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    純鉛電池發(fā)展現(xiàn)狀及性能研究①

    2016-03-28 00:33:46孔德龍湯海朋
    電池工業(yè) 2016年1期
    關(guān)鍵詞:板柵耐腐蝕性沖孔

    范 娜,孔德龍,湯海朋

    (山東圣陽電源股份有限公司,山東 曲阜 273100)

    純鉛電池最早由Gates公司于1973年發(fā)明,至今已有43年的歷史,隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,單體結(jié)構(gòu)已由最初的卷繞式(Enersyscyclon系列)擴(kuò)展至板式[1]。應(yīng)用領(lǐng)域也從最初的軍用推廣到儲能、備用、車輛及船舶動力等。隨著國際先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展及科技進(jìn)步,純鉛電池制造技術(shù)也得到了長足發(fā)展,逐漸為國內(nèi)外鉛酸電池企業(yè)吸收接納,并投入大量資本進(jìn)行開發(fā)研究。

    純鉛電池板柵采用純鉛或鉛錫合金,與鉛鈣體系合金、低銻合金等相比較具有更好的耐腐蝕性能,這也意味著純鉛電池具有更長的使用壽命,但是由于純鉛或鉛錫合金機(jī)械強(qiáng)度低,易于彎曲,加工難度大,因此需要高度自動化的專用設(shè)備[2,3]。今天,純鉛電池制造技術(shù)已比較成熟,采用先進(jìn)的連續(xù)極板制造技術(shù),設(shè)備復(fù)雜,自動化程度高,減少了人為因素影響,所以純鉛電池具有非常好的一致性。同時(shí),純鉛電池板柵和極板薄,單體片數(shù)多,這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其具有更好的大電流快速充電性能及高倍率放電性能。

    在通信、大數(shù)據(jù)和新能源領(lǐng)域大發(fā)展的背景下,采用備用電源保證通訊、數(shù)據(jù)系統(tǒng)的安全運(yùn)行極其重要,另外,新能源領(lǐng)域的大規(guī)模儲能需求,特別是在惡劣環(huán)境條件下的儲能需求,對電池性能的要求也越來越高,尤其是優(yōu)良可靠的高功率性能、高的使用溫度、高系統(tǒng)電壓下的一致性和快速充放電等使用性能,以及長壽命等可靠性性能。而且,隨著鋰離子電池、液流電池、氫燃料電池等二次電池技術(shù)的快速發(fā)展,及在儲能、動力等領(lǐng)域的規(guī)?;瘧?yīng)用,鉛酸電池的生存空間受到擠壓,也迫使鉛酸電池行業(yè)持續(xù)地進(jìn)行技術(shù)革新,提升鉛酸電池的性能。

    1 純鉛電池介紹、技術(shù)路線

    1.1 純鉛電池及其連續(xù)極板制造技術(shù)介紹

    先進(jìn)的連續(xù)極板制造技術(shù)對比傳統(tǒng)極板制造技術(shù),關(guān)鍵在板柵制造方式的區(qū)別。

    傳統(tǒng)板柵制造采用熱加工澆鑄技術(shù),為了保證機(jī)械強(qiáng)度和提高耐腐蝕性,在鑄造時(shí)加入其它金屬形成合金板柵,如鉛鈣合金、鉛鈣錫鋁合金、低銻合金等,但是,合金金屬的加入,導(dǎo)致板柵在使用過程中腐蝕加快、電池自放電大、內(nèi)阻大,傳統(tǒng)技術(shù)鉛酸電池的設(shè)計(jì)和固有缺陷決定了它存在三大應(yīng)用難題[1]:

    (1) 高溫環(huán)境下的使用壽命問題;

    (2) 浮充使用和循環(huán)使用同時(shí)兼顧的問題;

