一種雙極性鉛蓄電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案探討

劉焯，方明學(xué)，歐陽(yáng)萬(wàn)忠，王超，劉紅杰，樊靖園，湯序鋒，劉克宇，袁關(guān)銳，張濤

（天能電池集團(tuán)股份有限公司，浙江 長(zhǎng)興 313100）

0 引言

鉛蓄電池自 1859 年問(wèn)世以來(lái)，無(wú)論是在理論研究上，還是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、種類、性能等方面都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)中發(fā)揮著極其重要的作用。2019 年中國(guó)鉛蓄電池產(chǎn)量約為 202.49 GW·h，市場(chǎng)體量巨大[1]。但是，隨著國(guó)家能源戰(zhàn)略結(jié)構(gòu)調(diào)整，以及鋰電、鎳氫等電池由于技術(shù)成熟而降低成本和規(guī)模化應(yīng)用，鉛蓄電池市場(chǎng)規(guī)模及年復(fù)合增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯減緩。行業(yè)內(nèi)局部的改良無(wú)法使產(chǎn)品獲得革命性的突破，因此使用新技術(shù)、新材料提升鉛蓄電池性價(jià)比迫在眉睫。雙極性電池作為鉛蓄電池發(fā)展的一個(gè)方向，多年來(lái)產(chǎn)品落地困難，產(chǎn)業(yè)化步伐緩慢[2]。本文中，筆者將從另外一種產(chǎn)品模式來(lái)探討雙極性產(chǎn)品的可行性。

1 雙極性電池的種類及特點(diǎn)

目前行業(yè)內(nèi)的雙極性電池有兩種實(shí)現(xiàn)形式：

第一類雙極性電池以美國(guó)愛(ài)達(dá)荷大學(xué)的 D.B.Edwards 開(kāi)發(fā)的涂膏式水平鉛酸電池方案為代表（參見(jiàn)圖 1）。電池基板的一側(cè)涂正極活性物質(zhì)，另一側(cè)涂負(fù)極活性物質(zhì)，組成一塊雙極性電極。相鄰雙極性電極的相反極性之間用傳統(tǒng)隔板隔開(kāi)，這樣就組成一個(gè)單體。在電化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程中，電流通過(guò)基板而不需要通過(guò)匯流排或者跨橋極柱[3]。

圖1 雙極性電池結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖

第二類水平雙極性電池以 Electrosource Inc.公司的產(chǎn)品方案為代表（參見(jiàn)圖 2）。采用冷擠壓方法，將鉛合金包覆在玻璃纖維表面，制成鉛絲后織網(wǎng)，制成鉛布板柵。在鉛布一端涂正極活性物質(zhì)，在另外一端涂負(fù)極活性物質(zhì)。單體電池單元間的串聯(lián)采用雙電極結(jié)構(gòu)，由鉛網(wǎng)直接連通省去了連接條和極耳。水平鉛布雙極性電池發(fā)展較為迅速，國(guó)外技術(shù)比較成熟[4-6]。

圖2 12V水平雙極性電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

與傳統(tǒng)的鉛蓄電池相比，以上兩類產(chǎn)品具有以下優(yōu)點(diǎn)[4,7-8]：① 第一類雙極性電池明顯減少了電池板柵數(shù)量（正負(fù)兩極活性物質(zhì)共用同一塊基板）；② 兩類產(chǎn)品省略了電池內(nèi)部的匯流排和跨橋鉛零件，縮短了導(dǎo)電路徑，節(jié)省了鉛材料和制造能耗，避免了制程焊接鉛煙污染，有效地降低了電池內(nèi)阻，提高了超大功率放電能力；③ 兩類產(chǎn)品活性物質(zhì)分布均勻，電阻低，能量密度和功率密度高，所以可實(shí)現(xiàn)快速充放電；④ 第一類雙極性電池可在內(nèi)部堆疊為超高電壓電池；⑤ 兩類產(chǎn)品極板水平放置，極大改善了高型電池電解液濃度極差問(wèn)題；⑥ 兩類產(chǎn)品有可靠的極群壓力，耐振動(dòng)，耐活性物質(zhì)剝離；⑦ 兩類產(chǎn)品生命周期的制程高效、節(jié)能、環(huán)保、綠色，有接近 100 % 的回收率。

