啟停系統(tǒng)鉛酸蓄電池的保障
—AGM隔膜

倪君，王偉

(中材科技股份有限公司膜材料公司，南京 211106)

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啟停系統(tǒng)鉛酸蓄電池的保障
—AGM隔膜

倪君，王偉

(中材科技股份有限公司膜材料公司，南京 211106)

摘 要：介紹了閥控密封鉛酸蓄電池的工作原理，AGM鉛酸蓄電池在啟停系統(tǒng)中的應(yīng)用，及啟停系統(tǒng)時鉛酸蓄電池的性能要求。從AGM隔膜厚度均勻性、孔隙率、吸酸性能、強度和壓縮比等方面闡述了啟停系統(tǒng)鉛酸蓄電池對AGM隔膜的要求，并簡單展望了啟停系統(tǒng)用AGM鉛酸蓄電池的未來發(fā)展空間。

關(guān)鍵詞：啟停系統(tǒng)；鉛酸蓄電池；AGM隔膜

0前言

目前政府對節(jié)能環(huán)保汽車的鼓勵和監(jiān)督逐步加強，越來越多的人開始關(guān)注如何應(yīng)對氣候變化，探討減少二氧化碳排放，汽車行業(yè)正迎來巨大挑戰(zhàn)，尤其是城市中行走的汽車，啟動頻繁，每啟動一次導(dǎo)致的燃油消耗，可用于正常行駛3 km，作為1.7億輛汽車擁有量，且每年以高于15%比例增長的汽車大國，汽車啟停系統(tǒng)的應(yīng)用可減少5%～10%的排放量，啟停技術(shù)將成為節(jié)能減排的主要貢獻手段。而啟停技術(shù)的應(yīng)用對汽車電池的性能提出了更高的要求。

啟動-停止是在怠速時關(guān)閉汽車發(fā)動機的一種全新的汽車平臺。啟停系統(tǒng)運行過程中，發(fā)動機關(guān)閉時，可提供車輛電器系統(tǒng)，包括娛樂、照明等的電能，且支持發(fā)動機在1 s內(nèi)重新啟動的專用蓄電池稱為啟停電池[1-2]。啟停電池是啟停系統(tǒng)充分發(fā)揮特性的關(guān)鍵。AGM電池以其優(yōu)異的循環(huán)性能，充電接受能力以其在低充電狀態(tài)下的工作能力，成為支持汽車啟停系統(tǒng)的理想選擇。目前，汽車制造商選擇將AGM密封鉛酸蓄電池作為電源啟動-停止汽車的首選電池。

1閥控密封鉛酸蓄電池(VRLA)工作原理

閥控密封鉛酸蓄電池(VRLA)主要由正極板(活性物質(zhì)為PbO2)、負極板(海綿狀金屬Pb)、隔膜、電解液等組成[3]。充電是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能貯存，放電是將電池中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為直流電能，并反復(fù)進行充放電循環(huán)。傳統(tǒng)鉛酸蓄電池在充電后期，充電電流將被用來分解水，正極析出氧氣，負極析出氫氣，從而造成電池失水干涸；VRLA蓄電池對負極活性物質(zhì)過量設(shè)計，使得負極不能析出氫氣，而正極產(chǎn)生的氧氣與負極鉛反應(yīng)，從而保持電池內(nèi)部電解液濃度不變。電極上電化學(xué)反應(yīng)如下：

負極反應(yīng)：

正極反應(yīng)：

當(dāng)充電后期時，電極反應(yīng)如下：

正極開始析出氧氣，正極反應(yīng)：

氧氣擴散到負極，負極反應(yīng)：

2AGM鉛酸蓄電池在啟停系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前，汽車啟停系統(tǒng)主要采用富液式增強性蓄電池(EFB)和玻璃纖維吸附式蓄電池(AGM)。EFB蓄電池槽內(nèi)除去極板、隔膜及其它組裝部件的剩余空間完全充滿電解液，電解液處于富余過量狀態(tài)。但其在使用過程中，一方面，水耗非常大，電池在極板上方必須有電解液的存儲空間，導(dǎo)致極板高度的降低；另一方面，極板表面和隔膜需給酸提供足夠空間，而長期電化學(xué)反應(yīng)(振動)使得活性物質(zhì)脫落，同時酸會慢慢分層，導(dǎo)致濃差極化，加大了自放電現(xiàn)象，使得電池壽命縮短。

