鉛蓄電池板柵界面對(duì)電池性能影響研究

肖占，母建平，劉孝偉，陳順宏，李彬

（1.超威電源集團(tuán)有限公司，浙江 長(zhǎng)興 313100；2.安徽永恒動(dòng)力科技有限公司，安徽 安慶 246121；3.淮安市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督綜合檢驗(yàn)中心，江蘇 淮安 223001）

0 引言

在全球氣候環(huán)境深刻影響人類生存和發(fā)展的背景下，為應(yīng)對(duì)氣候環(huán)境的變化，經(jīng)濟(jì)社會(huì)向低碳發(fā)展轉(zhuǎn)型[1]。作為被廣泛使用的化學(xué)電源，鉛蓄電池消耗鉛量占全球總產(chǎn)量的 4/5，其中板柵鉛耗約占電池總質(zhì)量的 1/4。采用連續(xù)鑄造、連續(xù)沖孔和擴(kuò)展網(wǎng)（拉網(wǎng)）等先進(jìn)的連續(xù)生產(chǎn)工藝是實(shí)現(xiàn)鉛蓄電池輕量化、低碳、節(jié)能、綠色發(fā)展的途徑[2]。與傳統(tǒng)的重力澆鑄生產(chǎn)板柵的工藝不同，這些先進(jìn)的連續(xù)生產(chǎn)工藝提高了板柵生產(chǎn)效率，降低了板柵重量，但是也引入了新的問(wèn)題，如由于板柵表面積較小和板柵表面形態(tài)光滑，鉛膏/板柵界面結(jié)合達(dá)不到理想的效果[3]。板柵是鉛蓄電池的“骨架”，是電流的傳輸導(dǎo)體。板柵與鉛膏的良好結(jié)合是保證蓄電池循環(huán)壽命的重要因素[4]。本文中，筆者研究了板柵表面處理工藝，通過(guò)板柵表面形態(tài)對(duì)比、板柵表面腐蝕層測(cè)定、大電流放電性能和電池循環(huán)性能測(cè)試，得出板柵表面經(jīng)過(guò)特殊工藝處理可有效提高電池的性能的結(jié)論。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 制備實(shí)驗(yàn)樣品

采用 7 級(jí)碾軋連續(xù)澆鑄工藝生產(chǎn) Pb-Ca-Sn-Al鉛帶，然后用高速?zèng)_網(wǎng)設(shè)備沖孔，制造板柵。采用已開(kāi)發(fā)的新型板柵表面處理機(jī)對(duì)板柵表面進(jìn)行特殊處理，最后用鼓式涂膏機(jī)及常規(guī)固化干燥工藝生產(chǎn)極板，組裝 12 V 20 Ah DZM 電池樣品。將板柵表面未進(jìn)行特殊處理的極板和電池作為空白樣品，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)中采用的設(shè)備儀器有 XX-PS-A1 新型板柵表面處理機(jī)、金帆多功能充放電機(jī)、尼康 MA100L金相顯微鏡。XX-PS-A1 板柵表面處理機(jī)的主要工作原理為：以壓縮空氣為動(dòng)力，形成高速噴射束，將噴料（蓄電池專用的特殊物質(zhì)）高速噴射到需要處理的板柵表面（見(jiàn)圖 1）。由于噴料對(duì)物件表面的沖擊和切削作用，板柵外表面形狀發(fā)生變化，獲得不同的粗糙度，板柵表面的機(jī)械性能得到改善，增加了它和鉛膏活性物質(zhì)間的附著力。

圖1 板柵表面處理機(jī)的工作原理示意

1.3 板柵表面形態(tài)比對(duì)

使用金相顯微鏡對(duì)經(jīng)過(guò)處理的實(shí)驗(yàn)板柵和未經(jīng)處理的空白板柵樣品，以及由它們生產(chǎn)的固化干燥后的極板，去除外部鉛膏后的板柵表面形態(tài)進(jìn)行拍照比對(duì)。從圖 2 可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)處理后，板柵表面形態(tài)較粗糙，顯著地增加了板柵的表面積，改進(jìn)了板柵表面形態(tài)，有利于板柵與鉛膏活性物質(zhì)結(jié)合。圖 3 說(shuō)明，固化干燥后的極板通過(guò)摔打去除鉛膏后，未經(jīng)過(guò)表面處理的板柵表面裸露較多黑色區(qū)域，裸露出了板柵基體，也就是板柵表面較多區(qū)域沒(méi)有被鉛膏覆蓋粘附；而經(jīng)過(guò)表面處理的板柵表面均勻粘附了較多黃色鉛膏，無(wú)黑色板柵裸露。這說(shuō)明，經(jīng)過(guò)表面處理的板柵確保了鉛膏活性物質(zhì)與板柵的牢固結(jié)合，且板柵與鉛膏牢固粘附的接觸面積更大。

圖2 經(jīng)過(guò)表面處理前后板柵外觀形態(tài)

圖3 固化干燥后極板除去鉛膏后板柵表面形態(tài)

