VRLA電池正極板添加紅丹的研究

張猛，李亞輝，鄔會杰，張旭東，吳學謙，周五濤

（風帆有限責任公司，河北 保定 071057）

0 引言

如何提高鉛酸蓄電池的性能，一般來說通常有兩個途徑：一是改善產品配方；二是改進生產工藝。改善產品配方又分為3個方向，即正極添加劑、負極添加劑和電解液添加劑[1]。電池容量通常受正極制約，因此使用正極添加劑對改善電池容量是有效的手段。紅丹（主要成分為Pb3O4）具有高氧化性，能夠改善正極活性物質的固化效果和化成質量，提高電池性能，所以它是鉛酸蓄電池正極板使用的添加劑之一[2]。紅丹作為添加劑在提高電池容量的同時能夠提升生產效率，降低能源消耗，起到節(jié)能減排的效果。

1 試驗

1.1 紅丹理化性能分析

試驗中使用我公司生產的，分別標樣1和標樣2，采用激光粒徑分析儀，對兩種紅丹粉末樣品（編號1、2）進行測試。從圖1中可以看出：紅丹粉末的粒徑分布主要集中在2.7～3.5μm，表明顆粒尺寸的一致性很好。

1.2 極板制備及性能檢測

取1 000 kg鉛粉和適量短纖維、紅丹（紅丹質量占鉛粉質量的質量分數(shù)為20%～30%），用適量凈化水和稀硫酸和制鉛膏。和膏過程用時約41 min，使鉛膏表觀密度達到4.18 g/cm3。對正常鉛膏配方（不加紅丹）的正生極板與添加紅丹配方的正生極板進行生極板結合強度、極板固化腐蝕度、掃描電鏡和XRD分析。圖2為正常鉛膏和添加紅丹鉛膏的生極板板面狀態(tài)。圖3為對應的極板掃電鏡圖（采用JEOL JSM-6360LA 進行電鏡掃描）。圖4為對應的XRD譜圖。對極板固化干燥進行檢查：固化過程用時48 h。檢測得到，極板游離鉛含量為0.96%；極板腐蝕度為98%。王景川曾提到，含紅丹的正極板中金屬鉛的含量達到最佳值1%以下，說明鉛膏中的金屬鉛與氧的氧化反應已經(jīng)深入到界面，即腐蝕層界面已形成，所以其結果是不僅提高了固化質量而且也可以縮短固化時間[3]。

通過圖4，得到表1中所列XRD半定量計算結果?？梢钥闯觯砑蛹t丹的正極板固化后，3BS含量有所增加。因為在化成階段，3BS會反應生成正極活性物質PbO2，所以3BS有利于提高電池的放電性能。

表1 正常鉛膏極板與紅丹鉛膏極板XRD分析結果

1.3 電池試裝及性能檢測

分別用以上極板裝配正常鉛膏電池和紅丹鉛膏電池（12V 100 Ah）各兩只，注入相應質量的電解液，啟動相同的化成工藝。化成工藝時間為73h，化成總電量為733Ah。之后對灌酸后至啟動前一段時間和通電化成期間，電池的電壓、內部溫度變化，進行了跟蹤記錄，圖5為電池注酸后內部溫度變化曲線，圖6為正常鉛膏電池與紅丹鉛膏電池化成溫度、電壓對比?？梢钥闯觯t丹鉛膏配方電池與正常鉛膏配方電池相比較，在注酸后至化成通電前這一時間段內，溫度上升緩慢，整體溫度偏低，而且在化成開始至化成結束階段，內部溫度和電壓都偏低。對以上正常鉛膏電池和紅丹鉛膏電池分別進行初期性能和容量檢測，結果見表2和表3。與正常鉛膏電池相比，紅丹鉛膏電池的內阻和開路電壓無明顯變化，1小時率、3小時率、10小時率、20小時率容量均得到一定程度的提升。通過以上數(shù)據(jù)計算可得，初始容量約提高3%～5%。電池容量受正極板限制，所以如果不能改變其他生產工藝，則添加紅丹可提高電池容量[4]。

表2 電池的重量和初始電壓、內阻

表3 電池容量的測試結果

1.4 電池解剖分析

對以上電池進行解剖，并對化成結束的紅丹鉛膏極板進行電鏡檢測和XRD分析。由圖7和圖8看出，在化成17h、化成32h、化成結束時，紅丹鉛膏極板的化成效果都好于正常鉛膏極板，化成更加充分和均勻。從圖9和圖10看出，紅丹鉛膏電池化成結束后的極板β-PbO2含量很高，PbSO4含量較少，有利于提高電池的初期容量。由XRD半定量計算得出：化成后紅丹鉛膏極板中ω(α-PbO2)為0.4%，ω(β-PbO2)為86.4%，ω(PbSO4)為13.2%。

2 結論

添加適量的紅丹粉末有利于控制鉛酸蓄電池在化成過程中的溫度，提高極板的充電效率和充電均勻性，有利于化成的反應，使化成效果更佳。添加適量的紅丹鉛粉有利于極板在化成過程中生成更多的β-PbO2和較少的PbSO4，有利于提高電池的初始容量。在本文中，添加20%～30%（紅丹占鉛粉的質量分數(shù)）的紅丹可以使蓄電池的初期容量提高3%～5%。