VRLA電池極群結(jié)構(gòu)的設(shè)計與電性能的提升

李軻

摘要：電池的結(jié)構(gòu)分為極板、隔膜、電解液等多個部分。極群結(jié)構(gòu)是其中的核心之一，和電池的電性能息息相關(guān)。文章就極群結(jié)構(gòu)的設(shè)計進(jìn)行了分析與計算，同時對電性能的提升進(jìn)行了研究分析。

關(guān)鍵詞：VRLA電池；極群結(jié)構(gòu)；電性能

早在20世紀(jì)80年代，就有研究人員提出VRLA會在固定型蓄電池領(lǐng)域發(fā)揮重大的作用，將取代傳統(tǒng)的GF型電池。那時的固定型蓄電池研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，積累了豐富的經(jīng)驗。但是在實際應(yīng)用中，VRLA電池出現(xiàn)了各種質(zhì)量問題，同時電性能也較差。因此，需要進(jìn)行針對性的研究，加強(qiáng)對VRLA電池極群結(jié)構(gòu)的設(shè)計，提高VRLA電池的電性能。

1 電池的內(nèi)涵

電池指的是可以提供一定電能的裝置，將多種電池元件通過焊接匯流排、極柱等特定的加工方式，再加入隔膜使電池形成正、負(fù)極群，裝入并封合電他槽，再注入電解液，就形成了電池。

但是，電池并不是將各個元件單純地組裝上去，而是需要一個固定的工序，充分發(fā)揮各個部分的性能。組裝是電池生產(chǎn)的總結(jié)，也就是說，對于極板等電池元件生產(chǎn)的目的是為了最后成為一個電池。因此，必須要保證電池具備提供電性能的能力，電池元件并不是通過簡單的組裝而成的，而是需要經(jīng)過嚴(yán)格的加工，充分發(fā)揮不同元件的性能。這也是市場上很多電池使用的元件都是相同的，但最終的電池性能卻各不相同的原因。電池是一個獨立的、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募庸すに嚕辉陔姵亟M裝后，核心在于極群結(jié)構(gòu)的設(shè)計與計算。

由此可以得出，電池的本質(zhì)是一個商品，因此它必須具備商品所有的屬性，即經(jīng)濟(jì)性、實用性、安全性、科學(xué)性。第一，生產(chǎn)中要控制投入成本，這樣才能保證電池有一個合適的價格；第二，要能夠充分發(fā)揮電池中的電性能，同時要保證電池的使用壽命；第三，電池的性能要可靠，使用較為安全；第四，電池的設(shè)計要緊跟時代腳步，應(yīng)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)。這同時也對電池極群結(jié)構(gòu)的設(shè)計提出了全新的要求。

2 極群結(jié)構(gòu)的重要性

如圖1所示，這是一個電池的極群結(jié)構(gòu)。

在極群結(jié)構(gòu)中，有些參數(shù)是由電池的元件帶入的，在加工過程中并不會出現(xiàn)變化，例如正負(fù)極板的厚度、電池槽內(nèi)徑尺寸等等。如何保證各個元件之間的完美契合，是極群結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點。

3 鉛零件與匯流排

3.1 極柱

從我國目前的生產(chǎn)狀況來看，極柱的形狀主要分為兩種，第一種是圓形截面，端極柱必須為圓形，中間串連單體電池極柱；另一種截面為半圓形。在極柱的連接方式上，分為跨越式和穿壁式，如圖2-3所示。

極柱是電池內(nèi)外電流所必經(jīng)的通道，因此，一般對截面積有著明確的要求，必須要能承受最大充電和放電電流，在計算時，可以根據(jù)以下公式：

S=IRL/16

其中，S代表的是極柱的橫截面面積（mm）；玳表的是大電流放電電流4（A）；R代表的是匯流排合金電阻（Q）；L代表的是極柱底臺和頂端的距離（mm）；16代表的是系數(shù)。

在施工現(xiàn)場，可以使用一些簡便的方法進(jìn)行計算。例如在自然散熱的過程中，允許通過的電流密度為15～2A，mm²，總電流的通過量一般是電池額定容量的4倍以上。

3.2 匯流排

匯流排指的是電池在充、放電過程匯集成流的通道。在對電池裝備的過程中，需要將正極板和負(fù)極板分別在其極耳上部用焊接合金將極柱和其他的同性極板進(jìn)行焊接，此時需要焊接的部位就叫匯流排。

匯流排的長度和并聯(lián)極板的數(shù)目相關(guān)，同時每側(cè)的長度余下2mm左右，保證邊極板和匯流排之間的緊密性。匯流排的具體厚度要根據(jù)元件所規(guī)定的橫截面積進(jìn)行計算，必須要具備一定的厚度，保證在大電流通過的過程中不會出現(xiàn)過熱的情況，以防熔化。一般在對匯流排設(shè)計的過程中，要保證通過數(shù)倍容量的放電電流不融、不斷，同時還要考慮到電壓降等因素，一般以通過電流1.5～2A/mm²為標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計匯流排的寬度時，一般要在極耳寬度每側(cè)增加2mm為標(biāo)準(zhǔn)。

