提高CGB蓄電池循環(huán)壽命的研究
 近年來,隨著歐美等老牌電池生產(chǎn)企業(yè)巨大的成本壓力及國際鉛價的持續(xù)上漲,使得這些國際知名的公司都紛紛在中國建廠，或者干脆在中國購買電池進(jìn)行貼牌銷售。這種趨勢在帶給國內(nèi)企業(yè)可觀利潤的同時，也因國內(nèi)部分企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量問題給自身帶來了毀滅性的打擊。而國內(nèi)部分企業(yè)電池產(chǎn)品質(zhì)量與國外知名企業(yè)的顯著差別，主要就是電池使用壽命尤其是循環(huán)使用壽命達(dá)不到要求。
CGB蓄電池的壽命終止多因容量不足，而對于蓄電池來說，其循環(huán)壽命更是其眾多指標(biāo)中的關(guān)鍵指標(biāo)。對于閥控CGB蓄電池,延長電池循環(huán)壽命的公認(rèn)措施是鉛膏配方中增加長效添加劑、采用高錫低鈣合金、極板高溫固化、提高裝配壓力等等。
但即使全部采取以上措施,生產(chǎn)出的電池壽命也不一定能達(dá)到國外電池壽命的水平。尤其是隨著成本壓力的增加,很多國內(nèi)中小企業(yè)為了降低生產(chǎn)成本,提高電池的大電流放電性能,不斷地降低電池的極板厚度和增加電解液的比重,這對于電池的整體性能,尤其是循環(huán)性能來說無疑是殺雞取卵的方法。
本項(xiàng)目的研究重點(diǎn)即是在上述各項(xiàng)延長電池循環(huán)壽命的措施都采取的情況下,重點(diǎn)研究電池正負(fù)極板厚度、電解液比重和不同充電條件對電池初期容量、國標(biāo)循環(huán)壽命和1h率100%DOD循環(huán)壽命的影響。
1 試驗(yàn)內(nèi)容
針對以上研究內(nèi)容,采用兩種極板厚度的電池結(jié)構(gòu),配合4種電解液比重,制作12V、7Ah電池以進(jìn)行各項(xiàng)性能試驗(yàn)。
1.1 電池制造
電池制造采用3正4負(fù)(正極板厚度為3.6mm)、4正5負(fù)(正極板厚度為2.8mm)兩種結(jié)構(gòu)裝配，鉛膏配方為今星光公司長壽命鉛膏配方，極板為槽化成工藝生產(chǎn)，電池裝配后分別加1.27、1.29、1.31、1.33四種比重電解液，加酸量控制單體內(nèi)有效酸量均相同。電池按照工藝初充電完成后測試電池重量和內(nèi)阻，兩種結(jié)構(gòu)電池的重量分別約為2.60kg和2.45kg，內(nèi)阻分別約為19mΩ和17mΩ。之后分別測試各類電池的初期容量和兩種循環(huán)壽命，為清楚表示各類正交試驗(yàn)電池的特點(diǎn)和試驗(yàn)項(xiàng)目，各類電池正交試驗(yàn)情況如表1所示。

1.2 初期性能測試
表1中的各類電池制作完成后，分別測試各類電池20h和3C容量，作為電池初期容量進(jìn)行比較考核。
1.3 國標(biāo)循環(huán)壽命
電池經(jīng)過初期容量測試合格后,按照小型閥控密封式CGB蓄電池國家標(biāo)準(zhǔn)(標(biāo)準(zhǔn)代號為GB/T 196391.1-2005)5.18壽命試驗(yàn)方法測試表1中6類電池的壽命。
1.4 恒流限壓(LV)壽命試驗(yàn)
根據(jù)各類電池的兩項(xiàng)試驗(yàn)情況,采用不同的恒流限壓充電方法測試表1中4類電池的1h率放電100%DOD循環(huán)壽命。
1.5 電池解剖分析
將上一試驗(yàn)步驟中壽命終止的電池解剖,采用化學(xué)方法分析正負(fù)極活性物質(zhì)含量、負(fù)極硫酸鉛含量以及酸比重等,并確定電池壽命終止的原因。
2 試驗(yàn)結(jié)果分析討論
2.1 電池初期性能試驗(yàn)
電池制作完成后,對各類電池分別任意取3只,按照國標(biāo)方法測試電池的20h率放電和3C放電,對3只電池的放電數(shù)據(jù)取平均值,如表2所示。

