新型曲面板栅结构对铅酸蓄电池性能的影响

黄连清（福建省安溪闽华电池股份有限公司，福建 泉州 362442）

新型曲面板栅结构对铅酸蓄电池性能的影响

黄连清
（福建省安溪闽华电池股份有限公司，福建 泉州 362442）

铅酸蓄电池的容量和使用寿命很大程度上是由正极板的设计、工艺制造及工作条件所决定的。在正极板的设计中首先是板栅的设计。设计优良的正极板栅不但能使电流分布更加均匀，而且具有最小的电压降损失。为了有效地保持板栅与活性物质之间有较大的接触面积，往往将正极板栅设计成不同的形状、不同的截面积、不同的横筋与竖筋结构。本文中，对正板栅结构进行变革，采用曲面设计，使板栅与活性物质间具有较大的接触面积，改善其导电性能，并在同等合金质量和生产工艺条件下对比测试曲面结构设计的板栅对蓄电池性能的影响。

铅酸蓄电池；曲面板栅；正极板；接触面积；电流分布；横、竖筋条

0　前言

板栅在铅酸蓄电池中作用：一是作为活性物质的支撑体，保持活性物质的附着，保持极板具有一定的形状；二是传导电流，使电流尽可能地均匀分布在活性物质的每一部分，形成相对均匀的导电体。板栅在电池中虽然不参加成流反应，但板栅的结构设计对蓄电池的主要性能有较大的影响［1-2］。铅酸蓄电池的容量和寿命很大程度上取决于正极板的设计。正极板的失效模式多半是正极板栅腐蚀及活性物质的泥化。优良的正极板栅设计不但能使电流分布得更加均匀，而且具有最小的电压降损失，使电池性能得到提高［3］。

铅酸蓄电池充放电过程中电流的传导主要依靠板栅来实现。板栅的形状、外型尺寸和结构设计影响板栅的电阻分布，也是影响蓄电池性能的重要因素［4-6］。板栅结构历经变革，对板栅的结构有过许多设计，其常用主要结构有放射形及矩形等。本文中，通过在相同板栅质量的情况下，采用新型曲面结构，使板栅与活性物质间具有较大的接触面积。并且，在相同的制造工艺条件下进行对比测试，分析了新型曲面结构设计的板栅对蓄电池性能的影响。

1　曲面板栅与平面板栅的结构设计对比

板栅的结构设计对蓄电池性能影响是很大的，合理的板栅横竖筋条的结构对活性物质的支撑和电池的导电性能均有很大的作用，板栅的横筋条主要起支撑和保持活性物质的作用，而竖筋条和边框则承担着较大的导电作用，因此应根据电池的使用要求设计结构合理的板栅。图1 中两种板栅的重量、外型尺寸、厚度、横竖筋条数量均一样，但筋条的截面结构和排列分布不一样。图1（a） 是新型曲面板栅结构：横筋采用对称的整筋菱形结构，均匀错开交接于板栅的外框上下方，筋条的厚度约为板栅边框厚度的 1/2，而且无加强大筋；竖筋条均匀交接于每条横筋及边框上，形成波浪式形状，其厚度约为边框厚度的 1/2，而且为了增加板栅的强度和导电性能，采用了一条加强大筋，厚度接近于板栅厚度。图1（b） 是常用平面板栅设计结构：横筋采用两个大小不一的梯形结合、朝向相反的半筋结构，均匀交接于板栅边框，其厚度基本等同曲面板栅横筋的厚度，为了确保板栅受力不变形，往往设计多条加强横筋；竖筋采用两个对称的梯形结构，与横筋及边框均匀交接，厚度约为板栅厚度的 2/3。不同板栅结构的截面图如图2 所示。为确保图1 中两种板栅重量一样，横竖筋条的厚度与设计的尺寸略微有差别，但差别不大。

