高炭負(fù)極鉛酸動力電池的深循環(huán)壽命研究

夏三保　高翔

摘 要：提高比能量，增大深循環(huán)使用壽命，是鉛酸動力電池的主要發(fā)展目的。文章利用試驗(yàn)法，以炭材料種類為變量，以高炭負(fù)極鉛酸動力電池深循環(huán)壽命為因變量，進(jìn)行了試驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)施。結(jié)果得出，將高含量的炭材料加入到鉛酸動力電池負(fù)極，可以有效提高鉛酸動力電池的深循環(huán)壽命。

關(guān)鍵詞：炭材料 負(fù)極 鉛酸動力電池 深循環(huán)壽命

1 引言

在混合電動汽車和其他電動工具產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的背景下，化學(xué)電池迎來了更大的發(fā)展機(jī)遇，由此引出了關(guān)于化學(xué)動力電池深循環(huán)壽命的深度思考。以往鉛酸動力電池雖然在運(yùn)行安全性、性價(jià)比方面表現(xiàn)優(yōu)異，但是其在深循環(huán)下的壽命與市場對混合電動汽車電池的性能要求仍然存在較大差距。因此，從負(fù)極材料調(diào)整入手，研究高炭負(fù)極鉛酸動力電池在深循環(huán)下的壽命就非常必要。

2 研究準(zhǔn)備

2.1 制備試驗(yàn)電池

根據(jù)鉛酸動力電池用量，選定12V-12Ah、12V-20Ah的高炭負(fù)極鉛酸動力電池，電池負(fù)極為不同炭材料、不同比例的高炭配方，電池編號為6-HCN（高炭負(fù)極）-12、6-HCN（高炭負(fù)極）-20。同時(shí)準(zhǔn)備的常規(guī)鉛酸動力電池，電池編號為6-DZM-12、6-DZM-20。

2.2 制備高炭負(fù)極

選擇活性炭、炭黑、石墨等多種炭材料作為摻入負(fù)極用炭添加劑，依據(jù)1.20%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將炭材料加入到鉛酸動力電池負(fù)極活性物質(zhì)內(nèi)[1]。根據(jù)炭材料表觀密度小、表觀質(zhì)量輕而鉛酸動力電池表觀密度大的特點(diǎn)，選擇三維球磨混粉機(jī)，對炭材料、鉛酸動力電池負(fù)極鉛粉進(jìn)行均勻預(yù)混合。同時(shí)將粘結(jié)劑添加到炭材料、鉛粉預(yù)先混合后模塊，達(dá)到輔助炭負(fù)極極板成型、增強(qiáng)負(fù)極活性物質(zhì)之間附著力的效果。

3 研究實(shí)踐

準(zhǔn)備上海施能電氣設(shè)備廠的HCF3系列自動恒流恒壓充放電設(shè)備以及金帆μC-XCF（48V/60A）微電腦自動循環(huán)充放電儀器[2]。在22.00℃～28.00℃恒定穩(wěn)定環(huán)境下，以100%DoD120.00min恒定放電，由48V/組放電至10.50V/只，進(jìn)而以恒定電壓14.80V/只連續(xù)充電，充電時(shí)限流2.80A/1.80A（20Ah/12Ah），一個(gè)充電循環(huán)為570.00min，電池壽命終止節(jié)點(diǎn)為動力電池容量下跌到70.00%[3]。

采取100.00%DOD快速循環(huán)檢測模式，即在17.00℃～23.00℃恒定溫度環(huán)境內(nèi)，以100.00%循環(huán)深度240分鐘率電流恒流的形式，放電到9.60V。進(jìn)而維持恒定壓力12.40V，與2.40A/1.40A下，進(jìn)行12.0Ah一組、20.0Ah一組鉛酸動力電池（含高炭負(fù)極鉛酸動力電池）的持續(xù)循環(huán)放電，以480min為一個(gè)循環(huán)周期，得出結(jié)果后記錄[4]。

4 研究結(jié)果

4.1 炭材料理化參數(shù)

由表1結(jié)果可知，炭黑、石墨、活性炭理化參數(shù)存在較大差異，其中活性炭比表面積較大，為1598.0～1819.0m2/g，炭黑比表面積次之，為52.5～70.8m2/g，石墨比表面積最小，為13.9～22.9m2/g;而活性炭表觀粒徑較小，為4.0～12.8nm，炭黑表觀粒徑較大，為29.8～40.2nm，石墨比表面積處于中等水平，為12.5～40.9nm。