雙極性電池雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但還沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。就產(chǎn)品而言，問(wèn)題主要在制程工藝、單元體密封、基板材料等[5,8]方面，導(dǎo)致成本較高，技術(shù)優(yōu)勢(shì)沒(méi)有得到充分的體現(xiàn)。

2 新結(jié)構(gòu)雙極性鉛蓄電池契機(jī)

從 2008 年至今，國(guó)家發(fā)改委、工信部、行業(yè)協(xié)會(huì)等部門(mén)及組織先后出臺(tái)了多項(xiàng)電池行業(yè)的專項(xiàng)規(guī)劃和包括蓄電池行業(yè)在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展調(diào)整綱要，包括但不限于《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2019 年本）》、《輕工業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》、《電池行業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》等，支持鉛蓄電池行業(yè)的發(fā)展，并鼓勵(lì)電池產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)與產(chǎn)品升級(jí)。隨著工業(yè) 4.0 發(fā)展概念以及中國(guó)制造 2025 目標(biāo)的推進(jìn)，鉛蓄電池行業(yè)將加快由傳統(tǒng)制造模式向智能化制造模式轉(zhuǎn)型邁進(jìn)，同時(shí)加速生產(chǎn)過(guò)程高效化、自動(dòng)化、智能化、精益化以及清潔化[1]。

新結(jié)構(gòu)雙極性鉛蓄電池也是行業(yè)智能制造推行過(guò)程中的設(shè)計(jì)產(chǎn)物，規(guī)避了以上兩類雙極性產(chǎn)品前期設(shè)備投入巨大的問(wèn)題，以共享現(xiàn)有智能設(shè)備最大化為目的，使用連鑄、連軋、連沖、連涂自動(dòng)化設(shè)備，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品材料、工藝、結(jié)構(gòu)改良，繼承雙極性產(chǎn)品特性，體現(xiàn)產(chǎn)品的制造優(yōu)勢(shì)、成本優(yōu)勢(shì)，以便達(dá)到產(chǎn)業(yè)化推廣的目的。

3 新結(jié)構(gòu)雙極性鉛蓄電池方案

新結(jié)構(gòu)雙極性電池，主要依據(jù)水平鉛布雙極性蓄電池[4]的思路，但其雙極性極板、單元體跨橋密封、壓力供給等設(shè)計(jì)方案與水平鉛布雙極性蓄電池有較大的差異。外形以長(zhǎng)條形為主（參見(jiàn)圖 3），也可以根據(jù)需求設(shè)計(jì)成回字型、U 型、L 型[9]。以下筆者將從雙極性極板、極群結(jié)構(gòu)、跨橋密封、單元體壓縮、輸出端結(jié)構(gòu)、槽蓋結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行系列設(shè)計(jì)探討。

圖3 12V產(chǎn)品渲染視圖

3.1 雙極性極板

雙電極采用雙極耳互連蜂窩式結(jié)構(gòu)（參見(jiàn)圖 4），也可設(shè)計(jì)為多極耳或者單極耳式結(jié)構(gòu)。雙電極間極耳的長(zhǎng)度約為 15 mm（以 12 V 100 Ah 為例）?？筛鶕?jù)電池的應(yīng)用場(chǎng)景，選擇多元合金或純鉛材料。板柵制造使用目前成熟的沖網(wǎng)或拉網(wǎng)模式及極板連涂技術(shù)[10]。這兩種模式生產(chǎn)的板柵具有晶粒細(xì)化均勻，結(jié)構(gòu)致密，電阻率小，抗拉強(qiáng)度大，耐腐蝕，薄形化可靠等特點(diǎn)。超高的結(jié)構(gòu)精度，可為后續(xù)跨橋環(huán)氧樹(shù)脂有效密封奠定基礎(chǔ)。正負(fù)鉛膏分別涂于雙電極兩端，但中間極耳不涂。

