黃連清（福建省安溪閩華電池股份有限公司，福建 泉州 362442）

新型曲面板柵結(jié)構(gòu)對(duì)鉛酸蓄電池性能的影響

黃連清
（福建省安溪閩華電池股份有限公司，福建 泉州 362442）

鉛酸蓄電池的容量和使用壽命很大程度上是由正極板的設(shè)計(jì)、工藝制造及工作條件所決定的。在正極板的設(shè)計(jì)中首先是板柵的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)優(yōu)良的正極板柵不但能使電流分布更加均勻，而且具有最小的電壓降損失。為了有效地保持板柵與活性物質(zhì)之間有較大的接觸面積，往往將正極板柵設(shè)計(jì)成不同的形狀、不同的截面積、不同的橫筋與豎筋結(jié)構(gòu)。本文中，對(duì)正板柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行變革，采用曲面設(shè)計(jì)，使板柵與活性物質(zhì)間具有較大的接觸面積，改善其導(dǎo)電性能，并在同等合金質(zhì)量和生產(chǎn)工藝條件下對(duì)比測(cè)試曲面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的板柵對(duì)蓄電池性能的影響。

鉛酸蓄電池；曲面板柵；正極板；接觸面積；電流分布；橫、豎筋條

0　前言

板柵在鉛酸蓄電池中作用：一是作為活性物質(zhì)的支撐體，保持活性物質(zhì)的附著，保持極板具有一定的形狀；二是傳導(dǎo)電流，使電流盡可能地均勻分布在活性物質(zhì)的每一部分，形成相對(duì)均勻的導(dǎo)電體。板柵在電池中雖然不參加成流反應(yīng)，但板柵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)蓄電池的主要性能有較大的影響［1-2］。鉛酸蓄電池的容量和壽命很大程度上取決于正極板的設(shè)計(jì)。正極板的失效模式多半是正極板柵腐蝕及活性物質(zhì)的泥化。優(yōu)良的正極板柵設(shè)計(jì)不但能使電流分布得更加均勻，而且具有最小的電壓降損失，使電池性能得到提高［3］。

鉛酸蓄電池充放電過(guò)程中電流的傳導(dǎo)主要依靠板柵來(lái)實(shí)現(xiàn)。板柵的形狀、外型尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響板柵的電阻分布，也是影響蓄電池性能的重要因素［4-6］。板柵結(jié)構(gòu)歷經(jīng)變革，對(duì)板柵的結(jié)構(gòu)有過(guò)許多設(shè)計(jì)，其常用主要結(jié)構(gòu)有放射形及矩形等。本文中，通過(guò)在相同板柵質(zhì)量的情況下，采用新型曲面結(jié)構(gòu)，使板柵與活性物質(zhì)間具有較大的接觸面積。并且，在相同的制造工藝條件下進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，分析了新型曲面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的板柵對(duì)蓄電池性能的影響。