    (3) 充電時(shí)間問題(或快速充電問題)。

    純鉛電池板柵采用先將純鉛(或鉛錫合金)加熱至熔融態(tài),然后通過連續(xù)鑄帶機(jī)鑄造出鉛帶,再結(jié)合擴(kuò)展拉伸技術(shù)連續(xù)生產(chǎn)拉網(wǎng)板柵帶,或者采用沖壓技術(shù),結(jié)合沖孔模具連續(xù)生產(chǎn)沖孔板柵帶的方法生產(chǎn)正負(fù)板柵,這和傳統(tǒng)鉛酸電池采用鑄造方式生產(chǎn)板柵有著根本性的不同。該板柵成型技術(shù)自動化程度高,具有減少人力成本,提高生產(chǎn)效率,減少鉛煙排放,清潔生產(chǎn)的優(yōu)勢。同時(shí),純鉛電池在性能上具有以下優(yōu)勢[4,5]:

    (1) 可進(jìn)行快速充電,2h可充入ca.90%以上的電量;

    (2) 采用薄極板技術(shù),活性物質(zhì)表面積大,放電后的恢復(fù)能力強(qiáng),表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能;

    (3) 解決了傳統(tǒng)鉛酸電池在高溫環(huán)境下的使用壽命問題、浮充使用和循環(huán)使用同時(shí)兼顧的問題。

    1.2 純鉛電池技術(shù)路線

    純鉛電池及其連續(xù)極板制造技術(shù)板柵生產(chǎn)可采用如下兩種方式:鉛帶拉網(wǎng)或鉛帶沖孔。

    圖1 拉網(wǎng)板柵和沖孔板柵Fig.1 Expanded grid and punched grid

    從下圖可以看出采用不同成型工藝的板柵,在相同實(shí)驗(yàn)條件下,沖孔板柵仍就完整,未出現(xiàn)筋條因腐蝕而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象,而書模板柵和拉網(wǎng)板柵筋條均發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕,出現(xiàn)筋條斷裂的現(xiàn)象[6]。由此可見,采用沖孔技術(shù)生產(chǎn)的板柵,其耐腐蝕性能與采用拉網(wǎng)技術(shù)生產(chǎn)的板柵相比還是有優(yōu)越性的。所以,對于純鉛電池,特別是正板柵,多數(shù)制造商選擇使用沖孔技術(shù)來進(jìn)行生產(chǎn)。

    圖2 不同板柵成型工藝板柵腐蝕狀況對比Fig.2 Corrosionresistance of grids manufacturedby different grid forming processes

    2 純鉛電池性能特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)系

    2.1 快速充電性能與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)系

    純鉛電池可進(jìn)行大電流快速充電,充電電流可達(dá)到0.4~0.5C10,這會導(dǎo)致電池析氣相對增多,電池內(nèi)部將長期處于高壓狀態(tài),因此要求:

    (1)殼體耐高壓性能好,防止使用過程中電池鼓殼;

    (2)電池內(nèi)部氣體復(fù)合效率要高;

    (3)頻繁開閉閥,安全閥質(zhì)量要好。

    圣陽公司采用純鉛12V 170Ah的電池作為實(shí)驗(yàn)電池,研究了大電流快速充電對電池內(nèi)部氣壓的影響情況,充放電方法如下:

    放電:17A放電至10.8V;

    充電:68A恒流限壓充電8h,分別限壓13.8V、14.1V、14.46V、14.7V。

    采集整個(gè)過程電池內(nèi)部氣壓數(shù)據(jù),并與充放電電壓、電流數(shù)據(jù)作圖。從圖3可以看到,整個(gè)充放電過程,電池內(nèi)部氣壓一直維持在較高水平,特別是68A大電流充電時(shí),電池內(nèi)部氣壓會快速升高,進(jìn)入恒流轉(zhuǎn)恒壓階段,電池內(nèi)部氣壓達(dá)到峰值,隨后隨著充電電流的減小或開閥泄壓,電池內(nèi)部氣壓逐漸下降。

    圖3 電池內(nèi)部氣壓隨電壓、電流變化曲線Fig.3 The internal pressure changing curve of thebattery corresponding to voltage and current

