炭材料對通信VRLA電池性能的影響

錢 濤，劉 利，王 明

(1.蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與通信工程系，江蘇蘇州215104；2.西安建筑科技大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，陜西西安710055；3.江蘇陽光四季新能源科技股份有限公司，江蘇蘇州215104)

閥控式密封鉛酸(VRLA)蓄電池在機(jī)能方面大大優(yōu)于防酸隔爆式電池，在移動通信設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用[1]。鉛蓄電池的充電性能和深放電循環(huán)壽命在很大程度上受到負(fù)極活性物質(zhì)的導(dǎo)電性影響。因?yàn)樘坎牧峡梢孕纬珊芎玫膶?dǎo)電系統(tǒng)，所以就算電池在部分荷電態(tài)，額外導(dǎo)體硫酸鉛將電極表面籠罩，電子在充電時也能迅速轉(zhuǎn)到硫酸鉛，負(fù)極的充電接受能力和深循環(huán)能力就能大大增強(qiáng)[2]。本文制備了4 V/8 Ah VRLA蓄電池，在其負(fù)極添加不同質(zhì)量的OFB1進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，討論了OFB1的含量對VRLA蓄電池負(fù)極充電接受能力的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 電池制備

儀器與試劑：GSL-101BI激光顆粒分布測量儀，電化學(xué)工作站CHI650d，DigatronBTS-300電池測試系統(tǒng)，精密可調(diào)恒溫水浴槽，參比電極為汞/硫酸亞汞電極三電極體系，對電極為Pt電極，電解液為ρ=1.280 g/cm3的硫酸溶液，場發(fā)射掃描電子顯微鏡，無水乙醇，8 Ah VRLA蓄電池。

單體模擬電池的制備：3 Ah閥控電池，正負(fù)極板由AGM隔開，AGM隔板包封負(fù)極，50 mL電解液。

1.2 性能測試方法

充放電接受能力測試按照GB/T5008.1-2013要求進(jìn)行：(1)4 V/8 Ah電池充滿電后1～4 h內(nèi)以I10恒流放電10 h后，在0℃下靜置48 h，拿出電池后，在3 min內(nèi)4.8 V下充電300 s，記下第300 s的電流ICa，由電流-時間曲線積分，算出300 s內(nèi)Q300s和ICa/I10的結(jié)果。

動態(tài)充電接受性能測試數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是參照Ford公司進(jìn)行的：(1)4 V/8 Ah電池滿電時，以I=2I10恒流放電2 h至80%荷電，在4.8 V下穩(wěn)定充電300 s，將80%荷電時300 s內(nèi)真正充入的量以I=2I10恒流全部放完電，再以I=2I10恒流放電2 h至70%荷電，接著在4.8 V下穩(wěn)定充300 s，70%～60%荷電態(tài)檢測也用這種方法進(jìn)行，連續(xù)做完實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換時間最多120 s[3]；(2)記下荷電狀態(tài)為80%～60%時，在4.8 V穩(wěn)定電壓下充至300 s的電流ICa，再由電流-時間曲線積分，得出300 s內(nèi)電池的真實(shí)電量Q300s。

深循環(huán)壽命實(shí)驗(yàn)方案：(1)在蓄電池滿電狀態(tài)下，5 h以內(nèi)，I=4I10穩(wěn)定放電120 min，1.67 V時結(jié)束，再按照下面的方法重復(fù)實(shí)驗(yàn)：(a)在4.8 V恒壓限流條件下以6I10充電30 min；(b)以 6I10恒電流放電 20 min，終止條件為 1.67 V。(2)按(a)～(b)重復(fù)，一個重復(fù)單位為60次，100 mV為最高電壓降。

－18℃低溫起動性能測試：(1)電池充滿后，在－18℃箱里放12 h，再拿出來，240 s內(nèi)以穩(wěn)定電流12 A放電，當(dāng)電壓小于2.4 V后結(jié)束，分別寫下5、10、30 s完成時的電壓大小，并寫好時長。

2 結(jié)果與討論

充電性能測試結(jié)果見圖1，可以看出當(dāng)OFB1的量增多，充電能力的改變趨勢為拋物線狀，在w(OFB1)=0.6%時充電性能最佳，w(OFB1)=0.6%時第10 min電流比w(OFB1)=0.2%時提高了近60%，300 s內(nèi)真實(shí)充入的量增加了大約52%。繼續(xù)增加OFB1的量，在300 s時電流減小，但在OFB1添加量為0.6%和0.8%時，300 s內(nèi)電池真實(shí)充入的量還是比OFB1添加量為0.2%和0.4%時的高。說明OFB1添加量為0.6%時，OFB1能夠在很大程度上減小電池在重復(fù)使用中的極化現(xiàn)象，而且放電中硫酸鉛的增加速度降低到極值，在50%荷電時，活性物的內(nèi)阻最小，在很大程度上抑制了負(fù)極硫酸鹽化的出現(xiàn)，使充電更完全，大大提升了電池的充電性能[4]。