2　曲面极板的可制造性及性能比较

2.1曲面板栅结构对铸片操作的影响

曲面结构板栅模具的开发制造相对于常规设计的板栅，开模难度大，且需要更加细心维护。在重力浇铸曲面结构的板栅时，相对于平面板栅，要适当改变喷模方式，因而，掌握曲面板栅制造的喷模操作方法显得非常关键。对比检查两种结构的板栅，曲面板栅不容易变形，板栅四边框的应力更均匀，不容易扭曲，平面板栅在叠放整理堆高时容易出现板栅内部弯曲现象。

2.2曲面板栅结构对涂板、固化的影响

涂板是将铅膏涂布于板栅两面的加工过程，目前基本上采用机械涂填方式，因此，要求板栅要有足够的强度。在环保和电池成本的压力下，怎样使板栅发挥出最好的效能，同时减轻板栅的重量是技术工作者当前首要考虑的一个课题。我们采用上述两种结构的板栅，在相同的条件下分别涂板。由于曲面板栅的横筋条上下交错，竖筋条呈波浪式交错于横筋，涂板后铅膏不容易脱落，上下板面的铅膏量更均匀，对铅膏的保持能力更强。相同条件固化后，对生极板外观及强度和结合度进行检测，发现曲面正极生板厚度误差相对小于平面板栅结构的生板，平面结构的生板厚度极限误差 ≤ ±0.2 mm，曲面设计的生板厚度极限误差 ≤ ±0.15 mm。相同条件下检测生极板的强度和结合度，曲面板栅上的铅膏活性物质不容易脱落，与板栅界面的结合附着力更强。取样化验生极板中的金属铅含量，两者基本一致。

2.3曲面板结构对化成的影响

正极板化成不同于负极板，正极板化成时PbO2的形成首先从栅筋最接近溶液处开始，生成的 PbO2形成网络包围着硫酸铅。在板栅的每一小格中， PbO2的生成是从四周靠栅筋处开始，逐渐向小格的中心推进，直到所有被包围的硫酸铅和每一小格的中心处，铅膏才完全转化为 PbO2。在这个电化学反应的过程中，板栅是不参加成流反应的，但要求其要有足够的强度，能抵抗电化学过程中因 PbSO4和 PbO2两种物质转化的密度差而引起体积变化的膨胀或收缩。曲面板栅结构中，因板栅横筋上下交错，竖筋波浪式交错在横筋上，板栅强度、涂板时铅膏分布、生板强度等均要好于平面结构的，所以在同样的条件下化成后，经过检测，发现曲面板栅结构的熟极板不容易弯曲，板面外观及活性物质的颜色更均匀。两种熟极板的成份（PbO2含量）没有太大的区别。

2.4曲面板栅对电池性能的影响

2.4.1不同板栅结构电池的制备

曲面板栅和平面板栅的有关参数如表1 所示。分别采用上述两种结构的板栅在相同的制造工艺条件下，经和膏、涂板、固化、化成烘干后，分别取正熟极板与同样的负极熟板匹配，每单片正极熟板容量约为 27 Ah，按 10 正 11 负的极群方式，在同等的装配压力下装配成 2 V 265 Ah 的电池。电解液密度为 1.305 g/cm3（25 ℃）。电池初充电电量为额定容量的 1.8 倍时认为电池完全充满电。

2.4.2电池循环性能测试方法（此测试方法为公司客户要求）

① 蓄电池完全初充电后，静止 4 h；② 以0.1C10恒流放电，放电终止电压为 10.8 V；③ 恒压2.35 V，限流 26.5 A，充电 24 h；④ 静止 30 min，重复 ②、③ 步骤；⑤ 蓄电池放电时间低于 6 h时，认为循环寿命终止。