    2.2 高功率性能與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)系

    純鉛電池高功率放電,特別是5minr要求:

    (1)單體結(jié)構(gòu)對電池5minr性能影響較大,為滿足更好的5minr高功率放電,一般要求單體采用更薄的極板,且具有較多的極板片數(shù)。但是,單體片數(shù)多,如:9+10-,電池非常容易出現(xiàn)內(nèi)部微短路,且容易出現(xiàn)“燒心”現(xiàn)象,在工藝上需進(jìn)行精確控制;

    (2)高功率鉛膏配方、合適的正負(fù)極板活性物質(zhì)配比;

    (3)端子,焊點(diǎn)可靠性要高(大電流,熱效應(yīng))。

    圖4 單體結(jié)構(gòu)及工藝對電池高功率性能的影響Fig.4 Theinfluence of cell structure and technology onthe high power performance of pure lead battery

    2.3 PSOC循環(huán)性能與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)系

    純鉛電池PSOC長循環(huán)壽命要求:

    (1)板柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要合理,但需要考慮模具加工難度及成本;

    (2)提高正極板活性物質(zhì)重量;

    (3)優(yōu)化鉛膏配方;

    (4)適當(dāng)降低電解液密度,增加電解液量。

    2.4 耐高溫性能與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)系

    純鉛電池高溫條件下的使用:目前,基本要求常年工作溫度ca.35℃,特殊情況下,要求在45-50℃溫度下長期穩(wěn)定地工作,最高使用溫度要求可達(dá)到65℃,這對電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高挑戰(zhàn):

    (1)殼體耐高溫、高壓,強(qiáng)度要高;

    (2) 正板柵厚度要大,合金耐腐蝕性能要好;

    (3) 提高正極板活性物質(zhì)重量;

    (4) 適當(dāng)降低電解液密度,增加電解液量。

    3 純鉛電池關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備

    純鉛電池極板制造采用先進(jìn)的連續(xù)極板制造技術(shù),采用連續(xù)鑄造或連鑄連軋制作鉛帶,然后鉛帶經(jīng)沖孔制作板柵帶,最后采用連續(xù)涂板分切技術(shù)制作正負(fù)極板。

    圖5 連續(xù)極板制造技術(shù)路線圖Fig.5 The route of continuous plate manufacture technology

    3.1 連續(xù)極板制造技術(shù)及設(shè)備——鉛帶

    鉛帶的制備是采用連鑄連軋還是連續(xù)鑄帶技術(shù),需要根據(jù)電池設(shè)計(jì)所需采用的合金體系進(jìn)行選擇。圣陽公司通過合金耐腐蝕實(shí)驗(yàn)及SEM分析對不同方式獲得的合金的耐腐蝕性能進(jìn)行了系統(tǒng)的對比研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了純鉛及鉛錫合金要比鉛錫鈣合金具有更好的耐腐蝕性能,連續(xù)鑄帶和連鑄連軋技術(shù)有利于提高合金的耐腐蝕性能。

    3.1.1 合金腐蝕速率

    采用三電極工作體系,Hg/Hg2SO4電極作為參比電極,所用H2SO4電解液密度為1.280g/cm3(@25℃),實(shí)驗(yàn)溫度控制在60±2℃,在1.35V的恒電位下對合金樣條進(jìn)行腐蝕,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

    表1 合金腐蝕速率對比列表Table 1 Alloy corrosion rate comparison list

    注:* 重力澆鑄,** 連續(xù)鑄帶,*** 連鑄連軋;合金樣條中Sn、Ca、Al均為百分比含量;以Pure Pb**的腐蝕速率值為基準(zhǔn),用其它合金的腐蝕速率值除以該值,計(jì)算腐蝕速率倍數(shù)關(guān)系,以便更為直觀的對比合金的耐腐蝕性能。

    對表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,我們可得到如下結(jié)論:

    (1)PbSnCa合金體系:

