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        對(duì)流強(qiáng)度對(duì)極板固化的影響研究

        2022-06-18 04:03:48賈芳芳潘加飛紀(jì)書明毛三偉李林
        蓄電池 2022年3期
        關(guān)鍵詞:板柵負(fù)極板鉛膏

        賈芳芳,潘加飛,紀(jì)書明,毛三偉,李林

        (理士國(guó)際技術(shù)有限公司(江蘇理士),江蘇 淮安 211600)

        0 引言

        影響極板固化的因素包括固化室的含水量、溫度、相對(duì)濕度和空氣對(duì)流情況[1]。對(duì)流強(qiáng)度在極板固化過程中影響對(duì)流導(dǎo)熱速率。對(duì)流強(qiáng)度大,單位時(shí)間內(nèi)交換的熱量就多,繼而影響固化過程中涉及ΔH≠0的化學(xué)反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化方向。3PbO·PbSO4·H2O(3BS)向4PbO·PbSO4(4BS)轉(zhuǎn)化為ΔH>0的吸熱反應(yīng)。由此可以猜想,對(duì)流強(qiáng)度影響3BS向4BS轉(zhuǎn)化的程度。同時(shí),由于正、負(fù)極鉛膏中添加劑不同,相同對(duì)流強(qiáng)度下,正、負(fù)極板中3BS向4BS的轉(zhuǎn)化程度也不盡相同。固化溫度不會(huì)高于80℃,而α-PbO與β-PbO的轉(zhuǎn)化溫度為488.5℃[2],因此可以認(rèn)為,固化過程中這兩種PbO不存在轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。本文中,筆者用風(fēng)速來表觀對(duì)流強(qiáng)度,就空氣對(duì)流對(duì)極板固化效果的影響進(jìn)行了簡(jiǎn)略的研究。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1 極板固化

        固化室鼓風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的風(fēng)向經(jīng)斜面L后(見圖1)發(fā)生類反射狀改變,導(dǎo)致固化室出風(fēng)口處墻面中部和下部空間的風(fēng)速較大,而上部空間的風(fēng)速較小。經(jīng)測(cè)試,固化室的出風(fēng)口墻面的風(fēng)速分布如圖2所示。本文中,實(shí)驗(yàn)電池的正、負(fù)極板分別置于出風(fēng)口墻面一側(cè)不同高度進(jìn)行固化。風(fēng)速數(shù)據(jù)如表1所示。

        表1 實(shí)驗(yàn)極板固化時(shí)風(fēng)速

        1.2 固化后極板性能測(cè)試

        1.2.1 跌落試驗(yàn)

        實(shí)驗(yàn)極板從距離地面高度為 1m處,由靜止釋放作自由落體運(yùn)動(dòng)完成1次跌落試驗(yàn)。每跌落5次稱取一次極板的質(zhì)量。每次稱取的質(zhì)量與極板的初始質(zhì)量之比作為極板跌落試驗(yàn)的參考指標(biāo)。極板的質(zhì)量損失超過30%時(shí),停止跌落試驗(yàn)。跌落試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示。對(duì)流強(qiáng)度對(duì)極板固化后的鉛膏與板柵的結(jié)合強(qiáng)度影響不明顯。正板柵與鉛膏的結(jié)合強(qiáng)度大于負(fù)板柵與鉛膏的結(jié)合強(qiáng)度,這與和膏時(shí)正極鉛膏中添加的紅丹有關(guān)[3]。

        1.2.2 板柵表面SEM觀察

        由圖4可見,正極板固化后鉛膏與板柵的結(jié)合力較強(qiáng),機(jī)械去除鉛膏后板柵表面仍有鉛膏殘留。相比之下,正極板2(固化時(shí)對(duì)流強(qiáng)度高)的鉛膏與板柵的結(jié)合更均勻,同時(shí)固化后鉛膏形成的物質(zhì)外觀結(jié)構(gòu)更細(xì)膩。由圖5可見,負(fù)極板柵表面無鉛膏附著,且形成的腐蝕層均勻、相似。正板柵表面與鉛膏的結(jié)合力更強(qiáng),與正極板鉛膏中加入紅丹有關(guān)[3]。

        1.2.3 鉛膏成分定性、定量分析

        對(duì)固化干燥后的正、負(fù)極板鉛膏進(jìn)行XRD定量和定性分析。由圖6和圖7可見,無論正、負(fù)極板,固化過程中對(duì)流強(qiáng)度大的環(huán)境下固化的極板鉛膏中4BS含量均高于對(duì)流強(qiáng)度小的環(huán)境下固化的極板。

        1.3 電池性能測(cè)試

        1.3.1 樣品電池制備

        用表1中極板組裝外形尺寸和設(shè)計(jì)參數(shù)均相同的100AhUPS電池。由正極板1與負(fù)極板1制作的電池編號(hào)為B1,由正極板2與負(fù)極板2制作的電池編號(hào)為B2。

