攪拌速度對起動型膠體蓄電池超低溫性能的影響

李曉景，林伯連，林齊錦，王遠強

（1.廣東猛獅新能源科技股份有限公司，廣東 汕頭 515800；2.大英德創(chuàng)精工設備有限公司，四川 遂寧 629000）

0 引言

膠體電解液在固定型和動力型蓄電池中已經(jīng)得到了普遍應用[1-2]，但在起動型蓄電池產(chǎn)品系列中應用還比較少。主要原因是，大電流放電時，電解質(zhì)離子在膠體中的擴散速度受到了影響，以及膠體與活性物質(zhì)之間的接觸不夠充分引起內(nèi)阻增大。尤其在低溫環(huán)境下使用時，蓄電池的起動性能受到的影響更加明顯。如何提高膠體電解液灌注時在 AGM隔板中的擴散速度和滲透程度，增加硫酸電解質(zhì)與活性物質(zhì)之間接觸界面的總面積，從而提高了車輛起動時瞬間放電的電流密度，使蓄電池的低溫起動性能得以提高，是本文研究的方向。

1 試驗

1.1 配制膠體電解液

1.1.1 配制膠體母液

首先，在主機桶內(nèi)加入150～180 L 的純水，再加入 400～500 g 的分散劑 B；接著，設定攪拌機轉(zhuǎn)速為 2～3 kr/min，啟動攪拌機開始攪拌；然后用真空管吸入氣相納米 SiO2，繼續(xù)攪拌 1～3 h。按以上工藝配制的膠體母液被標記為“膠體母液 A”。其它配制條件和工藝相同，用超高速剪切攪拌機在8～10 kr/min 轉(zhuǎn)速下配制的膠體母液被標記為“膠體母液 B”。

1.1.2 配制稀硫酸溶液

在 680～710 mL 的純水中加入添加劑 N，攪拌均勻，然后邊攪拌邊加入 350～380 mL 濃硫酸，攪拌均勻后冷卻待用。

1.1.3 配制膠體電解液

稱取1200～1500 g 的稀硫酸溶液，邊攪拌邊加入 120～140 g 膠體母液，繼續(xù)攪拌均勻。用“膠體母液 A”配制的膠體電解液被標記為“膠體電解液 A”，而用“膠體母液 B”配制的膠體電解液被標記為“膠體電解液 B”。

1.2 測試

1.2.1 測試膠體母液

對配制好的膠體母液，用 LB-500 型激光散射粒度分布儀測試粒徑分布。從圖1 和圖 2 可以看出，2 種 SiO2膠體母液的粒徑分布均呈雙峰狀，但在超高轉(zhuǎn)速攪拌的作用下，SiO2顆粒的粒徑更小，且小粒徑分布峰更高，即小粒徑顆粒的含量更高。文獻[3]也表明，在 SiO2水分散溶液的分散過程當中，增大攪拌速率可更好地將團聚形成的較大 SiO2顆粒分散成較小的 SiO2顆粒，使得氣相 SiO2顆粒更好地分散到膠體電解液中，從而提高 SiO2膠體電解液的分散穩(wěn)定性。

圖1 膠體母液 A 粒徑分布圖

圖2 膠體母液 B 粒徑分布圖

1.2.2 測試膠體電解液

對膠體電解液 A 和膠體電解液 B 進行粒徑分布測試的結(jié)果如圖 3 和圖 4 所示。從圖 3 和圖 4 可以看出，2 種膠體電解液的粒徑分布呈單峰狀，但膠體電解液 B中 SiO2顆粒的粒徑更小，分布范圍更窄，因此更利于膠體電解液的灌注和向極板、隔板中滲透。文獻 [4]也強調(diào)了粒徑分布范圍是影響電解質(zhì)性能的重要因素。

1.2.3 測試蓄電池

圖3 膠體電解液 A 粒徑分布圖

圖4 膠體電解液 B 粒徑分布圖

為消除蓄電池內(nèi)部殘留氣泡的影響，確保膠體電解液能夠充分滲透，采用抽真空的方式，將所配制的 2 種膠體電解液分別灌注到 5 只同種常規(guī)型號的 12 V 5 Ah 摩托車起動用鉛酸蓄電池中。

1.2.3.1 測試蓄電池質(zhì)量

在灌注膠體電解液前，要稱取干電池的質(zhì)量。采用兩充一放式初充電制度（共 5 個階段），完成蓄電池的初充電，之后再次準確稱量蓄電池的質(zhì)量。從表 1 測得數(shù)據(jù)可以看出，在灌注膠體電解液前和初充電完成后，蓄電池質(zhì)量的一致性可以滿足試驗要求。

