VRLA電池極群結構的設計與電性能的提升

李軻

摘要：電池的結構分為極板、隔膜、電解液等多個部分。極群結構是其中的核心之一，和電池的電性能息息相關。文章就極群結構的設計進行了分析與計算，同時對電性能的提升進行了研究分析。

關鍵詞：VRLA電池；極群結構；電性能

早在20世紀80年代，就有研究人員提出VRLA會在固定型蓄電池領域發揮重大的作用，將取代傳統的GF型電池。那時的固定型蓄電池研究已經取得了一定的進展，積累了豐富的經驗。但是在實際應用中，VRLA電池出現了各種質量問題，同時電性能也較差。因此，需要進行針對性的研究，加強對VRLA電池極群結構的設計，提高VRLA電池的電性能。

1 電池的內涵

電池指的是可以提供一定電能的裝置，將多種電池元件通過焊接匯流排、極柱等特定的加工方式，再加入隔膜使電池形成正、負極群，裝入并封合電他槽，再注入電解液，就形成了電池。

但是，電池并不是將各個元件單純地組裝上去，而是需要一個固定的工序，充分發揮各個部分的性能。組裝是電池生產的總結，也就是說，對于極板等電池元件生產的目的是為了最后成為一個電池。因此，必須要保證電池具備提供電性能的能力，電池元件并不是通過簡單的組裝而成的，而是需要經過嚴格的加工，充分發揮不同元件的性能。這也是市場上很多電池使用的元件都是相同的，但最終的電池性能卻各不相同的原因。電池是一個獨立的、嚴謹的加工工藝；在電池組裝后，核心在于極群結構的設計與計算。

由此可以得出，電池的本質是一個商品，因此它必須具備商品所有的屬性，即經濟性、實用性、安全性、科學性。第一，生產中要控制投入成本，這樣才能保證電池有一個合適的價格；第二，要能夠充分發揮電池中的電性能，同時要保證電池的使用壽命；第三，電池的性能要可靠，使用較為安全；第四，電池的設計要緊跟時代腳步，應用先進的科學技術。這同時也對電池極群結構的設計提出了全新的要求。

2 極群結構的重要性

如圖1所示，這是一個電池的極群結構。

在極群結構中，有些參數是由電池的元件帶入的，在加工過程中并不會出現變化，例如正負極板的厚度、電池槽內徑尺寸等等。如何保證各個元件之間的完美契合，是極群結構設計的重點。

3 鉛零件與匯流排

3.1 極柱

從我國目前的生產狀況來看，極柱的形狀主要分為兩種，第一種是圓形截面，端極柱必須為圓形，中間串連單體電池極柱；另一種截面為半圓形。在極柱的連接方式上，分為跨越式和穿壁式，如圖2-3所示。

極柱是電池內外電流所必經的通道，因此，一般對截面積有著明確的要求，必須要能承受最大充電和放電電流，在計算時，可以根據以下公式：

S=IRL/16

其中，S代表的是極柱的橫截面面積（mm）；玳表的是大電流放電電流4（A）；R代表的是匯流排合金電阻（Q）；L代表的是極柱底臺和頂端的距離（mm）；16代表的是系數。

在施工現場，可以使用一些簡便的方法進行計算。例如在自然散熱的過程中，允許通過的電流密度為15～2A，mm²，總電流的通過量一般是電池額定容量的4倍以上。

3.2 匯流排

匯流排指的是電池在充、放電過程匯集成流的通道。在對電池裝備的過程中，需要將正極板和負極板分別在其極耳上部用焊接合金將極柱和其他的同性極板進行焊接，此時需要焊接的部位就叫匯流排。

匯流排的長度和并聯極板的數目相關，同時每側的長度余下2mm左右，保證邊極板和匯流排之間的緊密性。匯流排的具體厚度要根據元件所規定的橫截面積進行計算，必須要具備一定的厚度，保證在大電流通過的過程中不會出現過熱的情況，以防熔化。一般在對匯流排設計的過程中，要保證通過數倍容量的放電電流不融、不斷，同時還要考慮到電壓降等因素，一般以通過電流1.5～2A/mm²為標準。在設計匯流排的寬度時，一般要在極耳寬度每側增加2mm為標準。