AGM蓄電池是閥控式鉛酸(VRLA)蓄電池，采用玻璃纖維隔膜，高孔隙率性能使其能夠吸附足夠的電解液，集中了VRLA蓄電池和EFB蓄電池優(yōu)點為一體。使用過程中，一方面由于AGM隔膜具有孔道，氧在電池內(nèi)部重組，正極析出的氧在負極重新結(jié)合，使用過程中水耗極小，從而可以提高極板高度，具有更好的冷啟動性能；另一方面極板與AGM隔膜間無空隙，AGM隔膜均勻地被擠壓在極板之間，酸吸附在AGM隔膜中，能有效防止蓄電池“酸層化”現(xiàn)象的發(fā)生[4]。

與EFB蓄電池相比，AGM鉛酸蓄電池具有較大的優(yōu)勢。它具有較長的壽命，優(yōu)良的冷啟動能力以及可以提供更高的能量。其運用于啟停系統(tǒng)中，可以更多的減少CO2排放量從而提高節(jié)油效率。因此AGM鉛酸蓄電池將是未來混合動力汽車啟停系統(tǒng)的主流。

3啟停系統(tǒng)對鉛酸蓄電池的性能要求

啟停系統(tǒng)電池技術(shù)是推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重中之重，實現(xiàn)降低成本以及達到降低油耗從而減少排放的目的。隨著啟停系統(tǒng)在混合動力汽車中應(yīng)用越來越普及，車輛需要采用專門的蓄電池，普通的鉛酸蓄電池在使用過程中壽命縮短，影響了汽車啟停功能的實現(xiàn)，故無法應(yīng)用于啟停系統(tǒng)。針對汽車啟停系統(tǒng)的特性，對鉛酸蓄電池的要求如下：

鉛酸蓄電池需具有大電流放電性能，可以頻繁啟動發(fā)電機，同時發(fā)動機啟動時，電池需要點火并給電動機供電；很強的充電接收性能，對外供電次數(shù)多，供電量大，車在減速和剎車時產(chǎn)生的能量能快速為電池充電；大容量，發(fā)動機停止過程中，電池能滿足汽車所需電力；較好的耐久性能以及更長的循環(huán)壽命。

鉛酸蓄電池常見的失效模式是負極不可逆硫酸鹽化，正極板柵腐蝕，電池失水以及電池短路[5]。Fernandez研究了鉛酸電池硫酸鹽化的失效機理，PbSO4在充放電過程中重結(jié)晶長大，堆積阻礙了硫酸在反應(yīng)孔間的擴散，導(dǎo)致電池容量損失和壽命降低[6]；正極板柵腐蝕是指VRLA蓄電池充電時，陽極氧化反應(yīng)使得板柵變細甚至斷裂，導(dǎo)致活性物質(zhì)與板柵接觸變差，影響了VRLA蓄電池的充放電性能；電池失水是由于鉛酸蓄電池內(nèi)氧復(fù)合效率低于100%以及水分蒸發(fā)造成電解液減少，導(dǎo)致電池放電性能大幅下降；電池短路主要是由于極板生成的鉛結(jié)晶穿透隔膜以及活性物質(zhì)脫落，從而使得電池失效。

相關(guān)研究表明，電池短路與失水等問題都與AGM隔膜有密切的關(guān)系，AGM隔膜對電池性能的影響與極板的作用同等重要，所以啟停系統(tǒng)用鉛酸蓄電池對極板要求更高的同時，對AGM隔膜同樣有著更高的要求。

4啟停系統(tǒng)鉛酸蓄電池對AGM隔膜的要求

AGM隔膜作為電池的“第三電極”，由超細玻璃纖維(直徑0.1～10 μm)制成。AGM隔膜決定著電池性能和質(zhì)量優(yōu)良與否，是其成敗的關(guān)鍵。AGM隔膜性能對啟停系統(tǒng)鉛酸蓄電池的影響主要表現(xiàn)在厚度均勻性、孔隙率、拉伸強度、壓縮比、吸酸性能及電解液保持能力等方面。因此，研制出低成本高性能滿足啟停系統(tǒng)用鉛酸蓄電池AGM隔膜迫在眉睫，本文就AGM隔膜有關(guān)性能對啟停系統(tǒng)鉛酸蓄電池性能的影響進行論述。

