汽車蓄電池起動(dòng)能力的影響因素分析

陳志雪，李阿欣，王再紅，孫海濤，陳二霞，高鶴，閆娜，霍玉龍

（風(fēng)帆有限責(zé)任公司，河北 保定 071057）

0 引言

汽車蓄電池的起動(dòng)能力一般用低溫起動(dòng)能力表示。低溫起動(dòng)能力是蓄電池處于極為不利負(fù)荷條件下的放電能力，常用冷起動(dòng)電流（Cold cranking ampere，CCA）表征。冷起動(dòng)電流指的是在規(guī)定的某一低溫狀態(tài)下（通常為 –18 ℃）蓄電池在電壓降至極限電壓（如 7.2 V）前，連續(xù) 30 s 釋放出的電流[1]。僅從冷起動(dòng)電流來看，其值越高，低溫放電電流越大，說明低溫起動(dòng)能力越強(qiáng)。但是，冷起動(dòng)電流只能反應(yīng)蓄電池的起動(dòng)能力，并非越高越好。除起動(dòng)能力外，蓄電池還要滿足壽命周期內(nèi)的容量保持、循環(huán)耐久、耐振動(dòng)性等要求，因此需要綜合評(píng)價(jià)。

1 如何選擇蓄電池的冷起動(dòng)電流

1.1 根據(jù)起動(dòng)機(jī)的特性選擇

可以根據(jù)起動(dòng)機(jī)的特性來選擇合適的冷起動(dòng)電流值。若已知發(fā)動(dòng)機(jī)的特性曲線，則可以根據(jù)其轉(zhuǎn)速、扭矩或功率確定發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間起動(dòng)機(jī)的電流Is，即圖1 中橫坐標(biāo)電流值。為了保證起動(dòng)能力，蓄電池的冷起動(dòng)電流必須大于該電流值。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來說，一般Icc> 1.5Is[2]。

圖1 起動(dòng)機(jī)特性曲線

1.2 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的排量選擇

對(duì)于普通的用戶來說，可以根據(jù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的排量來選擇不同冷起動(dòng)電流的蓄電池。從表1 可以看出，起動(dòng)所需要的冷起動(dòng)電流值隨汽車排量不同，有不同的要求[3]。實(shí)際上并不需要冷起動(dòng)電流非常大（動(dòng)輒上千安培），而是在要求的范圍內(nèi)，夠用即可。如果長(zhǎng)期在低溫環(huán)境下使用，也可以選擇冷起動(dòng)電流稍微高些的蓄電池。另外，在尺寸、電壓、容量相當(dāng)?shù)那闆r下，雖然冷起動(dòng)電流大的電池的起動(dòng)能力較強(qiáng)，但是并不能說明電池綜合性能就好，一味地追求冷起動(dòng)電流難免會(huì)損害電池的其它性能。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)排量和所需蓄電池的冷起動(dòng)電流大致對(duì)應(yīng)關(guān)系

2 冷起動(dòng)電流的主要影響因素

蓄電池在規(guī)定條件下（包括放電電流、放電終止電壓等）放出的電量多少稱為蓄電池容量。一般蓄電池的容量越大，活性物質(zhì)含量越多，冷起動(dòng)電流也相應(yīng)越大。所以，對(duì)起動(dòng)能力要求高的車輛要選擇大容量蓄電池。對(duì)于容量相同的蓄電池，影響冷起動(dòng)電流的主要因素主要有：

2.1 放電面積

放電面積是指正、負(fù)極板的總反應(yīng)面積。放電面積越大，放電電流越大，冷起動(dòng)電流就越大。

2.2 內(nèi)阻

蓄電池的內(nèi)阻包括電極材料、隔板、電解液、板柵與活性物質(zhì)的電阻。蓄電池內(nèi)阻越小，冷起動(dòng)電流越大。

2.3 極板的孔隙率

極板的孔隙率表示極板中微孔的體積在極板總體積中的占比。極板孔隙率越高，相當(dāng)于活性物質(zhì)放電面積越大，越有利于冷起動(dòng)電流的提高。

2.4 負(fù)極鉛膏配方

一般來說，在負(fù)極配方中適當(dāng)增加硫酸鋇、木素磺酸鹽、腐殖酸的添加量，會(huì)使蓄電池具有更好的大電流放電性能，即冷起動(dòng)電流較大。

