飽和度對閥控式AGM電池性能影響的研究

杜曉普，閆娜，陳曉琴，楊帥，宋艷龍，楊占欣，陳志雪

（風帆有限責任公司，河北 保定 071057）

0 引言

閥控式 AGM 電池和普通免維護電池、EFB電池的最大區別為采用 AGM 隔板（可吸附式玻璃纖維隔板）。AGM 隔板除了具備普通鉛酸電池隔板所具備的功能外，還有吸附大量電解液和提供氣體傳輸通道的功能[1-3]。正常狀態下，AGM 電池隔板飽和度為 95 % 左右，也就是隔板中 95 % 的孔被電解液占據，5 % 左右的孔被空余出來，保證氣體傳輸，從而保證 AGM 電池的再化合作用。電池飽和度過高，電解液交換會加快，有利于電池的放電，但飽和度高會減少隔板中氣體交換通道，影響電池的再化合，不利于電池的充電。飽和度超過 100 % 后，電池處于富液狀態。這樣，電池中會有游離酸，容易造成電池漏液，有噴酸風險。電池飽和度過低，電解液交換會減緩，不利于電池的放電。雖然飽和度低會增加隔板中氣體傳輸通道，有利于電池的再化合反應，但是由于再化合反應為放熱反應，且 AGM 電池為貧液式設計，對溫度比較敏感，過快的再化合反應有引起電池熱失控的風險[4-5]。

1 AGM 電池飽和度的確定

目前行業內對于電池飽和度測定主要有兩種方式：

（1）計算電池極板和隔板的吸酸總體積，以總體積為參照，確定飽和度數值。

（2）只計算電池隔板吸酸體積，以隔板吸酸體積為參照，確定飽和度數值。

通過以下實驗步驟對上述兩種方法的準確性進行探究：

a. 解剖飽和度為 95 % 的 AGM 電池，取出正、負極板，稱取極板的質量。

b. 把隔板中電解液擠出，測定電解液密度ρ。

c. 把正、負極板分別放在密度為ρ的硫酸溶液中（防止極板中原酸液密度和浸泡溶液密度有差異。浸泡過程中極板所吸附酸液的密度變化會對結果產生影響），浸泡 20 min，然后瀝干，稱取質量。連續兩次質量不再變化時，記錄正、負極板浸泡后的質量。

d. 通過比較兩次質量變化，可以得出極板吸酸量，從而判定極板飽和度。

從表1 中的實驗數據可以看出，極板浸泡前后質量幾乎沒有變化，即電池的飽和度為 95 % 時，極板飽和度為 100 %，說明硫酸電解液更容易吸附在極板的孔隙中，所以由隔板的飽和度決定電池飽和度。由此判斷上述第2 種測定飽和度的方案更為合理。

表1 正負極板質量

2 實驗

2.1 飽和度對電池內阻和低溫性能的影響

選擇 4 只同一批次生產的電池。分別對這 4 只電池灌注不同量的硫酸電解液，使得電池的飽和度分別為 90 %、93 %、97 % 和 100 %。將電池放在 -18 ℃的低溫箱中靜置 24 h，然后以 720 A 放電 30 s，記錄電池的 30 s 電壓。從圖1 可以看出，電池的內阻隨著飽和度的增加而減小。AGM 隔板的材質為玻璃纖維，本身并不導電，所以電流是通過隔板中吸附的電解液進行傳輸的。當電池飽和度較低時，隔板中空余孔隙增多，電解液相對減少，會導致離子傳輸能力減弱，從而導致電池內阻增加。正是由于電池內阻增加，大電流放電時，電池內部損耗的電壓增加，所以電池端電壓減小，電池低溫性能較差（參見圖2）。

圖1 電池飽和度與內阻關系曲線

圖2 電池飽和度與低溫放電 30 s 終止電壓的關系曲線

2.2 飽和度對電池 50 % DoD 循環壽命的影響

對同一批次，飽和度分別為 90 %、93 %、97 %和 100 % 的電池進行 50 % DoD 循環壽命試驗。將電池置于 40 ℃ 環境 24 h 后，完成以下試驗步驟：① 以 17.5 A 放電 2 h；② 在恒電壓 14.4 V 下，限流 17.5 A 充電 5 h；③ 以步驟①②為 1 個循環，不斷重復，直至電池電壓低于 10 V 時，認為循環壽命終止。

