搅拌速度对起动型胶体蓄电池超低温性能的影响
2018-04-12李晓景林伯连林齐锦王远强
李晓景,林伯连,林齐锦,王远强
(1.广东猛狮新能源科技股份有限公司,广东 汕头 515800;2.大英德创精工设备有限公司,四川 遂宁 629000)
0 引言
胶体电解液在固定型和动力型蓄电池中已经得到了普遍应用[1-2],但在起动型蓄电池产品系列中应用还比较少。主要原因是,大电流放电时,电解质离子在胶体中的扩散速度受到了影响,以及胶体与活性物质之间的接触不够充分引起内阻增大。尤其在低温环境下使用时,蓄电池的起动性能受到的影响更加明显。如何提高胶体电解液灌注时在 AGM隔板中的扩散速度和渗透程度,增加硫酸电解质与活性物质之间接触界面的总面积,从而提高了车辆起动时瞬间放电的电流密度,使蓄电池的低温起动性能得以提高,是本文研究的方向。
1 试验
1.1 配制胶体电解液
1.1.1 配制胶体母液
首先,在主机桶内加入150~180 L 的纯水,再加入 400~500 g 的分散剂 B;接着,设定搅拌机转速为 2~3 kr/min,启动搅拌机开始搅拌;然后用真空管吸入气相纳米 SiO2,继续搅拌 1~3 h。按以上工艺配制的胶体母液被标记为“胶体母液 A”。其它配制条件和工艺相同,用超高速剪切搅拌机在8~10 kr/min 转速下配制的胶体母液被标记为“胶体母液 B”。
1.1.2 配制稀硫酸溶液
在 680~710 mL 的纯水中加入添加剂 N,搅拌均匀,然后边搅拌边加入 350~380 mL 浓硫酸,搅拌均匀后冷却待用。
1.1.3 配制胶体电解液
称取1200~1500 g 的稀硫酸溶液,边搅拌边加入 120~140 g 胶体母液,继续搅拌均匀。用“胶体母液 A”配制的胶体电解液被标记为“胶体电解液 A”,而用“胶体母液 B”配制的胶体电解液被标记为“胶体电解液 B”。
1.2 测试
1.2.1 测试胶体母液
对配制好的胶体母液,用 LB-500 型激光散射粒度分布仪测试粒径分布。从图1 和图 2 可以看出,2 种 SiO2胶体母液的粒径分布均呈双峰状,但在超高转速搅拌的作用下,SiO2颗粒的粒径更小,且小粒径分布峰更高,即小粒径颗粒的含量更高。文献[3]也表明,在 SiO2水分散溶液的分散过程当中,增大搅拌速率可更好地将团聚形成的较大 SiO2颗粒分散成较小的 SiO2颗粒,使得气相 SiO2颗粒更好地分散到胶体电解液中,从而提高 SiO2胶体电解液的分散稳定性。
图1 胶体母液 A 粒径分布图
图2 胶体母液 B 粒径分布图
1.2.2 测试胶体电解液
对胶体电解液 A 和胶体电解液 B 进行粒径分布测试的结果如图 3 和图 4 所示。从图 3 和图 4 可以看出,2 种胶体电解液的粒径分布呈单峰状,但胶体电解液 B中 SiO2颗粒的粒径更小,分布范围更窄,因此更利于胶体电解液的灌注和向极板、隔板中渗透。文献 [4]也强调了粒径分布范围是影响电解质性能的重要因素。
1.2.3 测试蓄电池
图3 胶体电解液 A 粒径分布图
图4 胶体电解液 B 粒径分布图
为消除蓄电池内部残留气泡的影响,确保胶体电解液能够充分渗透,采用抽真空的方式,将所配制的 2 种胶体电解液分别灌注到 5 只同种常规型号的 12 V 5 Ah 摩托车起动用铅酸蓄电池中。
1.2.3.1 测试蓄电池质量
在灌注胶体电解液前,要称取干电池的质量。采用两充一放式初充电制度(共 5 个阶段),完成蓄电池的初充电,之后再次准确称量蓄电池的质量。从表 1 测得数据可以看出,在灌注胶体电解液前和初充电完成后,蓄电池质量的一致性可以满足试验要求。
表1 蓄电池的质量 g
1.2.3.2 测试蓄电池的开路电压、内阻和容量
