動力電池板柵在CO2蒸汽處理后的循環性能仿真

袁 罡，劉恩喆，李登峻

(1.江西電力職業技術學院，江西南昌330000；2.南昌工程學院，江西南昌330000)

動力電池板柵在CO2蒸汽處理后的循環性能仿真

袁 罡1，劉恩喆2，李登峻1

(1.江西電力職業技術學院，江西南昌330000；2.南昌工程學院，江西南昌330000)

將鉛酸蓄電池的正、負板柵用富含二氧化碳的蒸汽處理后，使其表面生成堿式碳酸鉛，將其制備成動力電池極板后組裝成電池，并利用仿真軟件Simulink對所得電池的性能進行分析。研究發現通過這一方法可提高極板強度，還可提高電池的充電合格率及電池組循環的一致性，同時可使電池的使用壽命和性能得到明顯提升。

二氧化碳蒸汽；鉛酸蓄電池；使用壽命；性能；仿真

鉛酸蓄電池存在容量衰減速度快、使用壽命短等問題，而造成其壽命短的主要原因包括活性物質的脫落、板柵的腐蝕變形及電解液干涸等，固化和涂膏這兩道工序對電池的一致性及熟極板的質量影響較大，進而影響電池的性能及使用壽命[1]。本文將普通板柵與用富含二氧化碳蒸汽處理過的板柵分別組裝得到電池，然后對電池的性能進行分析，進而對極板的生產工藝提出改善意見。

1 實驗

在密度較高的二氧化碳環境下對板柵進行加熱加濕處理后，其表面會生成堿式碳酸鉛2 PbCO3·Pb(OH)2，在鉛膏中堿式碳酸鉛的溶解度大于金屬鉛和氧化鉛，迅速分解成PbO，在板柵的表面形成腐蝕層，進而增大了鉛膏與板柵的接觸面積。在固化或涂片的過程中，板柵表面的PbO與鉛膏快速融合，形成PbO-PbO的共價鍵，進而增大板柵與活性物質的結合強度，提高了二者的結合力，可在提高固化質量的同時縮短固化時間。

在對板柵表面進行預處理時，首先選取新澆鑄的6-DZM-12Ah電池的正極板柵90片(9連片)和負極板柵100片(9連片)，將其掛在極板架上后放于固化室內，向固化室中通入溫度為45～50℃的二氧化碳蒸汽。關閉固化室后利用蒸汽閥對其加熱使其溫度為60～65℃，每隔2 h補充一次二氧化碳氣體，10 h后再加入一定量的二氧化碳氣體并將溫度升高至78℃，保持10 h。關閉蒸汽閥后，在60℃下進行干燥處理并持續4 h，將板柵取出后備用。在對極板的強度進行測試時，首先對生極板稱重，將極板兩面分別從高處跌至測試平臺后，敲去已經脫離極板的活性物質，再次稱重，重復上述動作直至活性物質完全脫離。

在組裝電池時，在相同的工藝下將經富含二氧化碳蒸汽處理后的板柵和其它板柵分別進行涂板、固化和化成，制成熟極板。將制備所得熟極板(實驗極板)與正常極板隨機組合成為4種極群，如表1所示，采用相同的工藝對組裝電池進行比較分析，每種電池組裝成8只，編號A～H。采用Simulink仿真軟件對每組電池的循環壽命和一致性進行測試。

表1 極群方式

2 結果與分析

將生極板置于某一高度，使其一面水平與測試平臺自由下落，然后再將另一面平行于測試平臺自由下落，即完成1次跌落。文獻研究可知，連續跌落次數可以衡量活性物質與板柵的結合狀態，即強度。因此，本實驗采取上述跌落方式連續跌落，直到板柵上的活性物質完全脫離，將脫離時的跌落次數記為連續跌落次數。經過連續跌落實驗可知，實驗正極板和正常正極板的連續跌落次數分別為20次、16次，實驗負極板和正常負極板分別為26次和22次。由此看出，經過富含二氧化碳蒸汽處理后的實驗正極板和負極板強度均有所提高，分別提高了25%和18%。

圖1為連續跌落過程中活性物質掉落量，由此可見，正常極板每次跌落后損失的活性物質最大量要比實驗極板多。可以推斷，富含二氧化碳蒸汽處理后的板柵與活性物質結合力更強。這是因為，板柵表面經過富含二氧化碳處理后，表面生成了凹凸不平腐蝕層，增加了板柵與活性物質的接觸面積，使其結合力更強，腐蝕層掃描電子顯微鏡法(SEM)形貌如圖2所示。

