高性能牽引用鉛酸蓄電池生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)

周青元，張 賓，趙 俊，許衛(wèi)疆，張永鋒（揚州市密封鉛酸蓄電池工程技術(shù)中心，江蘇 揚州 225202）

高性能牽引用鉛酸蓄電池生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)

周青元，張 賓，趙 俊，許衛(wèi)疆，張永鋒
（揚州市密封鉛酸蓄電池工程技術(shù)中心，江蘇 揚州 225202）

摘要：對比了國內(nèi)外牽引用鉛酸蓄電池在生產(chǎn)工藝方面的一些差別，著重論述了其對蓄電池相關(guān)性能的影響，提出了國內(nèi)牽引蓄電池性能提高的相關(guān)途徑。

關(guān)鍵詞：牽引用鉛酸蓄電池；循環(huán)壽命；無紡布；排管

0　前言

牽引用鉛酸蓄電池作為電動叉車、搬運車等電動車輛的直流動力電源，廣泛應(yīng)用于煤礦、碼頭、貨運中心、物流園及生產(chǎn)工廠。隨著國內(nèi)外經(jīng)濟的不斷提高，環(huán)保問題變得越來越重要，作為清潔無污染運載工具的動力電源，牽引用鉛酸蓄電池也逐步在公交、地鐵維護、體育等場所得到了廣泛應(yīng)用，在國內(nèi)的使用量及生產(chǎn)量逐年遞增，市場占有率不斷提高。但是和歐美發(fā)達(dá)國家相對比，國內(nèi)應(yīng)用市場的占有率遠(yuǎn)低于國外，甚至都不及國外的一半，國外成熟市場電動叉車的占有率可達(dá)到 80 %，而國內(nèi)目前僅維持在 30 %～40 %，造成該現(xiàn)象的原因一是我國電動叉車起步較遲，還處于一個成長中的市場，另一方面則受制于叉車電池的性能，尤其是使用壽命相對于國外來說較短，客戶后期維護投入比較大，影響了電動叉車的推廣和使用。 因此，提高現(xiàn)階段國內(nèi)叉車電池的使用壽命非常重要，本文通過對比國內(nèi)外生產(chǎn)工藝的差別并結(jié)合十多年的現(xiàn)場生產(chǎn)經(jīng)驗，對高性能牽引用鉛酸蓄電池生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)按各工序進行了重點分析討論。

1　國內(nèi)外牽引蓄電池性能差別

經(jīng)過近幾年的跟蹤研究，筆者認(rèn)為國內(nèi)牽引用蓄電池在容量、自放電及大電流放電方面的性能基本上可與國外電池持平，兩者最主要的差別在于循環(huán)壽命方面，國外先進電池的循環(huán)壽命按 IEC 中規(guī)定最長可達(dá)到 1550 次，而國內(nèi)有的廠家僅能達(dá)到600 余次，還達(dá)不到國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。表 1 為國內(nèi)外比較典型的牽引蓄電池廠家的電池循環(huán)壽命測試數(shù)據(jù)。

表 1　　國內(nèi)外典型牽引蓄電池對比數(shù)據(jù)

2　高性能牽引蓄電池生產(chǎn)關(guān)鍵控制點分析

2.1正板柵及其合金

目前國內(nèi)外牽引蓄電池正板柵的生產(chǎn)基本上均采用壓鑄技術(shù)，但國內(nèi)部分生產(chǎn)廠家受困于資金等方面的影響，采用了國內(nèi)仿制 HADI 的壓鑄設(shè)備，雖然也可以生產(chǎn)出管式正極板，但其設(shè)備及模具的精度達(dá)不到國外的水平，造成鑄板時進鉛壓力較低，所鑄板柵筋條中晶粒結(jié)合不緊密，耐酸蝕性能較差，最終影響到電池的使用壽命。在同樣用1.290 g?cm-3電解液，充電電流為 3 mA?cm-3的情況下，對國產(chǎn)壓鑄設(shè)備與進口設(shè)備所鑄板柵筋條的抗腐蝕性能進行測試，表 2 為對比結(jié)果。從中可以得出，采用國產(chǎn)設(shè)備的平均腐蝕速率為 2.708 mg?cm-3，而用進口設(shè)備的平均腐蝕速率為 2.327 mg?cm-3。

