动力电池板栅在CO2蒸汽处理后的循环性能仿真

袁 罡，刘恩喆，李登峻

(1.江西电力职业技术学院，江西南昌330000；2.南昌工程学院，江西南昌330000)

动力电池板栅在CO2蒸汽处理后的循环性能仿真

袁 罡1，刘恩喆2，李登峻1

(1.江西电力职业技术学院，江西南昌330000；2.南昌工程学院，江西南昌330000)

将铅酸蓄电池的正、负板栅用富含二氧化碳的蒸汽处理后，使其表面生成碱式碳酸铅，将其制备成动力电池极板后组装成电池，并利用仿真软件Simulink对所得电池的性能进行分析。研究发现通过这一方法可提高极板强度，还可提高电池的充电合格率及电池组循环的一致性，同时可使电池的使用寿命和性能得到明显提升。

二氧化碳蒸汽；铅酸蓄电池；使用寿命；性能；仿真

铅酸蓄电池存在容量衰减速度快、使用寿命短等问题，而造成其寿命短的主要原因包括活性物质的脱落、板栅的腐蚀变形及电解液干涸等，固化和涂膏这两道工序对电池的一致性及熟极板的质量影响较大，进而影响电池的性能及使用寿命[1]。本文将普通板栅与用富含二氧化碳蒸汽处理过的板栅分别组装得到电池，然后对电池的性能进行分析，进而对极板的生产工艺提出改善意见。

1 实验

在密度较高的二氧化碳环境下对板栅进行加热加湿处理后，其表面会生成碱式碳酸铅2 PbCO3·Pb(OH)2，在铅膏中碱式碳酸铅的溶解度大于金属铅和氧化铅，迅速分解成PbO，在板栅的表面形成腐蚀层，进而增大了铅膏与板栅的接触面积。在固化或涂片的过程中，板栅表面的PbO与铅膏快速融合，形成PbO-PbO的共价键，进而增大板栅与活性物质的结合强度，提高了二者的结合力，可在提高固化质量的同时缩短固化时间。

在对板栅表面进行预处理时，首先选取新浇铸的6-DZM-12Ah电池的正极板栅90片(9连片)和负极板栅100片(9连片)，将其挂在极板架上后放于固化室内，向固化室中通入温度为45～50℃的二氧化碳蒸汽。关闭固化室后利用蒸汽阀对其加热使其温度为60～65℃，每隔2 h补充一次二氧化碳气体，10 h后再加入一定量的二氧化碳气体并将温度升高至78℃，保持10 h。关闭蒸汽阀后，在60℃下进行干燥处理并持续4 h，将板栅取出后备用。在对极板的强度进行测试时，首先对生极板称重，将极板两面分别从高处跌至测试平台后，敲去已经脱离极板的活性物质，再次称重，重复上述动作直至活性物质完全脱离。

在组装电池时，在相同的工艺下将经富含二氧化碳蒸汽处理后的板栅和其它板栅分别进行涂板、固化和化成，制成熟极板。将制备所得熟极板(实验极板)与正常极板随机组合成为4种极群，如表1所示，采用相同的工艺对组装电池进行比较分析，每种电池组装成8只，编号A～H。采用Simulink仿真软件对每组电池的循环寿命和一致性进行测试。

表1 极群方式

2 结果与分析

将生极板置于某一高度，使其一面水平与测试平台自由下落，然后再将另一面平行于测试平台自由下落，即完成1次跌落。文献研究可知，连续跌落次数可以衡量活性物质与板栅的结合状态，即强度。因此，本实验采取上述跌落方式连续跌落，直到板栅上的活性物质完全脱离，将脱离时的跌落次数记为连续跌落次数。经过连续跌落实验可知，实验正极板和正常正极板的连续跌落次数分别为20次、16次，实验负极板和正常负极板分别为26次和22次。由此看出，经过富含二氧化碳蒸汽处理后的实验正极板和负极板强度均有所提高，分别提高了25%和18%。

图1为连续跌落过程中活性物质掉落量，由此可见，正常极板每次跌落后损失的活性物质最大量要比实验极板多。可以推断，富含二氧化碳蒸汽处理后的板栅与活性物质结合力更强。这是因为，板栅表面经过富含二氧化碳处理后，表面生成了凹凸不平腐蚀层，增加了板栅与活性物质的接触面积，使其结合力更强，腐蚀层扫描电子显微镜法(SEM)形貌如图2所示。

