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Struttura e funzione dei separatori AGM
26 Jan 2024
Il distanziatore AGM utilizzato nella VRLA ha le seguenti funzioni aggiuntive:

-Assorbe l'elettrolita (la terza sostanza attiva della batteria) in modo che non scorra. Fornire fori di trasmissione del gas relativamente grandi per la diffusione dell'ossigeno e di conseguenza facilitare il funzionamento del COC.

-Garantisce un'elevata conduttività ionica. Fornisce canali di trasporto affinché i flussi ionici viaggino tra i due tipi di piastre polari, consentendo alle reazioni redox di procedere rapidamente.

-Limita l'espansione del volume PAM e mantiene la pressione del gruppo polare, riducendo al minimo gli effetti della pulsazione del materiale attivo positivo durante il ciclo.

La figura illustra un'immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM) del campione di spaziatore AGM.
Come si può vedere dalla figura, il distanziatore AGM è costituito da fibre di vetro borosilicato di grado chimico di 1-2 mm di lunghezza e di spessore variabile (0,1-10 μm di diametro). Il rapporto tra le diverse fibre determina l'equilibrio tra le diverse funzioni del distanziatore e il prezzo del distanziatore. Queste fibre sono idrofile e assorbono l'elettrolita. Le fibre più fini (cioè fibre con diametri più piccoli) nella paratia hanno una superficie maggiore e formano micropori con diametri interni più piccoli, ma sono più costose. Le paratie AGM contengono anche il 15-18% di fibre polimeriche come PP, PE, ecc., che aumentano la resistenza meccanica delle paratie e favoriscono la formazione di canali del gas (poiché questi materiali sono parzialmente idrofobici), il che riduce anche il prezzo delle paratie. Il processo di produzione delle paratie AGM è simile a quello della fabbricazione della carta. Il processo è simile a quello della fabbricazione della carta, rendendola una struttura anisotropa. La struttura è caratterizzata da una dimensione dei pori di 2-4 μm nel piano xy dello spaziatore e da micropori perpendicolari al piano xy con una dimensione di 10-30 μm [27]. I piccoli pori nel piano xy servono a distribuire l'elettrolita nella direzione dello spessore del distanziatore e a mantenere la sua velocità di assorbimento del nucleo quando il distanziatore è parzialmente riempito di elettrolita. I grandi pori, invece, formano canali di gas aperti.



14.2.4.2 Trasporto del gas attraverso il separatore AGM

Dopo essere stato precipitato dalla piastra positiva, l'ossigeno viene trasportato alla piastra negativa, dove subisce una reazione di riduzione. L'intero processo di trasferimento dell'ossigeno passa attraverso le fasi seguenti.

Innanzitutto, l'ossigeno forma minuscole bolle nei micropori del PAM pieni di elettrolita. Successivamente, queste minuscole bolle si fondono gradualmente in bolle discrete, che sostituiscono gradualmente l'elettrolita nei micropori della piastra polare verso la paratia. Una piccola porzione dell'ossigeno contenuto nelle bolle che raggiungono la superficie della piastra polare viene disciolta nell'elettrolita, mentre la maggior parte dell'ossigeno gassoso rimane sotto forma di bolle nell'interfaccia piastra polare/distanziatore. Il distanziatore AGM è un materiale non omogeneo struttura, e quindi l'ossigeno si accumula nelle parti della superficie AGM dove la densità delle fibre è bassa (struttura allentata) o in alcuni dei posti vacanti tra la piastra polare e il distanziatore (elettrodo tubolare/AGM).

L'applicazione di pressione sull'ammasso polare può portare la superficie della fibra di vetro a stretto contatto con la superficie della piastra polare e favorire la penetrazione dell'ossigeno nel distanziatore. Esistono due possibili meccanismi di reazione:

1. Quando la pressione del gruppo polare è bassa, il volume di gas che si accumula sull'interfaccia piastra polare/distanziatore AGM aumenta. Il flusso di gas aumenterà verticalmente sotto l'effetto della gravità. La densità dell'elettrolita è due volte più alta della densità del gas, spingendo il gas verso l'alto nello spazio superiore dell'ammasso polare. In questo modo l'ossigeno lascerà il gruppo polare. La portata verticale del gas dipende dalla corrente che attraversa la batteria, dalla temperatura dell'elettrolito e dallo stato di utilizzo della batteria (es. batteria nuova o batteria a lunga durata).
2. Quando la pressione nel gruppo polare è elevata, il setto preme saldamente contro le piastre polari e le bolle di gas entrano nel setto. Le bolle di gas si muovono orizzontalmente e cercano di allargare i canali del gas nel separatore. La densità della struttura del materiale in fibra di vetro non è uniforme e le bolle entrano nelle parti a densità inferiore delle fibre. Le bolle di gas si muovono non solo in modo casuale ma anche parallelo lungo la superficie del distanziatore e in una direzione perpendicolare alla superficie del distanziatore. Tuttavia, il flusso di gas si muove principalmente attraverso la paratia AGM verso la piastra negativa dove la pressione del gas è più bassa e il gradiente di pressione spinge l'ossigeno in questa direzione. Sotto pressione, il gas sostituisce l'elettrolita nei micropori del distanziatore e di conseguenza si formano canali del gas. Quando si formano canali di gas continui, il movimento dell'ossigeno tra le piastre positiva e negativa viene accelerato.

Durante la produzione dei separatori AGM per batterie VRLA, lo spessore del separatore è misurato ad una pressione standard di 10 kPa. Per aumentare il contatto tra le piastre e il distanziatore, il gruppo polare (corpo attivo) viene compresso, riducendo così lo spessore del distanziatore di circa il 25%. Il gruppo polare della batteria stazionaria di tipo alto è stato stretto utilizzando una benda di plastica prima di essere caricato nello slot della batteria, mantenendo così la pressione del gruppo polare.

In sintesi, ai separatori AGM vengono assegnate più funzioni critiche per le batterie AGM, non meno delle piastre positive e negative. Oltre a consentire il trasferimento dell'ossigeno, è più importante mantenere un certo livello di pressione nel gruppo polare per garantire che il distanziatore sia elettricamente conduttivo. Ciò è ulteriormente descritto in un tweet successivo.
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