超級鉛酸電池工藝研究

梅魁主，李維俊，王志文

(武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

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超級鉛酸電池工藝研究

梅魁主，李維俊，王志文

(武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

摘 要：研究了在超級鉛酸電池負極中添加炭材料時，不同的添加方式對超級鉛酸電池容量的影響，實驗結果表明，以膏體的形式添加的炭材料的超級鉛酸電池容量效果最好。

關鍵詞：超級鉛酸電池 炭材料 容量 工藝

0 引言

蓄電池具有較高的比能量，超級電容器具有很高的比功率，二者結合起來互相取長補短，做成超級電池[1]。由于鉛酸電池與超級電容器的正極相同，因此這兩個電極通過內部的并聯就能夠結成一體，成為一個統一的正極。而組合后的負極則由一個超級電容電極和一個鉛酸負極構成。第二代超級鉛酸電池將高比表面的炭材料摻入鉛負極，發揮高比表面炭材料的高導電性，并且對鉛基活性物質起到分散作用，提高鉛基活性物質的利用率，同時能抑制硫酸鉛晶體的長大和失活。高比表面炭材料在高功率充放電和脈沖放電時可提供雙電層電容，減弱大電流對負極的破壞。而且可以使鉛負極內部有多孔結構，這有利于高功率充放電的時候電解液離子的快速遷移。但在第二代超級電池中，由于活性炭的加入，鉛膏自身的結合力隨之減弱，當活性炭含量大于2 %時，如果不加入粘合劑，將會造成極板強度低，活性炭容易析出、脫落等問題[2-4]。本實驗研究了炭材料的不同加入方式對電池性能的影響。

1 實驗電池的制備

實驗用鉛酸蓄電池額定電壓2 V，10 h率額定容量10.000 Ah。本實驗主要制作了四類電池：1）負極鉛膏中不加炭的原樣電池，2）負極鉛膏中加入炭粉的炭粉電池，3）負極鉛膏中加入炭膏的炭膏電池，4）極群中并聯炭板的炭板電池。實驗方法參照國標和企標[5-9]。

1.1原樣電池的制備

將合好的正負極用鉛膏分別涂在對應的正極鉛板柵和負極鍍鉛銅網上，涂板時應盡量控制涂膏量，以便保持實驗電池的均衡性。然后在固化干燥室中固化48 h、干燥24 h，干燥結束后正負極生干板一起化成，耗時24 h，最后再干燥24 h便可以裝配。極群焊接前正極板要套袋子，負極板要包膜，正負極板都要稱重并搭配好。原樣電池的制備工藝流程圖見圖1。

1.2炭粉電池的制備

炭粉電池的制備工藝與原樣電池的制備工藝基本相同，唯一的區別是合膏時在加入鉛粉的同時加入一定比例的炭粉。炭粉電池的制備工藝流程圖見圖2。

1.3炭膏電池的制備

將活性炭、導電劑、粘結劑按計劃的比例加入攪拌器中，加入除離子水攪拌至膏狀即炭膏。然后開始合鉛膏，當鉛膏合膏結束前（10-15）min加入炭膏，混合均勻，即得到含有炭膏的鉛膏。然后同原樣電池的制備工藝流程一樣，涂板、固化干燥、化成干燥、正極板套袋子、負極板包膜、裝配。炭膏電池的制備工藝流程圖見圖3。

圖1 原樣電池制備流程圖

圖2 炭粉電池制備流程圖

圖3 炭膏電池制備流程圖

1.4炭板電池的制備

將活性炭、導電劑、粘結劑按計劃的比例加入攪拌器中，加入除離子水攪拌至膏狀即炭膏，然后把炭膏涂在鍍鉛銅網上，干燥形成炭板。炭板電池的制備工藝與原樣電池的基本相同，唯一的區別是在電池裝配時用一片或幾片炭板代替負極板。炭板電池的制備工藝流程圖見圖4。