1　曲面板柵與平面板柵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)比

板柵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)蓄電池性能影響是很大的，合理的板柵橫豎筋條的結(jié)構(gòu)對(duì)活性物質(zhì)的支撐和電池的導(dǎo)電性能均有很大的作用，板柵的橫筋條主要起支撐和保持活性物質(zhì)的作用，而豎筋條和邊框則承擔(dān)著較大的導(dǎo)電作用，因此應(yīng)根據(jù)電池的使用要求設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理的板柵。圖1 中兩種板柵的重量、外型尺寸、厚度、橫豎筋條數(shù)量均一樣，但筋條的截面結(jié)構(gòu)和排列分布不一樣。圖1（a） 是新型曲面板柵結(jié)構(gòu)：橫筋采用對(duì)稱的整筋菱形結(jié)構(gòu)，均勻錯(cuò)開(kāi)交接于板柵的外框上下方，筋條的厚度約為板柵邊框厚度的 1/2，而且無(wú)加強(qiáng)大筋；豎筋條均勻交接于每條橫筋及邊框上，形成波浪式形狀，其厚度約為邊框厚度的 1/2，而且為了增加板柵的強(qiáng)度和導(dǎo)電性能，采用了一條加強(qiáng)大筋，厚度接近于板柵厚度。圖1（b） 是常用平面板柵設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)：橫筋采用兩個(gè)大小不一的梯形結(jié)合、朝向相反的半筋結(jié)構(gòu)，均勻交接于板柵邊框，其厚度基本等同曲面板柵橫筋的厚度，為了確保板柵受力不變形，往往設(shè)計(jì)多條加強(qiáng)橫筋；豎筋采用兩個(gè)對(duì)稱的梯形結(jié)構(gòu)，與橫筋及邊框均勻交接，厚度約為板柵厚度的 2/3。不同板柵結(jié)構(gòu)的截面圖如圖2 所示。為確保圖1 中兩種板柵重量一樣，橫豎筋條的厚度與設(shè)計(jì)的尺寸略微有差別，但差別不大。

2　曲面極板的可制造性及性能比較

2.1曲面板柵結(jié)構(gòu)對(duì)鑄片操作的影響

曲面結(jié)構(gòu)板柵模具的開(kāi)發(fā)制造相對(duì)于常規(guī)設(shè)計(jì)的板柵，開(kāi)模難度大，且需要更加細(xì)心維護(hù)。在重力澆鑄曲面結(jié)構(gòu)的板柵時(shí)，相對(duì)于平面板柵，要適當(dāng)改變噴模方式，因而，掌握曲面板柵制造的噴模操作方法顯得非常關(guān)鍵。對(duì)比檢查兩種結(jié)構(gòu)的板柵，曲面板柵不容易變形，板柵四邊框的應(yīng)力更均勻，不容易扭曲，平面板柵在疊放整理堆高時(shí)容易出現(xiàn)板柵內(nèi)部彎曲現(xiàn)象。

2.2曲面板柵結(jié)構(gòu)對(duì)涂板、固化的影響

涂板是將鉛膏涂布于板柵兩面的加工過(guò)程，目前基本上采用機(jī)械涂填方式，因此，要求板柵要有足夠的強(qiáng)度。在環(huán)保和電池成本的壓力下，怎樣使板柵發(fā)揮出最好的效能，同時(shí)減輕板柵的重量是技術(shù)工作者當(dāng)前首要考慮的一個(gè)課題。我們采用上述兩種結(jié)構(gòu)的板柵，在相同的條件下分別涂板。由于曲面板柵的橫筋條上下交錯(cuò)，豎筋條呈波浪式交錯(cuò)于橫筋，涂板后鉛膏不容易脫落，上下板面的鉛膏量更均勻，對(duì)鉛膏的保持能力更強(qiáng)。相同條件固化后，對(duì)生極板外觀及強(qiáng)度和結(jié)合度進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)曲面正極生板厚度誤差相對(duì)小于平面板柵結(jié)構(gòu)的生板，平面結(jié)構(gòu)的生板厚度極限誤差 ≤ ±0.2 mm，曲面設(shè)計(jì)的生板厚度極限誤差 ≤ ±0.15 mm。相同條件下檢測(cè)生極板的強(qiáng)度和結(jié)合度，曲面板柵上的鉛膏活性物質(zhì)不容易脫落，與板柵界面的結(jié)合附著力更強(qiáng)。取樣化驗(yàn)生極板中的金屬鉛含量，兩者基本一致。

