稀土铅基板栅合金对动力型铅酸电池性能的影响

李爱菊，陈红雨*，黄文辉，谭新雨，彭滨

（1. 华南师范大学化学与环境学院，广州 广东 510006；2. 佛山市尤尼电池有限公司，佛山 广东 528000）

稀土铅基板栅合金对动力型铅酸电池性能的影响

李爱菊1，陈红雨1*，黄文辉2，谭新雨2，彭滨2

（1. 华南师范大学化学与环境学院，广州 广东 510006；2. 佛山市尤尼电池有限公司，佛山 广东 528000）

本文研究了稀土铅基板栅合金对动力型铅酸蓄电池性能的影响。首先选用含稀土元素镧的铅基合金板栅组装成动力型铅酸蓄电池，根据《电动汽车用铅酸蓄电池》（QC/T 742—2006）标准对电池的容量、放电性能、充电接受能力、循环寿命和装车行驶里程进行了测试。测试结果表明：添加稀土元素的电池相对于普通电池，初始容量稍有下降；任何温度下稀土元素都能提高电池的放电性能，尤其在低温和高温时，效果更加明显；添加稀土元素的动力电池的快速充电接受能力明显高于普通电池的；稀土添加剂可以提高电动汽车用动力电池的循环使用寿命。电动汽车行驶结果表明，前 200 次循环以内，使用稀土铅基板栅合金电池和普通电池时的行驶里程相当，但 200 次循环使用后，使用普通电池时的行驶里程急剧减少，而用稀土电池在第 600 次循环时的行驶里程还能达到 38 km。

铅基板栅合金；动力型铅酸蓄电池；稀土元素；镧；电动汽车；快速充电接受能力；循环寿命

0 引言

随着世界范围内石油资源的匮乏与环境污染的加剧，混合动力汽车和纯电动汽车等新能源汽车的能源结构调整已成为全球关注和研究的热点。动力电池是电动汽车的核心技术。铅酸蓄电池具有价格低、单体电压高、生产技术成熟等优点，在比功率、浮充寿命、自放电、操作温度范围、能量效率、回收率以及经济性等方面具有较大的优势，成为了目前电动汽车动力电池的首选[1]。板栅作为传导电流和支撑活性物质的载体，其合金的性质成了决定铅酸蓄电池性能优劣的关键因素之一。目前用于铅酸蓄电池板栅的合金主要是铅钙合金，特别是稀土铅钙合金。

稀土元素是一种味精式的添加剂，广泛应用于各个领域。在板栅合金中添加稀土元素可以提高其电化学性能[2-4]。笔者研究表明，稀土元素镧可以抑制阳极氧化铅和二氧化铅膜的生长，使活性物质与板栅有效紧密地接触，可基本解决因活性物质脱落而导致电池失效的问题[5-6]。

目前对稀土铅合金的研究主要集中在合金的结构和电化学性能方面，而对于稀土铅合金在工业化电池中的应用研究几乎是空白。本文作者在实验室相关研究成果基础之上，与电池企业合作详细研究了稀土元素镧对动力型铅酸蓄电池性能的影响。

1 实验部分

为了验证稀土铅基板栅合金对动力型阀控式铅酸蓄电池性能的影响，本研究选择电动汽车用 12 V 150 Ah 含镧铅基板栅的动力型铅酸蓄电池。表 1 为实验电池的板栅设计参数。按照常规的工艺组装含有稀土镧和未含稀土的铅酸蓄电池，并对整个蓄电池的生产过程进行跟踪。由表 2 可知，两种电池的基本物理性能几乎没有差别。按照《电动汽车用铅酸蓄电池》（QC/T 742—2006) 行业标准进行产品性能的试验与检测，包括对电池的容量、寿命和装车行驶里程的测试研究。

表1 板栅设计参数

表2 电动汽车用12 V 150 Ah 铅酸电池基本参数kg

2 结果与讨论

2.1 容量特性测试

在 25℃下，测定不同小时率的电池容量，放电终止电压为 10.5 V，连续测试 3 次得到初始容量（初始容量为 3 次放电的平均值）。从表 3 可以看出，添加稀土的电池的初始容量相对于普通电池略下降。可能是因为未添加稀土镧的铅钙锡铝合金板栅在充电过程中，表面生成了疏松的 PbO2而导致电池初始容量提高。这也进一步验证了稀土元素对铅合金表面 PbO2膜生长的抑制作用[6]。