3 提高冷起動(dòng)電流的途徑及負(fù)面影響

3.1 增大放電面積

放電面積是影響冷起動(dòng)電流大小的關(guān)鍵因素。極板面積越大，極板片數(shù)越多，蓄電池的冷起動(dòng)電流越高。對(duì)于容量相同的蓄電池，蓄電池槽和極群的尺寸是基本一致的（見圖2）。增大放電面積，往往意味著減薄極板，增加極板數(shù)量，或者適當(dāng)加高極板，但是這會(huì)帶來以下幾方面的負(fù)面影響。

圖2 極群結(jié)構(gòu)示意圖

3.1.1 減薄極板

（1）減薄板柵，則板柵的耐腐蝕能力下降，導(dǎo)致電池壽命縮短。細(xì)筋條更容易腐蝕斷裂，所以工業(yè)電池的長(zhǎng)壽命要有厚的板柵作保證。圖3 為板柵腐蝕導(dǎo)致機(jī)械支撐作用消失后極板腐爛的照片。

圖3 極板腐爛照片

（2）減薄極板，則鉛膏的保護(hù)作用減弱，H2SO4更容易侵蝕到板柵，加快板柵的腐蝕失效。

（3）薄極板化成時(shí)，由于硫酸電解液比較容易滲入，極板中沒有中性或弱堿性環(huán)境，使得更容易生成 β-PbO2，而起骨架結(jié)構(gòu)的 α-PbO2的含量少[4]，導(dǎo)致活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)更容易崩塌，損害電池的壽命[5]。

（4）極板變薄意味著骨架結(jié)構(gòu)和能量結(jié)構(gòu)的區(qū)分減弱，活性物質(zhì)內(nèi)外同時(shí)發(fā)生“溶解—沉淀”反應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可逆性降低，循環(huán)壽命縮短[6]。

3.1.2 增加極板數(shù)量

極板數(shù)量增多，隔板數(shù)量相應(yīng)地增多，因此就需要減薄隔板，而減薄隔板意味著存在更多的短路風(fēng)險(xiǎn)（特別是對(duì)于 AGM 隔板）。

3.1.3 加高極板

適當(dāng)加高極板，可能加重電解液分層，增大上下極板電位差，導(dǎo)致電池自放電現(xiàn)象加重[7]。富液電池升級(jí)換代為 AGM 起停電池可以通過加高極板，來提高冷起動(dòng)電流，如圖4所示。

圖4 富液電池升級(jí)為 AGM 電池加高極板示意圖

總之，如果沒有升級(jí)換代，單純?cè)龃蠓烹娒娣e往往意味著縮短壽命，并可能帶來荷電保持能力、耐高溫侵蝕能力、耐振動(dòng)性能的下降以及極板易彎曲變形等現(xiàn)象。

3.2 減小蓄電池內(nèi)阻

減小蓄電池內(nèi)阻，可相應(yīng)提升蓄電池的冷起動(dòng)電流[8-9]。這不難理解，電壓一定，電阻減小，放電電流就會(huì)增大。若要減小蓄電池內(nèi)阻，就需要考慮減小電極材料、隔板、電解液的內(nèi)阻。

3.2.1 減小電極材料的內(nèi)阻

提升電極材料（板柵、匯流排、極柱等）的用量，從而提高電子導(dǎo)電能力，減小蓄電池的內(nèi)阻，但是性能提升空間不大。

3.2.2 減小隔板的內(nèi)阻

蓄電池隔板電阻的大小主要由隔板的材料、厚度以及多孔性來決定[10]。減薄隔板或提高隔板的孔率，從而提升離子的導(dǎo)電能力，可以減小電池的內(nèi)阻，但是由此導(dǎo)致的滲透等短路風(fēng)險(xiǎn)也相應(yīng)增大。圖5所示為 PE 隔板和 AGM 隔板的滲透短路現(xiàn)象。

