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        沖網(wǎng)正板柵厚度對起動電池性能的影響

        2021-06-17 03:06:30呼夢娟呂樂樂師笑樂李銘杰
        蓄電池 2021年3期
        關(guān)鍵詞:板柵極板內(nèi)阻

        呼夢娟,呂樂樂,師笑樂,李銘杰

        (河南超威正效電源有限公司,河南 沁陽 454550)

        0 引言

        正極板活性物質(zhì)的質(zhì)量,以及板柵的腐蝕和生長,是影響鉛酸電池工作壽命的主要因素[1]。汽車用蓄電池使用狀態(tài)為瞬間大電流放電,且浮充狀態(tài)占整個使用過程的大部分時間,因此設(shè)計(jì)板柵時應(yīng)考慮正負(fù)板柵厚度比較小,以及負(fù)極板決定電池充電接受能力和低溫大電流放電的需求[2]。過去由于鉛價(jià)低,鉛酸蓄電池板柵質(zhì)量可占極板質(zhì)量的35%~45%,但現(xiàn)在汽車電池板柵質(zhì)量僅占極板質(zhì)量的30%~40%。集流體(板柵)和極板的質(zhì)量之比稱為α因子,其典型值為0.35~0.60。提高α因子有助于改善電池的大電流性能和循環(huán)性能,但會降低電池的比能量[3]。本文中,筆者主要研究降低板柵厚度,提高電池比能量,對鉛酸蓄電池電池性能和板柵使用壽命的影響。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1 制備實(shí)驗(yàn)樣品

        將Pb–Ca–Sn合金(合金中ω(Ca)為0.055%~0.060%,ω(Ca)為1.55%~1.60%)按照生產(chǎn)工藝制成厚度分別為0.90、0.85、0.80 mm的正極鉛帶,并記為A1、B1和C1。經(jīng)過沖網(wǎng)成型正極板柵,涂板成正極板,與同一規(guī)格負(fù)極板按6正6負(fù)組裝好,化成,制成12 V 60 Ah SLI電池。由厚度0.90、0.85、0.80 mm正板柵制成的電池分別記為A2、B2和C2。

        1.2 測試鉛帶的力學(xué)性能

        參考 GB/T 228.1—2010金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法,測試鉛帶樣品(參見圖1),得到表1所示結(jié)果。隨著鉛帶厚度降低,拉伸強(qiáng)度稍微降低,延伸率升高。David[4]指出板柵應(yīng)該有足夠的硬度、高屈服強(qiáng)度、高蠕變強(qiáng)度和低延伸率。鉛帶的厚度、拉伸強(qiáng)度降低,以及延伸率升高不利于板柵的使用壽命。需要根據(jù)設(shè)計(jì)的電池使用壽命選擇適合的板柵厚度。

        圖 1 鉛帶樣品尺寸

        表 1 鉛帶的拉伸強(qiáng)度和延伸率

        1.3 測試的電池性能

        采用蓄電池綜合性能測試儀(型號 BNT 500-018-2ME),按照國標(biāo) GB/T 5008.1—2013進(jìn)行低溫起動能力、充電接受能力和循環(huán)耐久I試驗(yàn),并按照標(biāo)準(zhǔn)VW 75073—2019中第7.11條款進(jìn)行(75±2)℃熱穩(wěn)定測試。

        1.3.1 低溫性能

        起動型鉛酸蓄電池的重要指標(biāo)是低溫起動性能,而冷起動電流(CCA)就是低溫起動性能的一個重要指標(biāo)。電池A2、B2和C2的電阻、冷起動電流和低溫起動性能測試結(jié)果見表2。隨著正極板柵厚度減小,電池內(nèi)阻增加。一般來說,晶粒越大,晶界面積越小,電子穿透晶界所遇到的阻力越小,電阻率較小,反之電阻率越大。隨著軋制變形量的增加,晶粒變小,晶界面積增大,從而在外電場作用下自由電子穿過的阻力越大,電阻率越大,導(dǎo)電性能下降,因此隨著軋制變形量的增加,鉛合金板材的導(dǎo)電性能有所降低[5]。由于初始鉛坯厚度相同,隨著鉛帶厚度降低,總軋制變形量增加,鉛帶電阻率變大,電池內(nèi)阻增大。另外,鉛帶減薄,板柵導(dǎo)電橫截面積變小,電池內(nèi)阻增大。相應(yīng)地,電池冷起動電流變小,低溫起動性能變?nèi)?。因此,正極板柵厚度降低,對電池低溫起動性能不利。

        表 2 電池電阻、CCA及低溫性能數(shù)據(jù)