图1 连续跌落过程中活性物质掉落量

图2 板栅表面腐蚀层

按照电池制造工艺，将上述四类电池每类生产四只，全部加酸充电备用。经过检测，16只电池的两小时容量值全部在130 min以上，能够满足本实验所需。文献[2]指出，按照规格相同的一组电池组装成电池组，其内阻、衰退率、容量、荷电量、电压等以及随着时间变化率、自放电率、寿命、温度对电池的影响等，这些参数在校验电池组一致性时常常以端电压变化来衡量。这是因为电池组运行的微环境、生产工艺、配件以及原料等因素不可能完全一致也会导致电池运行过程中出现参数差异，而且电池组所含单元电池数量越多，其差异越大[3]。

图3为四个电池组在600次循环过程中单个电池的最大电压差，四类电池最大电压差随着循环次数的增加而增大。当循环次数在0～150次时，每类电池的最大电压差都很小。当循环次数为150～350次时，#2～#4三类电池最大电压差增大明显，而#1电池电压差增大幅度较小。600次循环过程中，#1电池最大电压差较小，最大电压差排序为#1电池＜#2电池＜#3电池＜#4电池。因此，正、负极板都经过富含二氧化碳蒸汽处理后的#1电池具有最好的一致性，正、负极板均未经过富含二氧化碳蒸汽处理后的#4电池一致性最差。由此推断，板栅经过富含二氧化碳蒸汽处理后，提高了电池组的一致性，降低了单个电池间的最大电压差。

图3 四个电池组在600次循环过程中的最大电压差

铅酸电池的使用寿命是直接影响用户的，其电池失效原因为硫酸盐化不可逆、汇流排被腐蚀、电解液干枯、活性物质脱落、正极板栅变形等。图4为实验中的8只电池的循环寿命对比。由此看出，相比没经过富含二氧化碳蒸汽处理过的#4电池，#1电池循环寿命明显增加。在#1电池寿命终止后，对其解剖发现正极板栅变形和汇流排被腐蚀是寿命终止的主要原因。而#4电池则是因为电解液干枯、活性物质脱落导致的寿命终止。由此推断，富含二氧化碳蒸汽处理后的板栅改变了电池的失效方式，抑制了板栅活性物质脱落，提高了电池的寿命[4]。

图4 四类电池的循环寿命对比

3 结论

通过本文实验可知，富含二氧化碳蒸汽处理后的铅酸蓄电池正、负极板栅表面生成了一层腐蚀产物。腐蚀产物增加了板栅与活性物质的接触面积，提高了铅膏与正、负极板的结合强度，增强了活性物质与板栅结合力。对单个电池容量及电压稳定性起到了明显的改善作用。用此类电池组装的电池组600次循环后具有很小的最大电压差，提高了电池组循环均匀性，从而改善了单个电池及电池组的寿命。

[1]黄连清.新型曲面板栅结构对铅酸蓄电池性能的影响[J].蓄电池，2016(4)：182-185.

[2]高林霞，朱新锋，刘建文，等.锌杂质对铅酸蓄电池性能的影响——基于柠檬酸/柠檬酸钠体系回收废铅膏[J].蓄电池，2014(2)：56-59，92.

[3]陈清元，邓成智，刘峰，等.富含CO2蒸汽处理后板栅对铅酸蓄电池性能的影响[J].蓄电池，2013(6)：280-282，286.

[4]胡信国，林道勇.阀控铅酸蓄电池板栅合金的电化学性能研究[J].电源技术，2004(3)：133-136.

Simulation of cycle performance of power grid panel after CO2steam treatment

YUAN Gang1,LIU En-zhe2,LI Deng-jun1
(1.Jiangxi Vocational&Technical College of Electricity,Nanchang Jiangxi 330000,China;2.Nanchang Institute of Technology,Nanchang Jiangxi 330000,China)

The positive and negative grid of lead-acid batteries wad treated with steam-enriched carbon dioxide,and the surface was with basic lead carbonate,and it was prepared into a battery pack and assembled into battery.The performance of the battery was analyzed by using the simulation software Simulink. The results show that the strength of the plate,the battery charging rate and the consistency of the battery cycle can be improved,and also the service life and performance of the battery are improved.

carbon dioxide steam;lead-acid battery;service life;performance;simulation

TM 912.9

A

1002-087 X(2017)10-1446-02

2017-03-15

江西省教育厅2015江西省高校人文社科基金项目(FX0922)

袁罡(1968—)，男，湖南省人，副教授，主要研究方向为数字电力。