在VRLA電池的設計過程中，設計人員往往會忽略對鉛零件以及匯流排的設計，認為這不屬于極群結構。但從實踐中可以發現，這是設計過程中的一個漏洞，尤其是在小型密封電池的設計中。調查數據顯示，電池中有60%以上的質量故障，其原因都是由于鉛零件或匯流排中極耳焊接存在問題。出現這個問題的主要原因就是在對匯流排設計時，沒有考慮到在寬度上增加2mm的余量，導致焊接工作出現問題。

3.3 極板、極群結構與參數

將同名的單片極板并聯，組成極群，在對同名極板中心距進行計算時，可以采用以下公式：

D=d_正+d_負+2d_隔

其中，D指的是同名極板中心距離，d_正指的是正極板的厚度，d_負指的是負極板的厚度，d_隔指的是隔板在壓縮后呈現的厚度。

經過分析得出，在公式中，正極板和負極板的厚度都是定值，唯一的變量只有隔膜。其中包括隔膜的厚度、量、壓縮比等多種問題。這也是極板、極群結構設計中的重點問題。

VRLA電池又被稱作“免維護”電池，其OOAGM隔膜是該電池的核心技術。在VRLA電池的設計中，主要有兩方面重點技術：第一，通過Pb-Ca無銻合金技術，提高析氫過電位；第二，應用AGM隔膜技術，對傳統的電池生產技術進行改善，使電池成為貧液式，同時在電池正極充電的過程中，將產生的氧通過特定的渠道通向負極通道，在負極被吸收。這樣一來，就有效消除了電池中出現的氧，達到了免維護的目的。

松緊度的具體參數如圖4所示。其中H_zo代表的是極群總厚，從圖中可以看出，H_zo和電池槽的內徑H_c是相同的，這也代表著電池松緊度的參數。但是從實踐經驗來看，這里的電池槽內徑大多數情況下指的只是電池槽上口的內徑。但是在實際的生產過程中，上下口徑之間存在一定的區別，一般上口要比下口略大，因此，在生產過程中，要仔細分析下部內徑尺寸。

在免維護電池發展的初級階段，認為電池的松緊度應當在80%左右。經過多年的發展，現在看來，電池的松緊度需要考慮以下兩個因素：第一，電池槽內徑上下口之間存在一定的區別；第二，隔膜在受到酸反應后會產生變薄反應。因此，在松緊度上，可以設計在1以上。

極群最大外廓尺寸和隔膜的參數有著直接關系，通過對圖4H_zo的分析可以得出以下公式：

H_c=H_zo

H_zo=H_j+△=H_n+H_p+△

H_j指的是極板的總厚度，H_n指的是負極板的總厚度，H_p指的是正極板總厚度，△指的是正負極板之間的空隙之和，也就是隔膜壓縮后的總厚度。其中，△是一個非常關鍵的參數，直接和隔膜采用的數量、厚度、壓縮比以及裝備壓力等系數相關。

4 結語

電池裝配和電池的質量息息相關，直接決定了電池的電性能以及質量標準，而電池的裝配質量取決于電池的極群結構設計。從我國傳統的電池制造過程來看，很多企業都忽視了極群結構設計在電池生產中的重要性，導致電池的電性能差，阻礙了我國VRLA電池的發展。綜上所述可以發現，VRLA電池的極群結構和電池的性能息息相關，因此，企業在生產的過程中，必須要對VRLA電池的極群結構進行全面的分析和計算，包括鉛零件、匯流排、極柱等多個方面，并通過公式對極群結構的參數進行計算，為電池的電性能提供數據基礎，提高VRLA電池的電性能，促進我國VRLA電池的發展。