新型曲面板柵結構對鉛酸蓄電池性能的影響

黃連清（福建省安溪閩華電池股份有限公司，福建 泉州 362442）

新型曲面板柵結構對鉛酸蓄電池性能的影響

黃連清
（福建省安溪閩華電池股份有限公司，福建 泉州 362442）

鉛酸蓄電池的容量和使用壽命很大程度上是由正極板的設計、工藝制造及工作條件所決定的。在正極板的設計中首先是板柵的設計。設計優(yōu)良的正極板柵不但能使電流分布更加均勻，而且具有最小的電壓降損失。為了有效地保持板柵與活性物質之間有較大的接觸面積，往往將正極板柵設計成不同的形狀、不同的截面積、不同的橫筋與豎筋結構。本文中，對正板柵結構進行變革，采用曲面設計，使板柵與活性物質間具有較大的接觸面積，改善其導電性能，并在同等合金質量和生產(chǎn)工藝條件下對比測試曲面結構設計的板柵對蓄電池性能的影響。

鉛酸蓄電池；曲面板柵；正極板；接觸面積；電流分布；橫、豎筋條

0　前言

板柵在鉛酸蓄電池中作用：一是作為活性物質的支撐體，保持活性物質的附著，保持極板具有一定的形狀；二是傳導電流，使電流盡可能地均勻分布在活性物質的每一部分，形成相對均勻的導電體。板柵在電池中雖然不參加成流反應，但板柵的結構設計對蓄電池的主要性能有較大的影響［1-2］。鉛酸蓄電池的容量和壽命很大程度上取決于正極板的設計。正極板的失效模式多半是正極板柵腐蝕及活性物質的泥化。優(yōu)良的正極板柵設計不但能使電流分布得更加均勻，而且具有最小的電壓降損失，使電池性能得到提高［3］。

鉛酸蓄電池充放電過程中電流的傳導主要依靠板柵來實現(xiàn)。板柵的形狀、外型尺寸和結構設計影響板柵的電阻分布，也是影響蓄電池性能的重要因素［4-6］。板柵結構歷經(jīng)變革，對板柵的結構有過許多設計，其常用主要結構有放射形及矩形等。本文中，通過在相同板柵質量的情況下，采用新型曲面結構，使板柵與活性物質間具有較大的接觸面積。并且，在相同的制造工藝條件下進行對比測試，分析了新型曲面結構設計的板柵對蓄電池性能的影響。

1　曲面板柵與平面板柵的結構設計對比

板柵的結構設計對蓄電池性能影響是很大的，合理的板柵橫豎筋條的結構對活性物質的支撐和電池的導電性能均有很大的作用，板柵的橫筋條主要起支撐和保持活性物質的作用，而豎筋條和邊框則承擔著較大的導電作用，因此應根據(jù)電池的使用要求設計結構合理的板柵。圖1 中兩種板柵的重量、外型尺寸、厚度、橫豎筋條數(shù)量均一樣，但筋條的截面結構和排列分布不一樣。圖1（a） 是新型曲面板柵結構：橫筋采用對稱的整筋菱形結構，均勻錯開交接于板柵的外框上下方，筋條的厚度約為板柵邊框厚度的 1/2，而且無加強大筋；豎筋條均勻交接于每條橫筋及邊框上，形成波浪式形狀，其厚度約為邊框厚度的 1/2，而且為了增加板柵的強度和導電性能，采用了一條加強大筋，厚度接近于板柵厚度。圖1（b） 是常用平面板柵設計結構：橫筋采用兩個大小不一的梯形結合、朝向相反的半筋結構，均勻交接于板柵邊框，其厚度基本等同曲面板柵橫筋的厚度，為了確保板柵受力不變形，往往設計多條加強橫筋；豎筋采用兩個對稱的梯形結構，與橫筋及邊框均勻交接，厚度約為板柵厚度的 2/3。不同板柵結構的截面圖如圖2 所示。為確保圖1 中兩種板柵重量一樣，橫豎筋條的厚度與設計的尺寸略微有差別，但差別不大。