表1 蓄電池的質(zhì)量 g

1.2.3.2 測試蓄電池的開路電壓、內(nèi)阻和容量

用 FBT-50 型摩托車電池測試儀測試各蓄電池的開路電壓以及內(nèi)阻。在 25 ℃ 恒溫環(huán)境中，對初充電后的蓄電池，以 0.5 A 的電流，恒流放電至終止電壓 10.5 V，得到蓄電池的C10容量。表 2 測試結(jié)果顯示，采用膠體電解液 B 的蓄電池的內(nèi)阻較小，說明采用超高速剪切的膠體有利于降低蓄電池的內(nèi)阻，從而有利于提高電池的大電流放電性能。

1.2.3.3 測試蓄電池的低溫起動性能

按照 SAE J537—2011 標準測試各電池 -18 ℃低溫起動性能：將蓄電池放置在 -18 ℃± 1 ℃ 的環(huán)境中，保持至少 20 h，使蓄電池內(nèi)部溫度降至-18 ℃± 1℃，然后以Icc= 65 A 持續(xù)放電 30 s 時，記錄蓄電池放電電壓。

表2 蓄電池的開路電壓、內(nèi)阻和容量

參考國標 GB/T 5008.1—2013，測試 -29 ℃ 低溫起動性能：將蓄電池放置在 -29 ℃±1 ℃ 的試驗環(huán)境中，保持至少 24 h，以使蓄電池內(nèi)部溫度降至-29 ℃±1 ℃，然后將電池先以Icc= 65 A 的電流放電 30 s，靜置 20 s 后，再以 0.6Icc=39 A 的電流放電40 s。

從圖 5 和圖 6 可以看出，在放電過程的主要階段，采用膠體電解液 B 的蓄電池的放電電壓均高于采用膠體電解液 A 蓄電池的。測試數(shù)據(jù)顯示，放電至 5 s 時的平均電壓高出 0.188 V，放電至 10 s 時的平均電壓高出 0.206 V，放電至 15 s 時的平均電壓高出 0.197 V。作為起動型鉛酸蓄電池，起動車輛的時間一般小于 5 s，因而放電 5 s 時電壓的高低是衡量蓄電池起動性能的最主要指標。

從圖 7 和圖 8 可以看出，電池在 -29 ℃ 的低溫條件下，以 65 A 放電 30 s 的過程中，采用膠體電解液 B 的蓄電池的低溫起動性能明顯高于采用膠體電解液 A 的蓄電池。測試數(shù)據(jù)顯示，放電至 5 s 時的平均電壓高出 0.339 V，放電至 10 s 時的平均電壓高出 0.370 V，放電至 15 s 時的平均電壓高出 0.355 V。而且，與 -18 ℃ 低溫條件下的測試結(jié)果相比，這種優(yōu)勢更加突出。

圖5 -18 ℃ 低溫起動性能放電曲線圖（各 5 只電池）

圖6 -18 ℃ 低溫起動性能放電曲線圖（平均值）

圖7 -29 ℃ 低溫起動性能放電曲線圖（各 5 只電池）

圖8 -29 ℃ 低溫起動性能放電曲線圖（平均值）

1.3 解剖電池

取完成 -29℃ 超低溫性能檢測的蓄電池進行解剖觀察。在極群組的上部、兩旁的間隙充滿了固態(tài)狀的膠體，而且在 AGM 隔板的不同部位也有膠體存在。SiO2膠體進入隔板中的含量，以及滲入AGM 隔板中路徑的長短，對蓄電池的性能有著重要的影響。SiO2膠體進入隔板中的含量越多，滲入路徑越長，在隔板中的分布越均勻，對蓄電池性能越有利[5]。而與之相關(guān)的主要影響因素，除 AGM隔板的結(jié)構(gòu)和吸附特性外，還有膠體中的 SiO2顆粒的粒徑和分散穩(wěn)定性。

2 結(jié)論

與常規(guī)轉(zhuǎn)速條件下相比，以超高轉(zhuǎn)速攪拌剪切配制的膠體母液中顆粒的粒徑更小，粒徑更均勻。把這樣的 SiO2膠體母液用于制作起動型 AGM 膠體蓄電池，可以得到更好的低溫起動性能，尤其是-29 ℃ 超低溫性能。

參考文獻：

[1]孔德龍.閥控式鉛蓄電池膠體電解質(zhì)技術(shù)的進展[J].蓄電池, 2003(2): 70–74.

[2]LAMBERT D W H, GREENWOOD P H J, REED M C, 等.閥控鉛酸蓄電池中膠體電解液技術(shù)進展[J].電源技術(shù), 2005(10): 69–73.

[3]王力臻, 程蘇, 谷書, 等.SiO2膠體電解液分散穩(wěn)定性研究[J].蓄電池, 2013(3): 112–117.

[4]王景川.膠體蓄電池及其電解質(zhì)中的氣相二氧化硅[J].蓄電池, 2002(2): 65–67.

[5]沈浩宇, 王鵬偉, 成梓銘, 等.膠體電解液分布均勻性對動力電池性能的影響[J].蓄電池, 2016(4):162–166.