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        裝配壓力對電動自行車用鉛酸蓄電池的影響

        2018-12-21 09:15:42孫廷猛郭志剛吳偉肖林
        蓄電池 2018年6期

        孫廷猛,郭志剛,吳偉,肖林

        ( 1. 浙江天能動力能源有限公司,浙江 長興 313100;2. 天能電池集團有限公司,浙江 長興 313100)

        0 引言

        影響鉛酸蓄電池性能的因素有很多。裝配壓力作為鉛酸蓄電池制造工藝的重要參數(shù)之一,就直接或者間接地影響電池的性能[1-5]。有學(xué)者認(rèn)為,蓄電池裝配壓力應(yīng)被控制在 19.7~59.2 kPa[6];也有文獻(xiàn)報道,裝配壓力值應(yīng)控制在 20~80 kPa[7];亦有人認(rèn)為,應(yīng)控制在 40~60 kPa[8]。在電池外形尺寸一定的情況下,裝配壓力與極板的厚度、數(shù)量,以及 AGM 隔板的厚度、壓縮率、回彈性等有關(guān)。如果極板的厚度與數(shù)量是一定的,那么極群裝配壓力值就與隔板的厚度、壓縮率、回彈性密切相關(guān)。

        1 實驗

        在實際生產(chǎn)中,對于不同廠家生產(chǎn)的 AGM 隔板,由于粗細(xì)纖維質(zhì)量比、最大孔徑、孔率、拉伸強度,以及生產(chǎn)工藝有所差別,因此即使厚度相同,裝配壓力也有一定的差異。對加注電解液后的極群進(jìn)行濕態(tài)壓力測試,發(fā)現(xiàn)其濕態(tài)壓力的差異更明顯。鑒于此,筆者采用同一制造廠商生產(chǎn)的,由相同原料制作的不同厚度隔板進(jìn)行實驗。采用同一批次極板(質(zhì)量差值為±0.3 g),組裝成 6-DZF-20電池,并按 GB/T 22199.1—2017 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 裝配壓力

        由圖 1 可以看出,在 50 kPa 之前,濕態(tài)裝配壓力與干態(tài)壓力呈線性變化。在此范圍內(nèi),電池加酸后,AGM 隔板吸酸、收縮特性一致,因此隨著隔板厚度增加,干/濕態(tài)裝配壓力線性增加。當(dāng)超過50 kPa 后,隔板壓縮率過大,部分纖維發(fā)生滑移,回彈性減弱,線性增加趨勢變緩。

        2.2 飽和吸酸量(余酸量)

        由表 1 和圖 2 可知,當(dāng)鉛酸蓄電池的裝配壓力在 25~50 kPa 范圍內(nèi)時,電池裝配壓力與電池余酸量成遞減式變化,而當(dāng)裝配壓力在 50~70 kPa 范圍內(nèi)時,電池裝配壓力與電池余酸量呈遞增式變化。這是因為,隨著隔板壓縮率增大,纖維吸酸量減少,造成 AGM 隔板總的吸酸量減少,余酸量就呈遞增式上升,電池內(nèi)酸量相應(yīng)減少。

        2.3 電池一次放電合格率

        由圖 3 可以看出,當(dāng)溫度、酸量、極板質(zhì)量相同時,裝配壓力對電池一次放電合格率有很大的影響。當(dāng)裝配壓力小于 50 kPa 時,電池放電合格率的差異不大。雖然隨著裝配壓力增加,壓縮率越來越大,隔板的孔徑、孔率有減小的趨勢,但是隔板厚度也增加,總的孔率變化不大,尤其是在濕態(tài)下,壓力縮小,對孔徑孔率影響減小,對化成過程中酸的擴散離子遷移影響微弱,極板化成程度一致性差異不大。然而,當(dāng)隔板增加到一定厚度,裝配壓力增加到 50 kPa 以上時,裝配壓力變大,短纖維受到擠壓,隔板的孔徑、孔率隨著變化,孔徑減小到一定程度,影響電解液擴散,又伴隨著加入硫酸量的減少,導(dǎo)致極板化成不均勻,放電容量不一致,從而影響電池一次放電合格率。

        圖1 極群在不同狀態(tài)下的裝配壓力

        表1 不同裝配壓力下的飽和吸酸量和余酸量

        圖2 不同裝配壓力下的余酸量

        圖3 不同裝配壓力電池的一次放電合格率

        2.4 低溫性能

        由圖 4 可以明顯地看出,當(dāng)電池裝配壓力低于50 kPa 時,電池的低溫性能隨著裝配壓力的增加而增大。這可能是因為,當(dāng)裝配壓力增加時 AGM 隔板孔徑縮小,隔板的厚度增加,酸的總體積增加,可利用的酸量增加,因此低溫容量呈上升趨勢。當(dāng)電池裝配壓力大于 50 kPa 時,隔板壓縮率近一步增加,部分纖維發(fā)生位移,孔徑進(jìn)一步縮小,變成更不利于酸擴散的小孔結(jié)構(gòu),又伴隨著加入硫酸總量的減少,可利用的酸量減少,酸擴散變得困難,且隔板吸酸量減少,因此電池低溫容量呈下降趨勢。

        2.5 100 % DOD 循環(huán)壽命

        對不同裝配壓力下的 6-DZF-20 實驗電池進(jìn)行100 % DOD 放電循環(huán)壽命測試,當(dāng)放電時間小于96 min(即C2容量低于 16 Ah)時循環(huán)終止。從表2 中可以看出,不同裝配壓力的電池的循環(huán)壽命存在明顯差異。當(dāng)裝配壓力不高于 50 kPa 時,鉛酸電池循環(huán)次數(shù)隨裝配壓力增加呈遞增趨勢,而在超過50 kPa 以后,電池循環(huán)壽命開始逐漸下降。其中,當(dāng)裝配壓力在 45~55 kPa 之間時,電池循環(huán)壽命較好,循環(huán)次數(shù)不低于 446 次,最高可達(dá) 482 次。

        圖4 不同裝配壓力下電池的低溫性能

        表2 不同裝配壓力電池循環(huán)壽命比較

        3 結(jié)論

        通過實驗證明,裝配壓力對電動自行車用鉛酸電池性能起到至關(guān)重要的作用,裝配壓力過大與過小都會降低電池性能。對于 6-DZF-20 電池,45~55 kPa 的裝配壓力是比較適中的。在這個范圍內(nèi),電池的一致性、低溫性能、電池循環(huán)壽命都有很好的表現(xiàn)。

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