铅蓄电池用 AGM 隔膜透气度的研究

渠继鹏，王吻，李强，陈文杰，马壮

（1. 中材科技膜材料（山东）有限公司，山东 滕州 277500；2. 特种玻璃纤维复合材料国家重点试验室，山东 滕州 277500）

0 引言

AGM 隔膜，即吸附式微纤维玻璃棉毡型隔膜，通常是由直径为 0.5～3 μm 的玻璃微纤维通过湿法成型工艺而制得的[1]。它作为 VRLA 电池中的关键材料，有电池“第三电极”之称，直接影响着电池的放电容量、大电流放电性能、内阻、氧复合效率和使用寿命[2-3]。然而，伴随着电池行业的蓬勃发展，电池厂家，特别是汽车起停电池生产厂家，对隔膜的要求越来越高，有部分厂家增加了透气度这一性能指标的检测，通过透气度来衡量氧气的流通情况，从而衡量隔膜能否满足电池的性能要求。

AGM 隔膜生产沿用传统斜长网湿法造纸的工艺流程，包括制浆工序、成型工序、烘干卷取工序、成品后加工及包装工序，为流程性连续生产，各工段同时作业。国家标准 GB/T 28535—2018 中规定的 AGM 隔膜的物理化学性能指标包括：拉伸强度、电阻、最大孔径、定量、拉断延伸率、湿态保压能力、毛细吸酸高度、浸酸失重、加压吸酸量、灼烧减量、还原高锰酸钾物质、铁含量、氯含量、水含量、外观。另外，不同厂家结合自身生产经验，增加了湿弹性、厚度压缩比、吸酸率、比表面积等理化性能的检测。对于透气度，目前只有极少数高端产品有相关要求。随着电池生产厂家对AGM 隔膜要求的不断提高，未来透气度将会成为高端 AGM 隔膜产品重要的检测指标。

透气度是指在规定条件下，单位压差、单位时间内透过单位面积的试验纸样的平均空气流量[4-5]，可用公式

表示。式中，p 为透气度；A 为测试面积；△p 为试样两边的压力差；t 为测试时间；V 是在 t 秒内，透过纸样测试面积的空气量。

透气度原本是卷烟纸、过滤纸的关键性能之一[6]。由于 AGM 隔膜是由玻璃纤维通过湿法成型工艺制得的具有较高的孔隙率的薄片状材料，AGM 隔膜透气度的测试方法与其类似。

根据透气度的定义，结合 AGM 隔膜的特点，笔者探讨了厚度、定量、孔率、孔径、原料叩解度等因素对 AGM 隔膜透气度的影响。

1 实验

1.1 实验原料与仪器设备

实验原料主要有 34º 高碱玻璃微纤维、29º 高碱玻璃微纤维、19º 离心玻璃微纤维、ω(H2SO4) 为75 % 的硫酸溶液。所用仪器和设备主要有隔膜透气度仪、测厚仪、称量天平、孔径仪。

1.2 样品抄造

采用国内最先进的 AGM 隔膜生产线，采用实验原料生产不同厚度、不同定量、不同原料配比，以及不同过程控制下的 AGM 隔膜。

1.3 厚度测试

裁取 5 个 100 mm × 100 mm 的试样。调整测厚计的百分表零点，提起测量头将试样放在测量面上，然后以低于 3 mm/s 的速度，将测量头压在试样上，待百分表指针稳定后读出示值。

1.4 定量测试

将 AGM 隔膜裁切成 100 mm×100 mm 的试样，在 105 ℃ ± 2 ℃ 下干燥 2 h，然后置于干燥器内冷却至室温称量试样质量，用厚度仪测量试样厚度，按照定量计算公式 G = m/(l•b•d)，求得定量。式中，G 为试样定量；m 为试样质量；l 为试样长度；b 为试样宽度；d 为试样厚度。

1.5 孔率测试

将 AGM 隔膜裁切成直径 50 mm 的圆形试样，按照标准 GB/T 28535—2012《铅酸蓄电池隔板》用电子式隔板孔率仪进行测试，LED 显示数据即为试样孔率。

1.6 孔径测试

将 AGM 隔膜裁切成直径 50 mm 的圆形试样，浸入异丙醇中 10 min，按照标准 GB/T 28535—2018《铅酸蓄电池隔板》用隔板最大孔径仪进行测试，仪器上显示数字即为孔径测试结果。

1.7 原料叩解度的测试

准确称取（2.00±0.05）g 样品，放入纤维标准解离器中，并将转数设定为 6000 r/min，加（20± 2）℃ 的水 1000 mL，开启解离器分散纤维成浆料，然后补水至 1000 mL，把浆料倒入叩解度仪滤水筒，按下手柄，使浆料通过滤网，流入量筒，读出对应的叩解度值。

