12 V高功率鉛酸蓄電池設計與探討

苗壯，王金生

（山東圣陽電源股份有限公司，山東 曲阜 273100）

0 引言

目前，高功率蓄電池被廣泛應用在通信基站、UPS 機房、大型數據中心等場所，在不間斷電源UPS 中發揮著舉足輕重的作用。2 V高功率電池由于可輸出功率較大而受到市場青睞。它的端子一般位于電池頂部兩側，豎直向上。但是，這種結構設計對于大組并聯安裝使用維護不太方便，所以筆者探討了12 V高功率鉛酸蓄電池設計與開發，一般采用1×6結構和2×3結構，而且分別采用頂端子和前置端子[1]。尤其是，由于安裝維護都是從電池前端進行的，前置端子設計方式使得安裝、使用、維護、巡檢更加方便，而且可采用柜式、架式或組合式等多種安裝方式，提高了空間的利用率，節省了安裝空間。另外，12 V高功率鉛酸蓄電池具有更高的單格功率，而且重量比功率和體積比功率相比于傳統鉛酸蓄電池更高，在常用UPS中配置，可有效減少并聯電池的數量，更適用于大型數據中心應用。

1 12 V高功率鉛酸蓄電池設計

針對12 V高功率鉛酸蓄電池的使用特點，主要從以下幾個方面綜合考慮：

1.1 高功率板柵設計

板柵作為鉛膏的承載體，在蓄電池設計中起到至關重要的作用。針對高功率蓄電池短時高倍率放電的特點，需要適當提高板柵合金中錫的含量，提高板柵的耐腐蝕性能。并且，采用放射狀筋條設計，使筋條分布更加科學合理，并適當增加主筋條數量并加粗，提高板柵的機械強度，提升筋條大電流承載能力，增加筋條與鉛膏結合的有效面積，使其更有利于的電子的高效傳導。另外，針對極耳部位，采用寬極耳設計，提高極耳焊接操作工藝性及電子導通能力。

1.2 高功率鉛膏配方

采用傳統鉛膏配方已不足以滿足蓄電池高功率性能要求，需要特殊設計，并且采用特殊的添加劑。文獻中有硫酸鋇、木素等材料提高蓄電池功率性能等方面的相關理論闡述。對于高功率蓄電池，筆者認為還應著重考慮幾種添加劑的使用，比如：在鉛膏配方中添加4BS晶種，保證蓄電池具有較長的循環壽命；適當添加硫酸亞錫，提高蓄電池高功率性能及充電接受能力；通過添加劑的合理搭配有效解決產品壽命及高功率性能的平衡。

炭材料的使用對蓄電池的高功率性能尤為關鍵。適當提高負極配方中炭材料的含量，可以有效地改善高倍率部分荷電態充放電循環下，極板活性物質中硫酸鉛的積累，從而提高鉛酸蓄電池在此應用場景下的循環壽命[2]。Masaaki Shiomi 對該現象的機理進行深入研究，并首次提出導電網絡理論（見圖1[3]）。他認為，負極中添加的炭材料在硫酸鉛顆粒中間形成導電網絡，從而使得負極板中的硫酸鉛更容易被還原為鉛。由于炭材料具有較高的比表面積，可有效分布于硫酸鉛與硫酸鉛晶粒之間，從而抑制因硫酸鉛晶粒的長大效應造成的電池失效。同時，可增加鉛膏的比表面積，提高蓄電池的充電接收能力。并且，在高倍率大電流放電時，炭材料因其優良的導電性能具有電容效應，可以有效地緩解大電流放電對鉛膏結構帶來的沖擊，提升高功率性能。

圖1 導電網絡

1.3 極板設計

由蓄電池放電特性可知，蓄電池的放電過程，總是從極板表面向極板深處逐步進行的。放電一開始，活性物質表面及孔隙中的硫酸被消耗，硫酸濃度立即下降。然而，硫酸的擴散是緩慢過程，不能立即補償放電過程中所消耗的硫酸，尤其是在高倍率放電時。若硫酸不能及時補充到極板活性物質及微孔處，會造成電池電壓急劇下降，從而引起容量輸出受限。因此，需要減小極板之間的距離，即減小極板面間距，所以增大反應表面積尤為重要。這樣就需要將極板設計的更薄，即采用薄極板多片設計，增加正極板和負極板的數量，以此來提高功率放電性能，減小高倍率短時放電過程中濃差極化和電化學極化程度。