2.4.3电池循环性能测试结果

按上述方法测试对比不同结构的板栅对电池循环性能的影响，结果如图3 所示。从图可以看出，曲面板栅结构的电池的初期性能与平面板栅结构电池的初期性能基本等同，但是经过 20 次循环后，曲面板栅结构电池的放电时间明显多于平面板栅结构电池的。当循环放电时间少于 6 h 时，判定电池的循环寿命终止，曲面板栅结构电池的循环次数为276 次，平面板栅结构电池的循环次数为 121 次。由此可见，曲面板栅结构电池的循环寿命明显好于平面板栅结构电池的。

3　分析与讨论

从板栅结构的对比发现，曲面板栅设计有以下优点：① 曲面板栅的竖筋条在极板内的路径延长，使活性物质与板栅的导电距离缩小，增加了板栅的导电性。② 同直筋条平面板栅相比，曲面板栅的表面积增加了，会增加铅膏的附着性能，增加极板的强度，减少掉膏。③ 因为竖筋条与极板表面不平行，可有效地降低板栅内的应力，分散并改变其应力的方向，是使极板不易发生变形的主要原因。④ 活性物质与板栅的结合在竖筋上的结合面与极板的平面成一定的角度，导致活性物质从板栅脱落的方向各处都不一样，这样活性物质就会很难脱落，结合度也会明显提高。⑤ 板栅筋条与涂板平面形成夹角，使不同部位受到的压力不同，这种差别虽小，但会使涂膏的整体均匀性明显提高，不会产生较大部位的不均匀现象，表面露筋的可能性更小。

经对比试验发现，曲面板栅电池性能得到提高，其原因主要是板栅的路径增加及与活性物质的接触面积增加。

关于开发模具成本及使用维护成本问题，因为现在的模具开发是由智能雕刻而成的，模具的制造成本基本不增加。在使用过程中，不能刮伤筋条。喷模方法与生产平板栅时的一样，不会增加难度。经试用，曲面板栅制造过程相同于直筋平面板栅，不会增加成本。

4　结论

曲面板栅从设计理论和方法上是可行的，符合电化学的基础理论。在相同合金质量的情况下，增加了板栅在极板内的路径及板栅与活性物质间的接触面积，从而能提高电池的性能。曲面板栅的模具制造也是可行的，技术难度不大，以后的使用和维护也不困难。

［1］ 朱松然. 蓄电池手册［M］. 天津: 天津大学出版社，1998.

［2］ 柴树松. 铅酸蓄电池板栅设计的探讨［J］. 蓄电池，2008， 45（3）: 103-106.

［3］ 柴树松. 铅酸蓄电池制造技术［M］. 北京: 机械工业出版社， 2014.

［4］ 赵乐， 郭永榔， 宫辛玲. 铅酸蓄电池板栅的计算机模拟优化设计［J］. 蓄电池， 2004， 41（1）: 3-5.

［5］ 胡俊梅， 郭永榔. 板栅电阻分布测量及其影响因素的分析［J］. 蓄电池， 2005， 42（2）: 84-87.

［6］ 杨明国， 丁刚强. 铅酸蓄电池板栅结构的模拟分析［J］. 船电技术， 2014， 34（10）: 49-51.

The influences of new curved surface grids on the performances of lead-acid batteries

HUANG Lianqing
（Fujian Minhua Power Source Co.， Ltd.， Quanzhou Fujian 362442， China）

The capacity and life of lead-acid battery depends largely on the design， manufacture process and working conditions of positive plates. The design of gird is primary in the design of positive plate. If the positive gird is well-designed， the current distribution can be more uniform， and the voltage drop loss is minimal. The positive girds are often designed with different shape， cross-sectional area，transverse and longitudinal ribs， in order to effectively make a larger contact area between active material and grid. In this article， the positive grid structure is changed and designed with curved surface， so the contact area between grid and active material is larger， and the electrical conductivity is improved. Under the conditions of the same alloy quality and production process， the influences of curved surface grids on the performances of lead-acid batteries are compared and tested.

lead-acid battery； curved surface grid； positive plate； contact area； current distribution；transverse and longitudinal ribs

TM 912.9

A

1006-0847（2016）04-182-04

2016-05-30