均匀设计法在铅酸蓄电池正板栅合金研究中的应用

雷振跃 司凤荣 彭澎

（中国船舶重工集团公司第七一二研究所，武汉 430064）

0 前言

目前铅酸蓄电池因其技术成熟、价格低廉及安全可靠在市场上仍占主导地位。铅酸蓄电池的正极板栅材料主要是铅锑合金。铅锑板栅合金具有循环寿命长、机械性能好、硬度高、铸造性能好、制造工艺简单等优点，同时铅锑合金也存在缺点，在充放电过程中，锑离子进入电解液，通过隔膜扩散到负极上，并被还原成锑沉积在负极活性物质上，导致负极析氢电位的减低，电解液损耗加剧，加大了蓄电池自放电现象。因此，提高铅锑合金的综合性能非常重要。

均匀设计法是我国著名数学家王元院士和方开泰院士发明的一种试验设计方法，它是继正交设计、优选法之后的最有效的试验设计方法之一。其特点是将试验点均匀分布在试验范围内，用较少的试验点来获得最多的信息。本文运用均匀设计软件针对铅锑合金耐腐蚀性能和析气电位进行了研究，建立数学模型并对其进行分析，找出影响合金各因素及各因素之间的关系，预报最优性能的配方。这对进一步提高铅酸蓄电池板栅材料性能、提高铅酸蓄电池寿命有非常重要的意义。

1 试验设计

在以前试验的基础上，选取A、B、C、D四种影响低锑合金耐腐蚀及析氢过电位的元素进行试验，每个因素考察6个水平。设计因素水平表见表1。

1.1 腐蚀失重试验

将试样表面打磨至镜面，非工作面用环氧树脂封住，暴露表面积约为3cm2。用分析天平称重，丙酮除油，蒸馏水冲洗。板栅试样以串联形式进入腐蚀体系，溶液采用1.295g/cm3的H2SO4溶液，电流密度为 5 mA/cm2，腐蚀时间为 7 2h。试验完毕后，除去氧化物，待试样呈金属本色，取出用蒸馏水冲洗后自然晾干，称重。表2中Y1为试样的腐蚀量。

1.2 析氢过电位试验

试样为圆柱体，工作面用水磨砂纸打磨至镜面，背面用铜导线连接，用环氧树脂封上非测试部分，工作面积为 8mm2。用丙酮清洗以除去表面油脂，蒸馏水冲洗。试验在ZAHNER公司IM6e电化学工作站上完成。表2中Y2为试样的析氢过电位。

1.3 试验结果

试验结果见表2。

表1 均匀设计因素水平表

表2 试验方案及结果

2 试验数据处理

用均匀设计软件对上述试验结果进行处理，采用逐步回归法，建立数学模型。

引入变量的F检验域值F1=0.05

剔除变量的F检验域值F2=0.05

对Y1得到的回归方程为：

相应的全相关系数 R2=0.9999，残差标准差S=0.2080，

P=0.025<0.05，检验显著。

对Y2得到的回归方程为：

相应的全相关系数R2=0.9998，残差标准差S=2.0826，

P=0.033<0.05，检验显著。给各因变量赋权值，对多因变量进行综合分析（见表5），得出全局最优解（见表6）。（根据因变量重要性赋权值，因变量值大好，权取正，值小好，权取负）。

表3 方差分析表1

表4 方差分析表2

表5 各因变量赋权值表

表6 全局最优解

3 分析与讨论

回归方程 Y1中，X1与 X2、X2与 X3、X2与 X4之间对合金的耐腐蚀性能存在交互影响，X1总体上为正影响；方程 Y2中，X1与 X3、X1与X4、X2与X3之间对合金的析氢过电位存在交互影响，X1总体上为负影响。

依据最优解可知合金最佳配方为：X1a，X2b+0.45，X3c+0.01，X4d+0.01，此配方的腐蚀量预报值为 5.3 mg/d，析氢过电位预报值为-709.3mV。考虑到浇注板栅时工艺实现的可行性，参照最优解微调了试验配方 X1a+1，X2b+0.45，X3c+0.01，X4d+0.02。试验结果表明合金性能良好，较好地满足了蓄电池的使用要求。

4 结论

根据回归方程找出了影响合金两个性能的主要因素及各因素间的关系。X1对合金的耐腐蚀性能总体上正影响，对合金的析氢过电位总体上负影响； 利用均匀设计法对铅酸蓄电池正板栅合金的配方进行了优化设计，得到了最佳配方。最优配方为：X1a+2，X2b+0.45，X3c+0.01，X4d+0.02，该合金较好地满足了电池的使用要求；用均匀设计法进行试验，节约了大量的人力物力，大大提高了工作效率。

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