袁 罡，劉恩喆，李登峻

(1.江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西南昌330000；2.南昌工程學(xué)院，江西南昌330000)

動(dòng)力電池板柵在CO2蒸汽處理后的循環(huán)性能仿真

袁 罡1，劉恩喆2，李登峻1

(1.江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西南昌330000；2.南昌工程學(xué)院，江西南昌330000)

將鉛酸蓄電池的正、負(fù)板柵用富含二氧化碳的蒸汽處理后，使其表面生成堿式碳酸鉛，將其制備成動(dòng)力電池極板后組裝成電池，并利用仿真軟件Simulink對(duì)所得電池的性能進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)這一方法可提高極板強(qiáng)度，還可提高電池的充電合格率及電池組循環(huán)的一致性，同時(shí)可使電池的使用壽命和性能得到明顯提升。

二氧化碳蒸汽；鉛酸蓄電池；使用壽命；性能；仿真

鉛酸蓄電池存在容量衰減速度快、使用壽命短等問(wèn)題，而造成其壽命短的主要原因包括活性物質(zhì)的脫落、板柵的腐蝕變形及電解液干涸等，固化和涂膏這兩道工序?qū)﹄姵氐囊恢滦约笆鞓O板的質(zhì)量影響較大，進(jìn)而影響電池的性能及使用壽命[1]。本文將普通板柵與用富含二氧化碳蒸汽處理過(guò)的板柵分別組裝得到電池，然后對(duì)電池的性能進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)極板的生產(chǎn)工藝提出改善意見(jiàn)。

1 實(shí)驗(yàn)

在密度較高的二氧化碳環(huán)境下對(duì)板柵進(jìn)行加熱加濕處理后，其表面會(huì)生成堿式碳酸鉛2 PbCO3·Pb(OH)2，在鉛膏中堿式碳酸鉛的溶解度大于金屬鉛和氧化鉛，迅速分解成PbO，在板柵的表面形成腐蝕層，進(jìn)而增大了鉛膏與板柵的接觸面積。在固化或涂片的過(guò)程中，板柵表面的PbO與鉛膏快速融合，形成PbO-PbO的共價(jià)鍵，進(jìn)而增大板柵與活性物質(zhì)的結(jié)合強(qiáng)度，提高了二者的結(jié)合力，可在提高固化質(zhì)量的同時(shí)縮短固化時(shí)間。

在對(duì)板柵表面進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，首先選取新澆鑄的6-DZM-12Ah電池的正極板柵90片(9連片)和負(fù)極板柵100片(9連片)，將其掛在極板架上后放于固化室內(nèi)，向固化室中通入溫度為45～50℃的二氧化碳蒸汽。關(guān)閉固化室后利用蒸汽閥對(duì)其加熱使其溫度為60～65℃，每隔2 h補(bǔ)充一次二氧化碳?xì)怏w，10 h后再加入一定量的二氧化碳?xì)怏w并將溫度升高至78℃，保持10 h。關(guān)閉蒸汽閥后，在60℃下進(jìn)行干燥處理并持續(xù)4 h，將板柵取出后備用。在對(duì)極板的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試時(shí)，首先對(duì)生極板稱重，將極板兩面分別從高處跌至測(cè)試平臺(tái)后，敲去已經(jīng)脫離極板的活性物質(zhì)，再次稱重，重復(fù)上述動(dòng)作直至活性物質(zhì)完全脫離。

在組裝電池時(shí)，在相同的工藝下將經(jīng)富含二氧化碳蒸汽處理后的板柵和其它板柵分別進(jìn)行涂板、固化和化成，制成熟極板。將制備所得熟極板(實(shí)驗(yàn)極板)與正常極板隨機(jī)組合成為4種極群，如表1所示，采用相同的工藝對(duì)組裝電池進(jìn)行比較分析，每種電池組裝成8只，編號(hào)A～H。采用Simulink仿真軟件對(duì)每組電池的循環(huán)壽命和一致性進(jìn)行測(cè)試。