1.4 極板板柵表面腐蝕層測(cè)試

按照當(dāng)前常規(guī)工藝固化干燥后，從同一批次中各抽取 5 片實(shí)驗(yàn)極板和空白極板。將極板表面的鉛膏通過(guò)摔打去除，用塑料刷子清除板柵表面浮粉后稱重，接著用糖堿溶液（氫氧化鈉、葡萄糖、純水質(zhì)量比是 8∶3∶100）浸泡 30 min 去除腐蝕層，再用純水洗凈，然后烘干，稱重，計(jì)算板柵失重，即腐蝕層重量。從表 1 中數(shù)據(jù)來(lái)看，板柵表面被特殊處理的極板腐蝕失重較多，比板柵未被處理的腐蝕層失重高出 52 %。這說(shuō)明，板柵表面處理工藝顯著地增加了板柵表面積，增加板柵與鉛膏活性物質(zhì)結(jié)合面積，使板柵表面被有效充分地腐蝕，確保了活性物質(zhì)/板柵界面的穩(wěn)定[5]。

表1 極板固化后的板柵腐蝕層重量

1.5 電池大電流放電性能

大電流測(cè)試方法如下：完全充電的電池，在25℃±2℃ 室溫下靜止 3～5 h 后，以 3.6 I2電流放電至蓄電池端電壓 10.5 V 時(shí)終止，記錄放電時(shí)間。

化成結(jié)束后，從車間化成架上隨機(jī)各抽取 3 只合格的實(shí)驗(yàn)電池和空白電池，按照上述測(cè)試方法進(jìn)行大電流放電。由表 2 可見(jiàn)，板柵表面經(jīng)特殊處理的電池大電流性能更優(yōu)，比空白電池平均約高出 2 min。這說(shuō)明：板柵表面經(jīng)過(guò)處理后，鉛膏活性物質(zhì)與板柵接觸面積更大，結(jié)合更牢固，確保了大電流穩(wěn)定輸出，釋放出了較多的電量。

表2 電池大電流放電時(shí)間

1.6 電池 100 % DOD 循環(huán)性能測(cè)試

在 25 ℃ ± 5 ℃ 環(huán)境中，完全充電的電池以 I2電流放電 2 h，然后以恒定 16 V/只電壓（限流 0.4 I2）充電 8 h，依次循環(huán)，記錄整組電池（4只）循環(huán)次數(shù)以及組內(nèi)電池放電終止電壓差。在循環(huán)測(cè)試過(guò)程中，板柵經(jīng)過(guò)表面處理的電池整組 4 只放電至 42 V 終止電壓時(shí)，電池間的最大終止電壓差較小，電池間一致性較好，電池循環(huán)壽命明顯較長(zhǎng)，循環(huán)性能優(yōu)勢(shì)較為明顯。由圖 4 可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)電池（板柵被處理）還在被測(cè)試中，壽命還沒(méi)有終止，而空白電池（板柵未被處理）的壽命已到終止線 80 % 額定容量。

圖4 電池組循環(huán)壽命及放電終止電壓差曲線及其線性趨勢(shì)圖

2 理論分析

板柵是蓄電池的電流傳輸導(dǎo)體，是集流體。對(duì)板柵表面進(jìn)行特殊處理，增加了板柵的表面積，增加了板柵與鉛膏活性物質(zhì)接觸面積，提高了電池大電流性能。隨著電池充放電循環(huán)，電池的活性物質(zhì)顆粒要經(jīng)受收縮/擴(kuò)張循環(huán)，活性物質(zhì)顆粒與板柵的接觸逐漸受損[6]。表面光滑的板柵加劇了活性物質(zhì)顆粒與板柵間的黏結(jié)損壞，也就是破壞了活性物質(zhì)/板柵的界面，電池充電時(shí)界面處的 PbSO4晶體不能被氧化為 PbO2導(dǎo)電活性物質(zhì)，致使非導(dǎo)體PbSO4晶體在界面逐漸堆積，在活性物質(zhì)/板柵界面產(chǎn)生較大阻抗，影響了電池的循環(huán)性能；而粗糙的板柵表面，增加了活性物質(zhì)/板柵界面的面積，破壞了 PbSO4絕緣層的形成，弱化了界面阻抗，改進(jìn)了電池循環(huán)性能[7]。圖 5 展示了板柵筋條與蓄電池活性物質(zhì)顆粒間的接觸關(guān)系。隨著充放電循環(huán)，光滑的和粗糙的板柵筋條與活性物質(zhì)顆粒黏合接觸演變是不同的。

圖5 板柵表面輪廓模型

3 結(jié)論

對(duì)板柵表面進(jìn)行特殊處理，顯著地增加了板柵的表面積，改進(jìn)了板柵表面形態(tài)，確保了鉛膏活性物質(zhì)與板柵的牢固結(jié)合，改進(jìn)了極板性能，提高了電池大電流性能，改善了電池在充放電過(guò)程中的一致性，延長(zhǎng)了電池循環(huán)壽命。