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低温阀控式密封铅酸蓄电池的研究
  • 从有利于电池低温放电性能的各个方面入手,在电池容量、重量等其他性能指标满足要求的同时,尽量提高电池-40℃低温放电性能,延长电池使用寿命。本文研究的产品主要用于军用车辆、极端低温环境等领域的阀控式铅酸蓄电池,采用了发明专利CN201310160804.3技术,电池在-40℃低温5小时率容量达到常温容量的50%以上,优于30%行业指标要求。

    阀控式密封铅酸蓄电池作为主电源或备用电源广泛用于潜艇、坦克、计算机、通讯、太阳能电池等,在一些特殊使用领域或使用地区,对电池的低温性能提出了更高的要求。比如低温容量要求,-40℃低温5小时率(终止电压10.2V)容量不低于常温容量的30%。而采用普通的铅膏配方,-40℃低温容量会降到常温的30%左右,这样产品合格率非常低。其原因有温度降低时电解液粘度增加,渗透能力减弱;电池内阻增大,内部电压降增大。在这些因素作用下,电池放电容量减少。另外,在低温环境条件使用,普通的阀控式铅酸蓄电池负极活性物质随温度下降,充电接受能力迅速降低,会进一步降低电池的放电性能,导致电池的性能满足不了低温使用要求。
      
      本文从利于电池低温放电性能的各个方面入手,在电池容量、重量等其他性能指标满足要求的同时,尽量提高电池-40℃低温放电性能,延长电池使用寿命。
      
      1 温度对铅酸蓄电池的影响
      
      (1)蓄电池实际容量
      
      温度对铅酸蓄电池的容量影响较大,随着温度的降低容量减少。
      
      蓄电池的额定容量通常是在25℃环境温度下以及在指定的放电率情况下规定的。电池的最佳工作温度是25℃,当电池放电工作温度不是25℃时,由于电化学的作用,实际容量应按式(1)换算成25℃基准温度时的容量
      
      式中:Ct为实测容量(Ah);
      
      Ce为环境温度在25℃时的标称容量(Ah);
      
      T为实际环境温度(℃);
      
      K为容量的温度系数,10小时率容量实验时
      
      K=0.006/℃、3小时率容量实验时K=0.008/℃、1小时率容量实验时K=0.01/℃。从式(1)中可以看出,当环境温度高于25℃时,蓄电池的实际释放容量Ct大于设计额定容量Ce;而环境温度低于25℃时,它的实际可释放容量Ct低于设计额定容量Ce。从温度系数K的取值还可看出,放电率越大,温度对容量的影响也越大[1]。
      
      (2)温度与电池电解液性能的关系
      
      电池容量随温度降低而减少,这与温度对电解液粘度和内阻有严重影响密切相关。电解液温度高时,扩散速度增加、内阻降低,其电动势也略有增加。因此,铅酸蓄电池的容量及活性物质利用率随温度增加而增加。电解液温度降低时,其粘度增大,离子运动受到较大阻力,扩散能力降低。在低温下电解液的电阻增大,电化学反应阻力增加,结果导致电池容量下降。
      
      (3)低温对铅酸蓄电池极板的影响
      
      在低温工作条件下,负极板上的海绵状铅极易变成小尺寸的晶粒,容易使小孔被冻结和堵塞,从而大大降低活性物质的利用率。假若在低温恶劣情况下大电流放电使用,负极活性物质中的小孔将会被阻塞得更严重,海绵状铅可能变为致密的PbSO4,使得电池可放出的电量大大降低。对于正极板来说,其温度系数为负值,因而在低温下具有较高的电极电势。从而在低温情况下正极放电速率远大于负极放电速率。这样,在负极生成PbSO4层前,正极PbO2转化为PbSO4的过程已经结束,所以正极板在低温下不生成致密的PbSO4晶粒。所以,温度过低将会导致阀控式密封铅酸蓄电池的容量下降[2]。
      
      2 低温电池的开发
      
      (1)低温电池的开发方案
      
      从有利于电池低温放电性能的各个方面入手,在电池容量、重量等其他性能指标满足要求的同时,尽量提高电池在-40℃低温时的放电性能,延长电池使用寿命。具体方案如下:
      
      ①从正极板入手,调整Pb-Ca-Sn-Al合金成分,增加Sn含量到1.2%~1.5%,以增加板栅机械强度和耐腐蚀性。在合金中添加0.1%Ag,可以增加板栅耐蠕变能力,有利于改善电池的深循环放电循环性能。采用放射性板栅结构,将极耳向极板的中部移动,减薄极板厚度,增加极板片数,改善电池大电流放电能力。
      
      ②为了延长电池寿命、提高低温大电流放电能力,采用高密度铅膏配方,在铅膏中适量添加导电剂。采用较大的装配压、内化成的方法,进一步提高电池使用寿命。正极板中导电添加剂的加入,可以使极板电阻降低,电池低温放电性能显著提高;提高了正极活性物质的转换效率,正极板更容易化透;保证了正极板的高孔率,更利于酸液向极板内部扩散,提高了活性物质利用率;
      
      ③负极铅膏中提高木素、腐植酸的添加比例,更有效避免了硫酸铅钝化层的形成,提高了电池低温放电容量;
      
      ④负极铅膏中活性炭的加入,保证了负极板的高孔率,更利于酸液向极板内部扩散,提高了活性物质利用率;
      
      ⑤极群中增加正负极板片数,提高了极板真实表面积,保证了电池有较高的放电容量;
      
      ⑥选用高孔率、低内阻的AGM优质隔板,提高电解质中离子良好通过性,从而保证电池良好低温性能;
      
      ⑦选用高纯度、高固含量纳米硅溶胶和内含Na2SO4添加剂稀H2SO4的混合胶体电解质,使得电解质成胶均匀、无分层,提高了电池过放电后充电能力,保证了电池使用寿命。
      
      (2)低温电池主要技术指标主要技术指标见表1。
      
      (3)低温电池与普通电池的性能对比低温配方与普通配方制作的12V100Ah电池性能对比如图1所示。
      
      该图为本发明超低温正负极活性物质配方制作的电池与常规电池在-40℃条件下的放电曲线对比图。
      
      通过检测,采用本发明超低温正负极活性物质配方制作的电池,超低温条件下(-40℃),放电容量达到额定容量的50%以上[3]。
      
      (4)与其他厂家产品的性能对比本发明电池与不同厂家电池测试结果的对比见表2。
      
      3 结束语
      
      通过采用更改设计方案和采用低温配方,低温阀控式铅酸蓄电池可实现在超低温条件下(-40℃),放电容量达到额定容量的50%以上。
      
      参考文献
      
      [1]朱松然.蓄电池手册[M].天津:天津出版社,1998.
      
      [2]张海林等.环境温度对阀控密封铅酸蓄电池的影响及应对措施.电力系统通信,2007,V28,No178:44-46.
      
      [3]胡水华等.阀控式铅酸蓄电池:CN201310160804.3
      
      作者简介
      
      张晓明,2005年毕业于郑州大学,获得物理化学电化学方向硕士学位。从事化学镀行业6年,2011年至今就职于武汉长光电源有限公司,从事铅酸蓄电池研究工作。
      
      编辑:Harris
      
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