電動自行車用鉛酸電池低溫容量影響因素分析

劉玉，郭志剛，李桂發(fā)，鄧成智，陳飛，班濤偉，陳志平（天能集團研究院，浙江 長興 313100）

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電動自行車用鉛酸電池低溫容量影響因素分析

劉玉，郭志剛，李桂發(fā)，鄧成智，陳飛，班濤偉，陳志平
（天能集團研究院，浙江 長興 313100）

摘要：本文圍繞動力電池低溫容量影響因素分析，從裝配壓力、炭材料、木素及化成工藝四個方面進行了研究。實驗結果表明：裝配壓力會對電池低溫容量產生影響；高比表面積的炭材料能夠明顯降低低溫容量，加速電池失水；化成溫度超過 45 ℃時，低溫容量基本不合格；此外降低木素的添加量，低溫容量也會明顯降低，特別是在化成溫度較高的情況下，下降得特別明顯。

關鍵詞：電動自行車；動力電池；低溫容量；裝配壓力；比表面積；木素；炭材料；化成

0 引言

對于電動自行車用鉛酸蓄電池的低溫性能而言，除了自然環(huán)境對其造成的影響之外，電池本身的設計、材料及生產工藝也會產生明顯的影響，因此本文從電池的裝配壓力、負極添加劑炭材料和木素及化成工藝幾方面著手，探討如何提高電池的低溫放電容量。

1 裝配壓力

為保證電池的動力性能，極群的裝配壓力是電池設計過程中的一個重要參數，適宜的裝配壓力能夠明顯提高電池的性能，延長電池的使用壽命[1]。

目前市場上常見的三款電動車自行車用電池型號為 6-DZM-12、6-DZM-20 和 6-EVF-32A。6-DZM-12 電池的結構如圖 1(a) 所示， 6-DZM-20 和 6-EVF-32A 電池的結構如圖 1(b) 所示。6-DZM-12 電池在循環(huán)過程中，6 個單格彼此之間不會有太大的影響，而對于 6-DZM-20 和 6-EVF-32A電池，6 個單格一字排開，隨著極群的膨脹和收縮，單格間互相擠壓，彼此之間裝配壓力存在影響，中間單格和兩邊單格會存在差別，裝配壓力對電池低溫性能的影響在這樣結構的電池上尤為明顯。

為了保證 6-EVF-32A 電池的 6 個單格彼此之間不受影響，均裝成 2 V 單體電池，然后測試其在不同裝配壓力下的常溫和低溫放電性能。從圖 2 曲線上可以看到，單體電池在常溫放電過程中，放電時間比較接近，而在低溫測試過程中，裝配壓力較低的 2# 和 4# 兩單格放電時間較短，電壓平臺也要明顯低于其它單格。要注意到的是，圖中單體電池的裝配壓力勻為干態(tài)極群的裝配壓力。

圖 1　電池結構立體圖

圖 2　6-EVF-32A 單格電池放電測試（15 A）

測試結束后對電池進行了解剖，對極群濕態(tài)的裝配壓力也進行了測試，數據如表 1 所示。從表 1 中可以看到電池的濕態(tài)壓力值（真實裝配壓力值），大約為干態(tài)壓力值的 45 %～50 %。該值是電池未進行循環(huán)壽命測試前所測得的，假如進行壽命測試，該值會持續(xù)地降低。結合圖 2，可以看到裝配壓力低的單體電池，其低溫性能明顯比裝配壓力高的單體電池差。但是就不同電池結構而言，裝配壓力高低的影響各不相同。此外如何從控制干態(tài)的極群裝配壓力出發(fā)，來保證濕態(tài)的壓力是技術上需要解決的問題。

表 1　裝配前干態(tài)裝配壓力和測試后濕態(tài)裝配壓力

2 炭材料

炭材料作為負極導電劑，在電池充放電過程中，起著導電網絡的作用[2]。目前市場上炭材料的種類較多，性能也千差萬別，在實驗過程中發(fā)現(xiàn)不同比表面積的炭材料對電池低溫性能影響的差別非常大。本實驗采用為三種炭材料：A 為目前負極配方中常見的乙炔黑，比表面積為 70 m2/g；B 的比表面積為 220 m2/g；C 的比表面積為 1400 m2/g。