    1)重力澆鑄,提高Sn含量可提高合金的耐腐蝕性能[7];

    2)軋制處理能一定程度上提高合金的耐腐蝕性能;

    3)連續(xù)鑄帶技術(shù)比重力澆鑄技術(shù)有優(yōu)越性。

    (2)PbSn合金:

    耐腐蝕性能:重力澆鑄<連續(xù)鑄帶<連鑄連軋。

    (3)Pure Pb:

    純鉛本身相對于PbSnCa合金和PbSn合金具有更好的耐腐蝕性能:重力澆鑄<連續(xù)鑄帶。

    3.1.2 SEM分析

    采用SEM對去除腐蝕層后的樣條表面微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步研究。為了更直觀反映樣條表面結(jié)構(gòu)狀況,均采用相同放大倍數(shù)、同樣大小標(biāo)尺進(jìn)行SEM照片拍攝,并進(jìn)行分類比較。

    (1)PbSnCa合金體系:PbSn1.2Ca0.08Al0.012重力澆鑄

    PbSn1.34Ca0.079連續(xù)鑄帶

    從圖6可以看到,PbSn1.2Ca0.08Al0.012和PbSn1.34Ca0.079兩種合金晶界、晶面均發(fā)生腐蝕,但腐蝕程度有差別。從40um及4um標(biāo)尺的微觀結(jié)構(gòu)SEM圖可以清楚的看到重力澆鑄的PbSn1.2Ca0.08Al0.012合金腐蝕更為嚴(yán)重。

    圖6 PbSnCa合金腐蝕后表面晶相結(jié)構(gòu)SEM圖Fig.6 SEM of thesurface crystal structure of PbSnCaalloy after corrosion

    (2)PbSn合金:PbSn0.748重力澆鑄

    PbSn0.61連續(xù)鑄造

    PbSn0.82連鑄連軋

    從圖7可以看出,通過重力澆鑄獲得的PbSn0.748合金晶粒明顯比通過連續(xù)鑄造獲得的PbSn0.61合金和連鑄連軋獲得的PbSn0.82合金大,說明連續(xù)鑄造技術(shù)和連鑄連軋技術(shù)可以對PbSn合金的晶粒結(jié)構(gòu)起到細(xì)化的作用,從而提高了PbSn合金的耐腐蝕性能。

    圖7 PbSn合金腐蝕后表面晶相結(jié)構(gòu)SEM圖Fig.7 SEM of thesurface crystal structure of PbSnalloy after corrosion

    (3)純鉛:Pure Pb重力澆鑄

    Pure Pb連續(xù)鑄造

    兩種純鉛樣條分別通過重力澆鑄和連續(xù)鑄造獲得。重力澆鑄獲得的樣條腐蝕后,表面晶相結(jié)構(gòu)細(xì)致均勻,腐蝕主要發(fā)生在晶界位置,晶面較少腐蝕。連續(xù)鑄造獲得的樣條腐蝕后,表面晶相結(jié)構(gòu)特殊,沒有出現(xiàn)晶界腐蝕形成的裂隙,推測發(fā)生的應(yīng)該是均勻的晶界晶面腐蝕。

    圖8 純鉛腐蝕后表面晶相結(jié)構(gòu)SEM圖Fig.8 SEM of thesurface crystal structure ofpure lead after corrosion

    綜上所述,合金腐蝕速率本質(zhì)上與其微觀晶相結(jié)構(gòu)存在很大的關(guān)系,而合金的加工的方式:重力澆鑄、連鑄連軋、連續(xù)鑄造,又對合金的微觀晶相結(jié)構(gòu)起到了決定性的作用。

