動(dòng)力閥控式鉛酸電池的輕量化設(shè)計(jì)

沈旭培，方明學(xué)，陳勤忠

(天能電池集團(tuán)股份有限公司，浙江 湖州 313100)

鉛酸電池的輕量化制造一直受到行業(yè)的關(guān)注。因?yàn)殂U材料約占鉛酸電池質(zhì)量的68%～75%[1]，所以輕量化的核心是更科學(xué)、合理地使用鉛材料，同時(shí)，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)精細(xì)化、設(shè)備先進(jìn)化的要求也更嚴(yán)格。

經(jīng)研發(fā)攻關(guān)和市場(chǎng)驗(yàn)證，本文作者重點(diǎn)從采用鉛帶沖壓式板柵制造極板，平橋結(jié)構(gòu)匯流排兩方面，介紹閥控式鉛酸(VRLA)電池的輕量化設(shè)計(jì)和制造工藝。

1 沖壓式板柵設(shè)計(jì)

板柵是極板的骨架，具有電子傳導(dǎo)功能[2]，應(yīng)具有良好的耐腐蝕性和導(dǎo)電性。相對(duì)于富液電池而言，動(dòng)力VRLA電池板柵受腐蝕的程度更深一些，主要是因?yàn)楦唠娊庖好芏群拓氁籂顟B(tài)下電池內(nèi)部溫度偏高[3]。重力澆鑄式板柵是由480～530 ℃的鉛液冷卻至150～190 ℃的固體成型而成，因過冷度小[4]，導(dǎo)致合金的結(jié)晶中心少、晶粒粗大，致密性差，板柵內(nèi)部孔隙率大，測(cè)得布氏硬度約為97 HBW10/1000/30[5]。通常用增厚的方法延長(zhǎng)耐腐蝕周期，因此重力澆鑄式板柵相對(duì)偏厚。

沖壓式板柵是將碾軋成型的鉛帶冷卻至25～40 ℃，再經(jīng)過模具沖壓成型。由于碾軋和沖壓的作用，板柵致密性好、板柵內(nèi)部孔隙率小，測(cè)得布氏硬度約125 HBW10/1000/30[5]。基于此，沖壓式板柵的設(shè)計(jì)厚度約為重力澆鑄式板柵的60%～70%，考慮到板柵與鉛膏結(jié)合力的原因，沖壓式板柵的柵格面積設(shè)計(jì)為重力澆鑄式板柵的70%～80%。6-DF-100Q型動(dòng)力VRLA電池的兩種板柵結(jié)構(gòu)見圖1。

2 匯流排設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的VRLA電池匯流排多為跨橋結(jié)構(gòu)[見圖2(a)]，需借助鉛零件將匯流排焊接，超出電池槽部分的鉛置于電池

圖1 重力澆鑄式和沖壓式板柵的結(jié)構(gòu)示意圖

蓋的密封膠槽內(nèi)。這一結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是耗鉛量大，且多數(shù)廠家使用乙炔氣體來焊接，對(duì)環(huán)境不友好。平橋結(jié)構(gòu)匯流排采用鑄焊工藝，可省去鉛零件[見圖2(b)]，將匯流排全部置于電池蓋的密封膠槽內(nèi)。為了節(jié)約電池槽隔墻所對(duì)應(yīng)的密封膠，電池蓋采用頂部鏤空設(shè)計(jì)[6](見圖3)。

圖2 匯流排設(shè)計(jì)示意圖

圖3 頂部鏤空電池蓋示意圖

3 輕量化成效

6-DF-100Q型動(dòng)力VRLA電池的極板配比為6正/7負(fù)，重力澆鑄式正板柵厚度為2.7 mm，質(zhì)量為86 g，負(fù)板柵厚度為1.8 mm，質(zhì)量為59 g。沖壓式正板柵厚度為1.7 mm，質(zhì)量為68 g，負(fù)板柵厚度為1.2 mm，質(zhì)量為46 g。每只電池正、負(fù)極板柵質(zhì)量分別減輕648 g、546 g，板柵質(zhì)量共計(jì)減輕1 194 g?？鐦蚪Y(jié)構(gòu)匯流排質(zhì)量為560 g，每只電池需要鉛零件530 g，平橋結(jié)構(gòu)匯流排采用鑄焊工藝，為保證焊接質(zhì)量，匯流排厚度增加1.5 mm，總質(zhì)量為664 g，匯流排質(zhì)量共計(jì)減輕426 g。由此可知，每只電池可以節(jié)約鉛1 620 g。電池總質(zhì)量由34.5 kg輕量化至32.9 kg，比能量由34.8 Wh/kg提升至36.5 Wh/kg。由于活性物質(zhì)量未變，兩種結(jié)構(gòu)電池的實(shí)際容量相當(dāng)[7]。

4 實(shí)際效果

重力澆鑄式板柵的產(chǎn)能與作業(yè)技能關(guān)聯(lián)度很大，據(jù)湖州某電池廠統(tǒng)計(jì)，同一臺(tái)鑄板機(jī)，由于作業(yè)技能差異，日產(chǎn)能的波動(dòng)范圍約為10 000～17 000片，而沖壓式板柵的日產(chǎn)能約為320 000～340 000片，日產(chǎn)能提高約20倍?？鐦蚪Y(jié)構(gòu)匯流排焊接工藝需提前生產(chǎn)鉛零件，再通過兩次焊接成型[8]，每只約耗時(shí)100 s，而平橋結(jié)構(gòu)匯流排鑄焊工藝整體浸模，一次成型，每只約耗時(shí)45 s，生產(chǎn)效率提高約1.2倍。

自2018年起，輕量化的6-DF-100Q型動(dòng)力VRLA電池共出廠660 086只，用于搬運(yùn)車、掃地機(jī)、載貨三輪車等車輛。在使用19～23個(gè)月的921只售后電池中，僅46只出現(xiàn)板柵嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象，占比僅0.007%；同期，采用重力澆鑄式板柵裝配的6-DF-100Q型動(dòng)力VRLA電池共出廠1 830 505只，在使用11～15個(gè)月的15 212只售后電池中，有1 832只出現(xiàn)板柵嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象，占比0.12%。從售后電池的數(shù)量和使用時(shí)間可看出，沖壓式板柵既提高了電池的穩(wěn)定性，也使板柵耐腐蝕周期延長(zhǎng)8個(gè)月以上。平橋結(jié)構(gòu)匯流排不僅節(jié)約鉛耗，也不需要使用乙炔氣體，有利于安全生產(chǎn)和環(huán)保。目前，輕量化電池已上市6-DF-100Q型和6-DF-80Q型兩款，并經(jīng)過了約3a的市場(chǎng)驗(yàn)證。

5 結(jié)束語(yǔ)

相對(duì)于重力澆鑄式板柵而言，沖壓式板柵雖厚度減薄，但致密性和硬度增強(qiáng)，且制造時(shí)表現(xiàn)出良好的質(zhì)量穩(wěn)定性，在使用時(shí)表現(xiàn)出顯著的耐腐蝕性和導(dǎo)電性。

本文作者從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝上介紹了電池輕量化，若有更好的化學(xué)元素提高板柵硬度，更好的添加劑高活性物質(zhì)利用率，對(duì)輕量化會(huì)更有幫助。