劉玉，郭志剛，李桂發(fā)，鄧成智，陳飛，班濤偉，陳志平（天能集團(tuán)研究院，浙江 長(zhǎng)興 313100）

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電動(dòng)自行車用鉛酸電池低溫容量影響因素分析

劉玉，郭志剛，李桂發(fā)，鄧成智，陳飛，班濤偉，陳志平
（天能集團(tuán)研究院，浙江 長(zhǎng)興 313100）

摘要：本文圍繞動(dòng)力電池低溫容量影響因素分析，從裝配壓力、炭材料、木素及化成工藝四個(gè)方面進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：裝配壓力會(huì)對(duì)電池低溫容量產(chǎn)生影響；高比表面積的炭材料能夠明顯降低低溫容量，加速電池失水；化成溫度超過 45 ℃時(shí)，低溫容量基本不合格；此外降低木素的添加量，低溫容量也會(huì)明顯降低，特別是在化成溫度較高的情況下，下降得特別明顯。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)自行車；動(dòng)力電池；低溫容量；裝配壓力；比表面積；木素；炭材料；化成

0 引言

對(duì)于電動(dòng)自行車用鉛酸蓄電池的低溫性能而言，除了自然環(huán)境對(duì)其造成的影響之外，電池本身的設(shè)計(jì)、材料及生產(chǎn)工藝也會(huì)產(chǎn)生明顯的影響，因此本文從電池的裝配壓力、負(fù)極添加劑炭材料和木素及化成工藝幾方面著手，探討如何提高電池的低溫放電容量。

1 裝配壓力

為保證電池的動(dòng)力性能，極群的裝配壓力是電池設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)重要參數(shù)，適宜的裝配壓力能夠明顯提高電池的性能，延長(zhǎng)電池的使用壽命[1]。

目前市場(chǎng)上常見的三款電動(dòng)車自行車用電池型號(hào)為 6-DZM-12、6-DZM-20 和 6-EVF-32A。6-DZM-12 電池的結(jié)構(gòu)如圖 1(a) 所示， 6-DZM-20 和 6-EVF-32A 電池的結(jié)構(gòu)如圖 1(b) 所示。6-DZM-12 電池在循環(huán)過程中，6 個(gè)單格彼此之間不會(huì)有太大的影響，而對(duì)于 6-DZM-20 和 6-EVF-32A電池，6 個(gè)單格一字排開，隨著極群的膨脹和收縮，單格間互相擠壓，彼此之間裝配壓力存在影響，中間單格和兩邊單格會(huì)存在差別，裝配壓力對(duì)電池低溫性能的影響在這樣結(jié)構(gòu)的電池上尤為明顯。

為了保證 6-EVF-32A 電池的 6 個(gè)單格彼此之間不受影響，均裝成 2 V 單體電池，然后測(cè)試其在不同裝配壓力下的常溫和低溫放電性能。從圖 2 曲線上可以看到，單體電池在常溫放電過程中，放電時(shí)間比較接近，而在低溫測(cè)試過程中，裝配壓力較低的 2# 和 4# 兩單格放電時(shí)間較短，電壓平臺(tái)也要明顯低于其它單格。要注意到的是，圖中單體電池的裝配壓力勻?yàn)楦蓱B(tài)極群的裝配壓力。

圖 1　電池結(jié)構(gòu)立體圖

圖 2　6-EVF-32A 單格電池放電測(cè)試（15 A）

測(cè)試結(jié)束后對(duì)電池進(jìn)行了解剖，對(duì)極群濕態(tài)的裝配壓力也進(jìn)行了測(cè)試，數(shù)據(jù)如表 1 所示。從表 1 中可以看到電池的濕態(tài)壓力值（真實(shí)裝配壓力值），大約為干態(tài)壓力值的 45 %～50 %。該值是電池未進(jìn)行循環(huán)壽命測(cè)試前所測(cè)得的，假如進(jìn)行壽命測(cè)試，該值會(huì)持續(xù)地降低。結(jié)合圖 2，可以看到裝配壓力低的單體電池，其低溫性能明顯比裝配壓力高的單體電池差。但是就不同電池結(jié)構(gòu)而言，裝配壓力高低的影響各不相同。此外如何從控制干態(tài)的極群裝配壓力出發(fā)，來保證濕態(tài)的壓力是技術(shù)上需要解決的問題。

表 1　裝配前干態(tài)裝配壓力和測(cè)試后濕態(tài)裝配壓力

2 炭材料

炭材料作為負(fù)極導(dǎo)電劑，在電池充放電過程中，起著導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的作用[2]。目前市場(chǎng)上炭材料的種類較多，性能也千差萬別，在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)不同比表面積的炭材料對(duì)電池低溫性能影響的差別非常大。本實(shí)驗(yàn)采用為三種炭材料：A 為目前負(fù)極配方中常見的乙炔黑，比表面積為 70 m2/g；B 的比表面積為 220 m2/g；C 的比表面積為 1400 m2/g。