2.3曲面板結(jié)構(gòu)對(duì)化成的影響

正極板化成不同于負(fù)極板，正極板化成時(shí)PbO2的形成首先從柵筋最接近溶液處開(kāi)始，生成的 PbO2形成網(wǎng)絡(luò)包圍著硫酸鉛。在板柵的每一小格中， PbO2的生成是從四周靠柵筋處開(kāi)始，逐漸向小格的中心推進(jìn)，直到所有被包圍的硫酸鉛和每一小格的中心處，鉛膏才完全轉(zhuǎn)化為 PbO2。在這個(gè)電化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程中，板柵是不參加成流反應(yīng)的，但要求其要有足夠的強(qiáng)度，能抵抗電化學(xué)過(guò)程中因 PbSO4和 PbO2兩種物質(zhì)轉(zhuǎn)化的密度差而引起體積變化的膨脹或收縮。曲面板柵結(jié)構(gòu)中，因板柵橫筋上下交錯(cuò)，豎筋波浪式交錯(cuò)在橫筋上，板柵強(qiáng)度、涂板時(shí)鉛膏分布、生板強(qiáng)度等均要好于平面結(jié)構(gòu)的，所以在同樣的條件下化成后，經(jīng)過(guò)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)曲面板柵結(jié)構(gòu)的熟極板不容易彎曲，板面外觀及活性物質(zhì)的顏色更均勻。兩種熟極板的成份（PbO2含量）沒(méi)有太大的區(qū)別。

2.4曲面板柵對(duì)電池性能的影響

2.4.1不同板柵結(jié)構(gòu)電池的制備

曲面板柵和平面板柵的有關(guān)參數(shù)如表1 所示。分別采用上述兩種結(jié)構(gòu)的板柵在相同的制造工藝條件下，經(jīng)和膏、涂板、固化、化成烘干后，分別取正熟極板與同樣的負(fù)極熟板匹配，每單片正極熟板容量約為 27 Ah，按 10 正 11 負(fù)的極群方式，在同等的裝配壓力下裝配成 2 V 265 Ah 的電池。電解液密度為 1.305 g/cm3（25 ℃）。電池初充電電量為額定容量的 1.8 倍時(shí)認(rèn)為電池完全充滿電。

2.4.2電池循環(huán)性能測(cè)試方法（此測(cè)試方法為公司客戶要求）

① 蓄電池完全初充電后，靜止 4 h；② 以0.1C10恒流放電，放電終止電壓為 10.8 V；③ 恒壓2.35 V，限流 26.5 A，充電 24 h；④ 靜止 30 min，重復(fù) ②、③ 步驟；⑤ 蓄電池放電時(shí)間低于 6 h時(shí)，認(rèn)為循環(huán)壽命終止。

2.4.3電池循環(huán)性能測(cè)試結(jié)果

按上述方法測(cè)試對(duì)比不同結(jié)構(gòu)的板柵對(duì)電池循環(huán)性能的影響，結(jié)果如圖3 所示。從圖可以看出，曲面板柵結(jié)構(gòu)的電池的初期性能與平面板柵結(jié)構(gòu)電池的初期性能基本等同，但是經(jīng)過(guò) 20 次循環(huán)后，曲面板柵結(jié)構(gòu)電池的放電時(shí)間明顯多于平面板柵結(jié)構(gòu)電池的。當(dāng)循環(huán)放電時(shí)間少于 6 h 時(shí)，判定電池的循環(huán)壽命終止，曲面板柵結(jié)構(gòu)電池的循環(huán)次數(shù)為276 次，平面板柵結(jié)構(gòu)電池的循環(huán)次數(shù)為 121 次。由此可見(jiàn)，曲面板柵結(jié)構(gòu)電池的循環(huán)壽命明顯好于平面板柵結(jié)構(gòu)電池的。

