均勻設(shè)計(jì)法在鉛酸蓄電池正板柵合金研究中的應(yīng)用

雷振躍 司鳳榮 彭澎

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所，武漢 430064）

0 前言

目前鉛酸蓄電池因其技術(shù)成熟、價(jià)格低廉及安全可靠在市場(chǎng)上仍占主導(dǎo)地位。鉛酸蓄電池的正極板柵材料主要是鉛銻合金。鉛銻板柵合金具有循環(huán)壽命長、機(jī)械性能好、硬度高、鑄造性能好、制造工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)鉛銻合金也存在缺點(diǎn)，在充放電過程中，銻離子進(jìn)入電解液，通過隔膜擴(kuò)散到負(fù)極上，并被還原成銻沉積在負(fù)極活性物質(zhì)上，導(dǎo)致負(fù)極析氫電位的減低，電解液損耗加劇，加大了蓄電池自放電現(xiàn)象。因此，提高鉛銻合金的綜合性能非常重要。

均勻設(shè)計(jì)法是我國著名數(shù)學(xué)家王元院士和方開泰院士發(fā)明的一種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，它是繼正交設(shè)計(jì)、優(yōu)選法之后的最有效的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法之一。其特點(diǎn)是將試驗(yàn)點(diǎn)均勻分布在試驗(yàn)范圍內(nèi)，用較少的試驗(yàn)點(diǎn)來獲得最多的信息。本文運(yùn)用均勻設(shè)計(jì)軟件針對(duì)鉛銻合金耐腐蝕性能和析氣電位進(jìn)行了研究，建立數(shù)學(xué)模型并對(duì)其進(jìn)行分析，找出影響合金各因素及各因素之間的關(guān)系，預(yù)報(bào)最優(yōu)性能的配方。這對(duì)進(jìn)一步提高鉛酸蓄電池板柵材料性能、提高鉛酸蓄電池壽命有非常重要的意義。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在以前試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取A、B、C、D四種影響低銻合金耐腐蝕及析氫過電位的元素進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)因素考察6個(gè)水平。設(shè)計(jì)因素水平表見表1。

1.1 腐蝕失重試驗(yàn)

將試樣表面打磨至鏡面，非工作面用環(huán)氧樹脂封住，暴露表面積約為3cm2。用分析天平稱重，丙酮除油，蒸餾水沖洗。板柵試樣以串聯(lián)形式進(jìn)入腐蝕體系，溶液采用1.295g/cm3的H2SO4溶液，電流密度為 5 mA/cm2，腐蝕時(shí)間為 7 2h。試驗(yàn)完畢后，除去氧化物，待試樣呈金屬本色，取出用蒸餾水沖洗后自然晾干，稱重。表2中Y1為試樣的腐蝕量。

1.2 析氫過電位試驗(yàn)

試樣為圓柱體，工作面用水磨砂紙打磨至鏡面，背面用銅導(dǎo)線連接，用環(huán)氧樹脂封上非測(cè)試部分，工作面積為 8mm2。用丙酮清洗以除去表面油脂，蒸餾水沖洗。試驗(yàn)在ZAHNER公司IM6e電化學(xué)工作站上完成。表2中Y2為試樣的析氫過電位。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 均勻設(shè)計(jì)因素水平表

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

用均勻設(shè)計(jì)軟件對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，采用逐步回歸法，建立數(shù)學(xué)模型。

引入變量的F檢驗(yàn)域值F1=0.05

剔除變量的F檢驗(yàn)域值F2=0.05

對(duì)Y1得到的回歸方程為：

相應(yīng)的全相關(guān)系數(shù) R2=0.9999，殘差標(biāo)準(zhǔn)差S=0.2080，

P=0.025<0.05，檢驗(yàn)顯著。

對(duì)Y2得到的回歸方程為：

相應(yīng)的全相關(guān)系數(shù)R2=0.9998，殘差標(biāo)準(zhǔn)差S=2.0826，

P=0.033<0.05，檢驗(yàn)顯著。給各因變量賦權(quán)值，對(duì)多因變量進(jìn)行綜合分析（見表5），得出全局最優(yōu)解（見表6）。（根據(jù)因變量重要性賦權(quán)值，因變量值大好，權(quán)取正，值小好，權(quán)取負(fù)）。

表3 方差分析表1

表4 方差分析表2

表5 各因變量賦權(quán)值表

表6 全局最優(yōu)解

3 分析與討論

回歸方程 Y1中，X1與 X2、X2與 X3、X2與 X4之間對(duì)合金的耐腐蝕性能存在交互影響，X1總體上為正影響；方程 Y2中，X1與 X3、X1與X4、X2與X3之間對(duì)合金的析氫過電位存在交互影響，X1總體上為負(fù)影響。

依據(jù)最優(yōu)解可知合金最佳配方為：X1a，X2b+0.45，X3c+0.01，X4d+0.01，此配方的腐蝕量預(yù)報(bào)值為 5.3 mg/d，析氫過電位預(yù)報(bào)值為-709.3mV?？紤]到澆注板柵時(shí)工藝實(shí)現(xiàn)的可行性，參照最優(yōu)解微調(diào)了試驗(yàn)配方 X1a+1，X2b+0.45，X3c+0.01，X4d+0.02。試驗(yàn)結(jié)果表明合金性能良好，較好地滿足了蓄電池的使用要求。

4 結(jié)論

根據(jù)回歸方程找出了影響合金兩個(gè)性能的主要因素及各因素間的關(guān)系。X1對(duì)合金的耐腐蝕性能總體上正影響，對(duì)合金的析氫過電位總體上負(fù)影響； 利用均勻設(shè)計(jì)法對(duì)鉛酸蓄電池正板柵合金的配方進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了最佳配方。最優(yōu)配方為：X1a+2，X2b+0.45，X3c+0.01，X4d+0.02，該合金較好地滿足了電池的使用要求；用均勻設(shè)計(jì)法進(jìn)行試驗(yàn)，節(jié)約了大量的人力物力，大大提高了工作效率。

[1]張紹輝等. 鈰對(duì)鉛銻合金電化學(xué)性能的影響. 蓄電池, 2003（1）: 4-5.

[2]朱松然. 蓄電池手冊(cè).天津大學(xué)出版社, 1998.

[3]呂鳴祥等. 化學(xué)電源［M］. 天津: 天津大學(xué)出版社,1992.

[4]楊濤. 鉛酸蓄電池正極板柵合金的研究[D]. 2003.

[5]專利綜述. 板柵設(shè)計(jì)及其導(dǎo)電特性改進(jìn). 電池國際—中國特刊, 1994, 7: 25-26.