表1 極群方式

2 結(jié)果與分析

將生極板置于某一高度，使其一面水平與測(cè)試平臺(tái)自由下落，然后再將另一面平行于測(cè)試平臺(tái)自由下落，即完成1次跌落。文獻(xiàn)研究可知，連續(xù)跌落次數(shù)可以衡量活性物質(zhì)與板柵的結(jié)合狀態(tài)，即強(qiáng)度。因此，本實(shí)驗(yàn)采取上述跌落方式連續(xù)跌落，直到板柵上的活性物質(zhì)完全脫離，將脫離時(shí)的跌落次數(shù)記為連續(xù)跌落次數(shù)。經(jīng)過(guò)連續(xù)跌落實(shí)驗(yàn)可知，實(shí)驗(yàn)正極板和正常正極板的連續(xù)跌落次數(shù)分別為20次、16次，實(shí)驗(yàn)負(fù)極板和正常負(fù)極板分別為26次和22次。由此看出，經(jīng)過(guò)富含二氧化碳蒸汽處理后的實(shí)驗(yàn)正極板和負(fù)極板強(qiáng)度均有所提高，分別提高了25%和18%。

圖1為連續(xù)跌落過(guò)程中活性物質(zhì)掉落量，由此可見(jiàn)，正常極板每次跌落后損失的活性物質(zhì)最大量要比實(shí)驗(yàn)極板多?？梢酝茢啵缓趸颊羝幚砗蟮陌鍠排c活性物質(zhì)結(jié)合力更強(qiáng)。這是因?yàn)椋鍠疟砻娼?jīng)過(guò)富含二氧化碳處理后，表面生成了凹凸不平腐蝕層，增加了板柵與活性物質(zhì)的接觸面積，使其結(jié)合力更強(qiáng)，腐蝕層掃描電子顯微鏡法(SEM)形貌如圖2所示。

圖1 連續(xù)跌落過(guò)程中活性物質(zhì)掉落量

圖2 板柵表面腐蝕層

按照電池制造工藝，將上述四類電池每類生產(chǎn)四只，全部加酸充電備用。經(jīng)過(guò)檢測(cè)，16只電池的兩小時(shí)容量值全部在130 min以上，能夠滿足本實(shí)驗(yàn)所需。文獻(xiàn)[2]指出，按照規(guī)格相同的一組電池組裝成電池組，其內(nèi)阻、衰退率、容量、荷電量、電壓等以及隨著時(shí)間變化率、自放電率、壽命、溫度對(duì)電池的影響等，這些參數(shù)在校驗(yàn)電池組一致性時(shí)常常以端電壓變化來(lái)衡量。這是因?yàn)殡姵亟M運(yùn)行的微環(huán)境、生產(chǎn)工藝、配件以及原料等因素不可能完全一致也會(huì)導(dǎo)致電池運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)參數(shù)差異，而且電池組所含單元電池?cái)?shù)量越多，其差異越大[3]。

圖3為四個(gè)電池組在600次循環(huán)過(guò)程中單個(gè)電池的最大電壓差，四類電池最大電壓差隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增大。當(dāng)循環(huán)次數(shù)在0～150次時(shí)，每類電池的最大電壓差都很小。當(dāng)循環(huán)次數(shù)為150～350次時(shí)，#2～#4三類電池最大電壓差增大明顯，而#1電池電壓差增大幅度較小。600次循環(huán)過(guò)程中，#1電池最大電壓差較小，最大電壓差排序?yàn)?1電池＜#2電池＜#3電池＜#4電池。因此，正、負(fù)極板都經(jīng)過(guò)富含二氧化碳蒸汽處理后的#1電池具有最好的一致性，正、負(fù)極板均未經(jīng)過(guò)富含二氧化碳蒸汽處理后的#4電池一致性最差。由此推斷，板柵經(jīng)過(guò)富含二氧化碳蒸汽處理后，提高了電池組的一致性，降低了單個(gè)電池間的最大電壓差。

