冲网正板栅厚度对起动电池性能的影响

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。