張峰博，姚秋實，王杜友，王衛(wèi)東，張璐盈，李桂發(fā)，鄧成智，孔鶴鵬，劉玉，郭志剛

（1.天能電池集團股份有限公司中央研究院，浙江 長興 313100；2.浙江天能電源材料有限公司, 浙江 長興 313103）

0 引言

集流體作為蓄電池活性物質的載體和導流體，在蓄電池體系中扮演著十分重要的角色，但是在電池體系中集流體的存在降低了體系的質量比能量或體積比能量。另外，在鉛酸電池體系中集流體（稱作板柵）也是由鉛合金鑄造而成，是鉛電池成本的重要組成部分之一。因此，電池設計中應盡量避免板柵的冗余設計，在保證電池的安全性、耐用性的情況下，實現經濟性[1-2]。

D.Pavlov 探討了深循環(huán)用無銻合金電池的循環(huán)壽命的關鍵影響因素——板柵/活性物質界面層，認為活性物質與板柵的比表面積的差異造成了電流由活性物質傳導至板柵中時電流密度放大了 106倍左右?；诖苏撌?，作者認為正極板單位面積涂覆的活性物質的質量（用符號γ表示此參數，γ=mPAM/Sgrid）一般取值 2.0～2.5 g/cm2（對于 SLI 電池）、1.6～1.8 g/cm2（對于管式電池），而在實驗室的研究成果中達到了 0.5～0.8 g/cm2，極大地提高了活性物質利用率[3]。另外，有研究人員認為，在電池正板柵設計中應該考慮板柵質量在極板中的占比（用符號α表示此參數，α=mgrid/(mPAM+mgrid)），而且α在 0.35～0.60 范圍可以保障電池的大電流放電性能和循環(huán)壽命[3-4]。陳體銜研究了影響閥控式鉛酸蓄電池（VRLA 電池）正極壽命的因素，認為應該把正極板單位面積涂覆的活性物質質量（即γ）控制在 1～2 g/cm2的范圍內[5]。L.Prout 分別討論了汽車電池板柵和動力電池板柵的設計、合金成分、制造方式等，認為在動力電池中由于電池放電深度大，板柵腐蝕程度大，電池正極板需要特別設計，并區(qū)別于汽車電池板柵。同時他認為，對于采用鉛銻合金（合金中ω(Sb) 為 4.5 %～7.0 %，ω(As) 為 0.08 %～0.12 %）板柵的動力電池，即使電池的耐用程度不同，板柵合金用量也要大于 6 g/Ah才能達到 250 次循環(huán)壽命[6]。劉廣林在前人研究的基礎上提出了體積系數——空間因子k，用于表征板柵中可涂填鉛膏部分的空間與極板內部幾何空間之比，認為對于中、小型起動用 VRLA 電池以及部分牽引用鉛酸蓄電池，k一般在 0.86～0.93 范圍內[7]。

近些年來，隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，為了提高生產效率，減少對環(huán)境的污染，清潔的蓄電池連續(xù)生產制造技術愈發(fā)收到關注。沖網技術作為板柵連續(xù)生產的制造技術之一，由于具有的板柵耐腐蝕性能較高、鉛耗低、環(huán)境污染小等特點，受到了蓄電池生產廠家的廣泛關注[8-9]。本文中，筆者選用質量為17～21 g 的重力澆鑄板柵和沖網板柵（正板柵尺寸為 138 mm × 66 mm），通過控制涂膏量，研究了在不同板柵制造工藝下鉛膏與板柵質量比對 12 V 20 Ah VRLA 動力電池循環(huán)性能的影響。

1 實驗

1.1 樣品制備

選取不同質量的鉛-鈣-錫合金重力澆鑄板柵、沖網板柵，依照參照文獻[8]所述方法制作 VRLA 電池用正生極板。將 4 片制備的正生極板和 5 片負生極板組裝成 12 V 20 Ah 蓄電池極群（干態(tài)裝配壓力約 70 kPa），然后將極群裝配、密封后，進行加酸化成。加酸過程中，控制加酸（ρ= 1.252 g/cm3）量為 11.2 ml/Ah。電池真空加酸完畢后迅速將電池浸入冷卻水（10～15 ℃）中，進行冷卻處理。電池化成時間在 47 h 左右，凈充電量為 8.9C2?；蛇^程中通過恒溫水槽對電池化成溫度進行控制。