表 2　　不同正板柵壓鑄設(shè)備所鑄筋條耐腐蝕性能

另外，國內(nèi)廠家為節(jié)省成本，普遍使用 Sb 含量較低的合金或僅用鉛銻二元合金來制造正板柵，這樣雖然可以降低電池使用過程中的失水率，但不利于循環(huán)壽命的提高[1]，國外一般選用 Sb 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 6 % 以上的多元合金作為正板柵合金，鉛銻合金中銻含量對板柵腐蝕速率的影響如圖 1 所示。

正板柵筋條起著匯聚電流的作用，解剖發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)部分廠家為達(dá)到節(jié)省成本的目的，將筋條的直徑做得過小，從而影響到電池的使用壽命，經(jīng)過對不同筋條直徑的耐腐蝕性能的線性模擬測試實驗得出，要達(dá)到 1500 次以上的循環(huán)壽命，內(nèi)部筋條的直徑不應(yīng)低于 3 mm。

2.2鉛粉制備及正極板制造工藝

目前國內(nèi)鉛粉機主要以島津式為主，該型號鉛粉機制做出來的鉛粉具有較高的比表面積和活性，適合于起動電池、UPS 電池、通信電池等領(lǐng)域，但對于循環(huán)使用的牽引用鉛酸蓄電池，筆者認(rèn)為巴頓式鉛粉機更加適合，其制造的鉛粉呈圓形，活性較低，有利于延長蓄電池的使用壽命。

正極板的制備分灌粉式和擠膏式兩種，兩者各有優(yōu)缺點，灌粉式極板活物質(zhì)顆粒結(jié)合緊密，初始容量較低，但活性物質(zhì)之間電化學(xué)結(jié)合較好，擠膏工藝制造的極板初始容量高，但由于水分、硫酸的加入，活性物質(zhì)之間結(jié)合力相對較差，不利于電池的循環(huán)壽命。

2.3排管材料

國外先進牽引蓄電池所用排管大多數(shù)為無紡布材料，這點區(qū)別于國內(nèi)廣泛使用的滌綸排管，相對于后者，前者的內(nèi)阻較低，但對活性物質(zhì)的包裹較緊，可較大程度地抑制正極活性物質(zhì)的膨脹，同時具有良好的耐腐蝕性能，兩種排管的微觀結(jié)構(gòu)及具體性能指標(biāo)見圖 2 和表 3。

圖 1　　合金銻含量對腐蝕速率的影響

在測試結(jié)果中有一個回流測試，其主要測試充電情況下排管在沸酸中的耐腐蝕性能，可直接反映其真實使用過程中的穩(wěn)定性，具體操作方法是將排管制成電極，然后在 1.30 g/cm3的沸酸中充電化成，觀察并記錄其開始破損的時間來判斷耐腐蝕性能的好壞，測試裝置及測試后樣品狀態(tài)見圖 3。

圖 2　　無紡布排管與滌綸排管的微觀結(jié)構(gòu)對比

圖 3　　回流測試裝置及電極破損照片

表 3　　滌綸與無紡布排管參數(shù)對比

通過對比測試，可以發(fā)現(xiàn)無紡布排管的綜合性能要好于滌綸排管，尤其是在內(nèi)阻和抗氧化性能方面，應(yīng)該是高性能牽引用蓄電池的首選。

2.4隔膜材料

目前國內(nèi)主流的牽引鉛酸蓄電池用隔膜均為PE 材質(zhì)，其具有低內(nèi)阻、小孔徑、孔率高、抗刺穿能力強的優(yōu)勢[2]，并且因為其基底較薄，易于做成袋式，所以非常適用于牽引電池。通過對客戶使用末期的電池解剖分析，發(fā)現(xiàn)除正極板排管腐蝕、活性物質(zhì)脫落外，負(fù)極活性物質(zhì)膨脹嚴(yán)重，在電池使用過程中由于隔膜的擠壓導(dǎo)致其從極板兩側(cè)擠出，隨充放電的進行上浮到極群頂部，造成短路的風(fēng)險，而隔膜做成袋式并套住負(fù)極板可有效避免此類現(xiàn)象的發(fā)生。

隔膜在蓄電池中常被比喻為第三電極，可見其起著非常重要的作用，隔膜質(zhì)量的好壞直接影響到電池的使用壽命, 對高性能牽引蓄電池而言，最重要在于隔膜的抗氧化性，國內(nèi)部分隔膜廠家為提高該性能而大幅增加防氧化油的用量，結(jié)果導(dǎo)致隔膜在使用過程中釋放出油沫，并與極板中的炭結(jié)合形成黑色的油污[3]，其附著在負(fù)極板表面會顯著降低電池的充電電壓，使蓄電池在充電過程中溫度過高，失水增加，板柵腐蝕加重；同時，過多的油污會影響自動補水系統(tǒng)的正常工作，造成蓄電池因長期缺水而失效；控制隔膜內(nèi)油含量在 15 %～18 %之間將是一個理想范圍，可同時兼顧抗氧化性能和抑制油污的產(chǎn)生[4]。不同油含量的隔膜的性能分析數(shù)據(jù)見表 4。