3　分析與討論

從板柵結(jié)構(gòu)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，曲面板柵設(shè)計(jì)有以下優(yōu)點(diǎn)：① 曲面板柵的豎筋條在極板內(nèi)的路徑延長(zhǎng)，使活性物質(zhì)與板柵的導(dǎo)電距離縮小，增加了板柵的導(dǎo)電性。② 同直筋條平面板柵相比，曲面板柵的表面積增加了，會(huì)增加鉛膏的附著性能，增加極板的強(qiáng)度，減少掉膏。③ 因?yàn)樨Q筋條與極板表面不平行，可有效地降低板柵內(nèi)的應(yīng)力，分散并改變其應(yīng)力的方向，是使極板不易發(fā)生變形的主要原因。④ 活性物質(zhì)與板柵的結(jié)合在豎筋上的結(jié)合面與極板的平面成一定的角度，導(dǎo)致活性物質(zhì)從板柵脫落的方向各處都不一樣，這樣活性物質(zhì)就會(huì)很難脫落，結(jié)合度也會(huì)明顯提高。⑤ 板柵筋條與涂板平面形成夾角，使不同部位受到的壓力不同，這種差別雖小，但會(huì)使涂膏的整體均勻性明顯提高，不會(huì)產(chǎn)生較大部位的不均勻現(xiàn)象，表面露筋的可能性更小。

經(jīng)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，曲面板柵電池性能得到提高，其原因主要是板柵的路徑增加及與活性物質(zhì)的接觸面積增加。

關(guān)于開(kāi)發(fā)模具成本及使用維護(hù)成本問(wèn)題，因?yàn)楝F(xiàn)在的模具開(kāi)發(fā)是由智能雕刻而成的，模具的制造成本基本不增加。在使用過(guò)程中，不能刮傷筋條。噴模方法與生產(chǎn)平板柵時(shí)的一樣，不會(huì)增加難度。經(jīng)試用，曲面板柵制造過(guò)程相同于直筋平面板柵，不會(huì)增加成本。

4　結(jié)論

曲面板柵從設(shè)計(jì)理論和方法上是可行的，符合電化學(xué)的基礎(chǔ)理論。在相同合金質(zhì)量的情況下，增加了板柵在極板內(nèi)的路徑及板柵與活性物質(zhì)間的接觸面積，從而能提高電池的性能。曲面板柵的模具制造也是可行的，技術(shù)難度不大，以后的使用和維護(hù)也不困難。

［1］ 朱松然. 蓄電池手冊(cè)［M］. 天津: 天津大學(xué)出版社，1998.

［2］ 柴樹(shù)松. 鉛酸蓄電池板柵設(shè)計(jì)的探討［J］. 蓄電池，2008， 45（3）: 103-106.

［3］ 柴樹(shù)松. 鉛酸蓄電池制造技術(shù)［M］. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社， 2014.

［4］ 趙樂(lè)， 郭永榔， 宮辛玲. 鉛酸蓄電池板柵的計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］. 蓄電池， 2004， 41（1）: 3-5.

［5］ 胡俊梅， 郭永榔. 板柵電阻分布測(cè)量及其影響因素的分析［J］. 蓄電池， 2005， 42（2）: 84-87.

［6］ 楊明國(guó)， 丁剛強(qiáng). 鉛酸蓄電池板柵結(jié)構(gòu)的模擬分析［J］. 船電技術(shù)， 2014， 34（10）: 49-51.

The influences of new curved surface grids on the performances of lead-acid batteries

HUANG Lianqing
（Fujian Minhua Power Source Co.， Ltd.， Quanzhou Fujian 362442， China）

The capacity and life of lead-acid battery depends largely on the design， manufacture process and working conditions of positive plates. The design of gird is primary in the design of positive plate. If the positive gird is well-designed， the current distribution can be more uniform， and the voltage drop loss is minimal. The positive girds are often designed with different shape， cross-sectional area，transverse and longitudinal ribs， in order to effectively make a larger contact area between active material and grid. In this article， the positive grid structure is changed and designed with curved surface， so the contact area between grid and active material is larger， and the electrical conductivity is improved. Under the conditions of the same alloy quality and production process， the influences of curved surface grids on the performances of lead-acid batteries are compared and tested.

lead-acid battery； curved surface grid； positive plate； contact area； current distribution；transverse and longitudinal ribs

TM 912.9

A

1006-0847（2016）04-182-04

2016-05-30