1.2 電池性能測試

將用重力澆鑄板柵制備的 12 V 20 Ah 電池按照GB/T 22199—2017 所述方法進行補充電，接著靜置 24 h 后測試電池內阻。由圖1 可知，12 V 20 Ah電池的內阻隨著板柵質量的減少而逐漸增加。板柵質量為 19 g 的電池內阻較板柵質量為 21 g 的電池增加了 1.8 %，板柵質量為 17 g 的電池內阻較板柵質量為 21 g 的電池增加了 11.7 %。

圖1 不同正板柵質量下 12 V 20 Ah 電池內阻

表1 為不同鉛膏與板柵質量比下澆鑄板柵實驗電池按照 GB/T 22199—2017 所述方法進行 2 小時率容量、-18 ℃低溫容量、大電流放電性能測試的結果。由表2 可知，3 種鉛膏與板柵質量比下的 12 V 20 Ah 電池 2 小時率容量無顯著差異（差值 0.1 Ah），-18 ℃ 低溫容量無顯著差異（差值 0.1 Ah），電池大電流放電性能無顯著差異（差值 0.1 min）。結果表明，在 0.5C～1.8C放電倍率下，板柵質量對電池放電性能無影響。

表1 不同鉛膏與板柵質量比下 12 V 20 Ah 重力澆鑄板柵電池初期性能

采用以下方法測試 12 V 20 Ah 重力澆鑄板柵電池的循環(huán)性能：以 0.5C電流放電至 1.75 V/單格，然后采用恒壓（2.46 V/單格）限流（0.4C）的模式充電 5 h。依此對電池進行連續(xù)充放電，且當電池連續(xù) 3 次放電時間低于 96 min 時認定電池壽命結束。由圖2 可知，在控制正極鉛膏量相當的情況下，隨著板柵質量由 17 g 增到 19 g，再增至 21 g時，即鉛膏與板柵質量比由 4.15 降至 3.74，再降到 3.38，電池循環(huán)壽命逐漸延長（后兩者達到了前者的 1.18 倍、1.37 倍）。此外，板柵質量為 17 g的實驗電池的循環(huán)充放電曲線平臺期明顯短于其它電池?？赡苁怯砂鍠鸥g造成了電池性能衰退。

圖2 12 V 20 Ah 重力澆鑄板柵電池循環(huán)性能

隨著產業(yè)升級，高生產效率鑄造技術——沖網技術在蓄電池生產中逐漸普及，而且在鉛蓄電池輕量化進程中沖網板柵具有一定的優(yōu)勢[10-11]。圖3所示為采用表2 連續(xù)沖網板柵的 12 V 20 Ah 電池的循環(huán)壽命曲線。由圖3 可知，當控制板柵質量一定（17 g）的情況下，將鉛膏質量由 71 g 增加至 73 g時，鉛膏與板柵質量比由 4.18 增加至 4.29，電池循環(huán)壽命增加了 7 %。繼續(xù)將鉛膏與板柵質量比增加至 4.47 后，電池循環(huán)壽命降低了 5 %。當控制鉛膏量不變，將板柵質量降低至 15 g，電池壽命明顯降低 20 %，而且循環(huán)后期電池放電時間急劇減小，循環(huán)曲線平臺明顯區(qū)別于對比電池。

表2 12 V 20 Ah 沖網板柵電池的鉛膏質量與板柵質量比

圖3 12 V 20 Ah 沖網板柵電池循環(huán)性能

2 結論

由重力澆鑄板柵蓄電池的實驗結果可知，當板柵質量由 21 g 降低至 17 g 后，電池 2 小時率容量、低溫放電性能和大電流放電性能無明顯變化，但是蓄電池內阻增加了 12%左右。另外，本組實驗中蓄電池循環(huán)壽命隨正極ζ值的降低而逐漸延長。這可能與板柵質量增加使板柵耐腐蝕性改善相關。

在沖網板柵電池實驗中，當控制板柵質量不變，逐漸增加正極活物質的質量時，隨著正極板的ζ值的增加，電池的循環(huán)壽命呈先增加后下降低的趨勢。當控制活性物質的質量一定時，蓄電池的循環(huán)壽命隨著板柵質量由 17g 降至 15 g 而降低了20 %。這一現象與重力澆鑄板柵蓄電池的循環(huán)性能測試結果相一致。

由于沖網板柵制造過程中采用了多級輥軋以及表面處理工藝，使得沖網板柵有著不同于澆鑄板柵的表面形態(tài)及表面粗糙度[12]。研究表明，鑄件表面粗糙度對其耐腐蝕性能有著顯著的影響[13-14]，因此板柵表面粗糙度對電池性能的影響仍需深入研究。