1问题的提出与理论分析铅酸蓄电池,正、负极板直接影响蓄电池的性能,其配比是否合适是考核蓄电池设计水平的重要指标之一,因而寻求正、负极板的合理配比是每一个电池设计者不断追求的目标。正、负极板是存在于蓄电池这个统一体内矛盾的两个方面,它们互相依附,又互相制约。为什么在实际产品中,正、负极板厚度不同呢,其主要原因111是:电化当量的电化学含义:理论上放出1Ah电量需要:正极二氧化铅(M+)=4463g;负极海棉状铅(M―)=3.866g.根据已往试验结果得知,1. 2~20mm厚的极55%;负极板利用率(n)65%.极铅(D―)据资料记载,一般情况下,正板孔率(P+)为65%;负板孔率(P-)为55%.为了便于分析,假定正、负极板栅所占极板总体积百分数相同,那么放出相同电量时,负极板与正极板厚度比(/丨,简称“厚度比”)可用下式进行估算:可见,正、负极板容量相同、且板栅体积比相同的条件下,负板厚度为65%~70%正板厚度。
为了进一步验证实际与理论值是否一致,我们进行了一系列实验。
2实验过程与分析2.1单片极板容量实验通过单片极板容量实验来确定极板厚度的配比。试验方法是用相同厚度的板栅涂成正板和负板,1片受试极板与2片同型异性极板配后放电,放电电流以正板活物质量计算,借助于隔电极用毫伏表测量放电电压,正极终止电压为20V负极为0.25V.数据列于表1.表1极板型号放电时间负板比正板延长的时间正极板负极板显然,同一厚度的正、负极板进行放电,负板比正板放电时间长25%,即负板厚度为正板的75%时,正、负板活物质均可达到充分利用。从而初步确定了正负板厚度的配比。
22不同极板厚度的电池实验通过不同极板厚度的电池实验来验证正、负极板厚度的配比对电池的影响。
由于实验条件限制,只能从现有汽车用蓄电池极板中选取3类,并按原设计结构和正板与边负板配合两种方式,厚度配比分别为100%、89. 4%、789%、734%及63.2%5种类型,组成60Ah电池进行试验,结果详见表2由表2看出:其他条件基本一致时,厚度配比为63.2%的电池,20小时率和低温性能不稳定,有的合格,有的不合格,但常温性能超过现行标准;厚度比为78.5%的电池,各种性能均超过现行标准;且经济指标较高,这时是比较合理的配比;随着负板减薄,电池20小时率容量,常、低温起动性能均下降,其中低温性能下降尤为突出。
以厚度比63.4%与厚度iro%的电池为例,由于负板的减薄,20小时率容量下降7%,常温下降14%,低温下降20%.由此可见,负板的减薄,影响了电池的低温性能,而对常温性能、20小时率容量影响不大,电池寿命不受影响。
表2编号极板尺寸负板与正板厚度比(%)隔板厚度中心距(mm)低温起动放电到60V持续的时间()常温起动放电到60V持续的时间()20小时率容量(Ah)循环寿命正板127X注:电池试验标准执行国标GB5008 1―91,起动电流为240A. 2.3中心距与极板厚度都不同的电池实验在给定尺寸的条件下,极板厚度配比与中心距不可避免要发生相互影响和作用,因此进行了如下实验,结果见表3.表3列出了同性极板不同中心距的3种电池,从表中可以看出:在极板厚度比一定时,随着中心距的减小,20小时率容量和常温性能下降,而低温性能提高。其变化率随各电池极板厚度比不同而异。厚度比越小,变化越大。由此看来,中心距对极板厚度的影响不容忽视。
由以上实验可知,正、负极板达到合理配比时,负板就要相对减薄,这是否会影响到蓄电池寿命呢,我们经过多年研究发现,影响蓄电池寿命的主要原因12是正板的腐蚀、负板的硬化。负板充电时处于还原状态,根本不能引起负板腐蚀,放电时,尽管负板是处于氧化状态,但由于电极电位低(放电终止时为200~250mV)也不能引起负极板腐蚀,因此负板减薄并不影响蓄电池的寿命。
表3型号负板与正板厚度比实验项目同性极板中心距(mm)中心距变化引起性能变化的幅度(%)容量%一35 30°C起动放电时间s一18°C起动放电时间s容量%30C起动放电时间s一18C起动放电时间s注:电池20小时率的额定容量为60Ah放电电流为240A活物质是决定极板放电的主要动力源泉。随着对极板进行的深入研究,我们又将面临另一个问题,就是极板内活物质和板栅之间的配比。在电池中板栅厚度相同的正、负极板因活物质与板栅体积比不同而引起的活物质利用率是不同的。如表4所列数据。
但是负板减薄,使其真实表面积减少,真实放电电流密度增大,在低温起动时加速负板钝化过程,导致蓄电池低温性能下降。中心距的缩小有利于提高低温性能,可以弥补这方面的一些缺陷。因此,负板减薄的同时必须缩小极板的中心距。
2.4活物质利用率不同的极板的电池实验表4板栅厚度放电电流正极板负极板活物质量(g"片)理论容量(Ah/片)利用率(%)活物质量(g/片)理论容量(Ah/片)利用率%从表4可以看到厚度为1. 5mm的板栅制成的负极板与厚度为1.9mm的板栅制成的正极板利用率接近,(这是由于极板随放电电流增加而利用率下降,如果提高厚度为1.5mm极板的放电电流,贝棋利用率将接近厚度为1.9mm的正极板)因此,厚度比为78.9%较理想。从上述实验中也间接证明正、负板厚度比在70 %左右。但是表4的试验(板栅结构相同)与实际设计结构3是有区别的,实际设计时,负极板中板栅所占的体积百分数小于正极板中板栅所占的百分数。这是由于正极活物质属于半导体,不易导电,它的电流传导几乎全部通过板栅传递,同时正极活物质易于脱落,只有使板栅筋条较密集才能提高蓄电池放电性能和寿命,而板栅筋务增加必然减少极板活物质量,反过来又影响蓄电池放电性能。因此实现两者最佳比是必要的。负板也存在板栅与活物质之间矛盾,不同的是板栅的筋条比正板少。这是由于负板活物质是易于导电的铅,而且与正极活物质正极镉电压充电电流电池水损耗电电压的影响8两只电池进行测试,比较其充电电压、充电温度及水损耗。
结果列于表5、表6和。
由表5、表6和可以看出,7电池充电接受性能明显优于8电池。采用不同的添加剂及组合方式,蓄电池的充电接受能力大不相同。
表5循环次数7端电压(V)8端电压(V)表6充电时间电压充电温度电解7充电后期电解液较清,内含微小气泡少液状况8充电后期电解液很混池,内含微小气泡多5V前10h充电电流为40A,之后改为20A8电池补加水200mL7电池补加水100mL 4结论4.1有机添加剂是影响蓄电池充电接受能力最大的因素,导电类物质及BaS4对充电接受能力也有一定的影响。
4.2通过试验筛选合适的添加剂配方,可以使蓄电池充电接受能力大大提高,改善牵引型蓄电池的维护性能及降低蓄电池的充电温度。
4.3充电接受能力好的蓄电池,其充电温升低,充电后期端电压较低,电解液较清,充电产生的微小气泡少,水损耗少。
结束语笔者仅探讨了牵引型蓄电池循环初期的充电接受能力有关方面的情况,致于循环中期、后期的充电接受性能状况有待于进一步探索。