為了排除單格之間裝配壓力的差異，本次實驗仍選用 2 V 單體作為實驗電池，容量為 20 Ah。四種實驗配方中，炭材料所占質量分數均相同，其中1#、2#、3# 分別添加 A、B、C 炭材料，4# 按質量比 1∶1 添加 A 和 C 混合的炭材料。1# 和 2# 配方均按照常規(guī)工藝進行和膏，3# 和 4# 配方在加入和膏機之前對高比表面積炭材料 C 進行了預濕攪拌。電池裝配過程中，對干態(tài)極群的裝配壓力進行了全檢，裝配壓力值為 60～65 kPa?；山Y束后對電池進行了性能測試，測試結果如表 2 所示。

表 2　不同比表面積炭材料電池性能測試

從表 2 可以看到，3# 實驗電池的低溫性能最差，4# 實驗電池次之，1# 和 2# 實驗電池無明顯的差異，顯然高比表面積炭材料的添加對電池低溫放電有抑制作用。炭材料廠家認為，添加高比表面積的炭材料能夠吸附木素，導致木素在負極中處于“失效”的模式，所以可以考慮增加木素的添加量；但是對于企業(yè)而言，增加木素的量，顯然會增加電池的生產成本，另外從技術角度而言，木素的增加，對電池的充電接受能力也會有明顯的抑制作用。

常規(guī)性能測試結束后，我們對編號為 1、2、5、6 的四只單體電池進行了壽命測試。從圖 3 壽命測試期間前 100 次的失水情況可以看出，高比表面積炭材料的添加，極大地加劇了電池的失水量（約為常規(guī)電池的 4 倍），加速了電池的失效。因此，對于深循環(huán)用途的動力電池而言，添加高比表面積的炭材料會明顯降低電池的低溫容量，加速電池在循環(huán)過程中的失水，縮短電池的使用壽命。

圖 3　循環(huán)壽命前 100 次失水

3 木素及化成溫度

木素作為負極添加劑，對電池的低溫性能起著至關重要的作用[3]，然而作為一種有機高分子材料，其對電池低溫性能的影響機理，應該說是錯綜復雜[4]。電池加酸充電化成過程中，隨著硫酸電解液的加入，電池內部發(fā)生劇烈的化學反應，內部溫度瞬間陡升，能夠達到 90 ℃ 左右，特別是在夏季，即便對電解液進行冷處理，還是會有明顯的溫升[5]。在充電過程中，隨著活性物質的轉換，電池溫度始終處于變化中，所以木素的耐高溫性能直接決定了其對電池低溫性能的影響。

本文結合電池充電化成溫度，對 A 和 B 兩種木素進行了研究，其中對木素 A 采用了兩種實驗方案 ( 1 和 2 )，且方案 2 中的木素添加量為方案 1中的 75 %，木素 B 的添加量同方案 1 中木素 A 的相同，其他配料及含量均相同。實驗電池型號為6-DZM-20。裝配過程中對極板重量和極群的裝配壓力進行了全檢，保證電池在干態(tài)情況下的一致。圖 4 為電池化成過程中溫度采集情況，其中電池側面溫度為極板面方向的溫度，電池上表面溫度為電池中蓋的溫度。

從圖 4(a) 可以看到，在電池化成過程中，因無法保證水浴溫度恒定 30 ℃，所以電池側面溫度超過 40 ℃；從圖 4(b) 可以看到，把水浴溫度設定為恒定 45 ℃ 和 55 ℃ 后，基本處于可控狀態(tài)，無論是充電階段還是放電階段，電池溫度未出現(xiàn)明顯上升或下降，也就是說，在這兩個溫度條件控制下，整個化成期間，電池基本保持恒溫。要說明的是，圖中所采集的溫度為電池外表面的溫度，實際電池內部的溫度要遠高于電池表面的溫度。實驗過程中水浴一直處于恒溫狀態(tài) (45 ℃和 55 ℃)，因此相當于木素一直處于一個極限環(huán)境條件下。