圖4 雙極耳互連蜂窩式結(jié)構(gòu)雙電極

通過(guò) COMSOL Multiphysics 有限元軟件分析不同結(jié)構(gòu)板柵模型的電勢(shì)分布數(shù)據(jù)來(lái)看，雙極性板柵放電過(guò)程中，電壓降和電流密度更加均衡，極板內(nèi)部全方位利用率更充分，且承載高強(qiáng)度充放電能力提升（見(jiàn)圖 5）。

圖5 雙極性板柵模型的電勢(shì)分布

3.2 極群結(jié)構(gòu)

極群采用水平堆疊[4]方式，與水平鉛布雙極性模式保持一致（見(jiàn)圖 6）。隔板分別從雙電極尾部、輸出端正負(fù)極板尾部呈 U 型包板，組合極板時(shí)，需在專用模具中進(jìn)行，保持極群疊放整齊。完成極群堆疊后，對(duì)極群定間距預(yù)壓，然后在雙電極跨橋部位安裝密封裝置及熔接極柱。

圖6 極群結(jié)構(gòu)

3.3 跨橋密封

水平鉛布雙極性電池的單元體跨橋密封問(wèn)題目前還沒(méi)有徹底解決，這也是此類型電池自放電過(guò)大的原因之一（自放電率達(dá) 10 %/月）[6]。對(duì)于新結(jié)構(gòu)水平電池，跨橋密封結(jié)構(gòu)有如下兩種方式，核心作用是給環(huán)氧樹(shù)脂創(chuàng)造一個(gè)臨時(shí)待固化的密閉空間。當(dāng)膠水注入這個(gè)空間后，可以 360°有效接觸跨橋極耳，膠水與電池槽壁可以有效結(jié)合。環(huán)氧樹(shù)脂干燥完成后，跨橋極耳、電池槽、蓋結(jié)合為一個(gè)整體，這樣才能保證電池每個(gè)單元體的密封獨(dú)立性。

3.3.1 梳條扣合式

這種設(shè)計(jì)方式的靈感來(lái)自于傳統(tǒng)的燒焊梳耳模具。當(dāng)雙極性極群完成疊放壓縮至固定位置時(shí)，使用兩個(gè) A、B 梳條與極耳扣合成“井”字型結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖 7）。在跨橋極耳部位設(shè)計(jì)有扣合槽。梳條的材質(zhì)為硬質(zhì)橡膠或 PP 材料[11]。這兩種材料的彈性嚙合能力可保證梳條與跨橋極耳、電池槽之間緊湊配合，防止膠水滲漏。也可以在梳條表面進(jìn)行噴蠟處理[12]，進(jìn)一步提升臨時(shí)密封效果。

圖7 梳條扣合式密封組合方式

3.3.2 波浪條壓緊式

這種密封方式與上面有所不同：扣合式密封是依據(jù)梳條的有效嚙合，創(chuàng)造一個(gè)密封空間，而波浪條壓緊式密封是，采用硬質(zhì)橡膠材料，折彎成一個(gè)“W”形密封結(jié)構(gòu)[12]（見(jiàn)圖 8）。當(dāng)雙極性極群完成疊放，壓縮至適當(dāng)位置時(shí)，將此“W”形密封結(jié)構(gòu)與極耳位置鎖扣。極群入槽后，在波浪條頂部安裝壓緊塊，使用螺釘緊固壓縮（見(jiàn)圖 9）。整體橡膠的壓力將極耳有效地密封包裹。波浪條內(nèi)部保留了膠水與極耳、電池槽隔墻結(jié)合的空間。

