瓶裝純凈水對(duì)蓄電池性能影響的研究

覃順一，祖海川，王廷華，閆娜，陳二霞，霍玉龍，劉燕朝，陳志雪

（風(fēng)帆有限責(zé)任公司，河北 保定 071057）

0 引言

為了提高用戶的駕駛舒適度，重卡電空調(diào)車(chē)逐漸興起，隨之各電池生產(chǎn)廠家紛紛推出電空調(diào)用鉛酸蓄電池。24 V 車(chē)載空調(diào)用鉛酸蓄電池是近幾年出現(xiàn)的新產(chǎn)品，主要用于工程車(chē)、卡車(chē)[1]。該型號(hào)鉛酸蓄電池的放電電流為 20～45 A，保護(hù)電壓為 10.5～11.7 V/只。由于有部分空調(diào)廠家設(shè)計(jì)的保護(hù)電壓過(guò)低，蓄電池存在深放電的風(fēng)險(xiǎn)[2]。深放電會(huì)使電池生成大量硫酸鉛顆粒，導(dǎo)致極板的導(dǎo)電性變差，從而造成在電池再充電過(guò)程中極板極化增大，充電效率降低，析氣增加。在炎熱夏季，過(guò)高的環(huán)境溫度使蓄電池的浮充電流上升，導(dǎo)致析出的氣體過(guò)多。同時(shí)，夏季時(shí)客戶對(duì)蓄電池的使用需求較高，導(dǎo)致蓄電池的放電深度和充電電流普遍較大。這類(lèi)苛刻的使用環(huán)境致使蓄電池常常出現(xiàn)水損耗嚴(yán)重，硫酸電解液密度升高的情況，從而縮短蓄電池的壽命[3]。因此，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，駐車(chē)空調(diào)用電池普遍存在電解液液面過(guò)低，電解液密度偏高的情況。

電解液密度對(duì)鉛酸蓄電池的循環(huán)壽命有較大的影響。當(dāng)蓄電池內(nèi)電解液液面過(guò)低，電解液密度高于 1.28 g/cm3時(shí)，蓄電池的循環(huán)壽命就會(huì)縮短[4]。

目前，市場(chǎng)上額定容量在 150 Ah 及以上的電空調(diào)車(chē)用帶栓大型免維護(hù)鉛酸蓄電池在長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中，存在水損耗較大的情況，從而導(dǎo)致蓄電池的使用壽命縮短。當(dāng)電解液的液面接近甚至低于設(shè)定的最低液面線時(shí)，可以通過(guò)注液孔補(bǔ)加蓄電池專(zhuān)用水，進(jìn)行適當(dāng)?shù)木S護(hù)，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。由于消費(fèi)者有時(shí)不易在市面上獲得實(shí)驗(yàn)室制備的純水或者蓄電池專(zhuān)用水，筆者研究了瓶裝純凈水對(duì)鉛酸蓄電池水損耗和自放電性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品制備

組裝 6 只 12 V 35 Ah 富液起動(dòng)型鉛酸蓄電池。對(duì)樣品電池的極板等半成品進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以確保樣品電池性能的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.2 水雜質(zhì)分析化驗(yàn)

為了了解不同品牌瓶裝純凈水的成分差別，抽取實(shí)驗(yàn)室純水和市場(chǎng)上常見(jiàn)品牌（如圖1 所示）的瓶裝純凈水，參照國(guó)標(biāo) GB 17323—1998[5]進(jìn)行成分化驗(yàn)。鐵含量、氯含量、錳含量和還原物含量檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。對(duì)于所測(cè)試的 5 種瓶裝水，鐵、氯、錳含量沒(méi)有差別，還原物的含量略有差別。選擇還原物含量較高的 4 號(hào)水樣（今麥郎軟化純凈水）作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)用純凈水，并與實(shí)驗(yàn)室制備蓄電池用純水對(duì)比進(jìn)行后序試驗(yàn)。

