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提高电动车用铅酸蓄电池循环寿命的探讨作者:杨竞摘要：简要介绍了影响小型电动车用铅酸蓄电池循环寿命的主要因素，探讨了提高电池深循环性能延长使用寿命采取的主要技术措施，如板栅合金的组合，和膏，固化工艺参数的控制，负极有机添加剂的选择以及正负极板的配组方式等，通过改进，取得了较为满意的效果。关键词：板栅合金、和膏及固化工艺、负极添加剂、正负极板组合1、前言电动车作为一种绿色的交通工具，已经在近几年形成了新兴的产业。以高尔夫球车，观光游览车，仓库堆高车等为代表的小型电动车辆的发展迅速，与之配套的电动车用铅酸蓄电池的保有量及市场需求量也在不断扩大，因此倍受业内同行的关注。电池是电动车辆的关键部件，由于车辆放置电池的空间有限，对电池的比能要求较高，所以小型电动车辆使用的蓄电池通常采用涂膏式正负极板设计。这类电池的代表性产品是额定电压为：6V，额定容量为：170—210Ah（5h率）的高尔夫球车电池。（以下简称动力型电池）这种电池的关键指标是深循环放电寿命，在80%DOD条件下循环次数应≥400次，以保证电池的实际使用寿命达到1.5年—2年以上。本文介绍了影响动力型电池寿命的主要因素，探讨了提高其深循环性能及寿命的主要措施。2、影响动力型电池寿命的主要因素2.1正极板栅的腐蚀变形电池在长时间的深充放电循环下，由于正极板栅遭受腐蚀，板栅尺寸线性增大，筋条及边框发生伸长变形甚至断裂而造成短路。解剖寿命终止的电池可以看到，由于极板两侧拉伸变形甚至出现不规则的断裂穿透隔板，极板上部膨胀到汇流排而造成电池单体短路的现象。理论与实践证明板栅的腐蚀与变形是导致深循环电池寿命缩短的重要原因之一，因此动力型电池的板栅合金在电化学性能上要有较小的腐蚀速率和非晶间腐蚀，而且在机械力学性能上应具有适当的硬度，强度和抗蠕变性。2.2正极活性物质的软化脱落在充放电循环过程中，PbO2与PbSO4相互转化，活性物质的体积将发生变化，而且随着循环次数的增加而加大变化量。在生极板中4BS对极板活性物质的强度起着重要作用，和膏及固化工艺控制不当，4BS的含量低于60%，极板活物质强度差，易软化脱落，降低了电池的使用寿命。2.3负极添加剂的析出在快速充电及过充电状态下，电池温度达到60℃以上，负极板在高温的电解液中，由于有机膨胀剂的可溶性，使其过早的从负极中析出，在电池注液口中可明显的观察到电解液发红的现象，有机添加剂的损失使电池的负极性能劣化。3、提高循环寿命的探讨3.1板栅合金的选择关于深循环电池用板栅合金的选择已有许多文献报导，主要的组合方式由表一所示。表一正负板栅合金的组合方式作为动力型电池的板栅材料，以上三种组合的板栅合金，其循环寿命的优劣倾向为CBA。一般认为采用A类组合的Pb-Ca正板栅，活性物质界面将出现腐蚀层纯化的大电阻绝缘性膜层，为防止纯化的产生，一般采用添加Sn的方法，即高Sn低Ca合金，这种合金用于阀控密封贫液式电池的正板栅较为合适，其水损耗最低，检测数据为1.5—2.5g/Ah，但Pb-Ca合金的机械强度，抗蠕变性能，深充放电性能（无锑效应的存在）仍低于Pb-Sb合金，由于小型电动车电池采用富液式设计，可以定期补水维护，因此应采用Pb-Sb多元合金，以选用B类组合的合金最优，即能有效地提高深循环性能又能达到失水量相对减少的目的，合金的组份为：正板栅合金：Pb+Sb(1.8-2%)+As(0.1-0.2)+Sn(0.2-0.5)+Se(0.02-0.04)+Cu(0.03-0.04)，负板栅合金：Pb+Ca(0.06-0.1)+Ai(0.02-0.04%)。另椐有关文献介绍Pb-Sb合金含有一定量的Cu，对合金晶粒大小及组成有着重要的影响，若将这种合金在一定的温度下进行时效处理，可得到无晶粒碎块的再结晶晶粒，这种晶粒组织结构对减少蠕变速率更为有利。经过多次试验得出结果，选择将Pb-Sb六元合金正板栅在温度80±5℃的环境中热处理10—12小时然后在室温状态下自然时效3—5天，对改善正板栅的变形及裂纹，提高电池寿命有明显的效果。3.2和膏及固化工艺的控制和膏的温度控制以及生极板的固化条件对深循环电池的寿命有着十分重要的作用，必须给予足够的重视。