4.1AGM隔膜厚度均勻性

AGM隔膜均勻性主要指厚度均勻一致，它直接影響電池的容量。在電池裝配時，隔膜緊貼電池極板，可以防止活性物質(zhì)脫落，均勻性好的隔膜不同部位受到的壓力較為均勻[7-8]，對電解液的吸附也較為均勻，從而充放電時電池各極板上的電流分布較為均勻。據(jù)有關(guān)文獻報道，隔膜越厚，均勻性越難以控制，影響著電池的性能。隔膜所用玻璃纖維直徑越細，厚度受壓力影響越??；反之玻璃纖維直徑越粗，則厚度受壓力影響越大。為了解決隔膜的厚度均勻性，可在隔膜中添加部分細玻璃纖維，其有較大的比表面積，粗玻璃纖維在成型過程中形成骨架結(jié)構(gòu)，而細玻璃纖維可填充在骨架之中，形成的隔膜結(jié)構(gòu)較為致密，厚度均勻性好，從而保證了啟停系統(tǒng)在正常運轉(zhuǎn)時電池容量要求。

4.2AGM隔膜孔隙率與吸酸性能

隔膜的孔隙率和吸酸量的大小對電池的性能有直接的影響?？椎慕Y(jié)構(gòu)與吸液快慢、吸液量有著直接的關(guān)系，較小孔徑的隔膜具有良好的潤濕性，即具有較高的電解液保持能力，大孔可以讓氧氣通過，提高密封反應(yīng)效率[9-10]。隔膜孔隙率越大，對電池的大放電性能有利，它能夠吸收足夠的電解液保證電池的大容量放電，電池的內(nèi)阻就小。啟停系統(tǒng)為了實現(xiàn)更好的大容量放電，即要求隔膜具有高的孔隙率和吸酸性能。

一方面，AGM隔膜主要由粗細玻璃纖維抄造而成，細玻璃纖維具有較高的比表面積，其制成的隔膜孔隙率高，具有致密的膜結(jié)構(gòu)以及較好的吸酸性能，通過調(diào)整細玻璃纖維的添加比例，可以改善隔膜的孔隙率和吸酸性能；另一方面，在緊裝配下電解液量直接影響了電池密封反應(yīng)效率，為了多加電解液以保證蓄電池的容量而又不影響密封反應(yīng)效率，讓氧氣通過，可以在隔膜中添加部分有機纖維，使得隔膜具有憎斥電解液的孔道供氧氣通過，氧氣以一定速率到達負極板后，被活性物質(zhì)及時吸收，致使電池向外部析出的氣體量相應(yīng)減少，電池內(nèi)部電解液水分散失也相應(yīng)緩慢。

4.3AGM隔膜強度性能

AGM隔膜強度性能決定了電池的循環(huán)壽命，隔膜在電池充放電循環(huán)過程中可以抑制活性物質(zhì)膨脹與收縮。電池制造過程是連續(xù)化大生產(chǎn)，隔膜抗張強度低，裝配時無法適應(yīng)機械化大生產(chǎn)；穿刺強度低，電池使用過程中極板毛刺或鉛枝晶可能會穿刺隔膜，導(dǎo)致電池短路，縮短使用壽命[11]。AGM隔膜的強度來源于纖維相互交織產(chǎn)生的摩擦力，隔膜受到外力時，隔膜受到拉伸，纖維之間發(fā)生滑動或被拉斷。所以隔膜中細纖維越多，強度性能越好，是因為細纖維的比表面積大，可以增加纖維間的交織面積；另外，有機纖維在隔膜烘干過程中，可以部分熔化與玻璃纖維混合交織形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能夠提高隔膜的抗張強度與干、濕態(tài)下抗穿刺性能。

