稀土鉛基板柵合金對(duì)動(dòng)力型鉛酸電池性能的影響

李愛(ài)菊，陳紅雨*，黃文輝，譚新雨，彭濱

（1. 華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，廣州 廣東 510006；2. 佛山市尤尼電池有限公司，佛山 廣東 528000）

稀土鉛基板柵合金對(duì)動(dòng)力型鉛酸電池性能的影響

李愛(ài)菊1，陳紅雨1*，黃文輝2，譚新雨2，彭濱2

（1. 華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，廣州 廣東 510006；2. 佛山市尤尼電池有限公司，佛山 廣東 528000）

本文研究了稀土鉛基板柵合金對(duì)動(dòng)力型鉛酸蓄電池性能的影響。首先選用含稀土元素鑭的鉛基合金板柵組裝成動(dòng)力型鉛酸蓄電池，根據(jù)《電動(dòng)汽車用鉛酸蓄電池》（QC/T 742—2006）標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電池的容量、放電性能、充電接受能力、循環(huán)壽命和裝車行駛里程進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：添加稀土元素的電池相對(duì)于普通電池，初始容量稍有下降；任何溫度下稀土元素都能提高電池的放電性能，尤其在低溫和高溫時(shí)，效果更加明顯；添加稀土元素的動(dòng)力電池的快速充電接受能力明顯高于普通電池的；稀土添加劑可以提高電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的循環(huán)使用壽命。電動(dòng)汽車行駛結(jié)果表明，前 200 次循環(huán)以內(nèi)，使用稀土鉛基板柵合金電池和普通電池時(shí)的行駛里程相當(dāng)，但 200 次循環(huán)使用后，使用普通電池時(shí)的行駛里程急劇減少，而用稀土電池在第 600 次循環(huán)時(shí)的行駛里程還能達(dá)到 38 km。

鉛基板柵合金；動(dòng)力型鉛酸蓄電池；稀土元素；鑭；電動(dòng)汽車；快速充電接受能力；循環(huán)壽命

0 引言

隨著世界范圍內(nèi)石油資源的匱乏與環(huán)境污染的加劇，混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車等新能源汽車的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整已成為全球關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的核心技術(shù)。鉛酸蓄電池具有價(jià)格低、單體電壓高、生產(chǎn)技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，在比功率、浮充壽命、自放電、操作溫度范圍、能量效率、回收率以及經(jīng)濟(jì)性等方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，成為了目前電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的首選[1]。板柵作為傳導(dǎo)電流和支撐活性物質(zhì)的載體，其合金的性質(zhì)成了決定鉛酸蓄電池性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素之一。目前用于鉛酸蓄電池板柵的合金主要是鉛鈣合金，特別是稀土鉛鈣合金。

稀土元素是一種味精式的添加劑，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。在板柵合金中添加稀土元素可以提高其電化學(xué)性能[2-4]。筆者研究表明，稀土元素鑭可以抑制陽(yáng)極氧化鉛和二氧化鉛膜的生長(zhǎng)，使活性物質(zhì)與板柵有效緊密地接觸，可基本解決因活性物質(zhì)脫落而導(dǎo)致電池失效的問(wèn)題[5-6]。

目前對(duì)稀土鉛合金的研究主要集中在合金的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能方面，而對(duì)于稀土鉛合金在工業(yè)化電池中的應(yīng)用研究幾乎是空白。本文作者在實(shí)驗(yàn)室相關(guān)研究成果基礎(chǔ)之上，與電池企業(yè)合作詳細(xì)研究了稀土元素鑭對(duì)動(dòng)力型鉛酸蓄電池性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

為了驗(yàn)證稀土鉛基板柵合金對(duì)動(dòng)力型閥控式鉛酸蓄電池性能的影響，本研究選擇電動(dòng)汽車用 12 V 150 Ah 含鑭鉛基板柵的動(dòng)力型鉛酸蓄電池。表 1 為實(shí)驗(yàn)電池的板柵設(shè)計(jì)參數(shù)。按照常規(guī)的工藝組裝含有稀土鑭和未含稀土的鉛酸蓄電池，并對(duì)整個(gè)蓄電池的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行跟蹤。由表 2 可知，兩種電池的基本物理性能幾乎沒(méi)有差別。按照《電動(dòng)汽車用鉛酸蓄電池》（QC/T 742—2006) 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行產(chǎn)品性能的試驗(yàn)與檢測(cè)，包括對(duì)電池的容量、壽命和裝車行駛里程的測(cè)試研究。

表1 板柵設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 電動(dòng)汽車用12 V 150 Ah 鉛酸電池基本參數(shù)kg

2 結(jié)果與討論

2.1 容量特性測(cè)試

在 25℃下，測(cè)定不同小時(shí)率的電池容量，放電終止電壓為 10.5 V，連續(xù)測(cè)試 3 次得到初始容量（初始容量為 3 次放電的平均值）。從表 3 可以看出，添加稀土的電池的初始容量相對(duì)于普通電池略下降?？赡苁且?yàn)槲刺砑酉⊥凌|的鉛鈣錫鋁合金板柵在充電過(guò)程中，表面生成了疏松的 PbO2而導(dǎo)致電池初始容量提高。這也進(jìn)一步驗(yàn)證了稀土元素對(duì)鉛合金表面 PbO2膜生長(zhǎng)的抑制作用[6]。