众所周知，生极板的主要成份是3BS及4BS。3BS含量高，具有较细的骨架结构，化成后活物质中βPbO2的含量高，电池的初期容量好，但活性物质的强度较差。而4BS具有粗骨架的结构，化成后转化为αPbO2，具有较高的强度，起到“混凝土中钢筋”的作用。通过工艺控制提高4BS的含量，有利于增强正极板的强度延长使用寿命。理论分析及实践都证明，在正铅膏配方及含酸量不变的条件下,和膏的温度对铅膏的结构有着重要的影响，在最高温度80℃条件下制备正极铅膏，主要由4BS构成，而和膏最高温度小于65℃时主要由3BS构成，在65℃—85℃的温度区间，以最高温度分别控制在65℃，70℃，75℃，80℃，85℃分为五组制备铅膏，通过和膏系统的自动加酸装置控制加酸速度来调整温度，按同样的工艺涂片，经表面快速干燥后进行固化。因和制正铅膏所用的是巴顿铅粉，因此必须在高温高湿条件下固化，才能获得满意的质量。根据巴顿铅粉的特点以及原有的固化工艺,确定将固化温度控制在72℃—78℃，湿度≥95%，采用多阶段的温湿度控制方式，将试验极板同时进行固化，经化成、干燥后，将五组极板每组组装2只6V190Ah（5h率）高尔夫球车电池，按照日本工业标准SBAS0802-1996小型电动车用铅酸蓄电池试验方法进行容量及寿命试验，测试数据见表二（每组数据均为2只电池测试数据的平均值）表二不同温度和膏相应组装电池的试验数据从表二可见，将和膏最高温度控制在75℃—80℃范围内，可得到较好的容量及循环寿命。3.3负极膨胀剂的选择据多种文献介绍，用于深循环放电蓄电池的负极有机添加剂，不适合单独使用木素。木素，木素+腐植酸，腐植酸三种有机膨胀剂在深循环电池负极板中稳定性的排序是腐植酸木素+腐植酸腐植酸。使用腐植酸或木素+腐植酸取代单独使用木素，具有较好的充电接受性能及深循环寿命，但需要注意的是添加量应略低于汽车电池负极有机膨胀剂，以避免深循环使用状态下负极板活性物质的过度膨胀。同时还应适当增加负极无机添加剂碳黑及硫酸钡的含量，一般以1.2—1.5倍的量加入，可有效的提高深循电池的性能。3.4有关电池设计方面的改进3.4.1采用正片多于负片的设计动力型电池一般是在中、低倍率放电状态下运行，主要受正极板控制。解剖寿命试验结束后的电池发现，大部份是正板栅腐蚀变形活物质软化脱落造成内部短路，而负极板正常。从电池设计方面加以改进的一种措施是，改变传统的负片多于正片的极群配组方式，采用正片多于负片的组合。由于正极板片数的增加，相对的表面积增大，在相同的充放电条件下，正极板单位面积的承载电流减少，降低了正极板的腐蚀和变形量。以6V190Ah（5h率）高尔夫球车电池为例，将原来单体的+9，-10改为+10，-9设计，即正片包负片组装电池，经性能检测比负片包正片组装方式性能有明显提高，5小时率容量增加了3—5%，循环寿命提高了13%以上，材料消耗仅增加了1.2%。3.4.2极板外形尺寸的改进动力型电池一般选用PE+玻纤或塑胶+玻纤复合的袋式隔板，装配用包封正极板紧装配方式，能有效地防止因电动车辆颠簸振动极板活物质脱落造成电池底部的短路。但极群两侧面的短路现象仍然较多，主要是由于正极板膨胀变形穿破PE隔板两侧与负极板发生短路。解决的方法是采用正负极板不等宽设计。即正极板外形尺寸保持不变，负极板宽度尺寸减少4—5mm，其他尺寸不变，使组装单体的正负极板在每侧边都保持一定的距离，即使隔板两侧边开裂，也能有效的防止极群侧边的短路故障。经过改进组装的6V190Ah（5h率）的检验数据见表三。4、结论4.1采用正极Pb-Sb负极Pb-Ca的复合合金板栅，经过适当的热处理，有利于提高富液式小型动力型电池的深循环寿命，并能达到少维护的性能。4.2高温和膏及高温高湿固化工艺，能够显著提高正极板的强度，虽然电池的初期容量低，但循环寿命明显延长。4.3采用高纯度腐植酸及木素+腐植酸的负极有机添加剂，对于深循环放电更为有利。4.4正片多于负片的组装方式及极板外形尺寸的改进，可有效的提高电池的性能，降低故障率。参考文献：1、朱松然，蓄电池手册，天津大学出版社，1998年2、陈体衡，阀控式铅酸蓄电池正极寿命影响因素，蓄电池，1996.(01).33、柳厚田，提高铅酸蓄电池生产和性能的对策，阀控密封铅蓄电池技术改进班讲义4、李松瑞，铅及铅合金，中南工业大学出版社，1996年