均勻設計法在鉛酸蓄電池正板柵合金研究中的應用

雷振躍 司鳳榮 彭澎

（中國船舶重工集團公司第七一二研究所，武漢 430064）

0 前言

目前鉛酸蓄電池因其技術成熟、價格低廉及安全可靠在市場上仍占主導地位。鉛酸蓄電池的正極板柵材料主要是鉛銻合金。鉛銻板柵合金具有循環壽命長、機械性能好、硬度高、鑄造性能好、制造工藝簡單等優點，同時鉛銻合金也存在缺點，在充放電過程中，銻離子進入電解液，通過隔膜擴散到負極上，并被還原成銻沉積在負極活性物質上，導致負極析氫電位的減低，電解液損耗加劇，加大了蓄電池自放電現象。因此，提高鉛銻合金的綜合性能非常重要。

均勻設計法是我國著名數學家王元院士和方開泰院士發明的一種試驗設計方法，它是繼正交設計、優選法之后的最有效的試驗設計方法之一。其特點是將試驗點均勻分布在試驗范圍內，用較少的試驗點來獲得最多的信息。本文運用均勻設計軟件針對鉛銻合金耐腐蝕性能和析氣電位進行了研究，建立數學模型并對其進行分析，找出影響合金各因素及各因素之間的關系，預報最優性能的配方。這對進一步提高鉛酸蓄電池板柵材料性能、提高鉛酸蓄電池壽命有非常重要的意義。

1 試驗設計

在以前試驗的基礎上，選取A、B、C、D四種影響低銻合金耐腐蝕及析氫過電位的元素進行試驗，每個因素考察6個水平。設計因素水平表見表1。

1.1 腐蝕失重試驗

將試樣表面打磨至鏡面，非工作面用環氧樹脂封住，暴露表面積約為3cm2。用分析天平稱重，丙酮除油，蒸餾水沖洗。板柵試樣以串聯形式進入腐蝕體系，溶液采用1.295g/cm3的H2SO4溶液，電流密度為 5 mA/cm2，腐蝕時間為 7 2h。試驗完畢后，除去氧化物，待試樣呈金屬本色，取出用蒸餾水沖洗后自然晾干，稱重。表2中Y1為試樣的腐蝕量。

1.2 析氫過電位試驗

試樣為圓柱體，工作面用水磨砂紙打磨至鏡面，背面用銅導線連接，用環氧樹脂封上非測試部分，工作面積為 8mm2。用丙酮清洗以除去表面油脂，蒸餾水沖洗。試驗在ZAHNER公司IM6e電化學工作站上完成。表2中Y2為試樣的析氫過電位。

1.3 試驗結果

試驗結果見表2。

表1 均勻設計因素水平表

表2 試驗方案及結果

2 試驗數據處理

用均勻設計軟件對上述試驗結果進行處理，采用逐步回歸法，建立數學模型。

引入變量的F檢驗域值F1=0.05

剔除變量的F檢驗域值F2=0.05

對Y1得到的回歸方程為：

相應的全相關系數 R2=0.9999，殘差標準差S=0.2080，

P=0.025<0.05，檢驗顯著。

對Y2得到的回歸方程為：

相應的全相關系數R2=0.9998，殘差標準差S=2.0826，

P=0.033<0.05，檢驗顯著。給各因變量賦權值，對多因變量進行綜合分析（見表5），得出全局最優解（見表6）。（根據因變量重要性賦權值，因變量值大好，權取正，值小好，權取負）。

表3 方差分析表1

表4 方差分析表2

表5 各因變量賦權值表

表6 全局最優解

3 分析與討論

回歸方程 Y1中，X1與 X2、X2與 X3、X2與 X4之間對合金的耐腐蝕性能存在交互影響，X1總體上為正影響；方程 Y2中，X1與 X3、X1與X4、X2與X3之間對合金的析氫過電位存在交互影響，X1總體上為負影響。

依據最優解可知合金最佳配方為：X1a，X2b+0.45，X3c+0.01，X4d+0.01，此配方的腐蝕量預報值為 5.3 mg/d，析氫過電位預報值為-709.3mV。考慮到澆注板柵時工藝實現的可行性，參照最優解微調了試驗配方 X1a+1，X2b+0.45，X3c+0.01，X4d+0.02。試驗結果表明合金性能良好，較好地滿足了蓄電池的使用要求。

4 結論

根據回歸方程找出了影響合金兩個性能的主要因素及各因素間的關系。X1對合金的耐腐蝕性能總體上正影響，對合金的析氫過電位總體上負影響； 利用均勻設計法對鉛酸蓄電池正板柵合金的配方進行了優化設計，得到了最佳配方。最優配方為：X1a+2，X2b+0.45，X3c+0.01，X4d+0.02，該合金較好地滿足了電池的使用要求；用均勻設計法進行試驗，節約了大量的人力物力，大大提高了工作效率。

[1]張紹輝等. 鈰對鉛銻合金電化學性能的影響. 蓄電池, 2003（1）: 4-5.

[2]朱松然. 蓄電池手冊.天津大學出版社, 1998.

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[4]楊濤. 鉛酸蓄電池正極板柵合金的研究[D]. 2003.

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