低溫閥控式密封鉛酸蓄電池的研究

從有利于電池低溫放電性能的各個方面入手,在電池容量、重量等其他性能指標(biāo)滿足要求的同時,盡量提高電池-40℃低溫放電性能,延長電池使用壽命。本文研究的產(chǎn)品主要用于軍用車輛、極端低溫環(huán)境等領(lǐng)域的閥控式鉛酸蓄電池,采用了發(fā)明專利CN201310160804.3技術(shù),電池在-40℃低溫5小時率容量達(dá)到常溫容量的50%以上,優(yōu)于30%行業(yè)指標(biāo)要求。

閥控式密封鉛酸蓄電池作為主電源或備用電源廣泛用于潛艇、坦克、計算機、通訊、太陽能電池等,在一些特殊使用領(lǐng)域或使用地區(qū),對電池的低溫性能提出了更高的要求。比如低溫容量要求,-40℃低溫5小時率(終止電壓10.2V)容量不低于常溫容量的30%。而采用普通的鉛膏配方,-40℃低溫容量會降到常溫的30%左右,這樣產(chǎn)品合格率非常低。其原因有溫度降低時電解液粘度增加,滲透能力減弱;電池內(nèi)阻增大,內(nèi)部電壓降增大。在這些因素作用下,電池放電容量減少。另外,在低溫環(huán)境條件使用,普通的閥控式鉛酸蓄電池負(fù)極活性物質(zhì)隨溫度下降,充電接受能力迅速降低,會進(jìn)一步降低電池的放電性能,導(dǎo)致電池的性能滿足不了低溫使用要求。

本文從利于電池低溫放電性能的各個方面入手,在電池容量、重量等其他性能指標(biāo)滿足要求的同時,盡量提高電池-40℃低溫放電性能,延長電池使用壽命。

1溫度對鉛酸蓄電池的影響

(1)蓄電池實際容量

溫度對鉛酸蓄電池的容量影響較大,隨著溫度的降低容量減少。

蓄電池的額定容量通常是在25℃環(huán)境溫度下以及在指定的放電率情況下規(guī)定的。電池的工作溫度是25℃,當(dāng)電池放電工作溫度不是25℃時,由于電化學(xué)的作用,實際容量應(yīng)按式(1)換算成25℃基準(zhǔn)溫度時的容量

式中:Ct為實測容量(Ah);

Ce為環(huán)境溫度在25℃時的標(biāo)稱容量(Ah);

T為實際環(huán)境溫度(℃);

K為容量的溫度系數(shù),10小時率容量實驗時

K=0.006/℃、3小時率容量實驗時K=0.008/℃、1小時率容量實驗時K=0.01/℃。從式(1)中可以看出,當(dāng)環(huán)境溫度高于25℃時,蓄電池的實際釋放容量Ct大于設(shè)計額定容量Ce;而環(huán)境溫度低于25℃時,它的實際可釋放容量Ct低于設(shè)計額定容量Ce。從溫度系數(shù)K的取值還可看出,放電率越大,溫度對容量的影響也越大。

(2)溫度與電池電解液性能的關(guān)系

電池容量隨溫度降低而減少,這與溫度對電解液粘度和內(nèi)阻有嚴(yán)重影響密切相關(guān)。電解液溫度高時,擴(kuò)散速度增加、內(nèi)阻降低,其電動勢也略有增加。因此,鉛酸蓄電池的容量及活性物質(zhì)利用率隨溫度增加而增加。電解液溫度降低時,其粘度增大,離子運動受到較大阻力,擴(kuò)散能力降低。在低溫下電解液的電阻增大,電化學(xué)反應(yīng)阻力增加,結(jié)果導(dǎo)致電池容量下降。

(3)低溫對鉛酸蓄電池極板的影響

在低溫工作條件下,負(fù)極板上的海綿狀鉛極易變成小尺寸的晶粒,容易使小孔被凍結(jié)和堵塞,從而大大降低活性物質(zhì)的利用率。假若在低溫惡劣情況下大電流放電使用,負(fù)極活性物質(zhì)中的小孔將會被阻塞得更嚴(yán)重,海綿狀鉛可能變?yōu)橹旅艿腜bSO4,使得電池可放出的電量大大降低。對于正極板來說,其溫度系數(shù)為負(fù)值,因而在低溫下具有較高的電極電勢。從而在低溫情況下正極放電速率遠(yuǎn)大于負(fù)極放電速率。這樣,在負(fù)極生成PbSO4層前,正極PbO2轉(zhuǎn)化為PbSO4的過程已經(jīng)結(jié)束,所以正極板在低溫下不生成致密的PbSO4晶粒。所以,溫度過低將會導(dǎo)致閥控式密封鉛酸蓄電池的容量下降[2]。

2低溫電池的開發(fā)

(1)低溫電池的開發(fā)方案

從有利于電池低溫放電性能的各個方面入手,在電池容量、重量等其他性能指標(biāo)滿足要求的同時,盡量提高電池在-40℃低溫時的放電性能,延長電池使用壽命。具體方案如下:

①從正極板入手,調(diào)整Pb-Ca-Sn-Al合金成分,增加Sn含量到1.2%～1.5%,以增加板柵機械強度和耐腐蝕性。在合金中添加0.1%Ag,可以增加板柵耐蠕變能力,有利于改善電池的深循環(huán)放電循環(huán)性能。采用放射性板柵結(jié)構(gòu),將極耳向極板的中部移動,減薄極板厚度,增加極板片數(shù),改善電池大電流放電能力。

②為了延長電池壽命、提高低溫大電流放電能力,采用高密度鉛膏配方,在鉛膏中適量添加導(dǎo)電劑。采用較大的裝配壓、內(nèi)化成的方法,進(jìn)一步提高電池使用壽命。正極板中導(dǎo)電添加劑的加入,可以使極板電阻降低,電池低溫放電性能顯著提高;提高了正極活性物質(zhì)的轉(zhuǎn)換效率,正極板更容易化透;保證了正極板的高孔率,更利于酸液向極板內(nèi)部擴(kuò)散,提高了活性物質(zhì)利用率;

③負(fù)極鉛膏中提高木素、腐植酸的添加比例,更有效避免了硫酸鉛鈍化層的形成,提高了電池低溫放電容量;

④負(fù)極鉛膏中活性炭的加入,保證了負(fù)極板的高孔率,更利于酸液向極板內(nèi)部擴(kuò)散,提高了活性物質(zhì)利用率;

⑤極群中增加正負(fù)極板片數(shù),提高了極板真實表面積,保證了電池有較高的放電容量;

⑥選用高孔率、低內(nèi)阻的AGM優(yōu)質(zhì)隔板,提高電解質(zhì)中離子良好通過性,從而保證電池良好低溫性能;

⑦選用高純度、高固含量納米硅溶膠和內(nèi)含Na2SO4添加劑稀H2SO4的混合膠體電解質(zhì),使得電解質(zhì)成膠均勻、無分層,提高了電池過放電后充電能力,保證了電池使用壽命。

(2)低溫電池主要技術(shù)指標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo)。

(3)低溫電池與普通電池的性能對比低溫配方與普通配方制作的12V100Ah電池性能對比如圖1所示。

通過檢測,采用本發(fā)明超低溫正負(fù)極活性物質(zhì)配方制作的電池,超低溫條件下(-40℃),放電容量達(dá)到額定容量的50%以上。