長壽命6-DZM-20H電池的設(shè)計(jì)再探討

李桂發(fā)，郭志剛，鄧成智，劉玉，崔海濤，馬銘澤，張峰博

（天能集團(tuán)研究院，浙江 長興 313100）

0 引言

常規(guī)的 6-DZM-20 電池使用壽命受限于其自身結(jié)構(gòu)缺陷，在采用相同生產(chǎn)工藝時(shí)，遠(yuǎn)不如6-DZM-12 電池。前 2 a，我們將 6-DZM-20 電池的結(jié)構(gòu)改型為矮型結(jié)構(gòu)。雖然電池壽命有所改善，但是電池尺寸與原結(jié)構(gòu)大不相同，造成推廣受阻，因?yàn)殡S著 6-DZM-20 電池的使用量日益增多，不管是一級(jí)市場還是二級(jí)市場，產(chǎn)品安裝尺寸都已定型。當(dāng)然，在不改變電池結(jié)構(gòu)的前提下提高電池的壽命，可以通過材料配方和生產(chǎn)工藝的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)，但提升程度有限。我們保持 6-DZM-20 電池的原有外形尺寸不變，但是對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，開發(fā)了 6-DZM-20H 電池，利用極板平放使用等特點(diǎn)，提高電池的使用壽命[1]。本文中，我們從電池殼體、板柵結(jié)構(gòu)、裝配壓力、電解液設(shè)計(jì)優(yōu)化的細(xì)節(jié)著手，又進(jìn)行了比對(duì)驗(yàn)證，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 電池外觀

6-DZM-20H 電池與 6-DZM-20 電池的外觀如圖 1 所示，尺寸均為長 181 mm，寬 77 mm，高171 mm，總高 176 mm。

圖1 6-DZM-20H 電池與 6-DZM-20 電池的外觀效果圖

2 電池槽設(shè)計(jì)

2.1 電池槽變形對(duì)電池性能影響

由表 1 所示的某項(xiàng)目 6-DZM-20 電池組常規(guī)性能測試結(jié)果可見，電池的 2 小時(shí)率容量基本相當(dāng)，但是電池鼓脹變形的高度均有 1.5 mm 左右。我們對(duì)該組電池進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，電池單格放電結(jié)果的差異非常明顯，尤其是邊單格（單格 1、6）落后較為明顯。

表1 6-DZM-20 電池組 3 次容量測試

選取電池 1、2，進(jìn)行大電流放電測試，并采集放電過程中各單格的電壓。由圖 2 可以看出，落后明顯的是 2 個(gè)邊單格（即單格 1、6）。然而，由圖 3 可以看出，當(dāng)夾緊電池（采用外力使邊單格維持不變形）后，單格 1、6 的電壓有明顯的提升。也就是說，電池的鼓脹變形勢(shì)必將影響電池性能，縮短電池的使用壽命。

圖2 電池大電流測試

2.2 電池槽設(shè)計(jì)

電池在循環(huán)過程中， 隨著 ABS 材料逐步老化，在溫升和內(nèi)壓頻繁變化的情況下，電池槽受力面發(fā)生鼓脹（對(duì)于常規(guī)電池，在 50 次循環(huán)后，甚至剛化成結(jié)束時(shí)單邊鼓脹高度就有 1～1.5 mm）。這種鼓脹會(huì)使電池邊單格的極群壓力與中間單格間產(chǎn)生極大差異，形成落后單格。為此，在新設(shè)計(jì)中，增加了電池槽受力面的總厚度（見圖 4），并增加了防鼓脹筋條，同時(shí)保持其良好的散熱功能。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，在完成半成品裝配后電池槽沒有鼓脹，在第150 次循環(huán)時(shí)單邊鼓脹高度小于 1 mm。從而，極群組的壓力值在充放電期間得到保證，沒有明顯降低，有效提升了電池的使用壽命。

2.3 耐氣壓測試

圖3 電池兩端夾緊前后大電流測試對(duì)比

圖4 電池槽壁截面圖

電池殼體耐氣壓測試方法是，將電池槽、蓋密封后，通入壓縮空氣達(dá)到一定壓力時(shí)，測量電池槽中間部位的鼓脹變形值。20 Ah 電池的極群干態(tài)裝配壓力一般在 65 kPa 左右，濕態(tài)壓力一般在35 kPa 左右。從圖 5 的對(duì)比曲線能夠看出：室溫條件下 6-DZM-20 電池殼體在氣壓達(dá) 30 kPa 時(shí)即有 1 mm 以上的鼓脹，而新設(shè)計(jì)的 6-DZM-20H 電池殼體幾乎沒有變形；經(jīng)高溫?cái)R置后，測試結(jié)果的趨勢(shì)與室溫下的相同。若電池殼體采用耐熱 ABS樹脂材料，6-DZM-20H 電池殼體的耐變形優(yōu)勢(shì)變得會(huì)更明顯。

