Свинцово – кислотные аккумуляторы - это наиболее популярный тип аккумуляторов в мире – на их долю приходится порядка 80% мирового производства, и от 75% до 90% производства в зависимости от региона.

Соответственно, основные производства и разработки в области сепараторов направлены именно на данный тип аккумуляторных батарей. В Росси на их долю приходится до 90% производства аккумуляторов и потребления сепараторов. В зависимости от типа свинцово-кислотного аккумулятора применяются две различные конструкции сепараторов: выполняющие разделительную функцию и сочетающие разделительную функцию с абсорбирующей возможностью.

I. Свинцово-кислотные аккумуляторы с жидким электролитом

В мире используется множество различных материалов для сепараторов, но все они были получены из натуральных материалов типа ткани или волокон и натурального резинового листа. В 1960-70 гг. синтетический полимер как основной материал стал преобладающим.   

Одним из наиболее интересных аспектов замены деревянной основы сепаратора на синтетический материал было открытие, что устранение лигнинтного элемента, который присутствовал в древесных и целлюлозных типах и оказывал существенное влияние на продолжительность жизни батареи. Без лигнинтного компонента отрицательная активная масса стала уплотненной и потеряла пористость, что явилось ограничительным фактором для работы и жизни. Это явление породило различные формулировки так называемый экспандерный материал, который содержит различные лигнинтивные производные.

Сейчас экспандер является необходимым дополнением ко всем отрицательно пластинным материалам. Развитие данного материала привело к увеличению продолжительности жизни и эффективности работы. Увеличение использования автоматизации для многих процессов собрания батарей требует сепараторных материалов, может потребоваться дополнительная сила и гибкость  для обработки машинами против людей. Отличным примером является почти полностью измененный в строну конвертного типа сепаратор в сравнении с плоским (листового типа) сепаратором из полиэтилена и использование широкого набора автоматизированного оборудования для производства всех типов батарей.

Свойства и дизайн сепараторов

В большинстве случаев, ключевой задачей сепаратора является применение его в батареях. Признаки типа продолжительность жизни, высокие против низких норм разрядки и процессов собрания батарей диктуются многими материальными свойствами сепаратора и его размерами. Например, батарея с глубоким циклом разряда, которая имеет относительно низкие показатели по максимальному уровню разрядки, может быть разработана с более низкой пористостью и с увеличенной обратной толщиной холста с небольшим риском возникновения короткого замыкания. С другой стороны, в типичной стартерной батареи, малогабаритных автономных батареях пористость (%) и толщина сепаратора являются ключевыми факторами, позволяющие батареи отдавать более высокую силу тока при разрядке.

Наиболее часто используемые типы сепараторов в зависимости от области  применения аккумуляторной батареи

Наиболее важными характеристиками сепараторов являются:

1.  Конфигурация ребер и толщина основного слоя:

·       Поддерживает активную массу и предоставляет свободное место для электролита;

·       Толщина основного слоя сепаратора в значительной мере влияет на электрическое сопротивление;

·       Типичные формы ребра диагональные, извилистые, вертикальные.

2.  Пористость и структура пор

·       Средний и очень большой размер пор;

·       Количество пор (%);

·       Извилистость;

3.  Электрическое сопротивление

·       Напряжение при разрядке

·       Определяется  основной толщиной сепаратора, структурой пор и извилистостью

4.  Химическая чистота

·       Тяжелые металлы и органические соединения

·       Негативное влияние на напряжение батареи

5.  Сопротивление окислению

·       Сопротивление к электролиту

·       Сопротивление к активным материалам

6.  Требования к производству и эксплуатации

·       Обертывание в конверт, закладка листа

Все этими характеристиками можно управлять и менять их согласно критериям производимой батареи. Некоторые дополнительные свойства, которые могут повлиять на показатели работы батареи могут быть достигнуты с помощью специального сепаратора, включая возможности натурального каучука или гибридный тип резины-полиэтилена, которые увеличивают продолжительность жизни батареи благодаря удержанию кристаллизующихся элементов на пути к  отрицательному электроду.