2.2 电池放电特性

图1 是电池在 25℃、-20℃和 40℃条件下的 3 小时率放电曲线。由图 1 可知，在不同的测试温度下稀土元素都可以提高电池的放电性能，在低温和高温时，效果更加显著。此外，在低温和高温时，随着放电时间的延长，稀土电池的优异放电性能表现得更加明显。其原因可能是稀土元素能够促进合金表面树枝状晶体的生长，不但能增强腐蚀层与活性物质间的结合力，而且能够提高腐蚀层的导电能力[6]。

图1 电池在不同温度下的 3 小时率放电曲线

表3 电动汽车用 12 V 150 Ah 铅酸电池初始容量Ah

2.3 充电接受能力测试

图2 是不同类型电池的快速充电接受能力曲线。从图上可以看出，稀土动力电池 60 min 基本可以实现 100 % 充电，而普通动力电池 60 min 仅充入额定容量的 85 %，牵引电池则更差。

图2 不同类型电池快速充电接受能力曲线

表4 不同用途 12 V 150 Ah 铅酸电池循环过程中电压差的变化V

图3 不同电池电压随循环变化曲线

2.4 循环寿命测试

表4 给出了相同容量的 4 种不同电池循环使用过程中电压差值。数据显示，普通电动汽车用电池循环 500 次后电压差值达 2.0 V，而电动汽车用稀土电池循环 500 次后的电压差值仅有 1.05 V。由此可见，稀土添加剂可以促进电池的循环使用性能。图 3 是 4 种电池放电深度（DOD）为 80 % 时的循环寿命测试结果。结果进一步显示，稀土添加剂可以提高电动汽车用动力电池的循环使用寿命，这可能是因为稀土添加剂可以改善合金表面氧化膜的结构和性能。导电性良好的树枝状氧化膜不但可以提高电池的充放电性能，而且还能够防止活性物质的脱落，提高活性物质的利用率和电池的循环使用寿命[7]。

表5 12 V 150 Ah 电池的装车行驶里程测试结果 km

2.5 电池装车行驶里程测试

表5 是 4 种不同电池的装车行驶里程测试结果。稀土铅基板栅合金电动汽车用电池的初始装车行驶里程较普通电池稍差；前 200 次循环以内，两种电池的装车行驶里程相当；但是 200 次循环使用之后，普通电池的装车行驶里程急剧下降，稀土电池在第 600 次循环时的装车行驶里程还能达到 38 km，明显优于普通电池。

3 结论

稀土元素添加剂虽然会导致铅酸蓄电池初始容量小幅度下降，但是对于电池的放电特性、高低温循环使用性能和充电接受能力都有很好的促进作用，能够在一定程度上缓解动力型铅酸蓄电池因容量早期损失而引起的电池深放电寿命短的问题。

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Effects of rare-earth lead-base grid alloys on the performances of power lead-acid batteries

LI Aiju1, CHEN Hongyu1*, HUANG Wenhui2, TAN Xinyu2, PENG Bin2
(1. School of Chemistry and Environment, South China Normal University, Guangzhou Guangdong 510006; 2. Foshan Union Battery Co., Ltd., Foshan Guangdong 528000, China)

In this paper, the effects of rare-earth-containing lead-base grid alloys on the performances of power lead-acid batteries were investigated. The lead alloy grids with lanthanum (La) were used to assemble the power lead-acid batteries. The capacity, discharge performance, charge acceptance, cycle life and travel distance of electric vehicle (EV) with the lead-acid batteries were tested according to the industry standard named “Lead-acid battery for electric vehicles (QC/T 742—2006) ”. The results showed that La element can effectively improve the discharge performance and quick charge acceptance of lead-acid batteries except for the slightly decreased initial capacity, and prolong the service life of power lead-acid batteries for EVs. The travel distances of EVs showed that the EV withthe rare-earth lead-base grid alloy battery traveled almost as many mileages as that with the ordinary lead-acid battery in the range of 200 cycles, but after 200 cycles, the travel distance had a sudden drop with the ordinary power lead-acid batteries, but that with rare earth batteries can still reach 38 km after 600 cycles.

lead-base grid alloy; power lead-acid battery; rare-earth element; lanthanum; electric vehicle; quick charge acceptance; cycle life

TM 912.1

A

1006-0847(2016)06-251-04

2016-07-18

广东省教育部产学研结合项目《长寿命高分子膜电池的研制与产业化》（2012B091100185）

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