что в известном сепараторе, содержащем белую сажу, антиоксидант, сверхмолекулярный полиэтилен и индустриальное масло, согласно предлагаемой полезной модели содержатся белая сажа с размером частиц 4-17 мкм и удельной поверхностью 210-300 м/г и сверхмолекулярный полиэтилен при следующих содержаниях компонентов, мас.%: белая сажа 82,5-89,0; сверхмолекулярный полиэтилен 11,0-17,5.
При этом сверх суммы масс наполнителя и полимера в них дозируют от 12,0 до 20,0% (мас.) индустриального масла и от 1,5 до 2,5% (мас.) антиоксиданта.
2
2
Заявляемая полезная модель по сравнению с известным решением позволяет уменьшить разброс размеров пор в локальных участках сепаратора с 0,1-5,0 до 0,5-2,0 мкм при величине среднего размера пор 1,0-1,2 мкм. Диапазон изменения крупности частиц белой сажи, используемой прототипом, составляет 0-63 и даже достигает 0-125 мкм, что приводит к более плотной упаковке частиц кремнезема при изготовлении сепаратора с уменьшением объема пор в полиэтилене и существенным увеличении локальной неравномерности распределения пор по объему сепаратора. Использование в предлагаемой полезной модели узкой фракции частиц белой сажи 4-17 мкм и ее высокой удельной поверхности 210-300 м/г позволяет за счет улучшения объемной структуры частиц кремнезема в полиэтилене повысить пористость сепаратора и уменьшить его удельное электрическое сопротивление в электролите. Кроме того, увеличение удельной поверхности частиц белой сажи со 130-140 до 210-300 м/г дополнительно способствует повышению эффективности пропитки сепаратора электролитом.
2
2
Сдвиг диапазона крупности частиц белой сажи в сторону увеличения их диаметра с 17 до 25 или 30 мкм, сопровождается ростом среднего размера пор до 3,0-5,0 мкм, что, вследствие ограниченной толщины (0,2-0,3 мм) основного тела сепаратора, ухудшает эксплуатационные показатели стартерных аккумуляторных батарей из-за коротких замыканий электродов и снижения степени заполнения сепаратора электролитом. К аналогичным последствиям приводит снижение удельной поверхности частиц белой сажи менее 210 м/г. Напротив, увеличение удельной поверхности частиц белой сажи более 300 м/г и уменьшение диаметра частиц кремнезема менее 4 мкм сопровождается их более плотной упаковкой с уменьшением пористости и удельного электрического сопротивления сепаратора в электролите.
Уменьшение содержания белой сажи в смеси со сверхвысокомолекулярным полиэтиленом менее 82,5% (мас.) и увеличение концентрации полиэтилена в смеси более 17,5% приводит к снижению пористости сепаратора. Увеличение содержания белой сажи в смеси со сверхвысокомолекулярным полиэтиленом более 89,0% (мас.) и уменьшение концентрации полиэтилена в смеси менее 11,0% сопровождается снижением относительного удлинения при разрыве сепаратора ниже допустимого уровня.
Дозирование индустриального- масла в количестве менее 12,0% (мас.) от суммы масс наполнителя и полимера требует повышения температуры экструзии смеси, что удорожает производство сепаратора. Подача размягчающей добавки в количестве более 20,0% (мас.) от суммы масс наполнителя и полиэтилена неэффективна, так как чрезмерное снижение пластичности полиэтилена не улучшает свойства сепаратора, а расход циркулирующего индустриального масла увеличивается.
Дозирование антиоксиданта в количестве менее 1,5% (мас.) от суммы масс наполнителя и полимера приводит к снижению стойкости полиэтилена в среде электролита аккумулятора. Подача антиоксиданта в количестве более 2,5% (мас.) от суммы масс наполнителя и полиэтилена практически не повышает химическую стойкость сепаратора, а затраты увеличиваются пропорционально расходу добавки.
Технические решения, совпадающие с существенными признаками полезной модели, не выявлены, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения критерию «новизна».
Поскольку полезная модель обеспечивает технический результат, вьгоажающийся в повышении пористости сепаратора и уменьшении его удельного электрического сопротивления в электролите за счет улучшения структуры частиц (зерен) кремнезема белой сажи в полиэтилене и эффективности пропитки сепаратора электролитом, то можно сделать вывод, что предлагаемое техническое решение соответствует критерию «промышленная применимость».
Подтверждение возможности осуществления заявляемой полезной модели изложены в нижеследующем подробном описании примеров получения образцов сепаратора и их свойств.
Пример 1. Сепаратор готовят следующим образом.
1. Сначала белую сажу марки БС-120 по ГОСТ 18307-78 подвергают пневматической классификации с выделением узкой фракции 4-17 мкм и дозируют заданную массу, например, 85,1 кг в смеситель экструзионной линии.
2. Заданное количество, например, 14,9 кг полиэтилена сверхвысокомолекулярного (СВМПЭ) марки 30-2 по ТУ 2211-068-7035362-2006 дозируют в упомянутый смеситель и осуществляют предварительное перемешивание двух основных компонентов сепаратора в количестве 100 кг.
3. Сверх 100% суммы масс полиэтилена и инертного наполнителя, содержащего диоксид кремния, в дополнительную емкость, заливают например, 16,0 кг индустриального масла марки И-30А по ГОСТ 20799-88.
4. В эту же емкость засыпают порошок антиоксиданта марки Агидол 110 по ТУ 2492-447-05742686-2006, количество которого составляет, например, 2,0 кг сверх 100% суммы масс полиэтилена и белой сажи и осуществляют предварительное перемешивание двух дополнительных компонентов сепаратора в количестве 18,0 кг.
5. В смеситель подают индустриальное масло с антиоксидантом и окончательно перемешивают компоненты сепаратора перед их подачей в экструдер.
6. В экструдере при температурах от 145 до 188°C осуществляют размягчение полиэтилена и выдавливают резиноподобную смесь через плоскощелевую головку виде листа на валки трехвалкового каландра. Температурный режим валков каландра по ходу сепараторной ленты поддерживают от 130 до 120°C.
7. С выхода последнего валка каландра ребристая полуфабрикатная лента последовательно проходит экстракцию трихлорэтиленом индустриального масла, сушку и намотку на катушки.
Примеры 2-6. Сепаратор свинцово-кислотного аккумулятора изготавливают аналогично примеру 1, но при других соотношениях компонентов, как указанных в формуле полезной модели (примеры 2, 4 и 5), так и выходящих за ее пределы (примеры 3 и 6). Свойства образцов сепараторов приведены в таблице, в которой также приведен состав сепаратора-прототипа, примерно соответствующий средним значениям компонентов, и его свойства.
В примерах 2-6 содержания индустриального масла и антиоксид анта соответствуют содержаниям этих компонентов в примере 1 (16,0% и 2,0% соответственно), а в образце-прототипе указанные компоненты составляли соответственно 140% (мас.) и 1%.
Исследование других содержаний дополнительных компонентов (индустриального масла и антиоксиданта) не приведены потому, что изменения этих параметров оказывает сильное влияние на стойкость сепаратора к окислению атомарным кислородом в электролите, а пористость и удельное электрическое сопротивление сепаратора практически не зависят от содержания масла и антиоксиданта в указанном диапазоне.
На основании приведенных в таблице данных можно утверждать, что, по сравнению с известным техническим решением, предлагаемый сепаратор обладает значительно большей величиной пористости и меньшим удельным электрическим сопротивлением в электролите за счет улучшения структуры частиц (зерен) кремнезема белой сажи в полиэтилене и эффективности пропитки сепаратора электролитом.