高溫電池的極限高溫實驗及影響因素分析

朱衛(wèi)民（臥龍電氣集團(tuán)浙江燈塔電源有限公司，浙江 紹興 312000）

高溫電池的極限高溫實驗及影響因素分析

朱衛(wèi)民
（臥龍電氣集團(tuán)浙江燈塔電源有限公司，浙江 紹興 312000）

以極限高溫測試作為評判方法，分別考查蓄電池外殼材料及厚度、電解液成分、鉛膏類型及催化栓等因素對蓄電池高溫性能的影響。結(jié)果表明，采用改性 ABS 材料、特性鉛膏配方，且外殼厚度在 8 mm 以上的電池耐高溫性能較好。同時，采用膠體電解液、安裝催化栓也可以在一定程度上提升電池的高溫性能。

高溫電池；膠體電解液；改性 ABS；鉛膏；氫氧復(fù)合催化栓；浮充電流

0　引言

隨著市場需求的變化和行業(yè)的發(fā)展，蓄電池行業(yè)近年來不斷推陳出新。針對國內(nèi)外市場三、四類基站機(jī)房的惡劣使用環(huán)境，行業(yè)內(nèi)將注意力集中到耐高溫型閥控式鉛酸蓄電池上。中國鐵塔公司、中國電信公司等國內(nèi)運(yùn)營商均已公開招標(biāo)，集中采購專用型高溫電池。高溫電池相比于普通電池，適用溫度范圍更寬，能夠在 35 ℃下正常使用（常規(guī)蓄電池的使用溫度為 25 ℃），可以大大降低基站機(jī)房對空調(diào)設(shè)備的依賴，大幅節(jié)約能耗，并減少溫室氣體的排放，利于環(huán)境保護(hù)［1-6］。

高溫電池，即高溫型閥控式鉛酸蓄電池，是在傳統(tǒng)的 VRLA 蓄電池的基礎(chǔ)上，通過技術(shù)優(yōu)化升級開發(fā)的新產(chǎn)品。根據(jù) YD/T 2657—2013 《高溫型閥控式密封鉛酸蓄電池》的要求，高溫型電池的推薦使用溫度為 20～35 ℃，允許在 -20～65 ℃ 環(huán)境條件下使用。對于高溫電池，當(dāng)前最重要、最有效也是最直接的評判標(biāo)準(zhǔn)，就是對其進(jìn)行極限高溫試驗。如果進(jìn)行 65 ℃ 極限高溫浮充壽命測試，電池外觀上無破裂、過度膨脹和槽蓋分離現(xiàn)象，且容量比率 ≥0.95 %，極限高溫測試過程中電池的浮充電流沒有明顯的上升，則可以初步判斷該測試電池為高溫電池。本文以 2 V 500 Ah 電池為例，主要采用YD/T 2657—2013《高溫型閥控式密封鉛酸蓄電池》中第 6.24 節(jié)的測試方法，分別對電池外殼材料及厚度、電解液成分、催化栓及鉛膏類型進(jìn)行考查，尋找對高溫電池耐高溫性能最重要的影響因素。

1　實驗

1.1外殼材料

首先，外殼材料選擇普通阻燃材料以及 2 種耐高溫阻燃材料，分別記為 HT-A、HT-B、HT-C。然后，采用公司現(xiàn)有的 M 系列 2 V 500 Ah 極群、AGM 隔板和硫酸電解液，以常規(guī)的組裝方式組裝成單體電池。每種材料外殼制備 10 只電池，各選擇容量符合要求的 6 只進(jìn)行 65 ℃ 極限高溫實驗。選擇 6 只電池的測試數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行對比分析，見表1。