    3.1.3 鉛帶制造設(shè)備

    成熟的鉛帶制造設(shè)備分為兩種:連續(xù)鑄帶或連鑄連軋。

    連續(xù)鑄帶技術(shù):將鉛帶直接鑄造到規(guī)定厚度,不經(jīng)過多級壓延軋制工序[8]。

    圖9 連續(xù)鑄帶設(shè)備Fig.9 Continuous casting equipment for lead stripmanufacture

    連鑄連軋技術(shù):先鑄造出厚鉛帶,再通過多級軋制獲得規(guī)定的厚度。軋制可起到細(xì)化合金晶粒的作用,增強(qiáng)合金的耐腐蝕性能及抗拉伸強(qiáng)度[9]。

    圖10 連鑄連軋?jiān)O(shè)備Fig.10 Continuous casting and rolling equipment

    3.2 連續(xù)極板制造技術(shù)及設(shè)備——板柵

    采用沖壓技術(shù),根據(jù)電池設(shè)計(jì)需求定制沖孔模具,連續(xù)生產(chǎn)沖孔板柵帶。由于經(jīng)過軋制的合金鉛帶表面非常光滑,與鉛膏的物理結(jié)合力比較差,為解決這一問題,目前的沖孔設(shè)備一般都具有對板柵進(jìn)行整形的功能(例如:改變板柵筋條截面形狀,板柵筋條波浪形處理,板柵表面粗糙化處理,板柵邊框加厚等),以增強(qiáng)鉛膏和板柵的結(jié)合[10]。

    圖11 連續(xù)沖孔設(shè)備、沖孔板柵Fig.11 Continuous punching equipment and punched grid

    3.3 連續(xù)極板制造技術(shù)及設(shè)備——極板

    板柵帶涂膏制作極板,采用連續(xù)涂板技術(shù)[8],一般是雙面涂膏,均勻超涂,需根據(jù)極板設(shè)計(jì)和設(shè)備涂板能力進(jìn)行綜合評估以選擇合適的設(shè)備。純鉛電池板柵帶薄、軟,強(qiáng)度低,易變形,連續(xù)涂板難度大。

    圖12 連續(xù)涂板設(shè)備Fig.12 Continuous pasting equipment

    連續(xù)涂板技術(shù)對鉛膏質(zhì)量要求較高,配備真空和膏機(jī)是一個(gè)較好的選擇。真空和膏機(jī)具有:不受環(huán)境的影響,和制的鉛膏均勻,一致性高,可重復(fù)性好,封閉的環(huán)保系統(tǒng),易于清潔等顯著特點(diǎn)。

    3.4 純鉛電池裝配

    純鉛電池極板薄、軟,強(qiáng)度低,這給包封配組帶來一定的困難,要求包封配組設(shè)備具有較高的自動化程度,且需要關(guān)注以下問題:

    (1)極耳較軟,刷極耳時(shí)要避免極耳變形;

    92)包封機(jī)能處理的極板、極群參數(shù)。

    對于純鉛電池而言,由于極耳薄、軟,匯流排焊接時(shí)通常使用鑄焊技術(shù)[11]。鑄焊設(shè)備選型主要考慮如下問題:

    (1)極板薄,強(qiáng)度差,純鉛極板適應(yīng)性;

    (2)極群厚度;

    (3)極板寬度、高度。

    3.5 純鉛電池化成

    純鉛電池極板薄,面積大,因此與傳統(tǒng)電池相比,加酸后,反應(yīng)面積大,反應(yīng)速度更快,短時(shí)間內(nèi)釋放大量熱量。圣陽公司的實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)純鉛薄極板電池加酸后,電池殼體外表面中部溫度ca.15min即升至峰值,工藝上要求電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱量需快速散出。同時(shí),為了更好的控制加酸后電池內(nèi)部的溫度,可將酸溫度控制在ca. 5-10℃,更低更好。

    圖13 純鉛電池加酸后溫度升高驗(yàn)證曲線(酸溫度8℃,環(huán)境溫度18℃)Fig.13 Temperature increasing curve of pure lead batteryafter filling acid(acid temperatur 8℃,ambient temperature 18℃)