2.2 電池放電特性

圖1 是電池在 25℃、-20℃和 40℃條件下的 3 小時(shí)率放電曲線。由圖 1 可知，在不同的測(cè)試溫度下稀土元素都可以提高電池的放電性能，在低溫和高溫時(shí)，效果更加顯著。此外，在低溫和高溫時(shí)，隨著放電時(shí)間的延長(zhǎng)，稀土電池的優(yōu)異放電性能表現(xiàn)得更加明顯。其原因可能是稀土元素能夠促進(jìn)合金表面樹(shù)枝狀晶體的生長(zhǎng)，不但能增強(qiáng)腐蝕層與活性物質(zhì)間的結(jié)合力，而且能夠提高腐蝕層的導(dǎo)電能力[6]。

圖1 電池在不同溫度下的 3 小時(shí)率放電曲線

表3 電動(dòng)汽車用 12 V 150 Ah 鉛酸電池初始容量Ah

2.3 充電接受能力測(cè)試

圖2 是不同類型電池的快速充電接受能力曲線。從圖上可以看出，稀土動(dòng)力電池 60 min 基本可以實(shí)現(xiàn) 100 % 充電，而普通動(dòng)力電池 60 min 僅充入額定容量的 85 %，牽引電池則更差。

圖2 不同類型電池快速充電接受能力曲線

表4 不同用途 12 V 150 Ah 鉛酸電池循環(huán)過(guò)程中電壓差的變化V

圖3 不同電池電壓隨循環(huán)變化曲線

2.4 循環(huán)壽命測(cè)試

表4 給出了相同容量的 4 種不同電池循環(huán)使用過(guò)程中電壓差值。數(shù)據(jù)顯示，普通電動(dòng)汽車用電池循環(huán) 500 次后電壓差值達(dá) 2.0 V，而電動(dòng)汽車用稀土電池循環(huán) 500 次后的電壓差值僅有 1.05 V。由此可見(jiàn)，稀土添加劑可以促進(jìn)電池的循環(huán)使用性能。圖 3 是 4 種電池放電深度（DOD）為 80 % 時(shí)的循環(huán)壽命測(cè)試結(jié)果。結(jié)果進(jìn)一步顯示，稀土添加劑可以提高電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的循環(huán)使用壽命，這可能是因?yàn)橄⊥撂砑觿┛梢愿纳坪辖鸨砻嫜趸さ慕Y(jié)構(gòu)和性能。導(dǎo)電性良好的樹(shù)枝狀氧化膜不但可以提高電池的充放電性能，而且還能夠防止活性物質(zhì)的脫落，提高活性物質(zhì)的利用率和電池的循環(huán)使用壽命[7]。

表5 12 V 150 Ah 電池的裝車行駛里程測(cè)試結(jié)果 km

2.5 電池裝車行駛里程測(cè)試

表5 是 4 種不同電池的裝車行駛里程測(cè)試結(jié)果。稀土鉛基板柵合金電動(dòng)汽車用電池的初始裝車行駛里程較普通電池稍差；前 200 次循環(huán)以內(nèi)，兩種電池的裝車行駛里程相當(dāng)；但是 200 次循環(huán)使用之后，普通電池的裝車行駛里程急劇下降，稀土電池在第 600 次循環(huán)時(shí)的裝車行駛里程還能達(dá)到 38 km，明顯優(yōu)于普通電池。

3 結(jié)論

稀土元素添加劑雖然會(huì)導(dǎo)致鉛酸蓄電池初始容量小幅度下降，但是對(duì)于電池的放電特性、高低溫循環(huán)使用性能和充電接受能力都有很好的促進(jìn)作用，能夠在一定程度上緩解動(dòng)力型鉛酸蓄電池因容量早期損失而引起的電池深放電壽命短的問(wèn)題。

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Effects of rare-earth lead-base grid alloys on the performances of power lead-acid batteries

LI Aiju1, CHEN Hongyu1*, HUANG Wenhui2, TAN Xinyu2, PENG Bin2
(1. School of Chemistry and Environment, South China Normal University, Guangzhou Guangdong 510006; 2. Foshan Union Battery Co., Ltd., Foshan Guangdong 528000, China)

In this paper, the effects of rare-earth-containing lead-base grid alloys on the performances of power lead-acid batteries were investigated. The lead alloy grids with lanthanum (La) were used to assemble the power lead-acid batteries. The capacity, discharge performance, charge acceptance, cycle life and travel distance of electric vehicle (EV) with the lead-acid batteries were tested according to the industry standard named “Lead-acid battery for electric vehicles (QC/T 742—2006) ”. The results showed that La element can effectively improve the discharge performance and quick charge acceptance of lead-acid batteries except for the slightly decreased initial capacity, and prolong the service life of power lead-acid batteries for EVs. The travel distances of EVs showed that the EV withthe rare-earth lead-base grid alloy battery traveled almost as many mileages as that with the ordinary lead-acid battery in the range of 200 cycles, but after 200 cycles, the travel distance had a sudden drop with the ordinary power lead-acid batteries, but that with rare earth batteries can still reach 38 km after 600 cycles.

lead-base grid alloy; power lead-acid battery; rare-earth element; lanthanum; electric vehicle; quick charge acceptance; cycle life

TM 912.1

A

1006-0847(2016)06-251-04

2016-07-18

廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目《長(zhǎng)壽命高分子膜電池的研制與產(chǎn)業(yè)化》（2012B091100185）

*通訊聯(lián)系人