65 ℃ 極限高溫測試過程中，浮充電流變化見圖1。根據(jù)表1 及圖1 可知，外殼材料類型對蓄電池的高溫性能有著很大的影響。普通阻燃 ABS 材料在經(jīng)過 15 d 的 65 ℃ 高溫浮充后，外殼明顯鼓脹，形變量高達(dá) 5 mm 以上，造成電池內(nèi)部極群裝配壓力降低，內(nèi)阻增大，進(jìn)一步造成電池本體內(nèi)的溫度上升，從而加速失水，進(jìn)而影響電池的容量。而兩種高溫材料均在一定程度上抑制了以上現(xiàn)象，相比較而言，高溫材料 HT-B 對高溫環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng)，外殼形變量約為 2.5 mm，電池的失水量、容量損失率也大幅下降。分析其原因可能是，高溫HT-B 材料在其配方中增加了耐高溫材料，提升了材料的熱變形溫度，增加了在高溫環(huán)境下的強(qiáng)度。

1.2電池外殼厚度

根據(jù)第 1.1 節(jié)中實驗的結(jié)果，選擇含 HT-B 高溫阻燃材料進(jìn)入本階段的實驗。本階段主要對電池槽壁厚進(jìn)行考查，槽厚度分別選擇 7 mm、8 mm、9 mm。針對每種厚度外殼，制備 10 只電池，各選擇容量符合要求的 6 只進(jìn)行 65 ℃ 極限高溫實驗，測試數(shù)據(jù)平均值見表2。

65 ℃ 極限高溫測試過程中，浮充電流變化見圖2。根據(jù)表2 及圖2 可知，外殼厚度對電池的耐高溫性能也有一定影響。隨著外殼厚度的增加，電池的外殼形變量逐漸減小，失水量逐漸降低，容量損失也得到改善。這一情況很容易解釋，對于同一種外殼材料，外殼越厚其機(jī)械強(qiáng)度越高，耐形變性越理想。但是從圖2 中可以看出，當(dāng)外殼厚度達(dá)到8 mm 時，繼續(xù)增加厚度，對耐高溫性能的提升幅度將不在明顯，而增加外殼的厚度，不但增加了電池的重量，造成質(zhì)量比能量降低，同時在一定程度上提高了電池的材料成本。

1.3電解液

根據(jù)測試結(jié)果，選擇 HT-B 高溫阻燃材料、8 mm厚的外殼來考查電解液的影響。選用相同密度的普通硫酸電解液和硅溶膠電解液，分別制備 10 只電池進(jìn)行試驗，各選擇容量符合要求的 6 只電池進(jìn)行 65 ℃ 極限高溫實驗，測試數(shù)據(jù)平均值見表3。65 ℃ 極限高溫測試過程中，浮充電流變化見圖3。

根據(jù)表3 及圖3 可知，膠體電解液電池的耐高溫性能有一定的提升。從外殼形變上來看，采用普通硫酸電解液與膠體電解液制作的電池差別不大，但是，膠體電池的失水量和容量損失率均明顯減少。這是因為膠體電池以其膠體電解液的結(jié)構(gòu)特點，一方面可以實現(xiàn)對水的束縛，從而減少水分的損失，保證氧化還原反應(yīng)正常進(jìn)行，確保電池的容量，另一方面，膠體的比熱容較大，而且熱傳導(dǎo)和熱輻射能力強(qiáng)，有利于電池內(nèi)部反應(yīng)產(chǎn)生的熱量及時擴(kuò)散。

1.4鉛膏類型

根據(jù)以上測試結(jié)果，選擇 HT-B 高溫阻燃材料、8 mm 厚外殼和硅溶膠電解液進(jìn)行本階段的實驗。分別采用公司現(xiàn)有的 M 型、N 型、P 型鉛膏制作極板，并各制備 10 只電池進(jìn)行試驗，選擇其中容量符合要求的 6 只進(jìn)行 65 ℃ 極限高溫實驗，測試結(jié)果如表4 所示。65 ℃ 極限高溫測試過程中，浮充電流變化見圖4。

