動力閥控式鉛酸電池的輕量化設計

沈旭培，方明學，陳勤忠

(天能電池集團股份有限公司，浙江 湖州 313100)

鉛酸電池的輕量化制造一直受到行業的關注。因為鉛材料約占鉛酸電池質量的68%～75%[1]，所以輕量化的核心是更科學、合理地使用鉛材料，同時，對產品設計精細化、設備先進化的要求也更嚴格。

經研發攻關和市場驗證，本文作者重點從采用鉛帶沖壓式板柵制造極板，平橋結構匯流排兩方面，介紹閥控式鉛酸(VRLA)電池的輕量化設計和制造工藝。

1 沖壓式板柵設計

板柵是極板的骨架，具有電子傳導功能[2]，應具有良好的耐腐蝕性和導電性。相對于富液電池而言，動力VRLA電池板柵受腐蝕的程度更深一些，主要是因為高電解液密度和貧液狀態下電池內部溫度偏高[3]。重力澆鑄式板柵是由480～530 ℃的鉛液冷卻至150～190 ℃的固體成型而成，因過冷度小[4]，導致合金的結晶中心少、晶粒粗大，致密性差，板柵內部孔隙率大，測得布氏硬度約為97 HBW10/1000/30[5]。通常用增厚的方法延長耐腐蝕周期，因此重力澆鑄式板柵相對偏厚。

沖壓式板柵是將碾軋成型的鉛帶冷卻至25～40 ℃，再經過模具沖壓成型。由于碾軋和沖壓的作用，板柵致密性好、板柵內部孔隙率小，測得布氏硬度約125 HBW10/1000/30[5]。基于此，沖壓式板柵的設計厚度約為重力澆鑄式板柵的60%～70%，考慮到板柵與鉛膏結合力的原因，沖壓式板柵的柵格面積設計為重力澆鑄式板柵的70%～80%。6-DF-100Q型動力VRLA電池的兩種板柵結構見圖1。

2 匯流排設計

傳統的VRLA電池匯流排多為跨橋結構[見圖2(a)]，需借助鉛零件將匯流排焊接，超出電池槽部分的鉛置于電池

圖1 重力澆鑄式和沖壓式板柵的結構示意圖

蓋的密封膠槽內。這一結構的缺點是耗鉛量大，且多數廠家使用乙炔氣體來焊接，對環境不友好。平橋結構匯流排采用鑄焊工藝，可省去鉛零件[見圖2(b)]，將匯流排全部置于電池蓋的密封膠槽內。為了節約電池槽隔墻所對應的密封膠，電池蓋采用頂部鏤空設計[6](見圖3)。

圖2 匯流排設計示意圖

圖3 頂部鏤空電池蓋示意圖

3 輕量化成效

6-DF-100Q型動力VRLA電池的極板配比為6正/7負，重力澆鑄式正板柵厚度為2.7 mm，質量為86 g，負板柵厚度為1.8 mm，質量為59 g。沖壓式正板柵厚度為1.7 mm，質量為68 g，負板柵厚度為1.2 mm，質量為46 g。每只電池正、負極板柵質量分別減輕648 g、546 g，板柵質量共計減輕1 194 g。跨橋結構匯流排質量為560 g，每只電池需要鉛零件530 g，平橋結構匯流排采用鑄焊工藝，為保證焊接質量，匯流排厚度增加1.5 mm，總質量為664 g，匯流排質量共計減輕426 g。由此可知，每只電池可以節約鉛1 620 g。電池總質量由34.5 kg輕量化至32.9 kg，比能量由34.8 Wh/kg提升至36.5 Wh/kg。由于活性物質量未變，兩種結構電池的實際容量相當[7]。

4 實際效果

重力澆鑄式板柵的產能與作業技能關聯度很大，據湖州某電池廠統計，同一臺鑄板機，由于作業技能差異，日產能的波動范圍約為10 000～17 000片，而沖壓式板柵的日產能約為320 000～340 000片，日產能提高約20倍。跨橋結構匯流排焊接工藝需提前生產鉛零件，再通過兩次焊接成型[8]，每只約耗時100 s，而平橋結構匯流排鑄焊工藝整體浸模，一次成型，每只約耗時45 s，生產效率提高約1.2倍。

自2018年起，輕量化的6-DF-100Q型動力VRLA電池共出廠660 086只，用于搬運車、掃地機、載貨三輪車等車輛。在使用19～23個月的921只售后電池中，僅46只出現板柵嚴重腐蝕現象，占比僅0.007%；同期，采用重力澆鑄式板柵裝配的6-DF-100Q型動力VRLA電池共出廠1 830 505只，在使用11～15個月的15 212只售后電池中，有1 832只出現板柵嚴重腐蝕現象，占比0.12%。從售后電池的數量和使用時間可看出，沖壓式板柵既提高了電池的穩定性，也使板柵耐腐蝕周期延長8個月以上。平橋結構匯流排不僅節約鉛耗，也不需要使用乙炔氣體，有利于安全生產和環保。目前，輕量化電池已上市6-DF-100Q型和6-DF-80Q型兩款，并經過了約3a的市場驗證。

5 結束語

相對于重力澆鑄式板柵而言，沖壓式板柵雖厚度減薄，但致密性和硬度增強，且制造時表現出良好的質量穩定性，在使用時表現出顯著的耐腐蝕性和導電性。

本文作者從結構設計和制造工藝上介紹了電池輕量化，若有更好的化學元素提高板柵硬度，更好的添加劑高活性物質利用率，對輕量化會更有幫助。