低温阀控式密封铅酸蓄电池的研究

从有利于电池低温放电性能的各个方面入手,在电池容量、重量等其他性能指标满足要求的同时,尽量提高电池-40℃低温放电性能,延长电池使用寿命。本文研究的产品主要用于军用车辆、极端低温环境等领域的阀控式铅酸蓄电池,采用了发明专利CN201310160804.3技术,电池在-40℃低温5小时率容量达到常温容量的50%以上,优于30%行业指标要求。

阀控式密封铅酸蓄电池作为主电源或备用电源广泛用于潜艇、坦克、计算机、通讯、太阳能电池等,在一些特殊使用领域或使用地区,对电池的低温性能提出了更高的要求。比如低温容量要求,-40℃低温5小时率(终止电压10.2V)容量不低于常温容量的30%。而采用普通的铅膏配方,-40℃低温容量会降到常温的30%左右,这样产品合格率非常低。其原因有温度降低时电解液粘度增加,渗透能力减弱;电池内阻增大,内部电压降增大。在这些因素作用下,电池放电容量减少。另外,在低温环境条件使用,普通的阀控式铅酸蓄电池负极活性物质随温度下降,充电接受能力迅速降低,会进一步降低电池的放电性能,导致电池的性能满足不了低温使用要求。

本文从利于电池低温放电性能的各个方面入手,在电池容量、重量等其他性能指标满足要求的同时,尽量提高电池-40℃低温放电性能,延长电池使用寿命。

1温度对铅酸蓄电池的影响

(1)蓄电池实际容量

温度对铅酸蓄电池的容量影响较大,随着温度的降低容量减少。

蓄电池的额定容量通常是在25℃环境温度下以及在指定的放电率情况下规定的。电池的工作温度是25℃,当电池放电工作温度不是25℃时,由于电化学的作用,实际容量应按式(1)换算成25℃基准温度时的容量

式中:Ct为实测容量(Ah);

Ce为环境温度在25℃时的标称容量(Ah);

T为实际环境温度(℃);

K为容量的温度系数,10小时率容量实验时

K=0.006/℃、3小时率容量实验时K=0.008/℃、1小时率容量实验时K=0.01/℃。从式(1)中可以看出,当环境温度高于25℃时,蓄电池的实际释放容量Ct大于设计额定容量Ce;而环境温度低于25℃时,它的实际可释放容量Ct低于设计额定容量Ce。从温度系数K的取值还可看出,放电率越大,温度对容量的影响也越大。

(2)温度与电池电解液性能的关系

电池容量随温度降低而减少,这与温度对电解液粘度和内阻有严重影响密切相关。电解液温度高时,扩散速度增加、内阻降低,其电动势也略有增加。因此,铅酸蓄电池的容量及活性物质利用率随温度增加而增加。电解液温度降低时,其粘度增大,离子运动受到较大阻力,扩散能力降低。在低温下电解液的电阻增大,电化学反应阻力增加,结果导致电池容量下降。

(3)低温对铅酸蓄电池极板的影响

在低温工作条件下,负极板上的海绵状铅极易变成小尺寸的晶粒,容易使小孔被冻结和堵塞,从而大大降低活性物质的利用率。假若在低温恶劣情况下大电流放电使用,负极活性物质中的小孔将会被阻塞得更严重,海绵状铅可能变为致密的PbSO4,使得电池可放出的电量大大降低。对于正极板来说,其温度系数为负值,因而在低温下具有较高的电极电势。从而在低温情况下正极放电速率远大于负极放电速率。这样,在负极生成PbSO4层前,正极PbO2转化为PbSO4的过程已经结束,所以正极板在低温下不生成致密的PbSO4晶粒。所以,温度过低将会导致阀控式密封铅酸蓄电池的容量下降[2]。

2低温电池的开发

(1)低温电池的开发方案

从有利于电池低温放电性能的各个方面入手,在电池容量、重量等其他性能指标满足要求的同时,尽量提高电池在-40℃低温时的放电性能,延长电池使用寿命。具体方案如下:

①从正极板入手,调整Pb-Ca-Sn-Al合金成分,增加Sn含量到1.2%～1.5%,以增加板栅机械强度和耐腐蚀性。在合金中添加0.1%Ag,可以增加板栅耐蠕变能力,有利于改善电池的深循环放电循环性能。采用放射性板栅结构,将极耳向极板的中部移动,减薄极板厚度,增加极板片数,改善电池大电流放电能力。

②为了延长电池寿命、提高低温大电流放电能力,采用高密度铅膏配方,在铅膏中适量添加导电剂。采用较大的装配压、内化成的方法,进一步提高电池使用寿命。正极板中导电添加剂的加入,可以使极板电阻降低,电池低温放电性能显著提高;提高了正极活性物质的转换效率,正极板更容易化透;保证了正极板的高孔率,更利于酸液向极板内部扩散,提高了活性物质利用率;

③负极铅膏中提高木素、腐植酸的添加比例,更有效避免了硫酸铅钝化层的形成,提高了电池低温放电容量;

④负极铅膏中活性炭的加入,保证了负极板的高孔率,更利于酸液向极板内部扩散,提高了活性物质利用率;

⑤极群中增加正负极板片数,提高了极板真实表面积,保证了电池有较高的放电容量;

⑥选用高孔率、低内阻的AGM优质隔板,提高电解质中离子良好通过性,从而保证电池良好低温性能;

⑦选用高纯度、高固含量纳米硅溶胶和内含Na2SO4添加剂稀H2SO4的混合胶体电解质,使得电解质成胶均匀、无分层,提高了电池过放电后充电能力,保证了电池使用寿命。

(2)低温电池主要技术指标主要技术指标。

(3)低温电池与普通电池的性能对比低温配方与普通配方制作的12V100Ah电池性能对比如图1所示。

通过检测,采用本发明超低温正负极活性物质配方制作的电池,超低温条件下(-40℃),放电容量达到额定容量的50%以上。