鉛酸蓄電池正、負(fù)極活性物質(zhì)質(zhì)量比的探討

王興鋒，黃毅，顧立貞，馬廣磊，金巍

（江蘇華富儲(chǔ)能新技術(shù)股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225600）

0 引言

常規(guī)閥控式鉛酸蓄電池極群結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為負(fù)極板比正極板多一片。不同的極群結(jié)構(gòu)和正、負(fù)極活性物質(zhì)質(zhì)量比對(duì)電池性能是有影響的[1-2]。常規(guī)電池中極群兩邊負(fù)極板的利用率較低，一般為極群中間負(fù)極板的 50 %～65 %，所以在正、負(fù)活性物質(zhì)質(zhì)量比合理的情況下，一般用正極板計(jì)算電池的容量[3-4]。關(guān)于蓄電池負(fù)板兩側(cè)邊板重量的問題之前已經(jīng)做了相關(guān)的試驗(yàn)研究[5]。本文中，筆者通過制備正、負(fù)極板數(shù)量相同的鉛酸蓄電池，對(duì)靠近邊正極板的負(fù)極板采用不同的活性物質(zhì)質(zhì)量，探討電池容量的變化，30 % DOD 放電時(shí)末期電壓的變化和失水量變化。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 極板的制備

采用尺寸為 151 mm×154 mm×2.8 mm Pb-Ca合金正板柵（單片質(zhì)量 100 g）和尺寸為 151 mm×155 mm×1.75 mm Pb-Ca 合金負(fù)板柵（單片質(zhì)量70 g），經(jīng)和膏（常規(guī)配方）、涂片、固化、干燥等正常生產(chǎn)工藝制得單片質(zhì)量分別為 220 g、235 g、250 g、265 g 的負(fù)極板（編號(hào)分別為 A、B、C、D）。所用正極板（采用正常生產(chǎn)工藝制作，編號(hào)為 E）的質(zhì)量均為 340 g。負(fù)極板 A 與正極板 E 的活性物質(zhì)質(zhì)量比為常規(guī)配比。

1.2 鉛酸蓄電池的制備

選定外形尺寸為 171 mm × 72 mm × 205 mm電池殼，按圖 1 中兩種極群結(jié)構(gòu)制備 2 V 100 Ah 電池。每個(gè)極群只含 1 片實(shí)驗(yàn)負(fù)極板，其余均為負(fù)極板 A。采用 AGM 隔板雙層包正板的方式，按表 1 進(jìn)行裝配。然后，采用內(nèi)化成工藝，制得實(shí)驗(yàn)電池。硫酸電解液密度為（1.255 ± 0.005）g/cm3。

表1 實(shí)驗(yàn)電池裝配方式

圖1 極群結(jié)構(gòu)

1.3 電池容量測(cè)試

容量測(cè)試方法：在（25±5）℃ 溫度下，采用恒壓限流充電模式，在 2.35 V 電壓下以 20 A 電流充電 15 h，使電池達(dá)到完全充滿狀態(tài)。然后，以 10 A恒電流放電至終止電壓 1.8 V。

由表 2、圖 2 可見，編號(hào)為 2V-0 的電池與其它電池在容量上相差接近 10 Ah，表明少 1 片負(fù)極板對(duì)電池容量有明顯影響。當(dāng)改變實(shí)驗(yàn)負(fù)極板的質(zhì)量時(shí)，電池容量也發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)負(fù)極板越輕，電池的初始容量越低；實(shí)驗(yàn)負(fù)極板越重，初始容量越高。但是，隨著實(shí)驗(yàn)負(fù)極板的質(zhì)量增至某一數(shù)值后，也就是當(dāng)單片負(fù)極板與單片正極板的活性物質(zhì)的質(zhì)量比超過 0.7 時(shí)，電池的初始容量不再增加。2V-C 和 2V-D 的初始容量及放電曲線幾乎一致。