    純鉛電池極板薄,可采用大電流、配合脈沖技術(shù)進(jìn)行化成,縮短化成周期。脈沖化成是一種高效的化成新技術(shù),它模擬化成期間極板的電化學(xué)反應(yīng)動態(tài),適時(shí)調(diào)整化成電流,提高充電效率;通過增加靜置和脈沖電流,取代傳統(tǒng)的放電方法,有效控制極板極化,減少發(fā)熱和水分解,縮短化成周期、降低酸霧排放。

    圖14 脈沖化成電流程序[12]Fig.14 Pulse formation current algorithm

    4 山東圣陽電源股份有限公司——純鉛電池產(chǎn)品設(shè)計(jì)

    山東圣陽電源股份有限公司,依據(jù)純鉛電池在UPS及通信領(lǐng)域的應(yīng)用要求,將產(chǎn)品主要?jiǎng)澐譃閮蓚€(gè)系列:DTL(Datalink)和DTB(Databank),產(chǎn)品尺寸及外形符合國際通用標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)品采用工業(yè)化外觀設(shè)計(jì),美觀大方,并充分考慮了純鉛電池結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性能對殼體強(qiáng)度的要求,代表性產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)如圖15所示。DTL、DTB這兩個(gè)系列電池的結(jié)構(gòu)特征及性能在表2詳細(xì)列出。

    圖15 DTL 12-425W、DTB 12-190F純鉛電池設(shè)計(jì)Fig.15 Design of SPS pure lead battery DTL 12-425Wand DTB 12-190F

    項(xiàng)目DTL系列DTB系列應(yīng)用領(lǐng)域UPS通信正板柵純鉛合金極板薄極板活性物質(zhì)正、負(fù)極活性物質(zhì)合適配比高倍率放電高循環(huán)性能,長壽命性能特點(diǎn)高功率密度高能量密度快速充電快速充電適用于惡劣環(huán)境電池使用溫度范圍-20~+65℃

    下面分別以DTL 12-425W、DTB 12-190F為例,簡單介紹電池設(shè)計(jì)參數(shù)及性能:DTL 12-425W電池重量ca.31kg,5minr/1.65Vpc放電功率可達(dá)到710W;DTB 12-190F電池重量ca.58kg,5minr/1.65Vpc放電功率可達(dá)到971W;高功率性能在國內(nèi)外同類產(chǎn)品中處于較高水平。而且DTB 12-190F0.4C10快充,80%DOD循環(huán)次數(shù)可達(dá)419次,與同行電池相比具有更好的循環(huán)性能。具體如表3、表4、圖16所示。

    表3 DTL 12-425W、DTB 12-190F電池設(shè)計(jì)參數(shù)Table 3 The battery design parameters of DTL 12-425Wand DTB 12-190F

    表4 DTL 12-425W、DTB 12-190F電池功率性能Table 4 The battery power performance of DTL 12-425Wand DTB 12-190F

    圖16 DTB12-190F 0.4C10快充,80%DOD循環(huán)性能Fig.16 The cycling performance of DTB12-190F with0.4C10 fast charge, 80%DOD

    5 結(jié)論

    純鉛電池及其先進(jìn)連續(xù)極板制造技術(shù)是鉛酸電池工業(yè)自動化改革的重要方向,一方面,制造技術(shù)更為高效、清潔、環(huán)保;另一方面,電池具有更高的性價(jià)比。未來,圣陽公司會投入更多的資源,對純鉛電池的設(shè)計(jì)、制造、性能以及產(chǎn)品系列的擴(kuò)展做更為深入的研究。

    山東圣陽電源股份有限公司一直致力于推動新型高效電池制造技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,提高產(chǎn)品制造自動化水平和生產(chǎn)效率,促進(jìn)清潔工藝生產(chǎn)和節(jié)能技術(shù)的推廣和應(yīng)用。也希望通過我們的努力,為純鉛電池制造技術(shù)的研究、應(yīng)用,以及整個(gè)鉛酸電池行業(yè)的技術(shù)革新進(jìn)步做出我們的一份貢獻(xiàn)。

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