為了排除單格之間裝配壓力的差異，本次實(shí)驗(yàn)仍選用 2 V 單體作為實(shí)驗(yàn)電池，容量為 20 Ah。四種實(shí)驗(yàn)配方中，炭材料所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)均相同，其中1#、2#、3# 分別添加 A、B、C 炭材料，4# 按質(zhì)量比 1∶1 添加 A 和 C 混合的炭材料。1# 和 2# 配方均按照常規(guī)工藝進(jìn)行和膏，3# 和 4# 配方在加入和膏機(jī)之前對(duì)高比表面積炭材料 C 進(jìn)行了預(yù)濕攪拌。電池裝配過程中，對(duì)干態(tài)極群的裝配壓力進(jìn)行了全檢，裝配壓力值為 60～65 kPa?；山Y(jié)束后對(duì)電池進(jìn)行了性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表 2 所示。

表 2　不同比表面積炭材料電池性能測(cè)試

從表 2 可以看到，3# 實(shí)驗(yàn)電池的低溫性能最差，4# 實(shí)驗(yàn)電池次之，1# 和 2# 實(shí)驗(yàn)電池?zé)o明顯的差異，顯然高比表面積炭材料的添加對(duì)電池低溫放電有抑制作用。炭材料廠家認(rèn)為，添加高比表面積的炭材料能夠吸附木素，導(dǎo)致木素在負(fù)極中處于“失效”的模式，所以可以考慮增加木素的添加量；但是對(duì)于企業(yè)而言，增加木素的量，顯然會(huì)增加電池的生產(chǎn)成本，另外從技術(shù)角度而言，木素的增加，對(duì)電池的充電接受能力也會(huì)有明顯的抑制作用。

常規(guī)性能測(cè)試結(jié)束后，我們對(duì)編號(hào)為 1、2、5、6 的四只單體電池進(jìn)行了壽命測(cè)試。從圖 3 壽命測(cè)試期間前 100 次的失水情況可以看出，高比表面積炭材料的添加，極大地加劇了電池的失水量（約為常規(guī)電池的 4 倍），加速了電池的失效。因此，對(duì)于深循環(huán)用途的動(dòng)力電池而言，添加高比表面積的炭材料會(huì)明顯降低電池的低溫容量，加速電池在循環(huán)過程中的失水，縮短電池的使用壽命。

圖 3　循環(huán)壽命前 100 次失水

3 木素及化成溫度

木素作為負(fù)極添加劑，對(duì)電池的低溫性能起著至關(guān)重要的作用[3]，然而作為一種有機(jī)高分子材料，其對(duì)電池低溫性能的影響機(jī)理，應(yīng)該說是錯(cuò)綜復(fù)雜[4]。電池加酸充電化成過程中，隨著硫酸電解液的加入，電池內(nèi)部發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，內(nèi)部溫度瞬間陡升，能夠達(dá)到 90 ℃ 左右，特別是在夏季，即便對(duì)電解液進(jìn)行冷處理，還是會(huì)有明顯的溫升[5]。在充電過程中，隨著活性物質(zhì)的轉(zhuǎn)換，電池溫度始終處于變化中，所以木素的耐高溫性能直接決定了其對(duì)電池低溫性能的影響。

本文結(jié)合電池充電化成溫度，對(duì) A 和 B 兩種木素進(jìn)行了研究，其中對(duì)木素 A 采用了兩種實(shí)驗(yàn)方案 ( 1 和 2 )，且方案 2 中的木素添加量為方案 1中的 75 %，木素 B 的添加量同方案 1 中木素 A 的相同，其他配料及含量均相同。實(shí)驗(yàn)電池型號(hào)為6-DZM-20。裝配過程中對(duì)極板重量和極群的裝配壓力進(jìn)行了全檢，保證電池在干態(tài)情況下的一致。圖 4 為電池化成過程中溫度采集情況，其中電池側(cè)面溫度為極板面方向的溫度，電池上表面溫度為電池中蓋的溫度。

