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低溫閥控式密封鉛酸蓄電池的研究
  • 從有利于電池低溫放電性能的各個方面入手,在電池容量、重量等其他性能指標滿足要求的同時,盡量提高電池-40℃低溫放電性能,延長電池使用壽命。本文研究的產品主要用于軍用車輛、極端低溫環境等領域的閥控式鉛酸蓄電池,采用了發明專利CN201310160804.3技術,電池在-40℃低溫5小時率容量達到常溫容量的50%以上,優于30%行業指標要求。

    閥控式密封鉛酸蓄電池作為主電源或備用電源廣泛用于潛艇、坦克、計算機、通訊、太陽能電池等,在一些特殊使用領域或使用地區,對電池的低溫性能提出了更高的要求。比如低溫容量要求,-40℃低溫5小時率(終止電壓10.2V)容量不低于常溫容量的30%。而采用普通的鉛膏配方,-40℃低溫容量會降到常溫的30%左右,這樣產品合格率非常低。其原因有溫度降低時電解液粘度增加,滲透能力減弱;電池內阻增大,內部電壓降增大。在這些因素作用下,電池放電容量減少。另外,在低溫環境條件使用,普通的閥控式鉛酸蓄電池負極活性物質隨溫度下降,充電接受能力迅速降低,會進一步降低電池的放電性能,導致電池的性能滿足不了低溫使用要求。
      
      本文從利于電池低溫放電性能的各個方面入手,在電池容量、重量等其他性能指標滿足要求的同時,盡量提高電池-40℃低溫放電性能,延長電池使用壽命。
      
      1 溫度對鉛酸蓄電池的影響
      
      (1)蓄電池實際容量
      
      溫度對鉛酸蓄電池的容量影響較大,隨著溫度的降低容量減少。
      
      蓄電池的額定容量通常是在25℃環境溫度下以及在指定的放電率情況下規定的。電池的最佳工作溫度是25℃,當電池放電工作溫度不是25℃時,由于電化學的作用,實際容量應按式(1)換算成25℃基準溫度時的容量
      
      式中:Ct為實測容量(Ah);
      
      Ce為環境溫度在25℃時的標稱容量(Ah);
      
      T為實際環境溫度(℃);
      
      K為容量的溫度系數,10小時率容量實驗時
      
      K=0.006/℃、3小時率容量實驗時K=0.008/℃、1小時率容量實驗時K=0.01/℃。從式(1)中可以看出,當環境溫度高于25℃時,蓄電池的實際釋放容量Ct大于設計額定容量Ce;而環境溫度低于25℃時,它的實際可釋放容量Ct低于設計額定容量Ce。從溫度系數K的取值還可看出,放電率越大,溫度對容量的影響也越大[1]。
      
      (2)溫度與電池電解液性能的關系
      
      電池容量隨溫度降低而減少,這與溫度對電解液粘度和內阻有嚴重影響密切相關。電解液溫度高時,擴散速度增加、內阻降低,其電動勢也略有增加。因此,鉛酸蓄電池的容量及活性物質利用率隨溫度增加而增加。電解液溫度降低時,其粘度增大,離子運動受到較大阻力,擴散能力降低。在低溫下電解液的電阻增大,電化學反應阻力增加,結果導致電池容量下降。
      
      (3)低溫對鉛酸蓄電池極板的影響
      
      在低溫工作條件下,負極板上的海綿狀鉛極易變成小尺寸的晶粒,容易使小孔被凍結和堵塞,從而大大降低活性物質的利用率。假若在低溫惡劣情況下大電流放電使用,負極活性物質中的小孔將會被阻塞得更嚴重,海綿狀鉛可能變為致密的PbSO4,使得電池可放出的電量大大降低。對于正極板來說,其溫度系數為負值,因而在低溫下具有較高的電極電勢。從而在低溫情況下正極放電速率遠大于負極放電速率。這樣,在負極生成PbSO4層前,正極PbO2轉化為PbSO4的過程已經結束,所以正極板在低溫下不生成致密的PbSO4晶粒。所以,溫度過低將會導致閥控式密封鉛酸蓄電池的容量下降[2]。
      
      2 低溫電池的開發
      
      (1)低溫電池的開發方案
      
      從有利于電池低溫放電性能的各個方面入手,在電池容量、重量等其他性能指標滿足要求的同時,盡量提高電池在-40℃低溫時的放電性能,延長電池使用壽命。具體方案如下:
      
      ①從正極板入手,調整Pb-Ca-Sn-Al合金成分,增加Sn含量到1.2%~1.5%,以增加板柵機械強度和耐腐蝕性。在合金中添加0.1%Ag,可以增加板柵耐蠕變能力,有利于改善電池的深循環放電循環性能。采用放射性板柵結構,將極耳向極板的中部移動,減薄極板厚度,增加極板片數,改善電池大電流放電能力。
      
      ②為了延長電池壽命、提高低溫大電流放電能力,采用高密度鉛膏配方,在鉛膏中適量添加導電劑。采用較大的裝配壓、內化成的方法,進一步提高電池使用壽命。正極板中導電添加劑的加入,可以使極板電阻降低,電池低溫放電性能顯著提高;提高了正極活性物質的轉換效率,正極板更容易化透;保證了正極板的高孔率,更利于酸液向極板內部擴散,提高了活性物質利用率;
      
      ③負極鉛膏中提高木素、腐植酸的添加比例,更有效避免了硫酸鉛鈍化層的形成,提高了電池低溫放電容量;
      
      ④負極鉛膏中活性炭的加入,保證了負極板的高孔率,更利于酸液向極板內部擴散,提高了活性物質利用率;
      
      ⑤極群中增加正負極板片數,提高了極板真實表面積,保證了電池有較高的放電容量;
      
      ⑥選用高孔率、低內阻的AGM優質隔板,提高電解質中離子良好通過性,從而保證電池良好低溫性能;
      
      ⑦選用高純度、高固含量納米硅溶膠和內含Na2SO4添加劑稀H2SO4的混合膠體電解質,使得電解質成膠均勻、無分層,提高了電池過放電后充電能力,保證了電池使用壽命。
      
      (2)低溫電池主要技術指標主要技術指標見表1。
      
      (3)低溫電池與普通電池的性能對比低溫配方與普通配方制作的12V100Ah電池性能對比如圖1所示。
      
      該圖為本發明超低溫正負極活性物質配方制作的電池與常規電池在-40℃條件下的放電曲線對比圖。
      
      通過檢測,采用本發明超低溫正負極活性物質配方制作的電池,超低溫條件下(-40℃),放電容量達到額定容量的50%以上[3]。
      
      (4)與其他廠家產品的性能對比本發明電池與不同廠家電池測試結果的對比見表2。
      
      3 結束語
      
      通過采用更改設計方案和采用低溫配方,低溫閥控式鉛酸蓄電池可實現在超低溫條件下(-40℃),放電容量達到額定容量的50%以上。
      
      參考文獻
      
      [1]朱松然.蓄電池手冊[M].天津:天津出版社,1998.
      
      [2]張海林等.環境溫度對閥控密封鉛酸蓄電池的影響及應對措施.電力系統通信,2007,V28,No178:44-46.
      
      [3]胡水華等.閥控式鉛酸蓄電池:CN201310160804.3
      
      作者簡介
      
      張曉明,2005年畢業于鄭州大學,獲得物理化學電化學方向碩士學位。從事化學鍍行業6年,2011年至今就職于武漢長光電源有限公司,從事鉛酸蓄電池研究工作。
      
      編輯:Harris
      
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