圖1 不同OFB1添加量時充電接受性能變化趨勢

從圖2可以看出，在常溫下，當(dāng)OFB1含量增多時，還原峰電流慢慢變多，OFB1能夠促使電極進(jìn)行還原反應(yīng)，應(yīng)該是電極的表面積隨著OFB1的增加而加大，加快溶解硫酸鉛和加快擴(kuò)散固液界面的鉛離子，增大了電子的運(yùn)動速率，充電性能增強(qiáng)，當(dāng)掃描電勢負(fù)移增多，開始析出了更多的氫，后面所得出的析氫結(jié)論跟此次相同。

圖2 不同OFB1添加量時的伏安掃描曲線

此實(shí)驗(yàn)檢測了4 V/8 Ah電池在80%～60%的荷電狀態(tài)、4.8 V穩(wěn)定電壓充300 s的接受性能。當(dāng)計(jì)算300 s內(nèi)真實(shí)充入的量時，如圖3所示，當(dāng)w(OFB1)=0.2%時，在90%、80%、70%、60%荷電態(tài)下充入量沒有什么變化；w(OFB1)=0.6%時，90%與80%荷電下充入量相差最多；w(OFB1)=0.8%時，80%與70%荷電態(tài)下充入量相差最多，w(OFB1)=0.6%時，80%與70%荷電態(tài)下充入量相差第二大。當(dāng)荷電態(tài)為80%、70%時，也在w(OFB1)=0.8%充入量相差最多，說明w(OFB1)=0.8%時，充電能力受荷電量的多少影響最大，包括第300 s的電流和300 s內(nèi)真實(shí)充入的量，在荷電態(tài)90%～60%時，荷電狀態(tài)每變化10%，充電能力改變量和充入電量的改變量幾乎不變，都呈常數(shù)分布。

圖3 OFB1添加量在不同荷電態(tài)時10 min內(nèi)的實(shí)際充入電量

測驗(yàn)50%荷電下的電池重復(fù)使用能力，由表1可以看出當(dāng)w(OFB1)在0.2%～0.6%內(nèi)變多時，15%放電深度(DOD)循環(huán)壽命慢慢增加，w(OFB1)=0.6%時壽命最長，但w(OFB1)為0.4%與0.2%相比，循環(huán)壽命幾乎無差別。當(dāng)w(OFB1)增加到0.8%～1.0%，循環(huán)性能顯著降低，說明OFB1的量最好在0.6%左右，循環(huán)性能會在OFB1的量繼續(xù)加大時而減弱。

表1 15%DOD循環(huán)壽命對比

－18℃條件下，w(OFB1)=0.6%時性能最弱，如表2和圖4所示。當(dāng)w(OFB1)為 0.8%、0.9%時，5、10、30 s放電電壓均高于w(OFB1)=0.6%時的放電電壓，而w(OFB1)=0.2%時Icc最大，然后開始減小，即w(OFB1)=0.2%時比－18℃時的冷起動性能好，應(yīng)該是加大OFB1的量后，活性物質(zhì)的孔和孔率變化很大。低溫時，硫酸濃度加大后使得離子的移動速率減小。所以電流很大時，在硫酸濃度與孔率孔徑的影響下，低溫起動能力在很大程度上降低了[5]。

表2 －18 ℃低溫啟動性能測試

圖4 不同OFB1添加量時－18℃低溫啟動性能變化趨勢

3 結(jié)論

VRLA蓄電池在移動通信設(shè)備中的普及率很高，炭原料OFB1的價格較低，當(dāng)負(fù)極導(dǎo)電添加劑為OFB1時，增加一定量的OFB1，這就會明顯提高電池的導(dǎo)電能力，使電池在其重復(fù)使用中的電阻極化現(xiàn)象減少，并且使硫酸鉛的增加速率減少，最后增強(qiáng)電池的充電性能。所以就其在鉛酸蓄電池(使用環(huán)境溫度為40℃)負(fù)極配方中，OFB1炭原料的最佳添加量為0.6%。而繼續(xù)加大炭材料OFB1的量，其很難與活性物質(zhì)相容，從而與活性物質(zhì)的結(jié)合力降低，加大了重復(fù)使用過程中的接觸電阻，重復(fù)使用中的電阻極化現(xiàn)象增加，于是負(fù)極的充電能力減弱，其循環(huán)壽命也大幅縮短了。

[1]王磊，張正國，高學(xué)農(nóng)，等.VRLA蓄電池在通信光伏電源系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電源技術(shù)，2007(10)：811-812.

[2]周皓，周學(xué)軍，鄭偉廣，等.高炭負(fù)極鉛酸動力電池的深循環(huán)壽命研究[J].蓄電池，2015(3)：101-105，114.

[3]王力臻，張凱慶，張林森，等.炭材料對鉛酸電池負(fù)極電化學(xué)性能的影響[J].電源技術(shù)，2012(9):1325-1327，1336.

[4]胡梅，王百杰，應(yīng)珺.超級鉛酸電池負(fù)極炭材料的改性技術(shù)研究[J].廣東化工，2013(10)：45-46.

[5]張興，張祖波，夏詩忠，等.高導(dǎo)電性炭材料OFB1對鉛酸蓄電池負(fù)極性能的影響研究[J].蓄電池，2015(2)：51-58.