圖5 不同條件下耐氣壓測試結(jié)果

6-DZM-20H 除了上述的電池槽自身加強(qiáng)外，其安裝方式也帶來固有的優(yōu)勢(shì)，一方面安裝壓板位置和電池極群壓縮面一致，進(jìn)一步限制了極群壓縮面的變形，另一方面使得極板狀態(tài)由過去的垂直方式改為水平放置，從而大大提升電池使用壽命[2]。

3 極群設(shè)計(jì)

3.1 正板柵

正板柵腐蝕是電池壽命縮短的主要原因之一。我們?cè)诓捎酶透g的稀土合金板柵的同時(shí)，還對(duì)板柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，將極群配比由原來的 4正 5 負(fù)調(diào)整至 3 正 4 負(fù)，極群中正板柵總合金質(zhì)量與原來差不多（見表 2），即增加了板柵框筋和上部易腐蝕部位筋條的厚度，及板柵上部的筋條數(shù)量（見圖 6），大幅度地提升了板柵的抗蠕變能力。由圖 6 還可看到，在縱筋交叉處采用了應(yīng)力吸收設(shè)計(jì)[3]，進(jìn)一步緩解了正板柵的伸長。

表2 正板柵參數(shù)

圖6 正板柵結(jié)構(gòu)

3.2 極群裝配壓力與隔板厚度

由于適當(dāng)?shù)臉O群壓力是電池壽命的基礎(chǔ)[4]，如圖 7 所示，不同裝配壓力的 6-DZM-20H 電池循環(huán)壽命不同，而且不同電池之間的差異是相當(dāng)明顯。因此，我們把極群干態(tài)壓力設(shè)計(jì)為 65 kPa 左右。加酸后，壓力會(huì)降低到 35 kPa 左右，對(duì)電池邊單格沒有影響。

圖7 不同裝配壓力的 6-DZM-20H 電池循環(huán)壽命曲線

表 3是6-DZM-20H 電池與 6-DZM-20 電池的極群設(shè)計(jì)參數(shù)?？梢钥闯?，正負(fù)極板間距增加使得隔板厚度相應(yīng)增加。枝晶短路是電池生產(chǎn)和使用過程中的失效模式之一，而且化成和使用溫度越高越易產(chǎn)生枝晶，但增加隔板厚度（正負(fù)極板間距）會(huì)延緩枝晶短路形成的概率，提高電池壽命[5]。

表3 極群設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比

4 電解液密度

電解液密度不僅影響電池的容量，還會(huì)對(duì)正極板柵的腐蝕、正極活性物質(zhì)的軟化和負(fù)極活性物質(zhì)的硫酸鹽化產(chǎn)生影響。電解液密度低，則電池的初始容量低，使用壽命就長；電解液密度高，則電池的初容量高，使用壽命就短。由于增加了新設(shè)計(jì)的6-DZM-20H 極板厚度，且采用了高表觀密度的鉛膏[6]，要得到和常規(guī) 6-DZM-20 一樣的初始容量，必須從電解液的密度著手，使初始容量與循環(huán)壽命最佳化。由圖 8 可以看出，內(nèi)化成電解液密度在1.23～1.27 g/cm3是較為適宜的。當(dāng)然，這要與化成電量、加酸量有效配合，才能得到較佳的化成效果與電池性能。

圖8 電解液密度對(duì)循環(huán)壽命的影響

5 結(jié)論

綜上所述，6-DZM-20H 的設(shè)計(jì)綜合考慮了電池槽強(qiáng)度、板柵耐腐、極群壓力與隔板厚度，以及電解液密度，奠定了電池長壽命的基礎(chǔ)。其中電池槽強(qiáng)度、極群壓力必須統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，并應(yīng)結(jié)合選擇合理的開閉閥壓力值，以確保電池在循環(huán)使用過程中維持不變形或少變形是關(guān)鍵。6-DZM-20H 電池設(shè)計(jì)與安裝方式是提升電池壽命的有利保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭志剛, 李桂發(fā), 劉玉, 等.長壽命 6-DZM-20H電池的開發(fā)[J].蓄電池, 2017, 54(5): 241–245.DOI:10.16679/j.cnki.21–1121.2017.05.009.

[2]王瑜, 魏杰, 童一波.水平電池國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r[J].蓄電池, 2002(1): 33–35.

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