2　曲面極板的可制造性及性能比較

2.1曲面板柵結構對鑄片操作的影響

曲面結構板柵模具的開發(fā)制造相對于常規(guī)設計的板柵，開模難度大，且需要更加細心維護。在重力澆鑄曲面結構的板柵時，相對于平面板柵，要適當改變噴模方式，因而，掌握曲面板柵制造的噴模操作方法顯得非常關鍵。對比檢查兩種結構的板柵，曲面板柵不容易變形，板柵四邊框的應力更均勻，不容易扭曲，平面板柵在疊放整理堆高時容易出現(xiàn)板柵內部彎曲現(xiàn)象。

2.2曲面板柵結構對涂板、固化的影響

涂板是將鉛膏涂布于板柵兩面的加工過程，目前基本上采用機械涂填方式，因此，要求板柵要有足夠的強度。在環(huán)保和電池成本的壓力下，怎樣使板柵發(fā)揮出最好的效能，同時減輕板柵的重量是技術工作者當前首要考慮的一個課題。我們采用上述兩種結構的板柵，在相同的條件下分別涂板。由于曲面板柵的橫筋條上下交錯，豎筋條呈波浪式交錯于橫筋，涂板后鉛膏不容易脫落，上下板面的鉛膏量更均勻，對鉛膏的保持能力更強。相同條件固化后，對生極板外觀及強度和結合度進行檢測，發(fā)現(xiàn)曲面正極生板厚度誤差相對小于平面板柵結構的生板，平面結構的生板厚度極限誤差 ≤ ±0.2 mm，曲面設計的生板厚度極限誤差 ≤ ±0.15 mm。相同條件下檢測生極板的強度和結合度，曲面板柵上的鉛膏活性物質不容易脫落，與板柵界面的結合附著力更強。取樣化驗生極板中的金屬鉛含量，兩者基本一致。

2.3曲面板結構對化成的影響

正極板化成不同于負極板，正極板化成時PbO2的形成首先從柵筋最接近溶液處開始，生成的 PbO2形成網(wǎng)絡包圍著硫酸鉛。在板柵的每一小格中， PbO2的生成是從四周靠柵筋處開始，逐漸向小格的中心推進，直到所有被包圍的硫酸鉛和每一小格的中心處，鉛膏才完全轉化為 PbO2。在這個電化學反應的過程中，板柵是不參加成流反應的，但要求其要有足夠的強度，能抵抗電化學過程中因 PbSO4和 PbO2兩種物質轉化的密度差而引起體積變化的膨脹或收縮。曲面板柵結構中，因板柵橫筋上下交錯，豎筋波浪式交錯在橫筋上，板柵強度、涂板時鉛膏分布、生板強度等均要好于平面結構的，所以在同樣的條件下化成后，經(jīng)過檢測，發(fā)現(xiàn)曲面板柵結構的熟極板不容易彎曲，板面外觀及活性物質的顏色更均勻。兩種熟極板的成份（PbO2含量）沒有太大的區(qū)別。

2.4曲面板柵對電池性能的影響

2.4.1不同板柵結構電池的制備

曲面板柵和平面板柵的有關參數(shù)如表1 所示。分別采用上述兩種結構的板柵在相同的制造工藝條件下，經(jīng)和膏、涂板、固化、化成烘干后，分別取正熟極板與同樣的負極熟板匹配，每單片正極熟板容量約為 27 Ah，按 10 正 11 負的極群方式，在同等的裝配壓力下裝配成 2 V 265 Ah 的電池。電解液密度為 1.305 g/cm3（25 ℃）。電池初充電電量為額定容量的 1.8 倍時認為電池完全充滿電。

2.4.2電池循環(huán)性能測試方法（此測試方法為公司客戶要求）

① 蓄電池完全初充電后，靜止 4 h；② 以0.1C10恒流放電，放電終止電壓為 10.8 V；③ 恒壓2.35 V，限流 26.5 A，充電 24 h；④ 靜止 30 min，重復 ②、③ 步驟；⑤ 蓄電池放電時間低于 6 h時，認為循環(huán)壽命終止。