4.2 樣本電池240分鐘率的放電容量

由下表2可知，通過對20Ah、12Ah樣本電池進(jìn)行240分鐘率電流放電測試，可以得出添加的各種炭材料對于初始放電性能影響不顯著，負(fù)極添加了石墨的鉛酸動力電池、負(fù)極添加了炭黑的鉛酸動力電池240分鐘率容量均稍高于常規(guī)電池，但添加了活性炭的樣本鉛酸電池初始容量低于常規(guī)鉛酸電池。

4.3 樣本電池不同倍率的放電特性

由表3可知，在放電倍率變化時(shí)，較之常規(guī)電池，石墨復(fù)合鉛酸動力電池、炭黑復(fù)合鉛酸動力電池大電流放電性能更為優(yōu)良;而在放電倍率下降時(shí)，活性炭復(fù)合鉛酸動力電池放電優(yōu)勢不明顯，只有在放電倍率處于較高水平時(shí)，活性炭復(fù)合鉛酸動力電池放電性能才會優(yōu)于常規(guī)電池。這可能是由于活性炭復(fù)合鉛酸動力電池比表面積較高，電容型較好。與此同時(shí)，測定石墨、活性炭、炭黑等不同炭材料對20Ah、12Ah鉛酸動力電池在深循環(huán)過程中失水量的影響，得出，在使用炭黑、石墨時(shí)，鉛酸動力電池失水量處于一個(gè)較小的水平，特別是石墨材料，可以保證單次循環(huán)的平均失水量與常規(guī)鉛酸動力電池失水量處于同等水平，這可能與負(fù)極中析出氫元素失水影響處于小幅度變化。再加上常規(guī)負(fù)極炭材料含量處于較低的水平，顆粒之間電極極性交叉，極易在后期出現(xiàn)較大失水量。因此，在后續(xù)分析過程中，僅分析石墨材料作為炭材料添加到鉛酸動力電池中與常規(guī)鉛酸動力電池深循環(huán)壽命的對比。

4.4 高炭鉛酸動力電池與常規(guī)鉛酸動力電池深循環(huán)壽命對比

從20Ah一組、12Ah一組進(jìn)行高炭鉛酸動力電池（石墨復(fù)合鉛酸動力電池）與常規(guī)鉛酸動力電池深循環(huán)壽命對比。

通過對20Ah、12Ah樣本電池組在充放電循環(huán)過程中電池容量充電系數(shù)進(jìn)行測試可得出結(jié)果如下：

如表4所示，12Ah一組的高炭負(fù)極鉛酸動力電池在循環(huán)次數(shù)逐漸增加過程中充電因子變化幅度較小，遠(yuǎn)低于常規(guī)鉛酸動力電池充電因子隨循環(huán)次數(shù)增加而變動的幅度，表明，石墨材料自身良好的抗硫酸鹽化能力、導(dǎo)電性，可以促使鉛酸動力電池充電接收效率向良性發(fā)展，進(jìn)而達(dá)到提高電池性能的效果。同理，可以進(jìn)行20Ah一組的鉛酸動力電池充電因子變化情況分析。

5 結(jié)語

綜上所述，研究結(jié)果表明，在鉛酸動力電池負(fù)極加入含量較高的炭材料，可以有效改善鉛酸動力電池在深循環(huán)下的壽命。這主要是由于適量負(fù)極炭材料的增加，可以促使鉛酸動力電池在深循環(huán)過程中導(dǎo)電性能改善，避免引發(fā)析氫過電位下降、負(fù)極硫酸鉛累積等對鉛酸蓄電池深循環(huán)下壽命的負(fù)面影響因子，滿足市場對混合電動汽車動力電池的較高要求。

參考文獻(xiàn)：

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[3]王杜友，郭志剛，張峰博，李桂發(fā)，劉玉，鄧成智，孔鶴鵬.動力型電池深循環(huán)壽命性能提升分析研究[J].蓄電池，2020，57（05）：215-220.

[4]馮洪高.變電站用鉛酸蓄電池的維護(hù)管理——評《鉛酸蓄電池壽命評估及延壽技術(shù)》[J].電池，2020，50（03）：309-310.