圖8 波浪條折彎過(guò)程

圖9 波浪條壓緊式密封方式

3.4 單元體壓縮

對(duì)于 AGM 電池，單元體有效壓縮是密封免維護(hù)蓄電池氧復(fù)合的基礎(chǔ)，因此怎么保證全生命周期內(nèi)單元體壓縮的有效性，也是雙極性電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。根據(jù)具體電池結(jié)構(gòu)狀態(tài)，目前考慮了兩種壓縮方式，分別為壓片扣合式和捆綁式。

3.4.1 壓片扣合式

該結(jié)構(gòu)重點(diǎn)在于，電池槽側(cè)壁凹槽結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與壓片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[13]必須能夠保證可靠、持續(xù)的壓力供給。壓片材料選擇 ABS 或 PP 材質(zhì)[11,14]。壓片表面為縱橫凸起筋條結(jié)構(gòu)（用來(lái)防止反作用力壓縮變形），有圓形通孔（用于加注電解液）。壓片四周為彈性卡扣結(jié)構(gòu)。當(dāng)極群被壓片壓縮至設(shè)定位置，壓片彈扣與電池槽內(nèi)測(cè)凹槽完成扣合（見(jiàn)圖 10）。對(duì)于容量 100 Ah 以下電池，這種結(jié)構(gòu)的壓力可靠性良好。對(duì)于大容量電池，由于結(jié)構(gòu)跨度大，在使用過(guò)程中，壓力或者高溫容易造成壓片中心凸起，引起壓片彈扣脫離，因此可靠性有待考量。

圖10 壓片扣合式組裝方式

3.4.2 捆綁式

該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上下兩塊壓片之間夾有極群，通過(guò)外部壓力，將極群壓縮至要求厚度，并通過(guò)耐酸單向捆扎帶將整個(gè)極群捆緊（過(guò)程中需提前安裝跨橋密封件），成為一個(gè)電池極群模塊。聚酯扎帶抗張強(qiáng)度好，而聚乙烯、聚丙烯扎帶回彈性好，可根據(jù)需要選用不同材質(zhì)的扎帶。然后將極群模塊裝入電池槽。壓片使用 ABS 或 PP 材質(zhì)[11,14]。上壓片表面有縱橫凸起筋條、圓形通孔和捆扎帶安裝槽，而下壓片為平板 （見(jiàn)圖 11）。此種結(jié)構(gòu)適用于結(jié)構(gòu)跨度大、高容量系列電池使用，可在生命周期內(nèi)提供可靠的壓力供給。

圖11 捆綁式組裝方式

3.5 其他特點(diǎn)

新結(jié)構(gòu)水平電池結(jié)構(gòu)方案，參考了水平鉛布雙極性電池，結(jié)合了常規(guī) AGM 電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。電池極柱端子采用壓鑄式與電池蓋注塑為一體，方便輸出連接。極群入槽后，端子頂出與鉛套焊接，使用環(huán)氧樹(shù)脂密封。閥壓控制使用三元乙丙橡膠安全閥，然后使用蓋片與電池蓋超聲波焊接，組成電池。

對(duì)于制造工藝，可依據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)產(chǎn)品的相關(guān)材料進(jìn)行調(diào)整，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不變的情況下，與常規(guī) AGM 電池[15]的工藝基本一致。

4 結(jié)束語(yǔ)

新結(jié)構(gòu)水平雙極性電池是鉛酸電池技術(shù)方向的延伸，筆者想通過(guò)另外一種產(chǎn)品思路，借鑒成熟的沖拉網(wǎng)技術(shù)，以及材料、工藝、制造技術(shù)，革新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，繼承水平鉛布雙極性電池的性能優(yōu)勢(shì)。新結(jié)構(gòu)水平雙極性電池不僅綜合性價(jià)比高，便于產(chǎn)業(yè)化推廣，而且作為一種鉛蓄電池產(chǎn)品模式，可容納其它鉛蓄電池先進(jìn)技術(shù)，如膠體工藝、鉛炭技術(shù)等。