Separatore AGM e reazione di trasferimento tra piastre positive e negative

Struttura e funzione dei divisori

I divisori AGM utilizzati da VRLA hanno le seguenti funzioni aggiuntive:

Assorbono l'elettrolita (la terza sostanza attiva della batteria) in modo che non scorra. Fornisce un foro di trasferimento del gas relativamente grande per la diffusione dell'ossigeno e quindi facilita il funzionamento del COC.

È garantita un'elevata conduttività ionica. Fornire un canale di trasporto per la corrente ionica, in modo che possa essere trasmessa tra i due tipi di piastre, in modo che la reazione REDOX possa essere effettuata rapidamente.

Limitare l'espansione del volume del PAM, mantenere la pressione del gruppo polare e ridurre al minimo l'effetto di pulsazione del materiale attivo positivo durante il ciclo.

Vengono presentate le immagini al microscopio elettronico a scansione (SEM) dei campioni di separatore AGM. Come si può vedere dalla figura, il separatore AGM è composto da fibre di vetro borosilicato chimicamente classificate, che hanno una lunghezza da 1 a 2 mm e uno spessore variabile (da 0,1 a 10 μm di diametro). Il rapporto tra le diverse fibre determina l'equilibrio tra le diverse funzioni del separatore e il prezzo del separatore. Queste fibre sono idrofile e assorbono l'elettrolita. Le fibre più fini nel separatore (cioè quelle con diametri più piccoli) hanno un'area superficiale maggiore e formano micropori con diametri interni più piccoli, ma sono più costose. Le pareti divisorie AGM contengono anche il 15-18% di PP, PE e altre fibre polimeriche, che migliorano la resistenza meccanica della parete divisoria e promuovono la formazione di canali di gas (perché questi materiali sono parzialmente idrofobici), ma riducono anche il prezzo della parete divisoria. Il processo produttivo del separatore AGM è simile a quello del processo di fabbricazione della carta, rendendolo una struttura anisotropa. La sua caratteristica strutturale è che la dimensione dei pori del piano xy della partizione è di 2-4 μm, mentre la dimensione dei pori perpendicolari al piano xy è di 10-30 μm[27]. La funzione dei fori del piano Xy è quella di distribuire l'elettrolita nella direzione dello spessore del separatore e mantenere il tasso di assorbimento del nucleo quando il separatore è parzialmente riempito di elettrolita. Grandi fori formano canali di gas aperti.

Trasmissione del gas attraverso il separatore AGM

Dopo che l'ossigeno è precipitato dalla piastra positiva, viene trasferito alla piastra negativa, quindi sulla piastra negativa avviene la reazione di riduzione. L'intero processo di trasmissione dell'ossigeno passa attraverso le seguenti fasi.

Innanzitutto, l'ossigeno forma minuscole bolle nei micropori del PAM pieni di elettrolita. Queste minuscole bolle poi si uniscono gradualmente in bolle discrete, che sostituiscono gradualmente l'elettrolita nei micropori della piastra verso il separatore. Una piccola parte dell'ossigeno presente nelle bolle che raggiungono la superficie della piastra viene disciolta nell'elettrolita, mentre la maggior parte dell'ossigeno gassoso rimane sotto forma di bolle all'interfaccia piastra/separatore. Il separatore AGM è una struttura non uniforme, quindi l'ossigeno si accumula in aree con bassa densità di fibre sulla superficie AGM (struttura allentata) o in alcune aree libere tra la piastra e il separatore (elettrodo tubolare/AGM).

Applicando pressione al gruppo polare è possibile avvicinare il contatto tra la superficie della fibra di vetro e la superficie della piastra, favorendo la penetrazione dell'ossigeno nel separatore. Esistono due possibili meccanismi di reazione:

1. Quando la pressione del gruppo polare è bassa, il volume di gas accumulato sull'interfaccia piastra/separatore AGM aumenta. Sotto l'influenza della gravità, il flusso d'aria aumenterà verticalmente. L'elettrolita è due volte più denso del gas, spingendo il gas verso l'alto nello spazio superiore del gruppo polare. In questo modo l'ossigeno lascerà il gruppo polare. La portata verticale del gas dipende dalla corrente che passa attraverso la batteria, dalla temperatura dell'elettrolito e dallo stato della batteria (ad esempio una batteria nuova o una batteria utilizzata da molto tempo).

2. Quando la pressione del gruppo polare è elevata, il deflettore preme saldamente la piastra e le bolle entrano nel deflettore. Le bolle si muovono orizzontalmente, cercando di aumentare il canale del gas nella partizione. La densità della struttura del materiale in fibra di vetro non è uniforme e le bolle entrano nelle parti con bassa densità di fibre. Le bolle si muovono non solo in modo casuale, ma anche parallelamente e in direzione perpendicolare alla superficie del separatore. Tuttavia, il flusso d'aria si muove principalmente attraverso il separatore AGM verso la piastra negativa con la pressione del gas minore e il gradiente di pressione spinge l'ossigeno in questa direzione. Sotto l'azione della pressione, il gas sostituisce l'elettrolita nei micropori del diaframma e forma così un canale del gas. Quando si forma un canale di gas continuo, il movimento dell'ossigeno tra la piastra positiva e quella negativa viene accelerato.

Durante la produzione delle partizioni AGM per batterie VRLA, lo spessore delle partizioni viene misurato ad una pressione standard di 10 kPa. Per aumentare il contatto tra piastra e separatore, il gruppo polare (la materia attiva) viene compresso, riducendo lo spessore del separatore di circa il 25%. Il gruppo polare della batteria stazionaria alta viene fissato con una benda di plastica prima del caricamento nel serbatoio della batteria per mantenere la pressione del gruppo polare.

In sintesi, il separatore AGM è dotato di più funzioni, essenziali per la batteria AGM, nientemeno che la piastra positiva e la piastra negativa. Il gruppo polare mantiene una certa pressione, oltre a garantire la trasmissione dell'ossigeno, è più importante garantire la conduttività del separatore. Maggiori informazioni su questo nei tweet successivi.