木素磺酸钠对铅酸电池低温性能影响详探

周 燕，陈 飞，赵冬冬，王 晶

（浙江天能电池(江苏)有限公司，江苏 沭阳 223600）

0 前言

铅酸电池由于具有原料易得、价格低廉、安全性高等优点在多个领域仍被广泛应用[1]。但是在低温环境下，铅酸电池在使用时存在着充放电困难的问题，大大影响了其性能的发挥。一般认为铅酸电池的低温性能主要受控于负极[2]，因此国内外企业普遍采用向负极中加入添加剂的办法来提高低温性能。在众多添加剂中，木素磺酸钠因其具有价格便宜、用量少而效果显著等优点而被广泛应用，它可以有效防止活性物质表面收缩，增加比表面积，提高活性物质的利用率[3-4]等。木钠对电池低温容量及高倍率性能改善到底有多大，鲜见相关资料，因此为了更加详细地了解木钠对电池性能的影响，本文从多方面对未添加木钠与添加木钠的电池做了比较，以便为电池性能的改善提供参考依据。

1 实验方法

1.1 电池的制备

极板的制备完全按照既定工艺进行。正极板采用本公司正极板，负极板铅膏采用微型和膏机进行和制，共两批，其中一批不添加木钠，另一批加入木钠，使其所占质量分数为 0.2%。将最终准备好的极板组按 7 正 8 负组装成单体电池。

1.2 电池性能测试

对未添加木钠及添加木钠的电池各取 2 只，分成 A、B 两组，其中 A 组电池用来进行充电接受、常温循环后的低温放电容量测试； B 组电池用来进行不同放电电流下的低温放电容量、 1C高倍率放电性能等测试。

测试过程中采用的设备主要有：广东宏展科技有限公司生产的可程式恒温恒湿试验机，其型号为LP-150U；江苏金帆电源科技有限公司生产的微电脑蓄电池综合参数测试仪，型号为 UC-ZS08。

1.2.1 低温性能测试

选取 A 组电池在常温下循环，每循环 20 次测一次低温容量，记录容量变化。

选 B 组电池在 -18 ℃ 高低温箱中静置 12 h，分别用 6 A、9 A、13 A 电流放电至 1.75 V (每次放电结束后待电池容检两次后再改变电流放电)，记录不同放电电流下电池的低温放电容量。

1.2.2 1C高倍率性能测试

将容量恢复正常的 B 组电池，在 25 ℃ 以 1Ca电流放电至 1.67 V，记录放电容量；电池容检两次后，置于 -18 ℃ 环境中以 1Ca电流放电至 1.67 V，记录此时放电容量。

1.2.3 循环模式对容量影响

将 B 组负板中添加木钠及未加木钠的电池，在常温下充满电后，在 -18 ℃ 环境中进行放电—充电一次，记录放电及充电容量；待电池恢复室温后，进行两次容检，在室温下放完电，置于 -18 ℃ 环境下进行充电—放电，记录充电—放电容量，比较不同模式下木钠对电池容量的影响。

2 实验结果及分析

2.1 低温容量结果

表1为负板中未添加木钠及添加木钠的电池在-18 ℃ 下的放电容量。由表1可以看出，在 -18 ℃无木钠电池的首次低温放电容量仅为添加木钠的电池的 87.4%，这是由于在 -18 ℃ 下，未加木钠的电池负极板表面收缩严重及 Pb2+离子的过饱和度增速相对较快[5]，导致形成的硫酸铅晶体颗粒小而致密，负极板活性物质有效面积减少，因而电池的低温性能变差。

表1 两种电池的 -18 ℃ 放电容量

2.2 循环次数对低温容量影响

图1为两种电池低温放电容量随常温循环次数的变化图。由图1可以看出，随着室温循环次数的增加，未添加木钠和添加木钠的电池低温放电容量均有不同程度的降低，但负板中未加木钠的电池低温容量衰减较快。与首次低温保留放电容量相比，常温循环 80 次后，不添加木钠的电池的低温容量衰减了 30%，而添加木钠的电池低温容量仅衰减10%，由此可以看出不加木钠的电池耐低温性较差，这是因为未添加木钠负极板在低温下收缩比较严重，恢复室温循环后，极板恢复正常，经过不断的常温循环及低温放电模式，负极板如同经过反复的“热胀冷缩”，极板性能变差，进而导致电池低温性能逐渐变差。