根據(jù)表4 及圖4 可知，不同鉛膏類型對蓄電池的耐高溫性能有著巨大的影響。根據(jù)前期的實驗結(jié)果，雖然可以保證外殼在高溫下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，但是如果鉛膏類型不同，電池失水及容量損失有明顯的差異。HTBG-P 電池采用常規(guī)的高功率電池鉛膏配方，炭含量較高；HTBG-N 電池采用常規(guī)的通信電池鉛膏配方，炭含量一般；HTBG-M 電池在常規(guī)通信電池鉛膏配方的基礎(chǔ)上，增加了一定量的耐高溫添加劑與特性炭材料。由于炭材料的加入，提高了活性物質(zhì)的導(dǎo)電性，電池內(nèi)阻降低，內(nèi)部產(chǎn)生的熱量減少，在一定程度上從源頭控制了溫升。炭材料的析氫過電位一般比鉛材料的低［7-9］，從而加速了水分的消耗與損失，從而影響充放電過程中的電化學(xué)反應(yīng)。不同炭材料的析氫電位有所不同，所以鉛膏配方中炭材料的種類與含量對電池在高溫環(huán)境下的容量有著很大的影響。

1.5催化栓

根據(jù)以上測試結(jié)果，采用 8 mm 厚 HT-B 高溫阻燃材料外殼、硅溶膠電解液、M 型鉛膏制備 16 只 2 V 500 Ah 電池。其中 8 只安裝常規(guī)安全閥，另外 8 只安裝集成有氫氧復(fù)合催化栓的安全閥。各選擇容量符合要求的 6 只進(jìn)行 65 ℃ 極限高溫實驗，測試結(jié)果如表5 所示。65 ℃ 極限高溫測試過程中，浮充電流變化見圖5。

根據(jù)表5 及圖5 可知，安裝氫氧復(fù)合催化栓，可以在一定程度上降低電池的失水量，減少電池容量的損失。當(dāng)電池在溫度升高時，持續(xù)的浮充會加劇電池的析氫析氧副反應(yīng)，產(chǎn)生的氣體一般會通過內(nèi)部的氧循環(huán)反應(yīng)進(jìn)行消耗，當(dāng)負(fù)極板來不及消耗多余的氧氣時，電池的內(nèi)部壓力將會增加。正常的情況下，當(dāng)壓力達(dá)到一定值時，安全閥自動打開，釋放一部分氣體，以控制電池內(nèi)部的壓力，但也導(dǎo)致水分的損失。而安裝了催化栓后，在鈀催化劑的作用下，多余的氫氣和氧氣會再次復(fù)合成水，從而降低內(nèi)部壓力，減少失水。不過，從實驗的結(jié)果來看，經(jīng)過第 1.1～1.4 節(jié)的處理后，電池的耐高溫性能已經(jīng)有了很大的提升，安裝催化栓后性能的提升空間較小。

2　小結(jié)

通過本次實驗，可得出以下結(jié)論：

（1）采用熱變形溫度較高的耐高溫改性 ABS材料，可以減少電池外殼的形變，降低失水量，提升電池的容量保存率；（2）對于同一種材料，電池的耐高溫性能隨著外殼厚度的增加而提升，但上升到一定值時，性能提升不再明顯；（3）膠體電解液可以在一定程度上抑制電池的失水，所以同等條件下，采用膠體電解液電池的耐高溫性能略高于采用硫酸電解液電池；（4）鉛膏類型對電池的耐高溫性能影響巨大，不同鉛膏配方中炭材料的種類與含量會影響電池的失水量以及容量，采用耐高溫添加劑可以提升電池的耐高溫性能；（5）氫氧復(fù)合催化栓可以在一定程度上，降低電池的失水量，減少容量損失率。

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High temperature limit experiment of high temperature battery and its influencing factor analysis

ZHU Weimin
（Zhejiang Dengta Power Source Co.， Ltd.， Wolong Electric Group， Shaoxing Zhejiang 312000， China）

The influences of container material and thickness， electrolyte composition， paste type， and catalytic plug on the high temperature performance of lead-acid battery were studied based on high temperature limit test in this paper. The results showed that the high temperature performance of the lead-acid battery was better when the modified ABS materials and specific paste are used， and the container thickness was more than 8 mm. At the same time， by using the gelled electrolyte and catalytic plug， the high temperature performance of the battery could be improved to a certain extent.

high temperature battery； gelled electrolyte； modified ABS； lead paste； hydrogen and oxygen compound catalytic plug； floating charge current

TM 912.1

B

1006-0847（2016）04-167-04

2016-03-28