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摘要 通過對不同極板厚度、不同電解液比重的鉛酸蓄電池的初期容量、國標循環壽命、不同限壓值的恒流限壓充電對電池循環壽命的研究,以及對壽命終止電池的解剖分析,得出結論:適當增加正極板厚度,降低電解液比重,選擇最佳的恒流限壓充電的限壓值,能夠提高電池的循環壽命。
近年來,隨著歐美等老牌電池生產企業巨大的成本壓力及國際鉛價的持續上漲,使得這些國際知名的公司都紛紛在中國建廠，或者干脆在中國購買電池進行貼牌銷售。這種趨勢在帶給國內企業可觀利潤的同時，也因國內部分企業的產品質量問題給自身帶來了毀滅性的打擊。而國內部分企業電池產品質量與國外知名企業的顯著差別，主要就是電池使用壽命尤其是循環使用壽命達不到要求。
鉛酸蓄電池的壽命終止多因容量不足，而對于蓄電池來說，其循環壽命更是其眾多指標中的關鍵指標。對于閥控鉛酸蓄電池,延長電池循環壽命的公認措施是鉛膏配方中增加長效添加劑、采用高錫低鈣合金、極板高溫固化、提高裝配壓力等等。
但即使全部采取以上措施,生產出的電池壽命也不一定能達到國外電池壽命的水平。尤其是隨著成本壓力的增加,很多國內中小企業為了降低生產成本,提高電池的大電流放電性能,不斷地降低電池的極板厚度和增加電解液的比重,這對于電池的整體性能,尤其是循環性能來說無疑是殺雞取卵的方法。
本項目的研究重點即是在上述各項延長電池循環壽命的措施都采取的情況下,重點研究電池正負極板厚度、電解液比重和不同充電條件對電池初期容量、國標循環壽命和1h率100%DOD循環壽命的影響。
1 試驗內容
針對以上研究內容,采用兩種極板厚度的電池結構,配合4種電解液比重,制作12V、7Ah電池以進行各項性能試驗。
1.1 電池制造
電池制造采用3正4負(正極板厚度為3.6mm)、4正5負(正極板厚度為2.8mm)兩種結構裝配，鉛膏配方為今星光公司長壽命鉛膏配方，極板為槽化成工藝生產，電池裝配后分別加1.27、1.29、1.31、1.33四種比重電解液，加酸量控制單體內有效酸量均相同。電池按照工藝初充電完成后測試電池重量和內阻，兩種結構電池的重量分別約為2.60kg和2.45kg，內阻分別約為19mΩ和17mΩ。之后分別測試各類電池的初期容量和兩種循環壽命，為清楚表示各類正交試驗電池的特點和試驗項目，各類電池正交試驗情況如表1所示。
1.2 初期性能測試
表1中的各類電池制作完成后，分別測試各類電池20h和3C容量，作為電池初期容量進行比較考核。
1.3 國標循環壽命
電池經過初期容量測試合格后,按照小型閥控密封式鉛酸蓄電池國家標準(標準代號為GB/T 196391.1-2005)5.18壽命試驗方法測試表1中6類電池的壽命。
1.4 恒流限壓(LV)壽命試驗
根據各類電池的兩項試驗情況,采用不同的恒流限壓充電方法測試表1中4類電池的1h率放電100%DOD循環壽命。
1.5 電池解剖分析
將上一試驗步驟中壽命終止的電池解剖,采用化學方法分析正負極活性物質含量、負極硫酸鉛含量以及酸比重等,并確定電池壽命終止的原因。
2 試驗結果分析討論
2.1 電池初期性能試驗
電池制作完成后,對各類電池分別任意取3只,按照國標方法測試電池的20h率放電和3C放電,對3只電池的放電數據取平均值,如表2所示。
由表中數據可以看出:各類電池放電測試都能夠達到國家標準要求的20h率放電20h和3C放電7min的要求。但是,隨著極板變薄、電解液比重增加,不論是20h率容量還是3C容量,都呈增長趨勢,尤其是3C放電時間增加得更加明顯。
2.2 國標循環壽命
根據各類電池初期容量的測試情況,采用小型閥控鉛酸蓄電池國家標準中5.18條所規定的電池循環壽命測試方法,對3正4負極板結構的4種酸比重的電池和4正5負極板結構的1.29和1.31兩種酸比重的電池,各取2只進行循環壽命試驗。試驗數據見表3。
為了了解電解液比重和極板厚度等對電池循環壽命的影響，將表中數據分類后分別做出圖1(3正4負結構電池國標循環壽命隨電解液不同的影響)和圖2(不同極板厚度對電池循環壽命的影響)。
圖1 電解液密度對電池國標壽命的影響
圖2 不同極板厚度對電池國標循環壽命的影響
由表3、圖1和圖2可知,上述各類電池的國標循環壽命都大于標準的300次的要求。但是隨著電解液比重的增加和極板厚度的減薄,電池循環壽命呈明顯下降趨勢。
2.3 恒流限壓(LV)壽命試驗
根據上述各項試驗的情況,取3正4負極板結構,酸比重分別為1.29和1.31的A1B2和A1B3兩類電池進行1h率的100%DOD壽命試驗。充電方法為恒流限壓,恒流值為0.15C,限壓值分別為14.2V/只、14.5V/只和14.8V/只。每一類電池用各種充電方法測試3只電池,試驗結束后將3只電池的循環次數取平均值列于表4中。
由表4數據可以看出:對于電解液比重為1.29的電池來說，隨著充電限壓值的逐步增大，電池循環壽命逐步減小，采用14.2V/只的限壓值充電，循環壽命最長。而對于電解液比重為1.31的電池來說，則是采用14.5V/只限壓值充電的電池壽命最長，采用其他兩個限壓值充電的電池壽命明顯少得多。
2.4 電池解剖分析
將進行LV試驗的各組電池壽命終止后,各取有代表性的電池一只,解剖分析正負極活性物質含量、負極硫酸鉛含量和隔膜內電解液比重等,并初步確定電池失效原因。具體情況見表5。
對表5中的數據進行分析,并結合表4中的循環壽命數據可以得出結論:對于酸比重為1.29的電池循環壽命終止的原因主要是充電過程中正極活性物質泥化、正極板柵腐蝕和失水等,充電過程電池失水的同時也提高了電解液比重。而對于酸比重為1.31的電池,現象和趨勢基本相同,只是采用14.2V/只充電時易導致電池充電不足,出現負極硫酸鹽化現象。
3 結束語
通過對不同極板厚度、添加不同比重電解液的電池,進行初期容量、國標循環壽命和不同恒流限壓充電控制條件下的循環壽命試驗,以及對循環壽命終止電池的解剖分析,得出以下結論:電池極板越厚,電解液比重越低,電池的初期容量相對越低,尤其是大電流放電性能降低得更加明顯,但是電池的循環壽命則明顯延長。
對于電解液比重較大的電池,合理選擇恒流限壓充電的限壓值,能夠避免電池的負極硫酸鹽化和正極泥化,延長電池循環壽命。■
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