铅蓄电池板栅界面对电池性能影响研究

2021-09-01肖占母建平刘孝伟陈顺宏李彬

蓄电池 2021年4期

肖占，母建平，刘孝伟，陈顺宏，李彬

（1.超威电源集团有限公司，浙江长兴 313100；2.安徽永恒动力科技有限公司，安徽安庆 246121；3.淮安市产品质量监督综合检验中心，江苏淮安 223001）

0 引言

在全球气候环境深刻影响人类生存和发展的背景下，为应对气候环境的变化，经济社会向低碳发展转型[1]。作为被广泛使用的化学电源，铅蓄电池消耗铅量占全球总产量的 4/5，其中板栅铅耗约占电池总质量的 1/4。采用连续铸造、连续冲孔和扩展网（拉网）等先进的连续生产工艺是实现铅蓄电池轻量化、低碳、节能、绿色发展的途径[2]。与传统的重力浇铸生产板栅的工艺不同，这些先进的连续生产工艺提高了板栅生产效率，降低了板栅重量，但是也引入了新的问题，如由于板栅表面积较小和板栅表面形态光滑，铅膏/板栅界面结合达不到理想的效果[3]。板栅是铅蓄电池的“骨架”，是电流的传输导体。板栅与铅膏的良好结合是保证蓄电池循环寿命的重要因素[4]。本文中，笔者研究了板栅表面处理工艺，通过板栅表面形态对比、板栅表面腐蚀层测定、大电流放电性能和电池循环性能测试，得出板栅表面经过特殊工艺处理可有效提高电池的性能的结论。

1 实验

1.1 制备实验样品

采用 7 级碾轧连续浇铸工艺生产 Pb-Ca-Sn-Al铅带，然后用高速冲网设备冲孔，制造板栅。采用已开发的新型板栅表面处理机对板栅表面进行特殊处理，最后用鼓式涂膏机及常规固化干燥工艺生产极板，组装 12 V 20 Ah DZM 电池样品。将板栅表面未进行特殊处理的极板和电池作为空白样品，开展实验研究。

1.2 实验仪器

实验中采用的设备仪器有 XX-PS-A1 新型板栅表面处理机、金帆多功能充放电机、尼康 MA100L金相显微镜。XX-PS-A1 板栅表面处理机的主要工作原理为：以压缩空气为动力，形成高速喷射束，将喷料（蓄电池专用的特殊物质）高速喷射到需要处理的板栅表面（见图 1）。由于喷料对物件表面的冲击和切削作用，板栅外表面形状发生变化，获得不同的粗糙度，板栅表面的机械性能得到改善，增加了它和铅膏活性物质间的附着力。

图1 板栅表面处理机的工作原理示意

1.3 板栅表面形态比对

使用金相显微镜对经过处理的实验板栅和未经处理的空白板栅样品，以及由它们生产的固化干燥后的极板，去除外部铅膏后的板栅表面形态进行拍照比对。从图 2 可见，经过处理后，板栅表面形态较粗糙，显著地增加了板栅的表面积，改进了板栅表面形态，有利于板栅与铅膏活性物质结合。图 3 说明，固化干燥后的极板通过摔打去除铅膏后，未经过表面处理的板栅表面裸露较多黑色区域，裸露出了板栅基体，也就是板栅表面较多区域没有被铅膏覆盖粘附；而经过表面处理的板栅表面均匀粘附了较多黄色铅膏，无黑色板栅裸露。这说明，经过表面处理的板栅确保了铅膏活性物质与板栅的牢固结合，且板栅与铅膏牢固粘附的接触面积更大。

图2 经过表面处理前后板栅外观形态

图3 固化干燥后极板除去铅膏后板栅表面形态

1.4 极板板栅表面腐蚀层测试

按照当前常规工艺固化干燥后，从同一批次中各抽取 5 片实验极板和空白极板。将极板表面的铅膏通过摔打去除，用塑料刷子清除板栅表面浮粉后称重，接着用糖碱溶液（氢氧化钠、葡萄糖、纯水质量比是 8∶3∶100）浸泡 30 min 去除腐蚀层，再用纯水洗净，然后烘干，称重，计算板栅失重，即腐蚀层重量。从表 1 中数据来看，板栅表面被特殊处理的极板腐蚀失重较多，比板栅未被处理的腐蚀层失重高出 52 %。这说明，板栅表面处理工艺显著地增加了板栅表面积，增加板栅与铅膏活性物质结合面积，使板栅表面被有效充分地腐蚀，确保了活性物质/板栅界面的稳定[5]。

表1 极板固化后的板栅腐蚀层重量

1.5 电池大电流放电性能

大电流测试方法如下：完全充电的电池，在25℃±2℃ 室温下静止 3～5 h 后，以 3.6 I2电流放电至蓄电池端电压 10.5 V 时终止，记录放电时间。

化成结束后，从车间化成架上随机各抽取 3 只合格的实验电池和空白电池，按照上述测试方法进行大电流放电。由表 2 可见，板栅表面经特殊处理的电池大电流性能更优，比空白电池平均约高出 2 min。这说明：板栅表面经过处理后，铅膏活性物质与板栅接触面积更大，结合更牢固，确保了大电流稳定输出，释放出了较多的电量。

表2 电池大电流放电时间

1.6 电池 100 % DOD 循环性能测试

在 25 ℃ ± 5 ℃ 环境中，完全充电的电池以 I2电流放电 2 h，然后以恒定 16 V/只电压（限流 0.4 I2）充电 8 h，依次循环，记录整组电池（4只）循环次数以及组内电池放电终止电压差。在循环测试过程中，板栅经过表面处理的电池整组 4 只放电至 42 V 终止电压时，电池间的最大终止电压差较小，电池间一致性较好，电池循环寿命明显较长，循环性能优势较为明显。由图 4 可见，实验电池（板栅被处理）还在被测试中，寿命还没有终止，而空白电池（板栅未被处理）的寿命已到终止线 80 % 额定容量。

图4 电池组循环寿命及放电终止电压差曲线及其线性趋势图

2 理论分析

板栅是蓄电池的电流传输导体，是集流体。对板栅表面进行特殊处理，增加了板栅的表面积，增加了板栅与铅膏活性物质接触面积，提高了电池大电流性能。随着电池充放电循环，电池的活性物质颗粒要经受收缩/扩张循环，活性物质颗粒与板栅的接触逐渐受损[6]。表面光滑的板栅加剧了活性物质颗粒与板栅间的黏结损坏，也就是破坏了活性物质/板栅的界面，电池充电时界面处的 PbSO4晶体不能被氧化为 PbO2导电活性物质，致使非导体PbSO4晶体在界面逐渐堆积，在活性物质/板栅界面产生较大阻抗，影响了电池的循环性能；而粗糙的板栅表面，增加了活性物质/板栅界面的面积，破坏了 PbSO4绝缘层的形成，弱化了界面阻抗，改进了电池循环性能[7]。图 5 展示了板栅筋条与蓄电池活性物质颗粒间的接触关系。随着充放电循环，光滑的和粗糙的板栅筋条与活性物质颗粒黏合接触演变是不同的。