影響干荷式鋅負(fù)極放電性能的因素

李偉莉，王清波，張一兵

(國(guó)家電池產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，河南新鄉(xiāng)453000)

影響干荷式鋅負(fù)極放電性能的因素

李偉莉，王清波，張一兵

(國(guó)家電池產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，河南新鄉(xiāng)453000)

通過正交對(duì)比試驗(yàn)和對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)的方差分析，考察了粘合劑組成、化成制度、化成電解液、干燥方式、平整壓力、棉紙、保存方式以及激活電解液組成對(duì)干荷式鋅銀蓄電池涂膏鋅負(fù)極大電流密度180 mA/cm2放電性能的影響。結(jié)果表明：激活電解液組成、干燥方式和粘合劑組成對(duì)放電性能有特別顯著的影響；化成制度對(duì)放電性能有顯著影響；而化成電解液、平整壓力、棉紙和保存方式對(duì)放電性能影響不大。

鋅負(fù)極；大電流密度放電性能；干荷式鋅銀蓄電池

鋅銀蓄電池因其具有體積小、質(zhì)量輕、比能量和比功率高、放電電壓平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于起動(dòng)、動(dòng)力、航空備航、照明、通訊、精密儀器、儀表以及遙測(cè)的直流電源。其中，干荷式鋅銀蓄電池由于正極和負(fù)極均為荷電態(tài)，一旦注入電解液即可快速激活和投入使用，具有激活時(shí)間短、貯存壽命長(zhǎng)、適應(yīng)高功率放電、使用簡(jiǎn)單、可靠、不需要維護(hù)等特點(diǎn)，尤其適合為提高部隊(duì)?wèi)?zhàn)時(shí)快速反應(yīng)能力而對(duì)電池方面的需求[1]，因而深受部隊(duì)青睞并作為戰(zhàn)備物資長(zhǎng)期儲(chǔ)備。然而由于鋅負(fù)極板存在浸潤(rùn)效果差和鋅粉表面部分鈍化等現(xiàn)象，干荷式鋅銀蓄電池瞬間激活后不能滿足部隊(duì)特殊使用條件下的大電流密度放電指標(biāo)要求。本文通過正交試驗(yàn)和方差分析[2]對(duì)比考察了采用不同工藝制備的鋅負(fù)極在180 mA/cm2電流密度下的放電性能，試圖甄別出顯著影響放電性能的主要因素，進(jìn)而能夠針對(duì)性地有效指導(dǎo)鋅負(fù)極板的生產(chǎn)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)確定了負(fù)極板粘合劑組成(粘合劑A)、化成是否過充電(化成制度B)、化成電液中是否鋅飽和(化成電液C)、干燥方式(干燥D)、平整壓力(壓力E)、是否去除耐堿棉紙(棉紙F(tuán))、負(fù)極板保存形式(保存G)、激活電液組成(激活電液H)八種考察因素，并對(duì)各因素設(shè)定了不同水平，詳見表1。為了減少試驗(yàn)次數(shù)、降低工作量、縮短試驗(yàn)時(shí)間，在不影響最終結(jié)果的前提下按照確定的考察因素及其變化水平設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)表，見表2，并按表中規(guī)定的方法分別制備了不同的鋅負(fù)極板，然后用兩片正極板夾住一片負(fù)極板以180 mA/cm2電流密度進(jìn)行放電。

2 結(jié)果與討論

依照表2設(shè)計(jì)的16種對(duì)比試驗(yàn)，每種試驗(yàn)分別進(jìn)行了三片鋅負(fù)極板放電性能測(cè)試，即采用同種工藝的試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行了3次，然后對(duì)測(cè)得的全部48次放電時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行正交設(shè)計(jì)計(jì)算和方差分析。

2.1 工藝影響顯著性分析

首先通過正交設(shè)計(jì)計(jì)算和方差分析判斷不同工藝對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響是否顯著。對(duì)于同種工藝的三片極板，每片極板放電時(shí)間與其平均數(shù)之差的平方和反映了每個(gè)工藝的試驗(yàn)誤差，然后將如此獲得的16個(gè)平方和相加，結(jié)果反映了總試驗(yàn)誤差的大小，稱為組內(nèi)平方和，用S2表示。16種工藝對(duì)放電時(shí)間的影響，可以用每種工藝的平均放電時(shí)間與總平均放電時(shí)間之差的平方和來表示。由于每種工藝進(jìn)行3次試驗(yàn)，因此將此平方和擴(kuò)大至3倍，稱為組間平方和，以S1表示。組內(nèi)平方和S2刻劃了試驗(yàn)誤差的大小，組間平方和S1刻劃了不同工藝放電時(shí)間之間的差異程度，它除了包含隨機(jī)因素的影響外，還包含著不同工藝對(duì)放電時(shí)間的影響。因此，比較S1與S2的大小，就可以看出不同工藝對(duì)放電時(shí)間的影響是否顯著。表3為正交設(shè)計(jì)計(jì)算表。

表1 對(duì)比試驗(yàn)考察因素及其變化水平

???? ???A ????B ????C ??D ??E/MPa ??F ??G ????H 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 2 2 2 3 1 1 1 2 2 1 1 2 4 1 1 1 2 2 2 2 1 5 1 2 2 1 2 1 2 1 6 1 2 2 1 2 2 1 2 7 1 2 2 2 1 1 2 2 8 1 2 2 2 1 2 1 1 9 2 2 1 2 2 1 1 1 10 2 2 1 2 2 2 2 2 11 2 2 1 1 1 1 1 2 12 2 2 1 1 1 2 2 1 13 2 1 2 2 1 1 2 1 14 2 1 2 2 1 2 1 2 15 2 1 2 1 2 1 2 2 16 2 1 2 1 2 2 1 1

