高性能牵引用铅酸蓄电池生产关键技术

周青元，张 宾，赵 俊，许卫疆，张永锋（扬州市密封铅酸蓄电池工程技术中心，江苏 扬州 225202）

高性能牵引用铅酸蓄电池生产关键技术

周青元，张 宾，赵 俊，许卫疆，张永锋
（扬州市密封铅酸蓄电池工程技术中心，江苏 扬州 225202）

摘要：对比了国内外牵引用铅酸蓄电池在生产工艺方面的一些差别，着重论述了其对蓄电池相关性能的影响，提出了国内牵引蓄电池性能提高的相关途径。

关键词：牵引用铅酸蓄电池；循环寿命；无纺布；排管

0　前言

牵引用铅酸蓄电池作为电动叉车、搬运车等电动车辆的直流动力电源，广泛应用于煤矿、码头、货运中心、物流园及生产工厂。随着国内外经济的不断提高，环保问题变得越来越重要，作为清洁无污染运载工具的动力电源，牵引用铅酸蓄电池也逐步在公交、地铁维护、体育等场所得到了广泛应用，在国内的使用量及生产量逐年递增，市场占有率不断提高。但是和欧美发达国家相对比，国内应用市场的占有率远低于国外，甚至都不及国外的一半，国外成熟市场电动叉车的占有率可达到 80 %，而国内目前仅维持在 30 %～40 %，造成该现象的原因一是我国电动叉车起步较迟，还处于一个成长中的市场，另一方面则受制于叉车电池的性能，尤其是使用寿命相对于国外来说较短，客户后期维护投入比较大，影响了电动叉车的推广和使用。 因此，提高现阶段国内叉车电池的使用寿命非常重要，本文通过对比国内外生产工艺的差别并结合十多年的现场生产经验，对高性能牵引用铅酸蓄电池生产的关键技术按各工序进行了重点分析讨论。

1　国内外牵引蓄电池性能差别

经过近几年的跟踪研究，笔者认为国内牵引用蓄电池在容量、自放电及大电流放电方面的性能基本上可与国外电池持平，两者最主要的差别在于循环寿命方面，国外先进电池的循环寿命按 IEC 中规定最长可达到 1550 次，而国内有的厂家仅能达到600 余次，还达不到国家标准的要求。表 1 为国内外比较典型的牵引蓄电池厂家的电池循环寿命测试数据。

表 1　　国内外典型牵引蓄电池对比数据

2　高性能牵引蓄电池生产关键控制点分析

2.1正板栅及其合金

目前国内外牵引蓄电池正板栅的生产基本上均采用压铸技术，但国内部分生产厂家受困于资金等方面的影响，采用了国内仿制 HADI 的压铸设备，虽然也可以生产出管式正极板，但其设备及模具的精度达不到国外的水平，造成铸板时进铅压力较低，所铸板栅筋条中晶粒结合不紧密，耐酸蚀性能较差，最终影响到电池的使用寿命。在同样用1.290 g・cm-3电解液，充电电流为 3 mA・cm-3的情况下，对国产压铸设备与进口设备所铸板栅筋条的抗腐蚀性能进行测试，表 2 为对比结果。从中可以得出，采用国产设备的平均腐蚀速率为 2.708 mg・cm-3，而用进口设备的平均腐蚀速率为 2.327 mg・cm-3。

表 2　　不同正板栅压铸设备所铸筋条耐腐蚀性能

另外，国内厂家为节省成本，普遍使用 Sb 含量较低的合金或仅用铅锑二元合金来制造正板栅，这样虽然可以降低电池使用过程中的失水率，但不利于循环寿命的提高[1]，国外一般选用 Sb 的质量分数在 6 % 以上的多元合金作为正板栅合金，铅锑合金中锑含量对板栅腐蚀速率的影响如图 1 所示。

正板栅筋条起着汇聚电流的作用，解剖发现，国内部分厂家为达到节省成本的目的，将筋条的直径做得过小，从而影响到电池的使用寿命，经过对不同筋条直径的耐腐蚀性能的线性模拟测试实验得出，要达到 1500 次以上的循环寿命，内部筋条的直径不应低于 3 mm。

2.2铅粉制备及正极板制造工艺

目前国内铅粉机主要以岛津式为主，该型号铅粉机制做出来的铅粉具有较高的比表面积和活性，适合于起动电池、UPS 电池、通信电池等领域，但对于循环使用的牵引用铅酸蓄电池，笔者认为巴顿式铅粉机更加适合，其制造的铅粉呈圆形，活性较低，有利于延长蓄电池的使用寿命。

正极板的制备分灌粉式和挤膏式两种，两者各有优缺点，灌粉式极板活物质颗粒结合紧密，初始容量较低，但活性物质之间电化学结合较好，挤膏工艺制造的极板初始容量高，但由于水分、硫酸的加入，活性物质之间结合力相对较差，不利于电池的循环寿命。

2.3排管材料

国外先进牵引蓄电池所用排管大多数为无纺布材料，这点区别于国内广泛使用的涤纶排管，相对于后者，前者的内阻较低，但对活性物质的包裹较紧，可较大程度地抑制正极活性物质的膨胀，同时具有良好的耐腐蚀性能，两种排管的微观结构及具体性能指标见图 2 和表 3。

图 1　　合金锑含量对腐蚀速率的影响

在测试结果中有一个回流测试，其主要测试充电情况下排管在沸酸中的耐腐蚀性能，可直接反映其真实使用过程中的稳定性，具体操作方法是将排管制成电极，然后在 1.30 g/cm3的沸酸中充电化成，观察并记录其开始破损的时间来判断耐腐蚀性能的好坏，测试装置及测试后样品状态见图 3。