        1.3.2 充電接受能力

        充電接受能力對于起動鉛酸電池的可持續(xù)性、穩(wěn)定性,乃至使用壽命起到至關(guān)重要的作用。充電接受能力試驗(yàn)用來表征電池充電性能。國標(biāo) GB/T 5008.1—2013要求充電接受能力(充電電流值ICa與I0的比值)不應(yīng)小于2.0。電池A2、B2和C2的充電接受能力分別是3.58、3.53和3.55。因此,正極板柵厚度減薄對電池充電接受能力影響不大。

        1.3.3 循環(huán)耐久I試驗(yàn)

        文獻(xiàn)[2]認(rèn)為正常蓄電池壽命終止時,板柵已經(jīng)被嚴(yán)重腐蝕。一般認(rèn)為,蓄電池的壽命終止時,極板一動就碎成小塊,板柵筋條中出現(xiàn)細(xì)小的合金條或合金段是比較合理的,即認(rèn)為功能不過剩也不富余,就推斷筋條設(shè)計(jì)合理。通過按國標(biāo)循環(huán)I測試電池使用壽命,推斷板柵減薄后,板柵筋條設(shè)計(jì)的合理性。由圖2可見,電池A2、B2和C2的循環(huán)壽命分別為244次、258次和186次。當(dāng)板柵厚度為0.80 mm時,電池循環(huán)壽命驟減。對循環(huán)后電池解剖發(fā)現(xiàn),電池A2和C2的壽命結(jié)束時,蓄電池板柵完好無損。由此推斷,電池A2的板柵設(shè)計(jì)富余,而電池C2循環(huán)壽命短,導(dǎo)致0.80 mm板柵在循環(huán)耐久試驗(yàn)中服役時間短,從而完好無損。電池B2的壽命結(jié)束后,板柵筋條中出現(xiàn)少量細(xì)小的合金條或合金段,因此電池B2的板柵設(shè)計(jì)能滿足要求且不富裕。

        圖 2 電池循環(huán)耐久Ⅰ壽命

        1.3.4 電池?zé)岱€(wěn)定性

        通過在失效過程中監(jiān)控內(nèi)阻和重量損失,來評估電池板柵的耐腐蝕性能。圖3給出不同厚度板柵電池在(75±2)℃熱穩(wěn)定試驗(yàn)過程中的重量損失和內(nèi)阻變化曲線。在熱穩(wěn)定性試驗(yàn)過程中,前期12個單元電池重量損失速率緩慢一致;后期隨著板柵厚度降低,電池重量損失速率升高,即板柵厚度越小,重量損失越快。前期10個單元電池內(nèi)阻升高速率緩慢一致;后期隨著板柵厚度降低,電池內(nèi)阻升高速率增大,即板柵厚度越小,電池內(nèi)阻升高越快。隨著板柵厚度降低,電池?zé)岱€(wěn)定性降低。

        圖 3 電池?zé)岱€(wěn)定性試驗(yàn)中重量損失和內(nèi)阻變化曲線

        電池?zé)岱€(wěn)定性試驗(yàn)后板柵腐蝕情況見圖4。寬鉛帶連沖板柵的金相組織比較細(xì)碎致密,晶粒界限難以分辨,有大量的亞晶結(jié)構(gòu)和被軋制拉長的纖維狀組織產(chǎn)生,晶粒更加細(xì)化、均勻,所以耐電化學(xué)腐蝕和機(jī)械性能有明顯的優(yōu)勢[6]。軋制工藝制作的合金腐蝕部位明顯增多,而且以平推方式向合金內(nèi)部發(fā)展[7]。如圖4所示,沖網(wǎng)板柵使用過程沿著板柵邊框邊緣向合金內(nèi)部發(fā)生均勻晶界腐蝕,沒有發(fā)生晶間穿透性腐蝕。隨著板柵厚度降低,熱穩(wěn)定性測試過程中平均每單元腐蝕層厚度增加。板柵厚度降低后電池?zé)岱€(wěn)定性變?nèi)酢?/p>

        圖 4 電池?zé)岱€(wěn)定性試驗(yàn)后板柵腐蝕情況

        2 結(jié)論

        隨著厚度降低,鉛帶拉伸強(qiáng)度降低,延伸率升高,而且在制成板柵后,會降低電池的低溫性能和板柵使用壽命。由實(shí)驗(yàn)得出,采用0.85 mm厚板柵電池的熱穩(wěn)定性能比0.90 mm厚板柵電池稍弱,且二者在循環(huán)耐久Ⅰ壽命上相近??紤]到電池的比能量和使用目標(biāo)要求,厚度為 0.85 mm 板柵能滿足設(shè)計(jì)需要,既能節(jié)約用鉛又能滿足電池使用性能。

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