化成結束后對電池進行常規(guī)性能測試。關于常溫 2 小時率容量，實驗電池基本相當，沒有出現(xiàn)任何差異。偶有看到國內外木素材料廠家提出，木素的添加量會對電池的常溫容量產生影響，但是在本次實驗及重復實驗中均未發(fā)現(xiàn)有此情況。

圖 4 化成過程中采集的溫度

從圖 5 可以看到，化成溫度會對電池低溫容量產生非常大的影響，當化成溫度超過 45 ℃ 以后，電池的低溫容量基本不合格，而當化成溫度到了55 ℃，低溫容量基本處于常規(guī)電池壽命終止后的情況。在相同添加量的情況下，分別添加兩種木素的電池都出現(xiàn)了相同的情況。此外，降低木素的添加量后，電池的低溫容量也會明顯降低，特別是在化成溫度較高的情況下，下降得特別明顯。

圖 5　化成溫度和低溫容量

圖 6　化成溫度和充電接受能力

從圖 6 可以看到：減少木素的添加量能夠明顯提高電池的充電接受能力；提高化成溫度后，隨著木素的析出氧化，實則變相地減少了木素的添加量，充電接受能力也有明顯提升；對于這兩種木素，在相同添加量的情況下，有類似的規(guī)律。要注意到的是，部分實驗電池處于不合格的狀態(tài)，當然由于影響因素眾多，不能簡單地認為，就是因為該木素在該條件下，所以才會出現(xiàn)充電接受不合格的情況。

4 結論

通過本文的實驗研究和分析探討得出，影響電池低溫容量的因素有以下幾方面：

（1）電池裝配壓力對電池低溫容量會有明顯的影響；（2）對于深循環(huán)用途的動力電池而言，

添加高比表面積炭材料會明顯降低電池的低溫容量，加速電池在循環(huán)過程中的失水，縮短電池的使用壽命；（3）化成溫度超過 45 ℃ 以后，低溫容量基本不合格，此外，降低木素的添加量，低溫容量也會明顯降低，特別是在化成溫度較高的情況下，下降得特別明顯。

參考文獻：

[1] 柴樹松, 吳淳. 壓力對密封鉛酸蓄電池性能的影響[J]. 電池, 1998, 28(3): 120-122.

[2] Pavlov D, Nikolov P, Rogachev T. Influence of carbons on the structure of the negative active material of lead-acid batteries and on battery performance[J]. J. Power Sources, 2011, 196: 5155-5167.

[3] Pavlov D, Myrvold B O, Rogachev T, et al. A new generation of highly efficient expander products and correlation between their chemical composition and the performance of the lead–acid battery[J]. J. Power Sources, 2000, 85: 79-91.

[4] Matrakova M, Rogachev T, Pavlov D, et al. Influence of phenolic group content in lignin expanders on the performance of negative lead–acid battery plates[J]. J. Power Sources, 2003, 113: 345-354.

[5] 郭志剛, 劉玉, 毛書彥, 等. 電池化成工藝對深循環(huán)電池性能的影響[J]. 蓄電池, 2014(6)：265-268.

The analysis of infl uence factors on the capacity of lead-acid battery for E-bike at low temperature

LIU Yu, GUO Zhigang, LI Guifa, DENG Chengzhi, CHEN Fei, BAN Taowei, CHEN Zhiping
(The Academy of Tianneng Group, Changxing Zhejiang 313100, China)

Abstract:The infl uence factors of assembling pressure, carbon material, sodium lignosulfonate and container formation temperature on the capacity of lead-acid battery for E-bikes at low temperature were mainly examined in this paper. The experiments results showed that the assembly pressure affected the capacity at low temperature. The carbon materials with high specifi c surface area could signifi cantly reduce the capacity at low temperature and accelerate the water loss. If the temperature was higher than 45℃, it would bring in adverse effects on the capacity at low temperature. Moreover, if the amount of sodium lignosulfonate was reduced, the low temperature capacity would be signifi cantly reduced, especially in the case of higher formation temperature.

Key words:E-bike, power battery; capacity at low temperature; assembling pressure; specific surface area; sodium lignosulfonate; carbon material; formation

收稿日期：2015-11-19

中圖分類號：TM 912.1

文獻標識碼：B

文章編號：1006-0847(2016)02-76-04