木素磺酸鈉對鉛酸電池低溫性能影響詳探

周 燕，陳 飛，趙冬冬，王 晶

（浙江天能電池(江蘇)有限公司，江蘇 沭陽 223600）

0 前言

鉛酸電池由于具有原料易得、價(jià)格低廉、安全性高等優(yōu)點(diǎn)在多個(gè)領(lǐng)域仍被廣泛應(yīng)用[1]。但是在低溫環(huán)境下，鉛酸電池在使用時(shí)存在著充放電困難的問題，大大影響了其性能的發(fā)揮。一般認(rèn)為鉛酸電池的低溫性能主要受控于負(fù)極[2]，因此國內(nèi)外企業(yè)普遍采用向負(fù)極中加入添加劑的辦法來提高低溫性能。在眾多添加劑中，木素磺酸鈉因其具有價(jià)格便宜、用量少而效果顯著等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，它可以有效防止活性物質(zhì)表面收縮，增加比表面積，提高活性物質(zhì)的利用率[3-4]等。木鈉對電池低溫容量及高倍率性能改善到底有多大，鮮見相關(guān)資料，因此為了更加詳細(xì)地了解木鈉對電池性能的影響，本文從多方面對未添加木鈉與添加木鈉的電池做了比較，以便為電池性能的改善提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 電池的制備

極板的制備完全按照既定工藝進(jìn)行。正極板采用本公司正極板，負(fù)極板鉛膏采用微型和膏機(jī)進(jìn)行和制，共兩批，其中一批不添加木鈉，另一批加入木鈉，使其所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.2%。將最終準(zhǔn)備好的極板組按 7 正 8 負(fù)組裝成單體電池。

1.2 電池性能測試

對未添加木鈉及添加木鈉的電池各取 2 只，分成 A、B 兩組，其中 A 組電池用來進(jìn)行充電接受、常溫循環(huán)后的低溫放電容量測試； B 組電池用來進(jìn)行不同放電電流下的低溫放電容量、 1C高倍率放電性能等測試。

測試過程中采用的設(shè)備主要有：廣東宏展科技有限公司生產(chǎn)的可程式恒溫恒濕試驗(yàn)機(jī)，其型號為LP-150U；江蘇金帆電源科技有限公司生產(chǎn)的微電腦蓄電池綜合參數(shù)測試儀，型號為 UC-ZS08。

1.2.1 低溫性能測試

選取 A 組電池在常溫下循環(huán)，每循環(huán) 20 次測一次低溫容量，記錄容量變化。

選 B 組電池在 -18 ℃ 高低溫箱中靜置 12 h，分別用 6 A、9 A、13 A 電流放電至 1.75 V (每次放電結(jié)束后待電池容檢兩次后再改變電流放電)，記錄不同放電電流下電池的低溫放電容量。

1.2.2 1C高倍率性能測試

將容量恢復(fù)正常的 B 組電池，在 25 ℃ 以 1Ca電流放電至 1.67 V，記錄放電容量；電池容檢兩次后，置于 -18 ℃ 環(huán)境中以 1Ca電流放電至 1.67 V，記錄此時(shí)放電容量。

1.2.3 循環(huán)模式對容量影響

將 B 組負(fù)板中添加木鈉及未加木鈉的電池，在常溫下充滿電后，在 -18 ℃ 環(huán)境中進(jìn)行放電—充電一次，記錄放電及充電容量；待電池恢復(fù)室溫后，進(jìn)行兩次容檢，在室溫下放完電，置于 -18 ℃ 環(huán)境下進(jìn)行充電—放電，記錄充電—放電容量，比較不同模式下木鈉對電池容量的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 低溫容量結(jié)果

表1為負(fù)板中未添加木鈉及添加木鈉的電池在-18 ℃ 下的放電容量。由表1可以看出，在 -18 ℃無木鈉電池的首次低溫放電容量僅為添加木鈉的電池的 87.4%，這是由于在 -18 ℃ 下，未加木鈉的電池負(fù)極板表面收縮嚴(yán)重及 Pb2+離子的過飽和度增速相對較快[5]，導(dǎo)致形成的硫酸鉛晶體顆粒小而致密，負(fù)極板活性物質(zhì)有效面積減少，因而電池的低溫性能變差。