表2 實(shí)驗(yàn)電池的放電時(shí)間和容量

圖2 實(shí)驗(yàn)電池的放電曲線

1.4 電池 30 % DOD 循環(huán)性能測(cè)試

30 % DOD 循環(huán)性能測(cè)試的方法：（1）（25 ±5）℃ 條件下，完全充滿狀態(tài)的蓄電池以恒流 0.1C（C 為 10 A 放電時(shí)各電池的初始容量）放電 3 h。接著，在恒壓限流充電模式下，以恒壓 2.35 V 和電流0.2C 充電 4.5 h。然后，靜止 1 h。重復(fù)以上充放電過程 100 次。（2）經(jīng)過 100 次循環(huán)后，在（25 ± 5）℃條件下，將完全充滿狀態(tài)的蓄電池以恒流 0.1C10（C10為電池的額定 10 小時(shí)率容量）放電 3 h。接著，在恒壓限流充電模式下，以恒壓 2.35 V 和電流0.2C10充電 4.5 h。然后，靜止 1 h。重復(fù)以上充放電過程 100 次。

圖3 表明，5 種實(shí)驗(yàn)電池的末期電壓曲線走勢(shì)無明顯差異，但末期電壓值存在細(xì)微的偏差。初始容量越低，末期電壓越高；初始容量越高，末期電壓越低。通過分析可以知道，末期電壓存在偏差的原因主要是選擇以 0.1C 電流充電，導(dǎo)致 5 種實(shí)驗(yàn)電池本身的放電倍率不一致。鑒于此情況，將實(shí)驗(yàn)電池的初始容量通過普科特（Peukert）方程[6]

圖3 實(shí)驗(yàn)電池的 30 % DOD 放電末期電壓（0.1C）

n = （lg t2– lg t1）/（lg I1– lg I2）

換算成 10 小時(shí)率容量（C10）。在式中：n 為常數(shù)，且 n = 0.057δ+1.13[7]（δ為正極板厚度，本實(shí)驗(yàn)中 δ 為 3.08 mm）。依據(jù)表 3 中實(shí)驗(yàn)電池的 10小時(shí)率容量，以 0.1C10電流放電 3 h，再次進(jìn)行充放電循環(huán) 100 次，并記錄電池的末期電壓。圖 4 中結(jié)果表明，所做的實(shí)驗(yàn)電池的末期電壓無明顯差異，也就是說電池少 1 片負(fù)極板對(duì)其循環(huán)性能沒有影響。

圖4 實(shí)驗(yàn)電池的 30 % DOD 放電末期電壓（0.1C10）

表3 中循環(huán)前后的電池質(zhì)量和圖 5 中的失水量數(shù)據(jù)表明，循環(huán) 200 次后電池的失水量在 32～34 g之間，折算后的水損耗為 0.34～0.35 g/Ah。5 種實(shí)驗(yàn)電池的數(shù)據(jù)接近，表明少 1 片負(fù)極板后對(duì)電池的水損耗影響不明顯。

表3 實(shí)驗(yàn)電池的 C10 容量和循環(huán)前后的質(zhì)量

圖5 實(shí)驗(yàn)電池循環(huán)后的失水量

2 結(jié)論

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，無論是采用正、負(fù)極板數(shù)量相同的極群結(jié)構(gòu)，還是采用負(fù)極板比正極板多 1 片的極群結(jié)構(gòu)，電池的循環(huán)性能和失水量沒有差別。但是，采用正、負(fù)極板數(shù)量相同的極群結(jié)構(gòu)會(huì)使電池容量明顯降低。主要是由于邊正極板的利用率降低，容量降低約 50 % 左右。增加靠近邊正極板的負(fù)極活性物質(zhì)的質(zhì)量可使電池容量略有提升，但當(dāng)單片負(fù)極板與單片正極板的活性物質(zhì)的質(zhì)量比超過0.7 時(shí)，容量不再增加。