表1 水樣雜質(zhì)含量檢測(cè)結(jié)果 %

圖1 市面采購(gòu)的飲用純凈水

1.3 水損耗測(cè)試

水損耗試驗(yàn)：① 選取 2 只樣品電池，其中一只樣品使用 4 號(hào)水樣配置的電解液，另一只樣品使用 0 號(hào)水樣配置的電解液；② 借鑒國(guó)標(biāo) GB/T 5008.1—2013[6]中第 5.10 條款，將環(huán)境溫度由 40 ℃ ±2 ℃ 改為 60 ℃ ± 2 ℃，保持其它條件不變，進(jìn)行水損耗試驗(yàn)。由表2 可以看出，4 號(hào)水樣對(duì)樣品電池的 60 ℃ 水損耗性能的影響很小。由于 60 ℃ 水損耗試驗(yàn)中選用了還原物含量相對(duì)較高的 4 號(hào)水樣，因此可以推斷出，其它水樣對(duì)樣品電池 60 ℃水損耗性能的影響更小。

表2 水損耗試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

1.4 自放電測(cè)試

自放電試驗(yàn)：① 選取 4 只樣品電池，其中 2只樣品使用 4 號(hào)水樣配置的電解液，另 2 只樣品使用 0 號(hào)水樣配置的電解液；② 在室內(nèi)，將溫度控制在 25 ℃ ± 5 ℃，進(jìn)行自放電測(cè)試。每天測(cè)量并記錄 4 只樣品電池的端電壓和內(nèi)阻。將測(cè)試結(jié)果列于表3 中，并繪制成電壓曲線圖和內(nèi)阻曲線圖。由圖2 和圖3 可以看到，4 號(hào)水樣對(duì)常溫下樣品電池的自放電性能影響很小。由于自放電試驗(yàn)中選用了還原物含量相對(duì)較高的 4 號(hào)水樣，因此可以推斷出，其它水樣對(duì)樣品電池自放電性能的影響更小。

表3 自放電試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

圖2 樣品電池的電壓變化曲線

圖3 樣品電池的內(nèi)阻變化曲線

1.5 電化學(xué)測(cè)試

使用辰華 CHI660E 電化學(xué)工作站進(jìn)行線性掃描分析，研究由瓶裝純凈水制備的電解液對(duì)電極析氫過(guò)電位的影響。工作電極為面積S= 15 mm × 15 mm，厚度為 1.0 mm 的鉛合金樣條。對(duì)電極為面積S=30 mm × 40 mm，厚度為 1.0 mm 的鉛合金樣條。參比電極為 Hg/Hg2SO4電極（E0= 0.656 V，25 ℃）。線性掃描電位區(qū)間為開(kāi)路電位（OCV）～-1.60 V。先以 5 mV/s 的掃描速率掃描 5 次，然后以 1 mV/s的掃描速率進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。編號(hào)為 3-1 和 3-2 樣品電極使用 0 號(hào)水樣配置的硫酸電解液。編號(hào)為 3-3和 3-4 樣品電極使用 4 號(hào)水樣配置的硫酸電解液。電解液的密度均為 1.285 g/cm3。由圖4 中可以看出，3-3 和 3-4 樣品電極的析氫電位略微偏正，說(shuō)明采用 4 號(hào)水樣的電極析氫過(guò)電位較低，更容易析氫，但是直到電位低于 -1.45 V 后 4 個(gè)樣品電極的析氫速率才出現(xiàn)較大的區(qū)別。一般情況下，富液鉛酸電池在汽車(chē)上工作時(shí)的充電電壓不會(huì)高于14.80 V，其負(fù)極的電位也不會(huì)低于 -1.40 V[7]?？傊谪?fù)極的開(kāi)路電位（OCV）～-1.40 V 這個(gè)電位區(qū)間內(nèi)，瓶裝純凈水和實(shí)驗(yàn)室制備蓄電池用純水對(duì)電極的析氫曲線基本一致。瓶裝純凈水對(duì)電極析氫沒(méi)有多大的影響，即不會(huì)使電池的水損耗明顯增大。

圖4 電極的線性掃描曲線

2 結(jié)論

經(jīng)上述分析，可以得出：市場(chǎng)上常見(jiàn)的瓶裝純凈水對(duì)鉛酸蓄電池的常溫自放電性能和 60 ℃ 水損耗性能影響較小?？梢灶A(yù)測(cè)，在汽車(chē)上正常使用時(shí)，瓶裝純凈水對(duì)鉛酸蓄電池的析氫過(guò)電位的影響較小，可滿足鉛酸蓄電池使用的要求。因此，在不易獲得蓄電池專(zhuān)用水且車(chē)輛充電系統(tǒng)正常的情況下，可以在鉛酸蓄電池電解液的液面低于最低液面線時(shí)，通過(guò)補(bǔ)加瓶裝純凈水對(duì)蓄電池進(jìn)行適當(dāng)維護(hù)。