凝胶剂对铅酸蓄电池性能影响的研究

2022-06-18霍玉龙闫娜王再红陈二霞高鹤孙海涛李阿欣陈志雪

蓄电池 2022年3期

霍玉龙，闫娜，王再红，陈二霞，高鹤，孙海涛，李阿欣，陈志雪

（风帆有限责任公司，河北保定 071057）

0 引言

凝胶剂是以气相白炭黑（SiO2）为基料，使用特殊技术研发而来，具有增稠、防结块、控制体系流变和触变等作用[1]。它既能在硫酸介质中稳定存在，又是具有触变凝结特性的物质。使用凝胶剂制备的电解液具有连续的三维结构[2]，能有效抑制铅酸蓄电池的电解液分层。在电解液中将凝胶剂作为添加剂会对动力铅酸蓄电池性能起到改善效果的作用[3-6]。凝胶剂虽然在铅酸电池中应用广泛，但是关于其在富液式电池中应用的研究却是较少。本文中，笔者旨在研究凝胶剂对富液铅酸蓄电池性能的影响。

1 试验

1.1 凝胶剂对电解液性能的影响

采用A公司生产的固含量为20.0%的凝胶剂，按照表1制备实验样品。凝胶电解液的凝胶时间与凝胶剂含量、硫酸浓度、温度等相关。从图1和表2可以看出，凝胶剂含量为2.5%、5.0%的电解液不能凝胶，并且凝胶剂含量为2.5%的电解液在静置168h后发生了明显的分层现象，即水化分层现象。随着凝胶剂含量的增加，电解液的凝胶时间逐渐缩短。凝胶剂含量增加以后，分子间距减小。凝胶剂分子之间的硅氧键形成快、数量多，使电解液更容易凝胶[7]。

表1 凝胶剂在电解液中添加量

表2 凝胶剂含量与凝胶时间的关系

1.2 凝胶剂对铅酸蓄电池性能的影响

1.2.1 电池静置前后开路电压与内阻的变化

采用表1中含凝胶剂电解液制备样品电池（每种3只平行样）。静置3d后，测量电池的开路电压、内阻。接着再静置20d，再次测试电池的电压、内阻。图2为样品电池初始电压，图3为样品电池初始内阻，图4为静置20d后电压和内阻的变化曲线。虽然凝胶剂的添加量不同，但是电池的初始电压都差不多。添加凝胶剂的电池初始内阻比不含凝胶剂的电池稍大一些。静置20d后，凝胶剂的含量虽然不同，但是对电池的电压降几乎没有影响。添加凝胶剂的电池的内阻变化明显大于不含凝胶剂的电池，而且凝胶剂的添加量越大，电池的内阻变化越大。引起内阻变化的原因可能是，随着凝胶剂的不断凝胶，形成致密的网络结构[8]。该凝胶结构会在一定程度上阻碍离子的传输。

1.2.2 对电池容量的影响

从图5可以看出，随着凝胶剂含量的增加，电池的容量逐渐减小。随着凝胶剂含量的增加，电解液的粘度增加，离子在胶体电解液内部扩散受阻，电池内阻增大，副反应能量消耗加大，进而影响电池的放电容量。

1.2.3 对低温放电性能的影响

由图6可以看出，凝胶剂的加入显著降低电池的低温放电性能。凝胶剂含量为2.5%、5.0%、10.0%的电池的低温放电曲线呈现出，随着凝胶剂含量的增加，放电时间逐渐减少的趋势。随着凝胶剂的不断凝胶，形成了致密的网络结构。该凝胶结构会阻碍离子的传输，在大电流放电时表现得更为明显。

1.2.4 对水耗的影响

在60℃下，恒压14.4V充电42d。每隔21d测量1次电池的重量变化。从图7可以看出添加凝胶剂不会大幅度影响电池的水损耗性能，而且凝胶剂含量为5.0%、10.0%、20.0%时，电池的水损耗还较不含凝胶剂的电池有一定幅度的降低。可能的原因是，添加凝胶剂后，电解液更加均匀，减少了自放电。也可能是，充电电压一定时，内阻增大使有效充电电压降低造成的。

1.2.5 对动态充电接受能力的影响

图8为凝胶剂含量不同的电池的动态充电接受能力测试结果。凝胶剂含量为2.5%、5.0%时，电池的动态充电接受能力受到的影响很小，只有在60%SOC下才会出明显差异，但是凝胶剂含量为10.0%、20.0%时，由于内阻增大，电池的动态充电接受能力明显降低。

1.2.6 对电解液分层的影响

对电池进行10次容量循环测试。图9为所示第10次容量放电结束后及充电后电池上下部的密度差。随着凝胶剂含量的增加，10次容量循环测试后电解液上下部密度差逐渐减小，说明凝胶剂的加入对电解液分层能起到很好的缓解作用。