1.8 透气度测试

将 AGM 隔膜裁切成 100 mm × 100 mm 的试样，开启透气度仪，调节测试压力为 30 ± 0.1 mbar，将试样放置在透气度仪检测口处，检测口阀门打开，启动测试，静等 20 s，读取测试数据。

2 结果与讨论

2.1 透气度与厚度的关系

如图 1 所示，随着厚度的增加，AGM 隔膜的透气度逐渐减小，即 AGM 隔膜的透气度与其厚度有关，并且趋势非常明显。主要的原因是，在孔隙率等其他指标相同的情况下，厚度越大，空气透过隔膜时所通过的距离更长，所以透气度变小。

图1 透气度随厚度的变化

2.2 透气度与定量的关系

如图 2 所示，随着定量的增大，AGM 隔膜的透气度逐渐减小。在厚度相同的情况下，隔膜的定量越高，紧度就越高，孔隙率也随之降低，孔径变小，所以透气度就会降低。因此，随着定量的增大，隔膜的孔隙结构变得更复杂，透气性能变差，检测到的透气度就越小。

图2 透气度随定量的变化

2.3 透气度与孔率的关系

如图 3 所示，随着孔率的增大，AGM 隔膜的透气度也逐渐增大，在厚度、定量相同的情况下，孔率越高，气体通过的通道越多，透气度也会相应变大。因此随着孔率的增大，透气性能变好，所检测到的透气度也就越大。

图3 透气度随孔率的变化

2.4 透气度与孔径的关系

如图 4 所示，随着孔径的增大，AGM 隔膜的透气度逐渐增大。在厚度、定量相同的情况下，孔径越大，允许气体通过的量相应变大，透气度也会变大。因此随着孔径的增大，隔膜的孔隙变大，透气能力变强，所检测到的透气度也就越大。

图4 透气度随孔径的变化

2.5 原料叩解度对透气度的影响

AGM 隔膜完全或主要由玻璃纤维组成。所选用的玻璃纤维是硼硅酸盐通过火焰吹拉工艺或离心工艺制成的直径在 0.25～4μm，长度在 1 mm 左右的纤维。目前采用叩解度来反映平均纤维直径[7-8]。如图 5 所示，由不同叩解度的原料所生产隔膜的纤维直径不同，所以孔的大小与数量也会有所不同。叩解度越大，纤维直径越小，透气度越差[9]。

图5 透气度随叩解度的变化

2.6 生产过程控制

通过对影响 AGM 隔膜透气度各因素的分析，生产过程中原料配比、生产浓度、疏解时间、真空压力、pH 值等相关参数对透气度也有显著影响。

2.6.1 原料配比

通过不同叩解度的粗细纤维配比，能得到不同孔率、孔径的隔膜。使用较多的细纤维可以增加孔的数量同时会降低孔径的大小，从而影响透气性能，因此生产中要特别注意粗细纤维的搭配使用。

2.6.2 生产浓度

生产浓度越低，浆料在成型段更容易成型脱水，纤维结合会更加紧密，定量也会相应增加，孔径变小，透气性能变差。

2.6.3 疏解时间

疏解时间直接影响纤维的分散效果。不同疏解时间，纤维分散的程度不同。疏解时间过长，纤维被切断损伤严重，纤维过粉，破坏了纤维结合后隔膜的内部结构，透气性能变差。疏解时间过短，纤维未完全分散，相互结合差，透气度性能好。

2.6.4 真空压力

脱水真空主要是改善隔膜成型脱水的效果。较高的真空压力会使纤维快速成型，使纤维结合致密，提高隔膜定量、强度、回弹性能，同时也会影响透气性。真空压力越高，隔膜的透气性能越差[10]。

3 结论

（1）在孔隙率等其他指标相同的情况下，AGM 隔膜厚度越大，空气透过隔膜时所通过的距离会更长，所以透气度变小。

（2）定量越高的 AGM 隔膜，其紧度则越高，孔隙结构变得更复杂，透气性能变差。

（3）在 AGM 隔膜厚度、定量相同的情况下，孔率越高，气体通过的通道越多，透气度也会相应变大。

（4）随着孔径的增大，AGM 隔膜的透气度逐渐增大。在厚度、定量相同的情况下，孔径越大，允许气体通过的量也会相应变大，透气度变大。

（5）原料的叩解度不同，隔膜中孔的大小与数量也会有所不同。随着叩解度的增加，隔膜透气度变小。

（6）生产过程中原料配比、生产浓度、疏解时间、真空压力、pH 值等相关参数对 AGM 隔膜透气度也会有显著影响。