Xi x

按照正交設(shè)計(jì)計(jì)算表(1)計(jì)算得出的組間平方和S1、組內(nèi)平方和S2分別為：

注意到計(jì)算S1與S2是若干項(xiàng)的平方和，其大小與參加求和的項(xiàng)數(shù)有關(guān)。為了消除項(xiàng)數(shù)對(duì)分析結(jié)果的影響，應(yīng)將S1與S2分別除以各自的自由度，相應(yīng)得到平均組間平方和與平均組內(nèi)平方和，計(jì)算結(jié)果為：

該比值越大，表明不同的工藝對(duì)鋅負(fù)極板大電流放電性能的影響越顯著；比值越小，則表明16種工藝對(duì)放電結(jié)果的影響不顯著，或者根本沒有影響。判斷影響顯著與否的界限由F表給出。查F表可知，F(xiàn)0.05(15,32)＝1.99，F(xiàn)0.01(15,32)＝2.66。若F值＜1.99，說明不同工藝對(duì)放電結(jié)果影響不大；若1.99＜F值＜2.66，說明不同工藝對(duì)放電結(jié)果影響顯著，但不算特別顯著；若F值＞2.66，則說明不同工藝對(duì)放電結(jié)果的影響特別顯著。顯然14.56＞2.66，因此可以判定采用不同工藝對(duì)鋅負(fù)極板大電流密度放電性能的影響特別顯著?？偨Y(jié)以上的計(jì)算分析過程，形成表4。

S1 S2

2.2不同因素影響顯著性分析

由以上結(jié)論不難看出，試驗(yàn)前確定的8種考察因素中存在對(duì)鋅負(fù)極板大電流密度放電性能影響特別顯著的因素，因此，需要對(duì)每種因素造成的放電結(jié)果差異度分別進(jìn)行顯著性分析和判定。

用N表示所有試驗(yàn)的總次數(shù)，用a、b、c、d、e、f、g、h分別表示A、B、C、D、E、F、G、H因素每個(gè)水平的重復(fù)試驗(yàn)總次數(shù)。根據(jù)表5，計(jì)算出：

?

可以算出總平方和S、8種因素各自的平方和(SA、SB、SC、SD、SE、SF、SG、SH)以及試驗(yàn)誤差平方和Se：

進(jìn)而根據(jù)自由度算出均方值和F值：

查F表可知，F(xiàn)0.05(1,39)＝4.09，F(xiàn)0.01(1,39)＝7.33。若F值＜4.09，說明該因素對(duì)放電結(jié)果影響不大；若4.09＜F值＜7.33，說明該因素對(duì)放電結(jié)果影響顯著，但不算特別顯著；若F值＞7.33，則說明該因素對(duì)放電結(jié)果的影響特別顯著。由于FH= 109.78＞7.33，F(xiàn)D=52.72＞7.33，F(xiàn)A=52.60＞7.33，因此該三種因素對(duì)放電結(jié)果影響特別顯著；同時(shí)4.09＜FB=4.54＜7.33，表明該因素對(duì)放電結(jié)果影響顯著，但不算特別顯著；而FC=0.80＜4.09，F(xiàn)E=0.90＜4.09，F(xiàn)F=0.24＜4.09，F(xiàn)G=0.22＜4.09，說明該四種因素對(duì)放電結(jié)果影響不大。按照影響放電結(jié)果顯著程度的大小，結(jié)合表5計(jì)算出的K1、K2值大小(K值大表明該水平的放電時(shí)間長(zhǎng))，可以進(jìn)一步優(yōu)選出有利于鋅負(fù)極板大電流密度放電性能的工藝條件，即H2D2A2B1?？偨Y(jié)以上的計(jì)算分析過程，形成表6。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的干荷式鋅銀蓄電池涂膏鋅負(fù)極板不能滿足大電流密度180 mA/cm2放電性能要求。本文對(duì)可能顯著影響放電性能的因素進(jìn)行了正交對(duì)比試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行了方差分析，最終確認(rèn)激活電解液組成、干燥方式和粘合劑組成對(duì)放電性能有特別顯著的影響，化成制度對(duì)放電性能有顯著影響，而化成電解液、平整壓力、棉紙和保存方式對(duì)放電性能影響不大。

?

[1]趙惠芹，茹海濤，王家捷.干荷式鋅銀電池正極板開裂原因研究[J].電池工業(yè)，2006，11(4)：248-250.

[2]中國(guó)科學(xué)院數(shù)學(xué)研究所統(tǒng)計(jì)組.常用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法[M].北京：科學(xué)出版社，1973：56-78.

Influence factors on discharge performance of dry charged zinc negative electrode

LI Wei-li,WANG Qing-bo,ZHANG Yi-bing
(National Center for Quality Supervision and Inspection of Battery Products,Xinxiang Henan 453000,China)

It was investigated experimentally that influence of preparation factors such as adhesive composition, formation system, formation electrolyte,drying method, leveling pressure, cotton paper, storage method and activation electrolyte composition on the performance during high current density discharging (180 mA/cm2)of the pasted zinc negative electrodes for dry charged silver zinc battery.The experimental results demonstrated that the discharge performance was influenced particularly by activation electrolyte composition,drying method,adhesive composition,and it was influenced markedly by formation system.By contrasted,the discharge performance was not influenced markedly by formation electrolyte,leveling pressure,cotton paper and storage method.

zinc negative electrode;high current density discharge performance;dry charged silver-zinc battery

TM 912.9

A

1002-087 X(2017)02-0274-04

2016-07-05

李偉莉(1970—)，女，河南省人，工程師，主要研究方向?yàn)榛瘜W(xué)電源。