Физико-химические показатели различных типов сепараторов

Способы производства сепараторов

Во всех базовых типах сепараторов, описанных ниже, за исключением сепараторов на основе феноловых смол, используется мелкоячеистый кремнезем, образующий в материале пористую структуру.  Кремнезем вводится в структуру сепаратора на основе полиэтилена, каучука и др. с помощью посредствам масел или воды. Затем жидкость из структуры сепаратора  удаляется с помощью специального растворителя и путем просушивания материала. Оставшаяся структура из кремнезема кварца определяет пористую структуру сепаратора – размер пор, пористость (%), извилистость.  Во всех производственных процессах, за исключением одного, профиль ребер сепаратора формируется с помощью каландра. Исключением являются сепараторы на основе феноловых смол, в которых для производства профилей ребер используется гофрированный ремень. Схемы, представленные ниже, демонстрируют способы производства описанных видов сепараторов.

Способы производства различных типов сепараторов

В России из современных типов сепараторов распространено производство сепараторов на основе ПВХ типа «Мипласт» и сепараторов на основе каучука типа «Мипор». Для производства сепаратора «Мипласт» используются специальные марки ПВХ. Подобную марку производит ООО «Усольехимпром» (ООО «Группа НИТОЛ»). Эмульсионный ПВХ Е-6642Ж применяется для получения сепараторов типа «Мипласт», характеризующихся низким электросопротивлением, небольшим диаметром пор и высокой объемной пористостью.

Среди производителей сепараторов подобного типа можно отметить крупнейшего российского производителя аккумуляторов ОАО  «Тюменский аккумуляторный завод». На предприятии установлена производственная линия, позволяющая изготавливать сепараторы «Мипласт»  из поливинилхлоридной смолы путём засыпки, формовки, спекания на металлической ленте конвейера.

Среди предприятий СНГ собственным производством сепараторов располагает ОАО «Кайнар», являющийся крупнейшим производителем аккумуляторов в Республике Казахстан. Сепаратор «Миплас»  производится на предприятии из поливинилхлоридной смолы на собственных линиях немецкой фирмы «Thyssen Henschel». В свою очередь, полиэтиленовый сепаратор закупается у западной компании «Daramic».

Производство наиболее современных и самых востребованных типов сепараторов на основе полиэтилена и полиэтилена/каучука в России отсутствует. Один из московских институтов пытался запустить производство подобного материала, но по качеству не вышел - был косой, тянулся.

Исходными материалами для производства полиэтиленовых сепараторов являются:

1.  Кремнезем

Кремнезем является важной частью полиэтиленового сепаратора для аккумулятора. Он образует "становой хребет" или скелет, позволяющий сепаратору приобрести гидрофильные свойства, поглощать H2SO4 и обеспечивать электрохимический перенос ионов между отрицательной и положительной пластинами свинцово-кислотной батареи.

2.  «UHMWPE»

Когда речь заходит о полиэтиленовых сепараторах, то следовало бы говорить о сепараторах "UHMWPE", то есть о сепараторах из полиэтилена сверхвысокого молекулярного веса. UHMWPE придает продукту уникальность:

·           UHMWPE не поддается обработке плавлением вследствие сильного переплетения цепочек;

·           UHMWPE должен пластифицироваться с использованием углеводородных технологических масел и переработки в гель;

·           UHMWPE способен связывать большие количества наполнителя (например, кремнезема);

·           Поэтому UHMWPE образует плотные, свободностоящие пленки.

UHMWPE стоек к истиранию. Он часто применяется в качестве полимера, предпочтительного в современных деталях для замены костных фрагментов. Другое, хорошо известное применение UHMWPE находит в конструкции пуленепробиваемой брони для личной защиты.

3) Технологические масла

Технологическое масло, используемое в полиэтиленовых сепараторах аккумуляторов, играет тройную роль:

·           Оно позволяет превращать UHMWPE в гель, и, благодаря плотному переплетению цепочек, миновать процесс плавления;

·        Извлечение технологического масла из сепаратора UHMWPE с кремнеземным заполнителем создает пористую пленку со средним диаметром пор 26 и 27 нанометров;

·           Масло, остающееся в сепараторе, служит начальной защитой UHMWPE от высокотемпературного электрохимического окисления.

C текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка сепараторов для аккумуляторных батарей можно познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Анализ спроса на стеклохолст в производстве сепараторов для аккумуляторных батарей».