圖3 四個(gè)電池組在600次循環(huán)過(guò)程中的最大電壓差

鉛酸電池的使用壽命是直接影響用戶的，其電池失效原因?yàn)榱蛩猁}化不可逆、匯流排被腐蝕、電解液干枯、活性物質(zhì)脫落、正極板柵變形等。圖4為實(shí)驗(yàn)中的8只電池的循環(huán)壽命對(duì)比。由此看出，相比沒(méi)經(jīng)過(guò)富含二氧化碳蒸汽處理過(guò)的#4電池，#1電池循環(huán)壽命明顯增加。在#1電池壽命終止后，對(duì)其解剖發(fā)現(xiàn)正極板柵變形和匯流排被腐蝕是壽命終止的主要原因。而#4電池則是因?yàn)殡娊庖焊煽?、活性物質(zhì)脫落導(dǎo)致的壽命終止。由此推斷，富含二氧化碳蒸汽處理后的板柵改變了電池的失效方式，抑制了板柵活性物質(zhì)脫落，提高了電池的壽命[4]。

圖4 四類電池的循環(huán)壽命對(duì)比

3 結(jié)論

通過(guò)本文實(shí)驗(yàn)可知，富含二氧化碳蒸汽處理后的鉛酸蓄電池正、負(fù)極板柵表面生成了一層腐蝕產(chǎn)物。腐蝕產(chǎn)物增加了板柵與活性物質(zhì)的接觸面積，提高了鉛膏與正、負(fù)極板的結(jié)合強(qiáng)度，增強(qiáng)了活性物質(zhì)與板柵結(jié)合力。對(duì)單個(gè)電池容量及電壓穩(wěn)定性起到了明顯的改善作用。用此類電池組裝的電池組600次循環(huán)后具有很小的最大電壓差，提高了電池組循環(huán)均勻性，從而改善了單個(gè)電池及電池組的壽命。

[1]黃連清.新型曲面板柵結(jié)構(gòu)對(duì)鉛酸蓄電池性能的影響[J].蓄電池，2016(4)：182-185.

[2]高林霞，朱新鋒，劉建文，等.鋅雜質(zhì)對(duì)鉛酸蓄電池性能的影響——基于檸檬酸/檸檬酸鈉體系回收廢鉛膏[J].蓄電池，2014(2)：56-59，92.

[3]陳清元，鄧成智，劉峰，等.富含CO2蒸汽處理后板柵對(duì)鉛酸蓄電池性能的影響[J].蓄電池，2013(6)：280-282，286.

[4]胡信國(guó)，林道勇.閥控鉛酸蓄電池板柵合金的電化學(xué)性能研究[J].電源技術(shù)，2004(3)：133-136.

Simulation of cycle performance of power grid panel after CO2steam treatment

YUAN Gang1,LIU En-zhe2,LI Deng-jun1
(1.Jiangxi Vocational&Technical College of Electricity,Nanchang Jiangxi 330000,China;2.Nanchang Institute of Technology,Nanchang Jiangxi 330000,China)

The positive and negative grid of lead-acid batteries wad treated with steam-enriched carbon dioxide,and the surface was with basic lead carbonate,and it was prepared into a battery pack and assembled into battery.The performance of the battery was analyzed by using the simulation software Simulink. The results show that the strength of the plate,the battery charging rate and the consistency of the battery cycle can be improved,and also the service life and performance of the battery are improved.

carbon dioxide steam;lead-acid battery;service life;performance;simulation

TM 912.9

A

1002-087 X(2017)10-1446-02

2017-03-15

江西省教育廳2015江西省高校人文社科基金項(xiàng)目(FX0922)

袁罡(1968—)，男，湖南省人，副教授，主要研究方向?yàn)閿?shù)字電力。