        1.3.2 初始容量測(cè)試

        (1)4小時(shí)率容量(C4)測(cè)試:以23.2A恒流放電至10.8V,記錄放電容量并完全補(bǔ)充電。(2)10小時(shí)率容量(C10)測(cè)試:以10A恒流放電至10.8V,記錄放電容量并完全補(bǔ)充電。(3)3小時(shí)率容量(C3)測(cè)試:以27.4A恒流放電至10.8V,記錄放電容量并完全補(bǔ)充電。由表2可知,電池B1的初始容量與電池B2的初始容量相近,但B1的初始容量微高。

        表2 初始容量測(cè)試結(jié)果

        1.3.3 高倍率循環(huán)測(cè)試

        高倍率循環(huán)測(cè)試放電測(cè)試方法:(1)以恒功率335.3W/單體放電至1.75V/單體,記錄放電時(shí)間;(2)在恒壓14.1V下,限流15A充電16h,然后靜置2h;(3)重復(fù)以上兩步驟,直至15分鐘率放電時(shí)間低于12min時(shí)終止放電。由圖8可見,由對(duì)流強(qiáng)度高的環(huán)境下固化的極板組裝的電池的循環(huán)壽命更長(zhǎng)。

        1.3.4 循環(huán)失效電池鎘壓測(cè)試

        將鎘電極由注液孔伸入蓄電池內(nèi),以0.55C恒流放電。放電過程中同時(shí)記錄鎘電極與電池負(fù)極、鎘電極與正極之間的電勢(shì)差。測(cè)試鎘壓時(shí)需用浸酸的隔板將鎘電極與極群相連[4]。由圖9可見,電池B1的正極板最先出現(xiàn)電壓大幅下降,表明電池失效是由正極板最先出現(xiàn)問題引起的。

        1.3.5 電池解剖

        解剖電池后發(fā)現(xiàn):電池B1的正極板(正極板1)出現(xiàn)泥化脫落現(xiàn)象,但其負(fù)極板(負(fù)極板1)的外觀正常,而且有金屬光澤;電池B2的正極板(正極板2)出現(xiàn)泥化,但未脫落,而且其負(fù)極板(負(fù)極板2)外觀正常,有金屬光澤。影響電池循環(huán)壽命的是正極板活性物質(zhì)的泥化脫落。這表明,對(duì)流強(qiáng)度大對(duì)正極板的固化效果更好。

        2 原因分析

        (1)對(duì)流強(qiáng)度對(duì)極板強(qiáng)度的影響:① 固化過程中對(duì)流強(qiáng)度較大的環(huán)境中,正極板與板柵的結(jié)合強(qiáng)度相對(duì)較大。這與固化過程中鉛膏與板柵的氧化粘合反應(yīng)有關(guān)。對(duì)流強(qiáng)度較大的高溫環(huán)境更有利于氧化反應(yīng)速率的提高,繼而有利于加大氧化反應(yīng)的進(jìn)程。② 同理,對(duì)流強(qiáng)度較大的環(huán)境下固化的負(fù)極板強(qiáng)度更好。③ 相同對(duì)流強(qiáng)度環(huán)境下固化的正極板強(qiáng)度明顯優(yōu)于負(fù)極板。其中的原因可能是,正極鉛膏中添加紅丹,而負(fù)極鉛膏中未添加。紅丹的加入可以縮短正板柵與活性物質(zhì)之間界面結(jié)合腐蝕層的形成時(shí)間[3],因而正極板固化后比負(fù)極板具有更高的強(qiáng)度。

        (2)對(duì)流對(duì)極板鉛膏成分含量的影響:對(duì)流對(duì)極板鉛膏成分含量的影響體現(xiàn)在熱傳導(dǎo)對(duì)3BS和4BS轉(zhuǎn)化程度上??諝鈱?duì)流強(qiáng)即風(fēng)速大的環(huán)境中,對(duì)流導(dǎo)熱溫差動(dòng)力大,導(dǎo)熱效果明顯[5],在極板固化過程中更有利于4BS的轉(zhuǎn)化生成,體現(xiàn)在SEM照片中空氣對(duì)流強(qiáng)度較大的環(huán)境中固化的極板活性物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)更加的致密、均勻,體現(xiàn)在性能表現(xiàn)中:對(duì)流強(qiáng)度大的環(huán)境下固化的正極板中4BS含量高,也更有利于電池循環(huán)壽命的提升。

        (3)對(duì)流對(duì)正、負(fù)極板鉛膏中3BS向4BS轉(zhuǎn)化的影響:相同對(duì)流強(qiáng)度條件下,正極板中3BS向4BS轉(zhuǎn)化程度高于負(fù)極。這是因?yàn)樨?fù)極鉛膏中木素、腐殖酸的添加會(huì)抑制3BS向4BS的轉(zhuǎn)化[6]。

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