用 FBT-50 型摩托车电池测试仪测试各蓄电池的开路电压以及内阻。在 25 ℃ 恒温环境中,对初充电后的蓄电池,以 0.5 A 的电流,恒流放电至终止电压 10.5 V,得到蓄电池的C10容量。表 2 测试结果显示,采用胶体电解液 B 的蓄电池的内阻较小,说明采用超高速剪切的胶体有利于降低蓄电池的内阻,从而有利于提高电池的大电流放电性能。
1.2.3.3 测试蓄电池的低温起动性能
按照 SAE J537—2011 标准测试各电池 -18 ℃低温起动性能:将蓄电池放置在 -18 ℃± 1 ℃ 的环境中,保持至少 20 h,使蓄电池内部温度降至-18 ℃± 1℃,然后以Icc= 65 A 持续放电 30 s 时,记录蓄电池放电电压。
表2 蓄电池的开路电压、内阻和容量
参考国标 GB/T 5008.1—2013,测试 -29 ℃ 低温起动性能:将蓄电池放置在 -29 ℃±1 ℃ 的试验环境中,保持至少 24 h,以使蓄电池内部温度降至-29 ℃±1 ℃,然后将电池先以Icc= 65 A 的电流放电 30 s,静置 20 s 后,再以 0.6Icc=39 A 的电流放电40 s。
从图 5 和图 6 可以看出,在放电过程的主要阶段,采用胶体电解液 B 的蓄电池的放电电压均高于采用胶体电解液 A 蓄电池的。测试数据显示,放电至 5 s 时的平均电压高出 0.188 V,放电至 10 s 时的平均电压高出 0.206 V,放电至 15 s 时的平均电压高出 0.197 V。作为起动型铅酸蓄电池,起动车辆的时间一般小于 5 s,因而放电 5 s 时电压的高低是衡量蓄电池起动性能的最主要指标。
从图 7 和图 8 可以看出,电池在 -29 ℃ 的低温条件下,以 65 A 放电 30 s 的过程中,采用胶体电解液 B 的蓄电池的低温起动性能明显高于采用胶体电解液 A 的蓄电池。测试数据显示,放电至 5 s 时的平均电压高出 0.339 V,放电至 10 s 时的平均电压高出 0.370 V,放电至 15 s 时的平均电压高出 0.355 V。而且,与 -18 ℃ 低温条件下的测试结果相比,这种优势更加突出。
图5 -18 ℃ 低温起动性能放电曲线图(各 5 只电池)
图6 -18 ℃ 低温起动性能放电曲线图(平均值)
图7 -29 ℃ 低温起动性能放电曲线图(各 5 只电池)
图8 -29 ℃ 低温起动性能放电曲线图(平均值)
1.3 解剖电池
取完成 -29℃ 超低温性能检测的蓄电池进行解剖观察。在极群组的上部、两旁的间隙充满了固态状的胶体,而且在 AGM 隔板的不同部位也有胶体存在。SiO2胶体进入隔板中的含量,以及渗入AGM 隔板中路径的长短,对蓄电池的性能有着重要的影响。SiO2胶体进入隔板中的含量越多,渗入路径越长,在隔板中的分布越均匀,对蓄电池性能越有利[5]。而与之相关的主要影响因素,除 AGM隔板的结构和吸附特性外,还有胶体中的 SiO2颗粒的粒径和分散稳定性。
2 结论
与常规转速条件下相比,以超高转速搅拌剪切配制的胶体母液中颗粒的粒径更小,粒径更均匀。把这样的 SiO2胶体母液用于制作起动型 AGM 胶体蓄电池,可以得到更好的低温起动性能,尤其是-29 ℃ 超低温性能。
参考文献:
[1]孔德龙.阀控式铅蓄电池胶体电解质技术的进展[J].蓄电池, 2003(2): 70–74.
[2]LAMBERT D W H, GREENWOOD P H J, REED M C, 等.阀控铅酸蓄电池中胶体电解液技术进展[J].电源技术, 2005(10): 69–73.
[3]王力臻, 程苏, 谷书, 等.SiO2胶体电解液分散稳定性研究[J].蓄电池, 2013(3): 112–117.
[4]王景川.胶体蓄电池及其电解质中的气相二氧化硅[J].蓄电池, 2002(2): 65–67.
[5]沈浩宇, 王鹏伟, 成梓铭, 等.胶体电解液分布均匀性对动力电池性能的影响[J].蓄电池, 2016(4):162–166.