图 2　　无纺布排管与涤纶排管的微观结构对比

图 3　　回流测试装置及电极破损照片

表 3　　涤纶与无纺布排管参数对比

通过对比测试，可以发现无纺布排管的综合性能要好于涤纶排管，尤其是在内阻和抗氧化性能方面，应该是高性能牵引用蓄电池的首选。

2.4隔膜材料

目前国内主流的牵引铅酸蓄电池用隔膜均为PE 材质，其具有低内阻、小孔径、孔率高、抗刺穿能力强的优势[2]，并且因为其基底较薄，易于做成袋式，所以非常适用于牵引电池。通过对客户使用末期的电池解剖分析，发现除正极板排管腐蚀、活性物质脱落外，负极活性物质膨胀严重，在电池使用过程中由于隔膜的挤压导致其从极板两侧挤出，随充放电的进行上浮到极群顶部，造成短路的风险，而隔膜做成袋式并套住负极板可有效避免此类现象的发生。

隔膜在蓄电池中常被比喻为第三电极，可见其起着非常重要的作用，隔膜质量的好坏直接影响到电池的使用寿命, 对高性能牵引蓄电池而言，最重要在于隔膜的抗氧化性，国内部分隔膜厂家为提高该性能而大幅增加防氧化油的用量，结果导致隔膜在使用过程中释放出油沫，并与极板中的炭结合形成黑色的油污[3]，其附着在负极板表面会显著降低电池的充电电压，使蓄电池在充电过程中温度过高，失水增加，板栅腐蚀加重；同时，过多的油污会影响自动补水系统的正常工作，造成蓄电池因长期缺水而失效；控制隔膜内油含量在 15 %～18 %之间将是一个理想范围，可同时兼顾抗氧化性能和抑制油污的产生[4]。不同油含量的隔膜的性能分析数据见表 4。

表 4　　不同油含量隔膜理化性能分析

牵引蓄电池隔膜表面凸起的筋条也会影响到电池的性能，目前普遍有直筋和斜筋两种，如果筋条间距设计不好，则会影响到电池性能，合理的设计是两根相邻的筋条间距与正板栅各管之间的中心距保持一致，并且装配到电池中后，要保证筋条中心与相邻排管的中心对齐，如此可最大限度地保持负极板表面各处压力的一致，不会因为压力不均而导致负极板不同部位的膨胀差异。

2.5极群上部空间高度的控制

极群上部空间大，可以贮存更多的电解液，有利于蓄电池容量，并延长电池使用过程中的补水周期；但上部空间过大，同时也意味着气体贮存空间也较大，电池在充电或使用时，内部过大的贮存空间增加了电池发生爆炸的概率，因此，设计时需要严格控制极群上部空间的大小，通常的控制范围为(4～6) mm/100 Ah。

2.6极柱生产及烧焊的质量控制

牵引蓄电池极柱起着汇集电流的作用，优异的设计结构及制作工艺可有效保证蓄电池使用过程中的可靠性，除了常规的注意事项外，极柱与极耳熔接面要做成一定的斜度，这样有利于烧焊过程中与汇流排的有效熔解，减少虚焊假焊的现象。另外，在铸造极柱过程之前，铅芯一定要经过预热处理，并且合理控制预热温度，否则会造成铜芯与周围的合金接触不紧密，接触电阻变大，在蓄电池使用后期，会极大地增加极柱断裂的风险。

3　结语

本文根据实际情况，结合对比国外先进技术及设计理念，就高性能牵引蓄电池制造过程中的各个关键技术进行了探讨，同时对提高蓄电池的使用寿命和可靠性的相关措施进行了论述，通过对牵引蓄电池设计及生产过程中的严格控制，按照 IEC 的相关循环寿命测试方法，开发的高性能牵引蓄电池目前循环寿命已达到 1850 次，剩余 5 小时率容量在91 %～93 % 之间，在循环寿命方面取得了显著的效果。笔者相信，经过行业人士的不断努力，国产牵引用蓄电池性能肯定会达到并超过国际先进水平。

参考文献：

[1] 朱松然.蓄电池手册[M]. 天津: 天津大学出版社, 1998: 84.

[2] 杨洪波.电池制造工艺新技术与质量监控及标准实用手册[M]. 安徽: 安徽文化音像出版社，ISBN 7-88413-031-9: 761

[3] Daramic Inc. PE 隔板技术资料, 2002 ILBF.

[4] 杨德山, 高俊刚. PE 隔板的抗氧化性能及其机理的研究[J]. 蓄电池, 2004(1): 35-39

Key technologies in the production of high-performance lead-acid traction batteries

ZHOU Qing-yuan, ZHANG Bin, ZHAO Jun, XU Wei-jiang, ZHANG Yong-feng
(Enersys (Jiangsu) Huada Batteries Co., Ltd., YangzhouJiangsu 225202, China)

Abstract:By comparing the production technologies of lead-acid traction batteries at home and abroad, this paper discusses some differences in the process and their infl uences on the performances of leadacid batteries, and then proposes the improvement way in high performance lead-acid traction batteries in China.

Key words:lead-acid traction battery; cycle life; non-woven; gauntlet

中图分类号：TM 912.9

文献标识码：B

文章编号：1006-0847(2015)01-31-04

收稿日期：2014-08-18