圖1 連續跌落過程中活性物質掉落量

圖2 板柵表面腐蝕層

按照電池制造工藝，將上述四類電池每類生產四只，全部加酸充電備用。經過檢測，16只電池的兩小時容量值全部在130 min以上，能夠滿足本實驗所需。文獻[2]指出，按照規格相同的一組電池組裝成電池組，其內阻、衰退率、容量、荷電量、電壓等以及隨著時間變化率、自放電率、壽命、溫度對電池的影響等，這些參數在校驗電池組一致性時常常以端電壓變化來衡量。這是因為電池組運行的微環境、生產工藝、配件以及原料等因素不可能完全一致也會導致電池運行過程中出現參數差異，而且電池組所含單元電池數量越多，其差異越大[3]。

圖3為四個電池組在600次循環過程中單個電池的最大電壓差，四類電池最大電壓差隨著循環次數的增加而增大。當循環次數在0～150次時，每類電池的最大電壓差都很小。當循環次數為150～350次時，#2～#4三類電池最大電壓差增大明顯，而#1電池電壓差增大幅度較小。600次循環過程中，#1電池最大電壓差較小，最大電壓差排序為#1電池＜#2電池＜#3電池＜#4電池。因此，正、負極板都經過富含二氧化碳蒸汽處理后的#1電池具有最好的一致性，正、負極板均未經過富含二氧化碳蒸汽處理后的#4電池一致性最差。由此推斷，板柵經過富含二氧化碳蒸汽處理后，提高了電池組的一致性，降低了單個電池間的最大電壓差。

圖3 四個電池組在600次循環過程中的最大電壓差

鉛酸電池的使用壽命是直接影響用戶的，其電池失效原因為硫酸鹽化不可逆、匯流排被腐蝕、電解液干枯、活性物質脫落、正極板柵變形等。圖4為實驗中的8只電池的循環壽命對比。由此看出，相比沒經過富含二氧化碳蒸汽處理過的#4電池，#1電池循環壽命明顯增加。在#1電池壽命終止后，對其解剖發現正極板柵變形和匯流排被腐蝕是壽命終止的主要原因。而#4電池則是因為電解液干枯、活性物質脫落導致的壽命終止。由此推斷，富含二氧化碳蒸汽處理后的板柵改變了電池的失效方式，抑制了板柵活性物質脫落，提高了電池的壽命[4]。

圖4 四類電池的循環壽命對比

3 結論

通過本文實驗可知，富含二氧化碳蒸汽處理后的鉛酸蓄電池正、負極板柵表面生成了一層腐蝕產物。腐蝕產物增加了板柵與活性物質的接觸面積，提高了鉛膏與正、負極板的結合強度，增強了活性物質與板柵結合力。對單個電池容量及電壓穩定性起到了明顯的改善作用。用此類電池組裝的電池組600次循環后具有很小的最大電壓差，提高了電池組循環均勻性，從而改善了單個電池及電池組的壽命。

[1]黃連清.新型曲面板柵結構對鉛酸蓄電池性能的影響[J].蓄電池，2016(4)：182-185.

[2]高林霞，朱新鋒，劉建文，等.鋅雜質對鉛酸蓄電池性能的影響——基于檸檬酸/檸檬酸鈉體系回收廢鉛膏[J].蓄電池，2014(2)：56-59，92.

[3]陳清元，鄧成智，劉峰，等.富含CO2蒸汽處理后板柵對鉛酸蓄電池性能的影響[J].蓄電池，2013(6)：280-282，286.

[4]胡信國，林道勇.閥控鉛酸蓄電池板柵合金的電化學性能研究[J].電源技術，2004(3)：133-136.

Simulation of cycle performance of power grid panel after CO2steam treatment

YUAN Gang1,LIU En-zhe2,LI Deng-jun1
(1.Jiangxi Vocational&Technical College of Electricity,Nanchang Jiangxi 330000,China;2.Nanchang Institute of Technology,Nanchang Jiangxi 330000,China)

The positive and negative grid of lead-acid batteries wad treated with steam-enriched carbon dioxide,and the surface was with basic lead carbonate,and it was prepared into a battery pack and assembled into battery.The performance of the battery was analyzed by using the simulation software Simulink. The results show that the strength of the plate,the battery charging rate and the consistency of the battery cycle can be improved,and also the service life and performance of the battery are improved.

carbon dioxide steam;lead-acid battery;service life;performance;simulation

TM 912.9

A

1002-087 X(2017)10-1446-02

2017-03-15

江西省教育廳2015江西省高校人文社科基金項目(FX0922)

袁罡(1968—)，男，湖南省人，副教授，主要研究方向為數字電力。