炭含量對(duì)閥控電池正極板保液量及容量的影響

何麗華，祁永軍

（1.天津市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)技術(shù)研究院，天津 300308；2.河北奧冠電源有限責(zé)任公司，河北 衡水 253800）

0 引言

蓄電池的容量是指在一定放電條件下，可以從電池中獲得的電量。一般，蓄電池的放電容量與極板的尺寸，活性物質(zhì)的成分、數(shù)量和孔率，電解液的密度、數(shù)量和溫度，放電電流和放電終止電壓等因素有關(guān)[1]。其中，活物質(zhì)的孔率是影響極板放電容量的最不確定的因素，因?yàn)闃O板活性物質(zhì)孔隙的大小和分布處于一種不規(guī)則的形態(tài)，是在極板固化干燥過(guò)程中由鉛膏的含水量和失水速率決定的。

為了使正極板獲提較好的孔率，在控制固化干燥過(guò)程中鉛膏含水量和失水速率的前提下，一般情況下是在正極鉛膏中添加一定量的炭素材料，如碳纖維、石墨、膠體石墨等[2]。炭素材料是屬高表面活力物質(zhì)，具有較高的吸附性，能很好地吸附電解液，從而提高硫酸電解液對(duì)極板活性物質(zhì)（特別是極板深處的活性物質(zhì)）的接觸、滲透，有利于電極電化反應(yīng)的深度進(jìn)行。另一方面，活性物質(zhì)中高度分散的炭素材料，在極板化成時(shí)，由于硫酸的滲透作用會(huì)產(chǎn)生體積膨脹，有利于正極板活性物質(zhì)的孔隙度的增加。也有資料顯示，把石墨加入鉛膏中，在極板固化時(shí)，可以提高 3 BS 的含量，從而使電池具有更高的容量[3]，也有利于電池的循環(huán)壽命和低溫性能[4]。所以，正極板活性物質(zhì)中加入適當(dāng)?shù)奶克夭牧嫌欣诨钚晕镔|(zhì)的孔隙度的增加和電解液的吸附。特別是，對(duì)于閥控式蓄電池，由于正常運(yùn)行一般是處在貧液狀態(tài)，與富液蓄電池相比，存在著電解液擴(kuò)散能力差，極板持酸量低的問(wèn)題。這些問(wèn)題也影響到閥控式蓄電池的放電容量。為此，筆者對(duì)閥控式蓄電池正極板中炭素材料含量與極板保液量，以及電池放電容量之間的關(guān)系進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)

以 6-DZM-20 電動(dòng)助力車(chē)用鉛酸蓄電池為試驗(yàn)對(duì)象。將膠體石墨按鉛粉重量的 0.1 %、0.3 %、0.5 %、0.7 %、0.9 % 分別加入正極板鉛膏中，按正常生產(chǎn)工藝制作成 5 組（每組 4 只）樣品蓄電池。在此過(guò)程中，測(cè)記每只蓄電池的正、負(fù)極板和實(shí)際灌酸重量。按 GB 22199—2017 標(biāo)準(zhǔn)中容量試驗(yàn)方法，對(duì)樣品蓄電池進(jìn)行 10 次練習(xí)放電，然后分別在 25 ℃、-10 ℃ 和 -20 ℃ 溫度下進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)容量放電，記錄并計(jì)算樣品蓄電池的實(shí)際放電容量值。最后，解剖樣品蓄電池， 取出正、負(fù)極板及隔板，分別計(jì)算出所保持的電解液量。將所有測(cè)量、計(jì)算結(jié)果列于表1 中。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

將表1 的數(shù)據(jù)描繪成對(duì)應(yīng)曲線。從圖1 中可以看出，隨著正極板含炭量的增加，蓄電池的放電容量呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，特別是在低溫環(huán)境下，放電容量增長(zhǎng)的幅度較大。炭素材料的加入可以有效地改善正極板活性物質(zhì)中孔的形態(tài)和極板的孔率。一方面，孔率的增加增大了正極板的真實(shí)表面積，從而使通過(guò)正極板的真實(shí)電流密度降低，減少了電化反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的電化學(xué)極化。另一方面，孔率的增加降低了正極板界面?zhèn)髻|(zhì)擴(kuò)散層的厚度，使得電極的擴(kuò)散電流密度增加，減少了電化反應(yīng)過(guò)程中由于極板內(nèi)外硫酸根濃度差所產(chǎn)生的濃差極化。特別是在低溫條件下，由于極板內(nèi)部硫酸根濃度的增大，使得電解液的結(jié)冰傾向減弱，有利于電極電化反應(yīng)的進(jìn)行，這一點(diǎn)可以通過(guò)硫酸電解液的冰點(diǎn)曲線得到求證。所以，當(dāng)正極板的炭含量增加量時(shí)會(huì)使蓄電池放電容量增大。

圖1 正極板炭含量與電池放電容量的關(guān)系

從圖2 中可以看出，隨著正極板含炭量的增加，正極板的保液量也呈顯增加趨勢(shì)。圖1 中說(shuō)明，炭素材料的加入有利于硫酸電解液的吸附與傳輸，圖2 所示的關(guān)系驗(yàn)證了這一點(diǎn)。吸附是指物質(zhì)（主要是固體物質(zhì)）表面吸住周?chē)橘|(zhì)（液體或氣體）中的分子或離子的現(xiàn)象。吸附作用和物質(zhì)的表面積有關(guān)，表面積越大，吸附能力越強(qiáng)。炭素材料是一種具有較大表面積，較強(qiáng)吸附作用的物質(zhì)。本試驗(yàn)中采用的膠體石墨是由超細(xì)鱗片石墨和膠質(zhì)有機(jī)溶劑制成的一種具有很強(qiáng)親水性的材料。曾有報(bào)道說(shuō)，把一定量的膠體石墨加入蓄電池正極板用鉛膏中會(huì)對(duì)硫酸溶液產(chǎn)生較強(qiáng)的吸附作用。本試驗(yàn)證明，隨著膠體石墨添加量的增加，在一定范圍內(nèi)膠體石墨對(duì)硫酸溶液的吸附作用也增加。另外，也有資料指出，加入高純各向異性石墨后，鉛膏會(huì)因石墨膨脹而起到緊密裝配的作用，使正極保持高孔率，從而提高正極利用率[5]。

圖2 正極板炭含量與保液量的關(guān)系

2 結(jié)論

閥控式鉛酸蓄電池的正極板用鉛膏中添加0.1 %～0.9 % 的膠體石墨后，有如下作用：

（1）隨著膠體石墨添加量的增加，蓄電池正極板的保液量也逐漸增多。主要原因是，膠體石墨的加入增加了活性物質(zhì)的孔率和對(duì)硫酸電解液的吸附能力。

（2）隨著膠體石墨添加量的增加，蓄電池的放電容量也逐漸增大，且低溫放電容量增大幅度較為明顯。主要原因是，正極板的保液量增加，降低了電化反應(yīng)的濃差極化和電解液的結(jié)冰傾向。