图1 电池低温放电容量随常温循环次数的变化

2.3 放电电流对 -18 ℃ 放电容量的影响

-18 ℃ 下，放电电流对放电容量影响如表2所示。由表2可以看出，在 -18 ℃ 下，随放电电流的增大，负板中未加木钠及添加木钠的电池的放电容量均减少，但未加木钠的电池放电容量衰减较为显著。放电电流分别为 6、9、13 A 时，未加木钠电池放电容量为添加木钠电池放电容量的 75.9%、50.2%、49.8%，由此可以看出，在负板中添加木钠对提高低温大电流放电性能有比较显著的作用。造成上述结果的原因是，随着放电电流的增大，短时间内有大量 Pb2+进入溶液中，硫酸铅晶体的形成过程过快，晶体来不及长大致使颗粒细而致密，钝化[6]，硫酸溶液扩散至电极表面的难度逐渐增大，加之极板收缩导致能进行电极反应的电极有效面积逐渐减小，最终导致两种电池的放电电量随着放电电流的增大不同程度地降低；而未加木钠的电池硫酸铅钝化及负极板收缩等问题更为严重，因此随着放电电流的增大，其放电量衰减较为严重。

表2 不同放电电流下电池的放电容量

2.4 温度对 1C 高倍率放电性能的影响

温度对 1C高倍率放电容量的影响如表3所示。由表3可以看出，在室温下，两种配方的电池1C高倍率放电容量相当，当温度降至 -18 ℃ 时，负板中未加木钠的电池 1C放电容量仅为室温下放电电量的 36%，而添加木钠的电池 -18 ℃ 下 1C放电容量可达到室温放电容量的 71%，并且前者在-18 ℃ 下 1C放电容量仅为后者的 50%，由此可以看出，在负板中添加木钠可以显著提高电池的低温高倍率放电性能。

表3 不同温度下两种电池的 1C 放电容量表

2.5 不同充放电模式对电池容量影响

由表4可以看出，添加木钠及未添加木钠的电池室温充放电容量相当，第一种测试模式中，由于添加木钠的电池低温放电容量高于未加木钠的电池，导致其低温充电容量也高于后者；第二种测试模式中，在常温下放完电后，两种电池在 -18 ℃ 环境下充电容量相当，说明此时木钠对充电过程未产生阻碍作用，-18 ℃ 放电容量也相差不大，但低温放电容量仅为室温放电容量的 50%左右，木钠的作用也未发挥出来。对比两种模式可得出，低温环境下电池负板中木钠的添加主要影响放电容量。

表4 不同模式下电池的充放电容量表

3 结论

随着放电电流的增大，电池低温放电容量逐渐降低，无木钠电池容量衰减较多；木钠可以显著提高电池的低温高倍率放电性能；随着室温循环次数的增加，无木钠电池耐低温性变差，低温容量衰减较快，而添加木钠的电池低温容量衰减较慢；在-18 ℃ 下，木钠可显著改善电池的低温放电性能，当在活性物质中添加木钠的质量分数为 0.2%时，木钠并未阻碍电池的充电过程。

[1] Pavlov D.Development of lead acid batteries in the first decade of the new millennium[J].Chinese Journal of Power Sources, 2001, 25: 107–117.

[2] 吴三械, 张裕卿, 吕国金, 等.铅酸蓄电池正负极低温充电容量和极化特征[J].蓄电池，1997,21(3): 115–118.

[3] 张继泉.木素磺酸钠做铅酸电池负极膨胀剂[J].电池, 1993, 23(2): 82–83.

[4] Francia C, Maja M, Spinelli P.The effect of expanders on lead-sulphate formation and reduction[J].J.Power Sources, 85(2000):110–116.

[5] 张昊.改性木钠对负极电极性能的影响[J].蓄电池, 1999(3): 3.

[6] 朱松然.蓄电池手册[M].天津：天津大学出版社, 1998: 130–131.