2.4.3電池循環(huán)性能測試結果

按上述方法測試對比不同結構的板柵對電池循環(huán)性能的影響，結果如圖3 所示。從圖可以看出，曲面板柵結構的電池的初期性能與平面板柵結構電池的初期性能基本等同，但是經(jīng)過 20 次循環(huán)后，曲面板柵結構電池的放電時間明顯多于平面板柵結構電池的。當循環(huán)放電時間少于 6 h 時，判定電池的循環(huán)壽命終止，曲面板柵結構電池的循環(huán)次數(shù)為276 次，平面板柵結構電池的循環(huán)次數(shù)為 121 次。由此可見，曲面板柵結構電池的循環(huán)壽命明顯好于平面板柵結構電池的。

3　分析與討論

從板柵結構的對比發(fā)現(xiàn)，曲面板柵設計有以下優(yōu)點：① 曲面板柵的豎筋條在極板內的路徑延長，使活性物質與板柵的導電距離縮小，增加了板柵的導電性。② 同直筋條平面板柵相比，曲面板柵的表面積增加了，會增加鉛膏的附著性能，增加極板的強度，減少掉膏。③ 因為豎筋條與極板表面不平行，可有效地降低板柵內的應力，分散并改變其應力的方向，是使極板不易發(fā)生變形的主要原因。④ 活性物質與板柵的結合在豎筋上的結合面與極板的平面成一定的角度，導致活性物質從板柵脫落的方向各處都不一樣，這樣活性物質就會很難脫落，結合度也會明顯提高。⑤ 板柵筋條與涂板平面形成夾角，使不同部位受到的壓力不同，這種差別雖小，但會使涂膏的整體均勻性明顯提高，不會產(chǎn)生較大部位的不均勻現(xiàn)象，表面露筋的可能性更小。

經(jīng)對比試驗發(fā)現(xiàn)，曲面板柵電池性能得到提高，其原因主要是板柵的路徑增加及與活性物質的接觸面積增加。

關于開發(fā)模具成本及使用維護成本問題，因為現(xiàn)在的模具開發(fā)是由智能雕刻而成的，模具的制造成本基本不增加。在使用過程中，不能刮傷筋條。噴模方法與生產(chǎn)平板柵時的一樣，不會增加難度。經(jīng)試用，曲面板柵制造過程相同于直筋平面板柵，不會增加成本。

4　結論

曲面板柵從設計理論和方法上是可行的，符合電化學的基礎理論。在相同合金質量的情況下，增加了板柵在極板內的路徑及板柵與活性物質間的接觸面積，從而能提高電池的性能。曲面板柵的模具制造也是可行的，技術難度不大，以后的使用和維護也不困難。

［1］ 朱松然. 蓄電池手冊［M］. 天津: 天津大學出版社，1998.

［2］ 柴樹松. 鉛酸蓄電池板柵設計的探討［J］. 蓄電池，2008， 45（3）: 103-106.

［3］ 柴樹松. 鉛酸蓄電池制造技術［M］. 北京: 機械工業(yè)出版社， 2014.

［4］ 趙樂， 郭永榔， 宮辛玲. 鉛酸蓄電池板柵的計算機模擬優(yōu)化設計［J］. 蓄電池， 2004， 41（1）: 3-5.

［5］ 胡俊梅， 郭永榔. 板柵電阻分布測量及其影響因素的分析［J］. 蓄電池， 2005， 42（2）: 84-87.

［6］ 楊明國， 丁剛強. 鉛酸蓄電池板柵結構的模擬分析［J］. 船電技術， 2014， 34（10）: 49-51.

The influences of new curved surface grids on the performances of lead-acid batteries

HUANG Lianqing
（Fujian Minhua Power Source Co.， Ltd.， Quanzhou Fujian 362442， China）

The capacity and life of lead-acid battery depends largely on the design， manufacture process and working conditions of positive plates. The design of gird is primary in the design of positive plate. If the positive gird is well-designed， the current distribution can be more uniform， and the voltage drop loss is minimal. The positive girds are often designed with different shape， cross-sectional area，transverse and longitudinal ribs， in order to effectively make a larger contact area between active material and grid. In this article， the positive grid structure is changed and designed with curved surface， so the contact area between grid and active material is larger， and the electrical conductivity is improved. Under the conditions of the same alloy quality and production process， the influences of curved surface grids on the performances of lead-acid batteries are compared and tested.

lead-acid battery； curved surface grid； positive plate； contact area； current distribution；transverse and longitudinal ribs

TM 912.9

A

1006-0847（2016）04-182-04

2016-05-30