由圖3 可以看出，隨著電池飽和度的增加，電池的 50 % DoD 循環壽命逐漸下降。由圖4 可以看出，隨著電池飽和度降低，充入和放出的電量比例在逐漸增加。在電池的壽命循環過程中，放出電量是恒定的，所以隨著電池飽和度降低，電池充入電量逐漸增加，電池不容易產生充電不足的現象，因此在一定范圍內飽和度較低時，AGM 電池的壽命循環會變好。同時，在圖4 中還可以發現飽和度為90 % 時，隨著循環次數增加，電池充放電電量比逐漸增大。

圖3 電池飽和度與 50 % DoD 循環壽命的關系

圖4 不同飽和度電池在 50 % DoD 循環過程中充放電電量比的變化

由表2 可以看出，飽和度為 90 % 的電池壽命結束后水損耗為 90 g，每個單格水損耗為 15 g。水損耗增加會使電池飽和度進一步降低，而飽和度的降低會使電池再化合反應進一步加快。電池再化合反應為放熱反應，會使電池內部溫度升高。電池內部升高會增加正極板的析氧速度，進一步促進再化合反應，從而使電池內部溫度繼續升高，導致電池耗水量增多，形成惡性循環，可能導致電池熱失控風險的發生。

表2 電池在 50 % DoD 循環壽命結束后的水耗

為進一步分析飽和度對 AGM 電池 50 % DoD循環的影響，在 100 % 飽和度電池試驗終止后，對電池進行完全充電，然后繼續進行 50 % DoD 循環壽命試驗，但是循環過程中的充電方法變更為在14.8 V 下以 17.5 A 限流充電。電池循環 846 次后壽命終止。由此可以看出，提高充電電壓后，電池循環壽命有了很大程度提高，所以電池 50 % DoD 壽命循環中主要失效模式為充電不足。飽和度增大時，電池隔板中空余孔數量減小，所以氣體再化合受到影響，從而影響電池的充電效率。電池飽和度為 100 % 時，AGM 電池在充電時幾乎不能進行氧氣再化合反應，導致充電嚴重不足，所以電池循環壽命急劇下降。

由上述試驗可以看出，電池飽和度和 50 % DoD循環壽命有直接關系，對循環壽命影響主要是影響電池充入電量，對此進一步分析：

電池正負極反應分別為[6-7]：

AGM 電池中除了發生上述反應還存在氣體再化合反應[6-7]：

圖5 為 AGM 電池內部再化合示意圖。電池充電過程中，正極析出的氧氣通過隔板中的孔隙傳輸到負極板表面，與負極的絨狀鉛發生反應生成PbO。然后，PbO 在硫酸條件下變為 PbSO4，導致負極電極電位下降，以及電池荷電狀態降低。在恒壓充電過程中，電池荷電狀態下降會使充電電流增加，從而使電池充入電量增加。

圖5 AGM 電池內部再化合示意圖

電池中氣體再化合反應是通過隔板中的孔隙來實現的。電池處于低飽和度狀態時，隔板中孔隙增加，氣體傳輸通道增多，導致電池在充電時氣體再化合反應加快，從而使電池充入的電量增多。然而，AGM 電池 50 % DoD 壽命循環的早期失效模式為充電不足，所以在電池處于低飽和度狀態時AGM 電池 50 % DoD 循環壽命會提升（與前述觀點相符）。

3 結論

隔板飽和度過高或過低都對閥控式 AGM 電池的內阻、低溫、50 % DoD 循環壽命有較大影響。飽和度過低，電池內阻增大，低溫放電性能變差，存在熱失控風險。飽和度過高，電池 50 % DoD 循環壽命變差。這是由恒壓限流充電時電池充電不足導致的。因此，為保證電池性能，需對 AGM 電池飽和度進行嚴格把控。