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低温阀控式密封鉛酸蓄電池的研究

2019-03-07   |  来源:炜业通科技

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鉛酸蓄電池,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。

 

阀控式密封鉛酸蓄電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,普通的阀控式鉛酸蓄電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。
  
  本文從利于電池低溫放電性能的各個方面入手,在電池容量、重量等其他性能指標滿足要求的同時,盡量提高電池-40℃低溫放電性能,延長電池使用壽命。
  
  1 温度对鉛酸蓄電池的影响
  
  (1)蓄電池實際容量
  
  温度对鉛酸蓄電池的容量影响较大,随着温度的降低容量减少。
  
  蓄電池的額定容量通常是在25℃環境溫度下以及在指定的放電率情況下規定的。電池的最佳工作溫度是25℃,當電池放電工作溫度不是25℃時,由于電化學的作用,實際容量應按式(1)換算成25℃基准溫度時的容量
  
  式中:Ct爲實測容量(Ah);
  
  Ce爲環境溫度在25℃時的標稱容量(Ah);
  
  T爲實際環境溫度(℃);
  
  K爲容量的溫度系數,10小時率容量實驗時
  
  K=0.006/℃、3小時率容量實驗時K=0.008/℃、1小時率容量實驗時K=0.01/℃。從式(1)中可以看出,當環境溫度高于25℃時,蓄電池的實際釋放容量Ct大于設計額定容量Ce;而環境溫度低于25℃時,它的實際可釋放容量Ct低于設計額定容量Ce。從溫度系數K的取值還可看出,放電率越大,溫度對容量的影響也越大[1]。
  
  (2)溫度與電池電解液性能的關系
  
  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,鉛酸蓄電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)低温对鉛酸蓄電池极板的影响
  
  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鉛酸蓄電池的容量下降[2]。
  
  2 低温电池的开发
  
  (1)低溫電池的開發方案
  
  從有利于電池低溫放電性能的各個方面入手,在電池容量、重量等其他性能指標滿足要求的同時,盡量提高電池在-40℃低溫時的放電性能,延長電池使用壽命。具體方案如下:
  
  ①從正極板入手,調整Pb-Ca-Sn-Al合金成分,增加Sn含量到1.2%~1.5%,以增加板柵機械強度和耐腐蝕性。在合金中添加0.1%Ag,可以增加板柵耐蠕變能力,有利于改善電池的深循環放電循環性能。采用放射性板柵結構,將極耳向極板的中部移動,減薄極板厚度,增加極板片數,改善電池大電流放電能力。
  
  ②爲了延長電池壽命、提高低溫大電流放電能力,采用高密度鉛膏配方,在鉛膏中適量添加導電劑。采用較大的裝配壓、內化成的方法,進一步提高電池使用壽命。正極板中導電添加劑的加入,可以使極板電阻降低,電池低溫放電性能顯著提高;提高了正極活性物質的轉換效率,正極板更容易化透;保證了正極板的高孔率,更利于酸液向極板內部擴散,提高了活性物質利用率;
  
  ③負極鉛膏中提高木素、腐植酸的添加比例,更有效避免了硫酸鉛鈍化層的形成,提高了電池低溫放電容量;
  
  ④負極鉛膏中活性炭的加入,保證了負極板的高孔率,更利于酸液向極板內部擴散,提高了活性物質利用率;
  
  ⑤極群中增加正負極板片數,提高了極板真實表面積,保證了電池有較高的放電容量;
  
  ⑥選用高孔率、低內阻的AGM優質隔板,提高電解質中離子良好通過性,從而保證電池良好低溫性能;
  
  ⑦選用高純度、高固含量納米矽溶膠和內含Na2SO4添加劑稀H2SO4的混合膠體電解質,使得電解質成膠均勻、無分層,提高了電池過放電後充電能力,保證了電池使用壽命。
  
  (2)低溫電池主要技術指標主要技術指標見表1。
  
  (3)低溫電池與普通電池的性能對比低溫配方與普通配方制作的12V100Ah電池性能對比如圖1所示。
  
  該圖爲本發明超低溫正負極活性物質配方制作的電池與常規電池在-40℃條件下的放電曲線對比圖。
  
  通過檢測,采用本發明超低溫正負極活性物質配方制作的電池,超低溫條件下(-40℃),放電容量達到額定容量的50%以上[3]。
  
  (4)與其他廠家産品的性能對比本發明電池與不同廠家電池測試結果的對比見表2。
  
  3 结束语
  
  通过采用更改设计方案和采用低温配方,低温阀控式鉛酸蓄電池可实现在超低温条件下(-40℃),放电容量达到额定容量的50%以上。
  
注:文章來源UPS應用網

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