1.4 隔板選擇

隔板是鉛酸蓄電池的重要組成部分，被稱為鉛酸蓄電池的“第三極”[4]。AGM 電池通常采用的是玻璃纖維棉，主要有防止正負極板活性物質接觸短路，提供氧復合通道，保持電解液等作用。高功率蓄電池對隔板的要求更加苛刻。一般需要選擇較薄的隔板，因為隔板越薄，電阻就越小，從而可增強隔板中離子的傳導能力。而且，隔板應具有優良的吸收電解液和保留電解液的能力，以便提高電解液的利用率。另外，隔板要具有較高的抗穿刺能力和濕態回彈率，一方面可以克服裝配壓力對隔板造成的沖擊，另一方面在頻繁高倍率放電時提高隔板使用壽命，降低由隔板濕態彈性失效造成的裝配壓力降低，從而影響高功率電池有效功率輸出。

1.5 提高裝配壓力

提高極群的裝配壓力，保證隔板和極板的有效接觸，有利于提高大倍率放電時硫酸的利用率。并且，提高裝配壓力可以抑制因頻繁高倍率充放電造成的活性物質膨脹及泥化脫落，降低蓄電池的內阻，以此來提升蓄電池功率性能。筆者采用不同裝配壓力的12 V高功率蓄電池進行恒功率放電實驗（放電到 1.67 V/單體），得到表1所示結果。

表1 不同裝配壓力下電池恒功率放電結果

從恒功率放電結果來看，裝配壓力增大后，蓄電池功率性能有所提升，但不能無限度地提高裝配比，因為裝配比過高，會造成極群入槽異常困難，而且注液的難度也會大大提升，甚至會出現注液無法達到極板底部，造成極板化成不良等副作用。經過驗證，筆者認為高功率蓄電池裝配壓力應控制在18 %～25 %，不僅不影響裝配工藝的可操作性，而且可以提升電池的功率性能，延長蓄電池的使用壽命。

1.6 飽和度控制

飽和度過高，影響電池中氧的再化合效率，間接影響鉛酸蓄電池的壽命。飽和度過低，使氧化合速率增快。由于反應過程中放熱，過快的氧氣再化合速率會加速電解液的損失，甚至會引起蓄電池的熱失控現象發生，造成極大的安全隱患，因此控制電池中的飽和度是鉛酸蓄電池設計的一個重要因素。由于高功率蓄電池需要短時大倍率放電，過低的飽和度電解液不足以短時間內補充放電過程中硫酸的消耗，影響功率性能。但是，飽和度過高，會使充電效率降低，影響高功率電池的充電接收能力，從而影響高倍率循環性能。因此，一般高功率蓄電池飽和度控制在92 %～98 %為宜。

2 12 V高功率電池測試

結合以上設計要點，開發了12 V高功率鉛酸蓄電池，目前已批量投產。筆者從批量化生產的電池中，隨機抽取一組2只12 V高功率鉛蓄電池，按照 YD/T 3427—2018標準中第7.24.2條驗證其高倍率恒功率循環壽命。將電池串聯，經完全充電后，在25 ℃±5 ℃環境中進行恒功率循環壽命實驗。具體測試方法如下：①以700 W恒功率放電至電壓1.67 V/單體，即整組終止電壓為20.04 V；②以0.15C限流，在2.35 V/單體（即14.1 V/只，28.2 V/組）條件下恒壓充電16 h；③重復步驟 ①～②進行循環，前15次放電時間不低于15 min，當放電時間低于12 min時結束實驗；④ 實驗結果應符合不小于 60 次的要求。

經過實驗，所測電池前15次循環放電時間大于15 min，恒功率循環共進行 241 次，有效循環為240次，遠遠大于標準要求，見圖 2。

圖2 恒功率循環放電曲線（2只電池）

3 結束語

12 V高功率鉛酸蓄電池設計開發是針對高倍率短時放電的需求。從板柵設計、鉛膏配方、極板設計、隔板選擇、裝配壓力、飽和度等因素綜合考慮設計要點，并加強生產過程中的過程控制，提升產品均一性，以便能夠保障電池的高功率放電性能、恒功率循環壽命及使用可靠性。