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        高炭負(fù)極鉛酸動力電池的深循環(huán)壽命研究

        2021-11-23 01:17:28夏三保高翔
        時代汽車 2021年21期
        關(guān)鍵詞:負(fù)極

        夏三保 高翔

        摘 要:提高比能量,增大深循環(huán)使用壽命,是鉛酸動力電池的主要發(fā)展目的。文章利用試驗法,以炭材料種類為變量,以高炭負(fù)極鉛酸動力電池深循環(huán)壽命為因變量,進行了試驗設(shè)計、實施。結(jié)果得出,將高含量的炭材料加入到鉛酸動力電池負(fù)極,可以有效提高鉛酸動力電池的深循環(huán)壽命。

        關(guān)鍵詞:炭材料 負(fù)極 鉛酸動力電池 深循環(huán)壽命

        1 引言

        在混合電動汽車和其他電動工具產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的背景下,化學(xué)電池迎來了更大的發(fā)展機遇,由此引出了關(guān)于化學(xué)動力電池深循環(huán)壽命的深度思考。以往鉛酸動力電池雖然在運行安全性、性價比方面表現(xiàn)優(yōu)異,但是其在深循環(huán)下的壽命與市場對混合電動汽車電池的性能要求仍然存在較大差距。因此,從負(fù)極材料調(diào)整入手,研究高炭負(fù)極鉛酸動力電池在深循環(huán)下的壽命就非常必要。

        2 研究準(zhǔn)備

        2.1 制備試驗電池

        根據(jù)鉛酸動力電池用量,選定12V-12Ah、12V-20Ah的高炭負(fù)極鉛酸動力電池,電池負(fù)極為不同炭材料、不同比例的高炭配方,電池編號為6-HCN(高炭負(fù)極)-12、6-HCN(高炭負(fù)極)-20。同時準(zhǔn)備的常規(guī)鉛酸動力電池,電池編號為6-DZM-12、6-DZM-20。

        2.2 制備高炭負(fù)極

        選擇活性炭、炭黑、石墨等多種炭材料作為摻入負(fù)極用炭添加劑,依據(jù)1.20%的質(zhì)量分?jǐn)?shù),將炭材料加入到鉛酸動力電池負(fù)極活性物質(zhì)內(nèi)[1]。根據(jù)炭材料表觀密度小、表觀質(zhì)量輕而鉛酸動力電池表觀密度大的特點,選擇三維球磨混粉機,對炭材料、鉛酸動力電池負(fù)極鉛粉進行均勻預(yù)混合。同時將粘結(jié)劑添加到炭材料、鉛粉預(yù)先混合后模塊,達到輔助炭負(fù)極極板成型、增強負(fù)極活性物質(zhì)之間附著力的效果。

        3 研究實踐

        準(zhǔn)備上海施能電氣設(shè)備廠的HCF3系列自動恒流恒壓充放電設(shè)備以及金帆μC-XCF(48V/60A)微電腦自動循環(huán)充放電儀器[2]。在22.00℃~28.00℃恒定穩(wěn)定環(huán)境下,以100%DoD120.00min恒定放電,由48V/組放電至10.50V/只,進而以恒定電壓14.80V/只連續(xù)充電,充電時限流2.80A/1.80A(20Ah/12Ah),一個充電循環(huán)為570.00min,電池壽命終止節(jié)點為動力電池容量下跌到70.00%[3]。

        采取100.00%DOD快速循環(huán)檢測模式,即在17.00℃~23.00℃恒定溫度環(huán)境內(nèi),以100.00%循環(huán)深度240分鐘率電流恒流的形式,放電到9.60V。進而維持恒定壓力12.40V,與2.40A/1.40A下,進行12.0Ah一組、20.0Ah一組鉛酸動力電池(含高炭負(fù)極鉛酸動力電池)的持續(xù)循環(huán)放電,以480min為一個循環(huán)周期,得出結(jié)果后記錄[4]。

        4 研究結(jié)果

        4.1 炭材料理化參數(shù)

        由表1結(jié)果可知,炭黑、石墨、活性炭理化參數(shù)存在較大差異,其中活性炭比表面積較大,為1598.0~1819.0m2/g,炭黑比表面積次之,為52.5~70.8m2/g,石墨比表面積最小,為13.9~22.9m2/g;而活性炭表觀粒徑較小,為4.0~12.8nm,炭黑表觀粒徑較大,為29.8~40.2nm,石墨比表面積處于中等水平,為12.5~40.9nm。