在VRLA電池的設(shè)計過程中，設(shè)計人員往往會忽略對鉛零件以及匯流排的設(shè)計，認(rèn)為這不屬于極群結(jié)構(gòu)。但從實踐中可以發(fā)現(xiàn)，這是設(shè)計過程中的一個漏洞，尤其是在小型密封電池的設(shè)計中。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，電池中有60%以上的質(zhì)量故障，其原因都是由于鉛零件或匯流排中極耳焊接存在問題。出現(xiàn)這個問題的主要原因就是在對匯流排設(shè)計時，沒有考慮到在寬度上增加2mm的余量，導(dǎo)致焊接工作出現(xiàn)問題。

3.3 極板、極群結(jié)構(gòu)與參數(shù)

將同名的單片極板并聯(lián)，組成極群，在對同名極板中心距進(jìn)行計算時，可以采用以下公式：

D=d_正+d_負(fù)+2d_隔

其中，D指的是同名極板中心距離，d_正指的是正極板的厚度，d_負(fù)指的是負(fù)極板的厚度，d_隔指的是隔板在壓縮后呈現(xiàn)的厚度。

經(jīng)過分析得出，在公式中，正極板和負(fù)極板的厚度都是定值，唯一的變量只有隔膜。其中包括隔膜的厚度、量、壓縮比等多種問題。這也是極板、極群結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重點問題。

VRLA電池又被稱作“免維護(hù)”電池，其OOAGM隔膜是該電池的核心技術(shù)。在VRLA電池的設(shè)計中，主要有兩方面重點技術(shù)：第一，通過Pb-Ca無銻合金技術(shù)，提高析氫過電位；第二，應(yīng)用AGM隔膜技術(shù)，對傳統(tǒng)的電池生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行改善，使電池成為貧液式，同時在電池正極充電的過程中，將產(chǎn)生的氧通過特定的渠道通向負(fù)極通道，在負(fù)極被吸收。這樣一來，就有效消除了電池中出現(xiàn)的氧，達(dá)到了免維護(hù)的目的。

松緊度的具體參數(shù)如圖4所示。其中H_zo代表的是極群總厚，從圖中可以看出，H_zo和電池槽的內(nèi)徑H_c是相同的，這也代表著電池松緊度的參數(shù)。但是從實踐經(jīng)驗來看，這里的電池槽內(nèi)徑大多數(shù)情況下指的只是電池槽上口的內(nèi)徑。但是在實際的生產(chǎn)過程中，上下口徑之間存在一定的區(qū)別，一般上口要比下口略大，因此，在生產(chǎn)過程中，要仔細(xì)分析下部內(nèi)徑尺寸。

在免維護(hù)電池發(fā)展的初級階段，認(rèn)為電池的松緊度應(yīng)當(dāng)在80%左右。經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)在看來，電池的松緊度需要考慮以下兩個因素：第一，電池槽內(nèi)徑上下口之間存在一定的區(qū)別；第二，隔膜在受到酸反應(yīng)后會產(chǎn)生變薄反應(yīng)。因此，在松緊度上，可以設(shè)計在1以上。

極群最大外廓尺寸和隔膜的參數(shù)有著直接關(guān)系，通過對圖4H_zo的分析可以得出以下公式：

H_c=H_zo

H_zo=H_j+△=H_n+H_p+△

H_j指的是極板的總厚度，H_n指的是負(fù)極板的總厚度，H_p指的是正極板總厚度，△指的是正負(fù)極板之間的空隙之和，也就是隔膜壓縮后的總厚度。其中，△是一個非常關(guān)鍵的參數(shù)，直接和隔膜采用的數(shù)量、厚度、壓縮比以及裝備壓力等系數(shù)相關(guān)。

4 結(jié)語

電池裝配和電池的質(zhì)量息息相關(guān)，直接決定了電池的電性能以及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，而電池的裝配質(zhì)量取決于電池的極群結(jié)構(gòu)設(shè)計。從我國傳統(tǒng)的電池制造過程來看，很多企業(yè)都忽視了極群結(jié)構(gòu)設(shè)計在電池生產(chǎn)中的重要性，導(dǎo)致電池的電性能差，阻礙了我國VRLA電池的發(fā)展。綜上所述可以發(fā)現(xiàn)，VRLA電池的極群結(jié)構(gòu)和電池的性能息息相關(guān)，因此，企業(yè)在生產(chǎn)的過程中，必須要對VRLA電池的極群結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的分析和計算，包括鉛零件、匯流排、極柱等多個方面，并通過公式對極群結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行計算，為電池的電性能提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，提高VRLA電池的電性能，促進(jìn)我國VRLA電池的發(fā)展。