圖5 PE 隔板和 AGM 隔板的滲透短路

3.2.3 減小電解液的內(nèi)阻

電解液的相對(duì)密度影響離子的擴(kuò)散能力，所以電解液的密度過高或者過低都會(huì)導(dǎo)致其電阻增大。如圖6所示，理論上，常溫下密度為 1.23 g/cm3的硫酸電解液的電阻最小[6]。調(diào)整電解液的密度，使電解液的電阻處于較小值可一定程度增大冷起動(dòng)電流，但是設(shè)計(jì)時(shí)不能只考慮起動(dòng)性能，還要兼顧容量、充電接受、循環(huán)壽命等。車用蓄電池選用密度1.270～1.290 g/cm3硫酸電解液，可獲得較佳的電池參數(shù)[11]。硫酸電解液作為反應(yīng)物，若初始密度過低，一旦處于不滿電的狀態(tài)就會(huì)影響起動(dòng)性能，但若電解液密度過高，就會(huì)導(dǎo)致板柵腐蝕加快，電池壽命縮短，析氫析氧電流增大，水損耗增加[12]。

圖6 H2SO4 溶液的電阻率隨密度和溫度的變化曲線[6]

3.2.4 提高使用溫度

一定程度提高蓄電池使用溫度可提高離子的傳輸速率，降低電解液粘度，使電解液中的離子擴(kuò)散能力提高，進(jìn)而降低電池內(nèi)阻[13]。但這得由具體使用環(huán)境來決定，不易從設(shè)計(jì)上做出改變，而且溫度過高還會(huì)增加水耗，加快板柵腐蝕和活性物質(zhì)泥化。

3.3 提高極板的孔隙率

孔隙率高意味著活性物質(zhì)的比表面積增大，也相當(dāng)于放電面積增加，活性物質(zhì)利用率提升，所以有利于冷起動(dòng)電流的提高。提高極板孔隙率的方法有以下幾個(gè)方面。

3.3.1 提高和膏加酸量

和膏加酸量提高，化成后生成的 β-PbO2更多，電池具有更高的初容量和冷起動(dòng)電流[6]，但衰減很快，不利于冷起動(dòng)電流的保持和長(zhǎng)壽命。

3.3.2 提高和膏“酸+水”總量

提高和膏“酸+水”總量，固化后的生極板就相對(duì)疏松，化成后依然保持高孔率，有利于初期的冷起動(dòng)電流，但同樣面臨衰減快、壽命短的問題。

3.3.3 引入正極添加劑

和膏時(shí)加入一些正極添加劑（如硫酸鈉、炭材料等）來提高孔隙率[14]，可使蓄電池的放電性能顯著提高。但是，若為追求高冷起動(dòng)電流而增加添加劑含量，導(dǎo)致極板的孔隙率過高，活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)就會(huì)相對(duì)疏松，更容易軟化或崩塌脫落，縮短電池的使用壽命，如圖7所示。

圖7 正極板形貌

3.4 調(diào)整負(fù)極板配方

適量提高負(fù)極板中腐殖酸、木素膨脹劑等的添加量，對(duì)低溫放電冷起動(dòng)電流有些好處[15]。因?yàn)楦乘岷湍舅匚皆?Pb 和 PbSO4上，阻止致密的PbSO4上鈍化層的生成，使內(nèi)部的活性物質(zhì)充分參與反應(yīng)，所以電池的放電能力會(huì)增強(qiáng)[16]。但是，有機(jī)添加劑還會(huì)阻礙 PbSO4的溶解，導(dǎo)致充電接受能力降低。另外，如果為了提升冷起動(dòng)電流而過量加入膨脹劑，則會(huì)導(dǎo)致負(fù)極板異常膨脹，給蓄電池的使用帶來一系列負(fù)面影響。

4 結(jié)束語

蓄電池作為一個(gè)非常復(fù)雜的電化學(xué)體系，只強(qiáng)調(diào)某一個(gè)性能是極其片面的、不可取的，所謂牽一發(fā)而動(dòng)全身。對(duì)蓄電池冷起動(dòng)電流的影響因素進(jìn)行調(diào)整，是可以提高電池的起動(dòng)能力，但是也可能會(huì)造成其它某些性能的降低，所以應(yīng)該根據(jù)具體使用情況平衡取舍。總之，冷起動(dòng)電流并不是越大越好，滿足車輛要求即可。