铅酸蓄电池正、负极活性物质质量比的探讨

王兴锋，黄毅，顾立贞，马广磊，金巍

（江苏华富储能新技术股份有限公司，江苏 扬州 225600）

0 引言

常规阀控式铅酸蓄电池极群结构设计为负极板比正极板多一片。不同的极群结构和正、负极活性物质质量比对电池性能是有影响的[1-2]。常规电池中极群两边负极板的利用率较低，一般为极群中间负极板的 50 %～65 %，所以在正、负活性物质质量比合理的情况下，一般用正极板计算电池的容量[3-4]。关于蓄电池负板两侧边板重量的问题之前已经做了相关的试验研究[5]。本文中，笔者通过制备正、负极板数量相同的铅酸蓄电池，对靠近边正极板的负极板采用不同的活性物质质量，探讨电池容量的变化，30 % DOD 放电时末期电压的变化和失水量变化。

1 实验

1.1 极板的制备

采用尺寸为 151 mm×154 mm×2.8 mm Pb-Ca合金正板栅（单片质量 100 g）和尺寸为 151 mm×155 mm×1.75 mm Pb-Ca 合金负板栅（单片质量70 g），经和膏（常规配方）、涂片、固化、干燥等正常生产工艺制得单片质量分别为 220 g、235 g、250 g、265 g 的负极板（编号分别为 A、B、C、D）。所用正极板（采用正常生产工艺制作，编号为 E）的质量均为 340 g。负极板 A 与正极板 E 的活性物质质量比为常规配比。

1.2 铅酸蓄电池的制备

选定外形尺寸为 171 mm × 72 mm × 205 mm电池壳，按图 1 中两种极群结构制备 2 V 100 Ah 电池。每个极群只含 1 片实验负极板，其余均为负极板 A。采用 AGM 隔板双层包正板的方式，按表 1 进行装配。然后，采用内化成工艺，制得实验电池。硫酸电解液密度为（1.255 ± 0.005）g/cm3。

表1 实验电池装配方式

图1 极群结构

1.3 电池容量测试

容量测试方法：在（25±5）℃ 温度下，采用恒压限流充电模式，在 2.35 V 电压下以 20 A 电流充电 15 h，使电池达到完全充满状态。然后，以 10 A恒电流放电至终止电压 1.8 V。

由表 2、图 2 可见，编号为 2V-0 的电池与其它电池在容量上相差接近 10 Ah，表明少 1 片负极板对电池容量有明显影响。当改变实验负极板的质量时，电池容量也发生变化。实验负极板越轻，电池的初始容量越低；实验负极板越重，初始容量越高。但是，随着实验负极板的质量增至某一数值后，也就是当单片负极板与单片正极板的活性物质的质量比超过 0.7 时，电池的初始容量不再增加。2V-C 和 2V-D 的初始容量及放电曲线几乎一致。

表2 实验电池的放电时间和容量

图2 实验电池的放电曲线

1.4 电池 30 % DOD 循环性能测试

30 % DOD 循环性能测试的方法：（1）（25 ±5）℃ 条件下，完全充满状态的蓄电池以恒流 0.1C（C 为 10 A 放电时各电池的初始容量）放电 3 h。接着，在恒压限流充电模式下，以恒压 2.35 V 和电流0.2C 充电 4.5 h。然后，静止 1 h。重复以上充放电过程 100 次。（2）经过 100 次循环后，在（25 ± 5）℃条件下，将完全充满状态的蓄电池以恒流 0.1C10（C10为电池的额定 10 小时率容量）放电 3 h。接着，在恒压限流充电模式下，以恒压 2.35 V 和电流0.2C10充电 4.5 h。然后，静止 1 h。重复以上充放电过程 100 次。

图3 表明，5 种实验电池的末期电压曲线走势无明显差异，但末期电压值存在细微的偏差。初始容量越低，末期电压越高；初始容量越高，末期电压越低。通过分析可以知道，末期电压存在偏差的原因主要是选择以 0.1C 电流充电，导致 5 种实验电池本身的放电倍率不一致。鉴于此情况，将实验电池的初始容量通过普科特（Peukert）方程[6]

图3 实验电池的 30 % DOD 放电末期电压（0.1C）

n = （lg t2– lg t1）/（lg I1– lg I2）

换算成 10 小时率容量（C10）。在式中：n 为常数，且 n = 0.057δ+1.13[7]（δ为正极板厚度，本实验中 δ 为 3.08 mm）。依据表 3 中实验电池的 10小时率容量，以 0.1C10电流放电 3 h，再次进行充放电循环 100 次，并记录电池的末期电压。图 4 中结果表明，所做的实验电池的末期电压无明显差异，也就是说电池少 1 片负极板对其循环性能没有影响。

图4 实验电池的 30 % DOD 放电末期电压（0.1C10）

表3 中循环前后的电池质量和图 5 中的失水量数据表明，循环 200 次后电池的失水量在 32～34 g之间，折算后的水损耗为 0.34～0.35 g/Ah。5 种实验电池的数据接近，表明少 1 片负极板后对电池的水损耗影响不明显。

表3 实验电池的 C10 容量和循环前后的质量

图5 实验电池循环后的失水量

2 结论

通过对比发现，无论是采用正、负极板数量相同的极群结构，还是采用负极板比正极板多 1 片的极群结构，电池的循环性能和失水量没有差别。但是，采用正、负极板数量相同的极群结构会使电池容量明显降低。主要是由于边正极板的利用率降低，容量降低约 50 % 左右。增加靠近边正极板的负极活性物质的质量可使电池容量略有提升，但当单片负极板与单片正极板的活性物质的质量比超过0.7 时，容量不再增加。