4.4AGM隔膜壓縮比

大部分研究表明，壓縮隔板不僅可以抑制或延緩早期容量損失(PLC)現(xiàn)象的發(fā)生，而且可以延長鉛酸蓄電池深循環(huán)壽命。因此在電池充放電循環(huán)中，始終保持極板處于壓縮狀態(tài)，有利于延長鉛酸蓄電池的循環(huán)壽命。在一定的壓縮比范圍內(nèi)，電池的循環(huán)性能隨隔膜壓縮比增加而提高，壓縮比超過一定限值，電池的循環(huán)性能會降低[12]。因此可以通過增加隔膜中細玻璃纖維比例，增加壓縮比，從而電池失水量、內(nèi)阻的變化幅度相應(yīng)減小，高倍率放電時間延長，所以能夠延長啟停系統(tǒng)鉛酸蓄電池的循環(huán)壽命和浮充壽命。

5展望

微混動力汽車市場正在蓬勃興起，每年以25%速度穩(wěn)定的增長，預(yù)計到2020年將覆蓋全球15%左右的汽車市場。目前汽車的啟停技術(shù)仍處于發(fā)展時期，國內(nèi)外學(xué)者也正致力于啟停系統(tǒng)AGM蓄電池的開發(fā)與研究，從而使其滿足市場需求。國內(nèi)蓄電池企業(yè)的啟停系統(tǒng)電池所占市場份額較少，所以對鉛酸蓄電池進行改進，改善AGM隔膜性能，研發(fā)啟停系統(tǒng)用AGM鉛酸蓄電池，是目前階段的重中之重。

參考文獻

[1]劉小鋒.怠速啟停微混車用AGM電池[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2014，12(10)：17-19.

[2]沈陽蓄電池研究所.怠速啟停車用鉛蓄電池技術(shù)的發(fā)展歷程[J].電源世界，2015，12(9)：42-43.

[3]Pavlov D，Ruevski S，Naidenov V，et al.Influence of temperature，current and number of cycles on the efficiency of the closed oxygen cycle in VRLA batteries[J].Journal of power sources，2000，85(1)：164-171.

[4]陳積先，讓松，覃北階，等.基于工況仿真的啟停功能AGM鉛酸電池性能研究[J].汽車科技，2015，6(3)：27-31.

[5]王吉校，王秋虹.VRLA蓄電池的失效模式研究[J].蓄電池，2008，6(2)：58-61.

[6]劉志鵬，顧大明，陳鋒強，等.鉛炭電池技術(shù)的研究[J].蓄電池，2014，6(1)：282-286.

[7]閆智剛.AGM隔板對密封鉛酸蓄電池性能的影響[J].電動自行車，2011，12(3)：24-26.

[8]包有富，張華，胡信國.AGM隔板性能對密封鉛酸蓄電池性能的影響[J].電源技術(shù)，2000，24(5)：262-263.

[9]趙金珠，張華.VRLA電池用AGM隔板性能的探討[J].蓄電池，2000，6(3)：17-19.

[10]陳紅雨，黃鎮(zhèn)澤.AGM隔板的研究與應(yīng)用[J].蓄電池，1996，6(2)：6-7.

[11]黨志敏，劉桃松，項文敏.VRLA電池AGM隔板性能測試方法討論[J].2014，44(5)：311-312.

[12]馬蘭芳.超細玻璃纖維隔板對鉛酸蓄電池性能的影響[P].2009.

Guarantee of Lead-Acid Battery ion Start-Stop System-AGM Separator

Ni Jun，Wang Wei

(Membrane Material of Sinoma Science & Technology Co.Ltd，Nanjing 211106)

Abstract:The article below describes the working principle of valve regulated lead-acid battery (VRLA), the use of AGM lead-acid battery in start-stop system, and the requirements of start-stop system for the performance of lead-acid battery. In terms of thickness evenness, porosity and acid absorptivity, strength and compression ratio of AGM separator, the article elaborates the requirements of lead-acid battery for AGM separator, and briefly predicts the futural development of AGM lead-acid batteries used in start-stop system.

Key words:start-stop system；lead-acid battery；AGM separator

中圖分類號：TQ171.77+7.73

文獻標(biāo)識碼：A

收稿日期：2016-03-28

作者簡介：倪君，男，1976年生，工程師。主要從事新型隔膜方面的研究。

修回日期：2016-03-30