表1 兩種電池的 -18 ℃ 放電容量

2.2 循環(huán)次數(shù)對低溫容量影響

圖1為兩種電池低溫放電容量隨常溫循環(huán)次數(shù)的變化圖。由圖1可以看出，隨著室溫循環(huán)次數(shù)的增加，未添加木鈉和添加木鈉的電池低溫放電容量均有不同程度的降低，但負(fù)板中未加木鈉的電池低溫容量衰減較快。與首次低溫保留放電容量相比，常溫循環(huán) 80 次后，不添加木鈉的電池的低溫容量衰減了 30%，而添加木鈉的電池低溫容量僅衰減10%，由此可以看出不加木鈉的電池耐低溫性較差，這是因?yàn)槲刺砑幽锯c負(fù)極板在低溫下收縮比較嚴(yán)重，恢復(fù)室溫循環(huán)后，極板恢復(fù)正常，經(jīng)過不斷的常溫循環(huán)及低溫放電模式，負(fù)極板如同經(jīng)過反復(fù)的“熱脹冷縮”，極板性能變差，進(jìn)而導(dǎo)致電池低溫性能逐漸變差。

圖1 電池低溫放電容量隨常溫循環(huán)次數(shù)的變化

2.3 放電電流對 -18 ℃ 放電容量的影響

-18 ℃ 下，放電電流對放電容量影響如表2所示。由表2可以看出，在 -18 ℃ 下，隨放電電流的增大，負(fù)板中未加木鈉及添加木鈉的電池的放電容量均減少，但未加木鈉的電池放電容量衰減較為顯著。放電電流分別為 6、9、13 A 時(shí)，未加木鈉電池放電容量為添加木鈉電池放電容量的 75.9%、50.2%、49.8%，由此可以看出，在負(fù)板中添加木鈉對提高低溫大電流放電性能有比較顯著的作用。造成上述結(jié)果的原因是，隨著放電電流的增大，短時(shí)間內(nèi)有大量 Pb2+進(jìn)入溶液中，硫酸鉛晶體的形成過程過快，晶體來不及長大致使顆粒細(xì)而致密，鈍化[6]，硫酸溶液擴(kuò)散至電極表面的難度逐漸增大，加之極板收縮導(dǎo)致能進(jìn)行電極反應(yīng)的電極有效面積逐漸減小，最終導(dǎo)致兩種電池的放電電量隨著放電電流的增大不同程度地降低；而未加木鈉的電池硫酸鉛鈍化及負(fù)極板收縮等問題更為嚴(yán)重，因此隨著放電電流的增大，其放電量衰減較為嚴(yán)重。

表2 不同放電電流下電池的放電容量

2.4 溫度對 1C 高倍率放電性能的影響

溫度對 1C高倍率放電容量的影響如表3所示。由表3可以看出，在室溫下，兩種配方的電池1C高倍率放電容量相當(dāng)，當(dāng)溫度降至 -18 ℃ 時(shí)，負(fù)板中未加木鈉的電池 1C放電容量僅為室溫下放電電量的 36%，而添加木鈉的電池 -18 ℃ 下 1C放電容量可達(dá)到室溫放電容量的 71%，并且前者在-18 ℃ 下 1C放電容量僅為后者的 50%，由此可以看出，在負(fù)板中添加木鈉可以顯著提高電池的低溫高倍率放電性能。

表3 不同溫度下兩種電池的 1C 放電容量表

2.5 不同充放電模式對電池容量影響

由表4可以看出，添加木鈉及未添加木鈉的電池室溫充放電容量相當(dāng)，第一種測試模式中，由于添加木鈉的電池低溫放電容量高于未加木鈉的電池，導(dǎo)致其低溫充電容量也高于后者；第二種測試模式中，在常溫下放完電后，兩種電池在 -18 ℃ 環(huán)境下充電容量相當(dāng)，說明此時(shí)木鈉對充電過程未產(chǎn)生阻礙作用，-18 ℃ 放電容量也相差不大，但低溫放電容量僅為室溫放電容量的 50%左右，木鈉的作用也未發(fā)揮出來。對比兩種模式可得出，低溫環(huán)境下電池負(fù)板中木鈉的添加主要影響放電容量。

表4 不同模式下電池的充放電容量表

3 結(jié)論

隨著放電電流的增大，電池低溫放電容量逐漸降低，無木鈉電池容量衰減較多；木鈉可以顯著提高電池的低溫高倍率放電性能；隨著室溫循環(huán)次數(shù)的增加，無木鈉電池耐低溫性變差，低溫容量衰減較快，而添加木鈉的電池低溫容量衰減較慢；在-18 ℃ 下，木鈉可顯著改善電池的低溫放電性能，當(dāng)在活性物質(zhì)中添加木鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.2%時(shí)，木鈉并未阻礙電池的充電過程。

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