由表中數(shù)據(jù)可以看出:各類電池放電測試都能夠達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求的20h率放電20h和3C放電7min的要求。但是,隨著極板變薄、電解液比重增加,不論是20h率容量還是3C容量,都呈增長趨勢,尤其是3C放電時間增加得更加明顯。
2.2 國標(biāo)循環(huán)壽命
根據(jù)各類電池初期容量的測試情況,采用小型閥控CGB蓄電池國家標(biāo)準(zhǔn)中5.18條所規(guī)定的電池循環(huán)壽命測試方法,對3正4負(fù)極板結(jié)構(gòu)的4種酸比重的電池和4正5負(fù)極板結(jié)構(gòu)的1.29和1.31兩種酸比重的電池,各取2只進(jìn)行循環(huán)壽命試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。
為了了解電解液比重和極板厚度等對電池循環(huán)壽命的影響，將表中數(shù)據(jù)分類后分別做出圖1(3正4負(fù)結(jié)構(gòu)電池國標(biāo)循環(huán)壽命隨電解液不同的影響)和圖2(不同極板厚度對電池循環(huán)壽命的影響)。

圖1 電解液密度對電池國標(biāo)壽命的影響

圖2 不同極板厚度對電池國標(biāo)循環(huán)壽命的影響
由表3、圖1和圖2可知,上述各類電池的國標(biāo)循環(huán)壽命都大于標(biāo)準(zhǔn)的300次的要求。但是隨著電解液比重的增加和極板厚度的減薄,電池循環(huán)壽命呈明顯下降趨勢。
2.3 恒流限壓(LV)壽命試驗(yàn)
根據(jù)上述各項(xiàng)試驗(yàn)的情況,取3正4負(fù)極板結(jié)構(gòu),酸比重分別為1.29和1.31的A1B2和A1B3兩類電池進(jìn)行1h率的100%DOD壽命試驗(yàn)。充電方法為恒流限壓,恒流值為0.15C,限壓值分別為14.2V/只、14.5V/只和14.8V/只。每一類電池用各種充電方法測試3只電池,試驗(yàn)結(jié)束后將3只電池的循環(huán)次數(shù)取平均值列于表4中。

由表4數(shù)據(jù)可以看出:對于電解液比重為1.29的電池來說，隨著充電限壓值的逐步增大，電池循環(huán)壽命逐步減小，采用14.2V/只的限壓值充電，循環(huán)壽命最長。而對于電解液比重為1.31的電池來說，則是采用14.5V/只限壓值充電的電池壽命最長，采用其他兩個限壓值充電的電池壽命明顯少得多。
2.4 電池解剖分析
將進(jìn)行LV試驗(yàn)的各組電池壽命終止后,各取有代表性的電池一只,解剖分析正負(fù)極活性物質(zhì)含量、負(fù)極硫酸鉛含量和隔膜內(nèi)電解液比重等,并初步確定電池失效原因。具體情況見表5。

對表5中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并結(jié)合表4中的循環(huán)壽命數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論:對于酸比重為1.29的電池循環(huán)壽命終止的原因主要是充電過程中正極活性物質(zhì)泥化、正極板柵腐蝕和失水等,充電過程電池失水的同時也提高了電解液比重。而對于酸比重為1.31的電池,現(xiàn)象和趨勢基本相同,只是采用14.2V/只充電時易導(dǎo)致電池充電不足,出現(xiàn)負(fù)極硫酸鹽化現(xiàn)象。
3 結(jié)束語
通過對不同極板厚度、添加不同比重電解液的電池,進(jìn)行初期容量、國標(biāo)循環(huán)壽命和不同恒流限壓充電控制條件下的循環(huán)壽命試驗(yàn),以及對循環(huán)壽命終止電池的解剖分析,得出以下結(jié)論:電池極板越厚,電解液比重越低,電池的初期容量相對越低,尤其是大電流放電性能降低得更加明顯,但是電池的循環(huán)壽命則明顯延長。
對于電解液比重較大的電池,合理選擇恒流限壓充電的限壓值,能夠避免電池的負(fù)極硫酸鹽化和正極泥化,延長電池循環(huán)壽命。