2 不同類型電池容量實驗結果及討論

將完全充電的蓄電池在(25±5)℃環境中靜置（1-24）h后，分別按表1中的恒定電流連續放電，直至電池端電壓降至表1中相應的終止電壓時停止實驗，按公式（1）計算超級鉛酸電池容量如表2，其折線圖如圖5。

式中：Ce—換算為25℃時的容量（Ah）；

t —放電開始至放電終止時的平均溫度（℃）；

Ct—平均溫度為t℃時的容量（Ah）；

k—溫度系數，50 h率、20 h率、10 h率時，k=0.006；5 h率、3 h率、2 h率時，k=0.008；1 h率時，k=0.01。

圖1、圖2、圖3、圖4描繪了不同工藝方法制備的電池，其容量數據如表2，對應的折線圖如圖5，由圖5可以看出，原樣及其超級鉛酸電池容量一般都超過其額定容量。

圖4 炭板電池制備流程圖

比較其他三種工藝制備的超級電池，可以看出，炭粉電池在大電流放電時容量比較高，但在5時率循環放電時，容量下降很快，分析其原因為，大電流放電時，炭材料起到了一定的作用，但由于加入的是炭粉，沒有黏結劑，循環到一定周期后，炭材料變松甚至脫落，進而導致活性物質脫落，使容量下降。

炭膏電池容量穩定，大電流放電效果好，加入的黏結劑避免了炭及活性物質的脫落，有效提高了電池的容量和壽命。

炭板電池的容量一開始就偏低，這是因為用炭板代替鉛負極板后，電池雖然能進行大電流放電，但負極活性物質不足，導致整體容量偏低。

表1 超級鉛酸電池不同時率的放電電流及終止電壓

表2 不同類型超級鉛酸電池容量

圖5 不同方法制備超級電池容量折線圖

3 小結

本實驗的結果說明，在鉛酸蓄電池的負極鉛膏中添加炭材料，能有效增加鉛酸電池容量，并且有利于大電流放電。加入炭材料時應同時加入黏結劑防止炭材料和活性物質的脫落。就本實驗而言，炭膏好于炭粉。在制作并炭的炭板電池時，應在不減少負極活性物質的前提下并入炭板，這樣會在保證基本容量的前提下既有利于大電流充放電，又可延長壽命。

參考文獻：

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[2]楊麗杰.Pb和Ba對多孔碳材料的修飾研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業大學化工學院,2010.

[3]陳緒杰.超級鉛酸電池負極用炭材料的改性及電化學性能研究［D］.長沙:中南大學冶金科學與工程學院,2011.

[4]陳飛,張慧,梁佳翔,楊惠強,方明學.鉛碳超級電池混合負極的研究[J].蓄電池:2011 No.6 Vol.48-263.

[5]伊曉波.鉛酸蓄電池制造與過程控制[M].北京:機械工業出版社,2004,286-337.

[6]劉廣林.鉛酸蓄電池工藝學概論[M].北京:機械工業出版社,2008,146-350.

[7]伊曉波,熊蘭英,曹水煥等.GB/T 19638.2-2005 固定型閥控密封式鉛酸蓄電池[S].北京:中國標準出版社,2005.

[8]王志文,李維俊,梅魁主等.Q/ZGN J 001-2011 湖北長海新能源科技有限公司企業標準/閥控式密封鉛酸蓄電池[S].湖北鄂州:湖北省鄂州市標準局,2011.

[9]王志文,李維俊,梅魁主等.雙極群鉛酸蓄電池性能研究[J].船電技術,2012（增刊）:121-123.

Study on Lead-acid Super Battery Technology

Mei Kuizhu,Li Weijun,Wang Zhiwen
(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064,China)

Abstract：The effects of different adding methods on the capacity of lead-acid super batteries are studied.Experimental results show that the added carbon materials in the form of a paste of the lead-acid super battery capacity effect are the best.

Keywords：lead-acid super battery; carbon materials; capacity; technology

作者簡介：梅魁主(1984-)，男，工程師。研究方向：化學電源。

收稿日期：2015-09-16

中圖分類號：TM912

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）02-0004-04