表 4　　不同油含量隔膜理化性能分析

牽引蓄電池隔膜表面凸起的筋條也會影響到電池的性能，目前普遍有直筋和斜筋兩種，如果筋條間距設(shè)計不好，則會影響到電池性能，合理的設(shè)計是兩根相鄰的筋條間距與正板柵各管之間的中心距保持一致，并且裝配到電池中后，要保證筋條中心與相鄰排管的中心對齊，如此可最大限度地保持負(fù)極板表面各處壓力的一致，不會因為壓力不均而導(dǎo)致負(fù)極板不同部位的膨脹差異。

2.5極群上部空間高度的控制

極群上部空間大，可以貯存更多的電解液，有利于蓄電池容量，并延長電池使用過程中的補水周期；但上部空間過大，同時也意味著氣體貯存空間也較大，電池在充電或使用時，內(nèi)部過大的貯存空間增加了電池發(fā)生爆炸的概率，因此，設(shè)計時需要嚴(yán)格控制極群上部空間的大小，通常的控制范圍為(4～6) mm/100 Ah。

2.6極柱生產(chǎn)及燒焊的質(zhì)量控制

牽引蓄電池極柱起著匯集電流的作用，優(yōu)異的設(shè)計結(jié)構(gòu)及制作工藝可有效保證蓄電池使用過程中的可靠性，除了常規(guī)的注意事項外，極柱與極耳熔接面要做成一定的斜度，這樣有利于燒焊過程中與匯流排的有效熔解，減少虛焊假焊的現(xiàn)象。另外，在鑄造極柱過程之前，鉛芯一定要經(jīng)過預(yù)熱處理，并且合理控制預(yù)熱溫度，否則會造成銅芯與周圍的合金接觸不緊密，接觸電阻變大，在蓄電池使用后期，會極大地增加極柱斷裂的風(fēng)險。

3　結(jié)語

本文根據(jù)實際情況，結(jié)合對比國外先進技術(shù)及設(shè)計理念，就高性能牽引蓄電池制造過程中的各個關(guān)鍵技術(shù)進行了探討，同時對提高蓄電池的使用壽命和可靠性的相關(guān)措施進行了論述，通過對牽引蓄電池設(shè)計及生產(chǎn)過程中的嚴(yán)格控制，按照 IEC 的相關(guān)循環(huán)壽命測試方法，開發(fā)的高性能牽引蓄電池目前循環(huán)壽命已達(dá)到 1850 次，剩余 5 小時率容量在91 %～93 % 之間，在循環(huán)壽命方面取得了顯著的效果。筆者相信，經(jīng)過行業(yè)人士的不斷努力，國產(chǎn)牽引用蓄電池性能肯定會達(dá)到并超過國際先進水平。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱松然.蓄電池手冊[M]. 天津: 天津大學(xué)出版社, 1998: 84.

[2] 楊洪波.電池制造工藝新技術(shù)與質(zhì)量監(jiān)控及標(biāo)準(zhǔn)實用手冊[M]. 安徽: 安徽文化音像出版社，ISBN 7-88413-031-9: 761

[3] Daramic Inc. PE 隔板技術(shù)資料, 2002 ILBF.

[4] 楊德山, 高俊剛. PE 隔板的抗氧化性能及其機理的研究[J]. 蓄電池, 2004(1): 35-39

Key technologies in the production of high-performance lead-acid traction batteries

ZHOU Qing-yuan, ZHANG Bin, ZHAO Jun, XU Wei-jiang, ZHANG Yong-feng
(Enersys (Jiangsu) Huada Batteries Co., Ltd., YangzhouJiangsu 225202, China)

Abstract:By comparing the production technologies of lead-acid traction batteries at home and abroad, this paper discusses some differences in the process and their infl uences on the performances of leadacid batteries, and then proposes the improvement way in high performance lead-acid traction batteries in China.

Key words:lead-acid traction battery; cycle life; non-woven; gauntlet

中圖分類號：TM 912.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1006-0847(2015)01-31-04

收稿日期：2014-08-18