        4.2 樣本電池240分鐘率的放電容量

        由下表2可知,通過對20Ah、12Ah樣本電池進行240分鐘率電流放電測試,可以得出添加的各種炭材料對于初始放電性能影響不顯著,負(fù)極添加了石墨的鉛酸動力電池、負(fù)極添加了炭黑的鉛酸動力電池240分鐘率容量均稍高于常規(guī)電池,但添加了活性炭的樣本鉛酸電池初始容量低于常規(guī)鉛酸電池。

        4.3 樣本電池不同倍率的放電特性

        由表3可知,在放電倍率變化時,較之常規(guī)電池,石墨復(fù)合鉛酸動力電池、炭黑復(fù)合鉛酸動力電池大電流放電性能更為優(yōu)良;而在放電倍率下降時,活性炭復(fù)合鉛酸動力電池放電優(yōu)勢不明顯,只有在放電倍率處于較高水平時,活性炭復(fù)合鉛酸動力電池放電性能才會優(yōu)于常規(guī)電池。這可能是由于活性炭復(fù)合鉛酸動力電池比表面積較高,電容型較好。與此同時,測定石墨、活性炭、炭黑等不同炭材料對20Ah、12Ah鉛酸動力電池在深循環(huán)過程中失水量的影響,得出,在使用炭黑、石墨時,鉛酸動力電池失水量處于一個較小的水平,特別是石墨材料,可以保證單次循環(huán)的平均失水量與常規(guī)鉛酸動力電池失水量處于同等水平,這可能與負(fù)極中析出氫元素失水影響處于小幅度變化。再加上常規(guī)負(fù)極炭材料含量處于較低的水平,顆粒之間電極極性交叉,極易在后期出現(xiàn)較大失水量。因此,在后續(xù)分析過程中,僅分析石墨材料作為炭材料添加到鉛酸動力電池中與常規(guī)鉛酸動力電池深循環(huán)壽命的對比。

        4.4 高炭鉛酸動力電池與常規(guī)鉛酸動力電池深循環(huán)壽命對比

        從20Ah一組、12Ah一組進行高炭鉛酸動力電池(石墨復(fù)合鉛酸動力電池)與常規(guī)鉛酸動力電池深循環(huán)壽命對比。

        通過對20Ah、12Ah樣本電池組在充放電循環(huán)過程中電池容量充電系數(shù)進行測試可得出結(jié)果如下:

        如表4所示,12Ah一組的高炭負(fù)極鉛酸動力電池在循環(huán)次數(shù)逐漸增加過程中充電因子變化幅度較小,遠(yuǎn)低于常規(guī)鉛酸動力電池充電因子隨循環(huán)次數(shù)增加而變動的幅度,表明,石墨材料自身良好的抗硫酸鹽化能力、導(dǎo)電性,可以促使鉛酸動力電池充電接收效率向良性發(fā)展,進而達到提高電池性能的效果。同理,可以進行20Ah一組的鉛酸動力電池充電因子變化情況分析。

        5 結(jié)語

        綜上所述,研究結(jié)果表明,在鉛酸動力電池負(fù)極加入含量較高的炭材料,可以有效改善鉛酸動力電池在深循環(huán)下的壽命。這主要是由于適量負(fù)極炭材料的增加,可以促使鉛酸動力電池在深循環(huán)過程中導(dǎo)電性能改善,避免引發(fā)析氫過電位下降、負(fù)極硫酸鉛累積等對鉛酸蓄電池深循環(huán)下壽命的負(fù)面影響因子,滿足市場對混合電動汽車動力電池的較高要求。

        參考文獻:

        [1]緱慶偉,關(guān)云霞,許行宇.不同炭材料配比對新能源汽車動力電池的影響[J].電源技術(shù),2017,41(03):473-474.

        [2]葛禮嘉,宋政湘,張國鋼.變電站用閥控式鉛酸蓄電池浮充壽命研究[J].電力電容器與無功補償,2020,41(06):191-195.

        [3]王杜友,郭志剛,張峰博,李桂發(fā),劉玉,鄧成智,孔鶴鵬.動力型電池深循環(huán)壽命性能提升分析研究[J].蓄電池,2020,57(05):215-220.

        [4]馮洪高.變電站用鉛酸蓄電池的維護管理——評《鉛酸蓄電池壽命評估及延壽技術(shù)》[J].電池,2020,50(03):309-310.

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