冲网正板栅厚度对起动电池性能的影响
2021-06-17呼梦娟吕乐乐师笑乐李铭杰
呼梦娟,吕乐乐,师笑乐,李铭杰
(河南超威正效电源有限公司,河南 沁阳 454550)
0 引言
正极板活性物质的质量,以及板栅的腐蚀和生长,是影响铅酸电池工作寿命的主要因素[1]。汽车用蓄电池使用状态为瞬间大电流放电,且浮充状态占整个使用过程的大部分时间,因此设计板栅时应考虑正负板栅厚度比较小,以及负极板决定电池充电接受能力和低温大电流放电的需求[2]。过去由于铅价低,铅酸蓄电池板栅质量可占极板质量的35%~45%,但现在汽车电池板栅质量仅占极板质量的30%~40%。集流体(板栅)和极板的质量之比称为α因子,其典型值为0.35~0.60。提高α因子有助于改善电池的大电流性能和循环性能,但会降低电池的比能量[3]。本文中,笔者主要研究降低板栅厚度,提高电池比能量,对铅酸蓄电池电池性能和板栅使用寿命的影响。
1 实验
1.1 制备实验样品
将Pb–Ca–Sn合金(合金中ω(Ca)为0.055%~0.060%,ω(Ca)为1.55%~1.60%)按照生产工艺制成厚度分别为0.90、0.85、0.80 mm的正极铅带,并记为A1、B1和C1。经过冲网成型正极板栅,涂板成正极板,与同一规格负极板按6正6负组装好,化成,制成12 V 60 Ah SLI电池。由厚度0.90、0.85、0.80 mm正板栅制成的电池分别记为A2、B2和C2。
1.2 测试铅带的力学性能
参考 GB/T 228.1—2010金属材料室温拉伸试验方法,测试铅带样品(参见图1),得到表1所示结果。随着铅带厚度降低,拉伸强度稍微降低,延伸率升高。David[4]指出板栅应该有足够的硬度、高屈服强度、高蠕变强度和低延伸率。铅带的厚度、拉伸强度降低,以及延伸率升高不利于板栅的使用寿命。需要根据设计的电池使用寿命选择适合的板栅厚度。
图 1 铅带样品尺寸
表 1 铅带的拉伸强度和延伸率
1.3 测试的电池性能
采用蓄电池综合性能测试仪(型号 BNT 500-018-2ME),按照国标 GB/T 5008.1—2013进行低温起动能力、充电接受能力和循环耐久I试验,并按照标准VW 75073—2019中第7.11条款进行(75±2)℃热稳定测试。
1.3.1 低温性能
起动型铅酸蓄电池的重要指标是低温起动性能,而冷起动电流(CCA)就是低温起动性能的一个重要指标。电池A2、B2和C2的电阻、冷起动电流和低温起动性能测试结果见表2。随着正极板栅厚度减小,电池内阻增加。一般来说,晶粒越大,晶界面积越小,电子穿透晶界所遇到的阻力越小,电阻率较小,反之电阻率越大。随着轧制变形量的增加,晶粒变小,晶界面积增大,从而在外电场作用下自由电子穿过的阻力越大,电阻率越大,导电性能下降,因此随着轧制变形量的增加,铅合金板材的导电性能有所降低[5]。由于初始铅坯厚度相同,随着铅带厚度降低,总轧制变形量增加,铅带电阻率变大,电池内阻增大。另外,铅带减薄,板栅导电横截面积变小,电池内阻增大。相应地,电池冷起动电流变小,低温起动性能变弱。因此,正极板栅厚度降低,对电池低温起动性能不利。
表 2 电池电阻、CCA及低温性能数据
1.3.2 充电接受能力
充电接受能力对于起动铅酸电池的可持续性、稳定性,乃至使用寿命起到至关重要的作用。充电接受能力试验用来表征电池充电性能。国标 GB/T 5008.1—2013要求充电接受能力(充电电流值ICa与I0的比值)不应小于2.0。电池A2、B2和C2的充电接受能力分别是3.58、3.53和3.55。因此,正极板栅厚度减薄对电池充电接受能力影响不大。
1.3.3 循环耐久I试验
文献[2]认为正常蓄电池寿命终止时,板栅已经被严重腐蚀。一般认为,蓄电池的寿命终止时,极板一动就碎成小块,板栅筋条中出现细小的合金条或合金段是比较合理的,即认为功能不过剩也不富余,就推断筋条设计合理。通过按国标循环I测试电池使用寿命,推断板栅减薄后,板栅筋条设计的合理性。由图2可见,电池A2、B2和C2的循环寿命分别为244次、258次和186次。当板栅厚度为0.80 mm时,电池循环寿命骤减。对循环后电池解剖发现,电池A2和C2的寿命结束时,蓄电池板栅完好无损。由此推断,电池A2的板栅设计富余,而电池C2循环寿命短,导致0.80 mm板栅在循环耐久试验中服役时间短,从而完好无损。电池B2的寿命结束后,板栅筋条中出现少量细小的合金条或合金段,因此电池B2的板栅设计能满足要求且不富裕。
图 2 电池循环耐久Ⅰ寿命
1.3.4 电池热稳定性
通过在失效过程中监控内阻和重量损失,来评估电池板栅的耐腐蚀性能。图3给出不同厚度板栅电池在(75±2)℃热稳定试验过程中的重量损失和内阻变化曲线。在热稳定性试验过程中,前期12个单元电池重量损失速率缓慢一致;后期随着板栅厚度降低,电池重量损失速率升高,即板栅厚度越小,重量损失越快。前期10个单元电池内阻升高速率缓慢一致;后期随着板栅厚度降低,电池内阻升高速率增大,即板栅厚度越小,电池内阻升高越快。随着板栅厚度降低,电池热稳定性降低。
图 3 电池热稳定性试验中重量损失和内阻变化曲线
电池热稳定性试验后板栅腐蚀情况见图4。宽铅带连冲板栅的金相组织比较细碎致密,晶粒界限难以分辨,有大量的亚晶结构和被轧制拉长的纤维状组织产生,晶粒更加细化、均匀,所以耐电化学腐蚀和机械性能有明显的优势[6]。轧制工艺制作的合金腐蚀部位明显增多,而且以平推方式向合金内部发展[7]。如图4所示,冲网板栅使用过程沿着板栅边框边缘向合金内部发生均匀晶界腐蚀,没有发生晶间穿透性腐蚀。随着板栅厚度降低,热稳定性测试过程中平均每单元腐蚀层厚度增加。板栅厚度降低后电池热稳定性变弱。
图 4 电池热稳定性试验后板栅腐蚀情况
2 结论
随着厚度降低,铅带拉伸强度降低,延伸率升高,而且在制成板栅后,会降低电池的低温性能和板栅使用寿命。由实验得出,采用0.85 mm厚板栅电池的热稳定性能比0.90 mm厚板栅电池稍弱,且二者在循环耐久Ⅰ寿命上相近。考虑到电池的比能量和使用目标要求,厚度为 0.85 mm 板栅能满足设计需要,既能节约用铅又能满足电池使用性能。