從圖 4(a) 可以看到，在電池化成過程中，因無法保證水浴溫度恒定 30 ℃，所以電池側(cè)面溫度超過 40 ℃；從圖 4(b) 可以看到，把水浴溫度設(shè)定為恒定 45 ℃ 和 55 ℃ 后，基本處于可控狀態(tài)，無論是充電階段還是放電階段，電池溫度未出現(xiàn)明顯上升或下降，也就是說，在這兩個(gè)溫度條件控制下，整個(gè)化成期間，電池基本保持恒溫。要說明的是，圖中所采集的溫度為電池外表面的溫度，實(shí)際電池內(nèi)部的溫度要遠(yuǎn)高于電池表面的溫度。實(shí)驗(yàn)過程中水浴一直處于恒溫狀態(tài) (45 ℃和 55 ℃)，因此相當(dāng)于木素一直處于一個(gè)極限環(huán)境條件下。

化成結(jié)束后對(duì)電池進(jìn)行常規(guī)性能測(cè)試。關(guān)于常溫 2 小時(shí)率容量，實(shí)驗(yàn)電池基本相當(dāng)，沒有出現(xiàn)任何差異。偶有看到國(guó)內(nèi)外木素材料廠家提出，木素的添加量會(huì)對(duì)電池的常溫容量產(chǎn)生影響，但是在本次實(shí)驗(yàn)及重復(fù)實(shí)驗(yàn)中均未發(fā)現(xiàn)有此情況。

圖 4 化成過程中采集的溫度

從圖 5 可以看到，化成溫度會(huì)對(duì)電池低溫容量產(chǎn)生非常大的影響，當(dāng)化成溫度超過 45 ℃ 以后，電池的低溫容量基本不合格，而當(dāng)化成溫度到了55 ℃，低溫容量基本處于常規(guī)電池壽命終止后的情況。在相同添加量的情況下，分別添加兩種木素的電池都出現(xiàn)了相同的情況。此外，降低木素的添加量后，電池的低溫容量也會(huì)明顯降低，特別是在化成溫度較高的情況下，下降得特別明顯。

圖 5　化成溫度和低溫容量

圖 6　化成溫度和充電接受能力

從圖 6 可以看到：減少木素的添加量能夠明顯提高電池的充電接受能力；提高化成溫度后，隨著木素的析出氧化，實(shí)則變相地減少了木素的添加量，充電接受能力也有明顯提升；對(duì)于這兩種木素，在相同添加量的情況下，有類似的規(guī)律。要注意到的是，部分實(shí)驗(yàn)電池處于不合格的狀態(tài)，當(dāng)然由于影響因素眾多，不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為，就是因?yàn)樵撃舅卦谠摋l件下，所以才會(huì)出現(xiàn)充電接受不合格的情況。

4 結(jié)論

通過本文的實(shí)驗(yàn)研究和分析探討得出，影響電池低溫容量的因素有以下幾方面：

（1）電池裝配壓力對(duì)電池低溫容量會(huì)有明顯的影響；（2）對(duì)于深循環(huán)用途的動(dòng)力電池而言，

添加高比表面積炭材料會(huì)明顯降低電池的低溫容量，加速電池在循環(huán)過程中的失水，縮短電池的使用壽命；（3）化成溫度超過 45 ℃ 以后，低溫容量基本不合格，此外，降低木素的添加量，低溫容量也會(huì)明顯降低，特別是在化成溫度較高的情況下，下降得特別明顯。

參考文獻(xiàn)：

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[2] Pavlov D, Nikolov P, Rogachev T. Influence of carbons on the structure of the negative active material of lead-acid batteries and on battery performance[J]. J. Power Sources, 2011, 196: 5155-5167.

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[5] 郭志剛, 劉玉, 毛書彥, 等. 電池化成工藝對(duì)深循環(huán)電池性能的影響[J]. 蓄電池, 2014(6)：265-268.

The analysis of infl uence factors on the capacity of lead-acid battery for E-bike at low temperature

LIU Yu, GUO Zhigang, LI Guifa, DENG Chengzhi, CHEN Fei, BAN Taowei, CHEN Zhiping
(The Academy of Tianneng Group, Changxing Zhejiang 313100, China)

Abstract:The infl uence factors of assembling pressure, carbon material, sodium lignosulfonate and container formation temperature on the capacity of lead-acid battery for E-bikes at low temperature were mainly examined in this paper. The experiments results showed that the assembly pressure affected the capacity at low temperature. The carbon materials with high specifi c surface area could signifi cantly reduce the capacity at low temperature and accelerate the water loss. If the temperature was higher than 45℃, it would bring in adverse effects on the capacity at low temperature. Moreover, if the amount of sodium lignosulfonate was reduced, the low temperature capacity would be signifi cantly reduced, especially in the case of higher formation temperature.

Key words:E-bike, power battery; capacity at low temperature; assembling pressure; specific surface area; sodium lignosulfonate; carbon material; formation

收稿日期：2015-11-19

中圖分類號(hào)：TM 912.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1006-0847(2016)02-76-04