鉛酸蓄電池正、負極活性物質質量比的探討

王興鋒，黃毅，顧立貞，馬廣磊，金巍

（江蘇華富儲能新技術股份有限公司，江蘇 揚州 225600）

0 引言

常規閥控式鉛酸蓄電池極群結構設計為負極板比正極板多一片。不同的極群結構和正、負極活性物質質量比對電池性能是有影響的[1-2]。常規電池中極群兩邊負極板的利用率較低，一般為極群中間負極板的 50 %～65 %，所以在正、負活性物質質量比合理的情況下，一般用正極板計算電池的容量[3-4]。關于蓄電池負板兩側邊板重量的問題之前已經做了相關的試驗研究[5]。本文中，筆者通過制備正、負極板數量相同的鉛酸蓄電池，對靠近邊正極板的負極板采用不同的活性物質質量，探討電池容量的變化，30 % DOD 放電時末期電壓的變化和失水量變化。

1 實驗

1.1 極板的制備

采用尺寸為 151 mm×154 mm×2.8 mm Pb-Ca合金正板柵（單片質量 100 g）和尺寸為 151 mm×155 mm×1.75 mm Pb-Ca 合金負板柵（單片質量70 g），經和膏（常規配方）、涂片、固化、干燥等正常生產工藝制得單片質量分別為 220 g、235 g、250 g、265 g 的負極板（編號分別為 A、B、C、D）。所用正極板（采用正常生產工藝制作，編號為 E）的質量均為 340 g。負極板 A 與正極板 E 的活性物質質量比為常規配比。

1.2 鉛酸蓄電池的制備

選定外形尺寸為 171 mm × 72 mm × 205 mm電池殼，按圖 1 中兩種極群結構制備 2 V 100 Ah 電池。每個極群只含 1 片實驗負極板，其余均為負極板 A。采用 AGM 隔板雙層包正板的方式，按表 1 進行裝配。然后，采用內化成工藝，制得實驗電池。硫酸電解液密度為（1.255 ± 0.005）g/cm3。

表1 實驗電池裝配方式

圖1 極群結構

1.3 電池容量測試

容量測試方法：在（25±5）℃ 溫度下，采用恒壓限流充電模式，在 2.35 V 電壓下以 20 A 電流充電 15 h，使電池達到完全充滿狀態。然后，以 10 A恒電流放電至終止電壓 1.8 V。

由表 2、圖 2 可見，編號為 2V-0 的電池與其它電池在容量上相差接近 10 Ah，表明少 1 片負極板對電池容量有明顯影響。當改變實驗負極板的質量時，電池容量也發生變化。實驗負極板越輕，電池的初始容量越低；實驗負極板越重，初始容量越高。但是，隨著實驗負極板的質量增至某一數值后，也就是當單片負極板與單片正極板的活性物質的質量比超過 0.7 時，電池的初始容量不再增加。2V-C 和 2V-D 的初始容量及放電曲線幾乎一致。

表2 實驗電池的放電時間和容量

圖2 實驗電池的放電曲線

1.4 電池 30 % DOD 循環性能測試

30 % DOD 循環性能測試的方法：（1）（25 ±5）℃ 條件下，完全充滿狀態的蓄電池以恒流 0.1C（C 為 10 A 放電時各電池的初始容量）放電 3 h。接著，在恒壓限流充電模式下，以恒壓 2.35 V 和電流0.2C 充電 4.5 h。然后，靜止 1 h。重復以上充放電過程 100 次。（2）經過 100 次循環后，在（25 ± 5）℃條件下，將完全充滿狀態的蓄電池以恒流 0.1C10（C10為電池的額定 10 小時率容量）放電 3 h。接著，在恒壓限流充電模式下，以恒壓 2.35 V 和電流0.2C10充電 4.5 h。然后，靜止 1 h。重復以上充放電過程 100 次。

圖3 表明，5 種實驗電池的末期電壓曲線走勢無明顯差異，但末期電壓值存在細微的偏差。初始容量越低，末期電壓越高；初始容量越高，末期電壓越低。通過分析可以知道，末期電壓存在偏差的原因主要是選擇以 0.1C 電流充電，導致 5 種實驗電池本身的放電倍率不一致。鑒于此情況，將實驗電池的初始容量通過普科特（Peukert）方程[6]

圖3 實驗電池的 30 % DOD 放電末期電壓（0.1C）

n = （lg t2– lg t1）/（lg I1– lg I2）

換算成 10 小時率容量（C10）。在式中：n 為常數，且 n = 0.057δ+1.13[7]（δ為正極板厚度，本實驗中 δ 為 3.08 mm）。依據表 3 中實驗電池的 10小時率容量，以 0.1C10電流放電 3 h，再次進行充放電循環 100 次，并記錄電池的末期電壓。圖 4 中結果表明，所做的實驗電池的末期電壓無明顯差異，也就是說電池少 1 片負極板對其循環性能沒有影響。

圖4 實驗電池的 30 % DOD 放電末期電壓（0.1C10）

表3 中循環前后的電池質量和圖 5 中的失水量數據表明，循環 200 次后電池的失水量在 32～34 g之間，折算后的水損耗為 0.34～0.35 g/Ah。5 種實驗電池的數據接近，表明少 1 片負極板后對電池的水損耗影響不明顯。

表3 實驗電池的 C10 容量和循環前后的質量

圖5 實驗電池循環后的失水量

2 結論

通過對比發現，無論是采用正、負極板數量相同的極群結構，還是采用負極板比正極板多 1 片的極群結構，電池的循環性能和失水量沒有差別。但是，采用正、負極板數量相同的極群結構會使電池容量明顯降低。主要是由于邊正極板的利用率降低，容量降低約 50 % 左右。增加靠近邊正極板的負極活性物質的質量可使電池容量略有提升，但當單片負極板與單片正極板的活性物質的質量比超過0.7 時，容量不再增加。