炭含量对阀控电池正极板保液量及容量的影响

2021-12-30何丽华祁永军

蓄电池 2021年6期

何丽华，祁永军

（1.天津市产品质量监督检测技术研究院，天津 300308；2.河北奧冠电源有限责任公司，河北衡水 253800）

0 引言

蓄电池的容量是指在一定放电条件下，可以从电池中获得的电量。一般，蓄电池的放电容量与极板的尺寸，活性物质的成分、数量和孔率，电解液的密度、数量和温度，放电电流和放电终止电压等因素有关[1]。其中，活物质的孔率是影响极板放电容量的最不确定的因素，因为极板活性物质孔隙的大小和分布处于一种不规则的形态，是在极板固化干燥过程中由铅膏的含水量和失水速率决定的。

为了使正极板获提较好的孔率，在控制固化干燥过程中铅膏含水量和失水速率的前提下，一般情况下是在正极铅膏中添加一定量的炭素材料，如碳纤维、石墨、胶体石墨等[2]。炭素材料是属高表面活力物质，具有较高的吸附性，能很好地吸附电解液，从而提高硫酸电解液对极板活性物质（特别是极板深处的活性物质）的接触、渗透，有利于电极电化反应的深度进行。另一方面，活性物质中高度分散的炭素材料，在极板化成时，由于硫酸的渗透作用会产生体积膨胀，有利于正极板活性物质的孔隙度的增加。也有资料显示，把石墨加入铅膏中，在极板固化时，可以提高 3 BS 的含量，从而使电池具有更高的容量[3]，也有利于电池的循环寿命和低温性能[4]。所以，正极板活性物质中加入适当的炭素材料有利于活性物质的孔隙度的增加和电解液的吸附。特别是，对于阀控式蓄电池，由于正常运行一般是处在贫液状态，与富液蓄电池相比，存在着电解液扩散能力差，极板持酸量低的问题。这些问题也影响到阀控式蓄电池的放电容量。为此，笔者对阀控式蓄电池正极板中炭素材料含量与极板保液量，以及电池放电容量之间的关系进行了分析。

1 试验

以 6-DZM-20 电动助力车用铅酸蓄电池为试验对象。将胶体石墨按铅粉重量的 0.1 %、0.3 %、0.5 %、0.7 %、0.9 % 分别加入正极板铅膏中，按正常生产工艺制作成 5 组（每组 4 只）样品蓄电池。在此过程中，测记每只蓄电池的正、负极板和实际灌酸重量。按 GB 22199—2017 标准中容量试验方法，对样品蓄电池进行 10 次练习放电，然后分别在 25 ℃、-10 ℃ 和 -20 ℃ 温度下进行标准容量放电，记录并计算样品蓄电池的实际放电容量值。最后，解剖样品蓄电池，取出正、负极板及隔板，分别计算出所保持的电解液量。将所有测量、计算结果列于表1 中。

表1 试验数据

将表1 的数据描绘成对应曲线。从图1 中可以看出，随着正极板含炭量的增加，蓄电池的放电容量呈现增长的趋势，特别是在低温环境下，放电容量增长的幅度较大。炭素材料的加入可以有效地改善正极板活性物质中孔的形态和极板的孔率。一方面，孔率的增加增大了正极板的真实表面积，从而使通过正极板的真实电流密度降低，减少了电化反应过程中产生的电化学极化。另一方面，孔率的增加降低了正极板界面传质扩散层的厚度，使得电极的扩散电流密度增加，减少了电化反应过程中由于极板内外硫酸根浓度差所产生的浓差极化。特别是在低温条件下，由于极板内部硫酸根浓度的增大，使得电解液的结冰倾向减弱，有利于电极电化反应的进行，这一点可以通过硫酸电解液的冰点曲线得到求证。所以，当正极板的炭含量增加量时会使蓄电池放电容量增大。

图1 正极板炭含量与电池放电容量的关系

从图2 中可以看出，随着正极板含炭量的增加，正极板的保液量也呈显增加趋势。图1 中说明，炭素材料的加入有利于硫酸电解液的吸附与传输，图2 所示的关系验证了这一点。吸附是指物质（主要是固体物质）表面吸住周围介质（液体或气体）中的分子或离子的现象。吸附作用和物质的表面积有关，表面积越大，吸附能力越强。炭素材料是一种具有较大表面积，较强吸附作用的物质。本试验中采用的胶体石墨是由超细鳞片石墨和胶质有机溶剂制成的一种具有很强亲水性的材料。曾有报道说，把一定量的胶体石墨加入蓄电池正极板用铅膏中会对硫酸溶液产生较强的吸附作用。本试验证明，随着胶体石墨添加量的增加，在一定范围内胶体石墨对硫酸溶液的吸附作用也增加。另外，也有资料指出，加入高纯各向异性石墨后，铅膏会因石墨膨胀而起到紧密装配的作用，使正极保持高孔率，从而提高正极利用率[5]。