關于炭材料對通信VRLA電池性能的影響分析

阮學恒

摘 要：為延長通信VRLA電池使用壽命，炭材料作為添加劑在電池負極中得到了應用。為了解炭材料給電池性能帶來的影響，文章在分析炭材料應用原理的基礎上，開展了電池性能測試實驗。從實驗結果來看，在炭材料添加量達到0.6%時能夠使電池保持最優性能，促使電池循環使用次數得到增加。

關鍵詞：炭材料;通信VRLA電池;導電性能

1 ? ?炭材料在通信VRLA電池中的應用

在通信密封式閥控鉛酸蓄電池（Valve-Regulated Lead-Acid battery，VRLA）中，電池壽命主要受到負極硫酸鹽化的影響。在高倍率部分荷電狀態下工作，硫酸鹽晶體將在電池負極板表面聚集，導致不可逆的硫酸鹽化現象發生，使得電極板內部電阻增加，引發電池失效[1]。將炭材料當成是負極添加劑，融入負極活性物質中，可以減少各種晶體的接觸，避免大量溶解度低的硫酸鹽晶體產生。炭材料擁有較高導電性，可以提高電子傳輸率，促使硫酸鹽晶體實現電子轉化。在電池處于部分荷電狀態下時，炭材料將形成導電網絡矩陣，提供傳輸電子的通路，促使活性物質的導電性得到增強，使析氫反應的發生率得到降低[2]。因此就目前來看，炭材料作為負極板的添加劑在通信VRLA電池中得到了應用，可以通過添加一種或幾種炭材料促使電池達到最優性能。

2 ? ?炭材料對通信VRLA電池性能的影響分析

2.1 ?實驗條件

2.1.1 ?電池制備

為研究炭材料對通信VRLA電池性能的影響，需要采用不同負極鉛膏配方進行實驗通信VRLA電池制備，使炭材料添加量分別達到0%，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%和1%，其余腐殖酸等添加劑按照正常量添加。將手工制作的涂片負極板與常規正極板組裝在一起，按照每種配方3只電池進行電池制備，可以得到15只電池。

2.1.2 ?測試條件

在對電池性能進行測試時，需要采用激光顆粒分布測量儀和電化學工作站，并配備電池測試系統和精密可調恒溫水浴槽。采用對電極為Pt電極，參比電極為汞/硫酸亞汞電極，在1.28 g/cm?硫酸溶液中進行電解，蓄電池容積為8 Ah。按照GB/T 5008.1-2013等規定進行電池性能測試，需要先將電池充滿電，需要先在1～4 h內將電池充滿，然后恒流放電10 h，電流記為I0在0 ℃存放48 h后充電300 s，記錄300 s的電流Ica，對300 s內I0與Ica比值進行計算，確定電池充放電接受能力。在動態充放電接受性能測試時，需要以2倍I0對充滿電狀態下的電池放電2 h，達到80%荷電后充電300 s，然后放電至70%，再次充300 s。連續實驗過程中，轉換時間不超120 s。對60%～80%荷電狀態下的充至300 s的電流進行記錄，可以得到真實電量Q300 s。對電池深循環壽命進行測試，需要在滿電荷狀態下以4倍I0放電120 min，然后在恒壓限流條件下，以6充電30 min，之后放電20 min，直至達到1.67 V。重復60次，最高電壓降達到100 mV。

2.2 ?性能分析

2.2.1 ?導電性能分析

在對幾組電池導電性能進行測試時，需要對相同配方測試組的平均值進行求取。從測試結果來看，在炭材料添加量增多的情況下，電池導電性能呈現出先增強后減小的變化。從電池充電能力變化情況來看，在炭材料添加量達到0.6%時，電池充電性能最佳。在充電10 min時，電池充電量比添加量達到0.2%時增加近52%。但隨著炭材料量的增加，300 s時電流有所減小。分析原因可知，添加炭材料能夠使電池重復使用過程中的極化現象得到抑制，促使硫酸鉛增加速度達到最大。在50%荷電狀態下，活性物中內阻最小，能夠使硫酸鹽化現象得到減少，繼而使電池導電性能得到提升。但持續增加炭材料，將導致其較難與活性物質相容，出現結合力下降問題。在電池重復使用期間，將導致接觸電阻增加，促使電阻發生極化，繼而導致電池導電性下降。因此在應用炭材料時，還應加強用量控制。

2.2.2 ?接受能力分析

進一步分析電池接受能力可以發現，在常溫狀態下，隨著炭材料增加，還原峰電流不斷增加，電極還原反應有所加強。因為在炭材料增加的情況下，電極表面積增大，固液界面鉛離子擴散加快，使得電子運行加速，因此電池充電性能有所改善。在80%～90%的荷電狀態下，添加0.2%的炭材料，與不添加炭材料的電池充入量相差不大。但在炭材料用量達到0.6%時，80%～90%荷電狀態下可以達到較高充入量，Q值在0.15～0.20 Ah范圍內。在70%～80%狀態下，炭材料用量為0.8%時充入量較大，Q值在0.3～0.45 Ah變化。在炭材料顆粒間緊密結合的情況下，能夠使導電網絡的導電速度得到提升，放電時將生成硫酸鉛，被炭材料圍住，發揮晶核作用，繼而使電池的接受能力得到增強。

2.2.3 ?循環壽命分析

從電池循環壽命變化情況來看，在50%的荷電下對電池重復使用，使用次數最初伴隨著炭材料添加量的增加而增加，隨后則有所減少。在添加量達到0.4%時，循環使用次數能夠達到286次，添加量增加至0.6%，使用次數達到1 348次，次數得到了大幅度提升。但在添加量達到0.8%后，使用次數下降至372次。分析原因可知，炭材料能夠使負極活性物質的導電性提高，從而使活性物質得到充分利用，繼而達到延長電池使用壽命的目標。

3 ? ?結語

炭材料應用在通信VRLA電池中將發揮有益作用，在電池負極板中適量添加炭材料，可以形成特殊導電結構，能夠使電流給電池帶來的損害得到減弱，促使電池導電性能得到提升，充受電能力得到改善，從而獲得更長的循環壽命。因此相信在通信VRLA電池研制方面，炭材料可以獲得良好的應用前景。

[參考文獻]

[1]張菲菲，王俊霞，楊勇，等.閥控鉛酸蓄電池的性能檢測和監控方案[J].電力與能源，2020（1）：80-83.

[2]張峰博，郭志剛，陳強，等.裝配壓力對動力型VRLA電池性能的影響[J].蓄電池，2019（1）：42-45.