炭材料對通信VRLA電池性能的影響

錢 濤，劉 利，王 明

(1.蘇州工業職業技術學院電子與通信工程系，江蘇蘇州215104；2.西安建筑科技大學信息與控制工程學院，陜西西安710055；3.江蘇陽光四季新能源科技股份有限公司，江蘇蘇州215104)

閥控式密封鉛酸(VRLA)蓄電池在機能方面大大優于防酸隔爆式電池，在移動通信設備中得到廣泛應用[1]。鉛蓄電池的充電性能和深放電循環壽命在很大程度上受到負極活性物質的導電性影響。因為炭材料可以形成很好的導電系統，所以就算電池在部分荷電態，額外導體硫酸鉛將電極表面籠罩，電子在充電時也能迅速轉到硫酸鉛，負極的充電接受能力和深循環能力就能大大增強[2]。本文制備了4 V/8 Ah VRLA蓄電池，在其負極添加不同質量的OFB1進行實驗驗證，討論了OFB1的含量對VRLA蓄電池負極充電接受能力的影響。

1 實驗

1.1 電池制備

儀器與試劑：GSL-101BI激光顆粒分布測量儀，電化學工作站CHI650d，DigatronBTS-300電池測試系統，精密可調恒溫水浴槽，參比電極為汞/硫酸亞汞電極三電極體系，對電極為Pt電極，電解液為ρ=1.280 g/cm3的硫酸溶液，場發射掃描電子顯微鏡，無水乙醇，8 Ah VRLA蓄電池。

單體模擬電池的制備：3 Ah閥控電池，正負極板由AGM隔開，AGM隔板包封負極，50 mL電解液。

1.2 性能測試方法

充放電接受能力測試按照GB/T5008.1-2013要求進行：(1)4 V/8 Ah電池充滿電后1～4 h內以I10恒流放電10 h后，在0℃下靜置48 h，拿出電池后，在3 min內4.8 V下充電300 s，記下第300 s的電流ICa，由電流-時間曲線積分，算出300 s內Q300s和ICa/I10的結果。

動態充電接受性能測試數據標準是參照Ford公司進行的：(1)4 V/8 Ah電池滿電時，以I=2I10恒流放電2 h至80%荷電，在4.8 V下穩定充電300 s，將80%荷電時300 s內真正充入的量以I=2I10恒流全部放完電，再以I=2I10恒流放電2 h至70%荷電，接著在4.8 V下穩定充300 s，70%～60%荷電態檢測也用這種方法進行，連續做完實驗，系統轉換時間最多120 s[3]；(2)記下荷電狀態為80%～60%時，在4.8 V穩定電壓下充至300 s的電流ICa，再由電流-時間曲線積分，得出300 s內電池的真實電量Q300s。

深循環壽命實驗方案：(1)在蓄電池滿電狀態下，5 h以內，I=4I10穩定放電120 min，1.67 V時結束，再按照下面的方法重復實驗：(a)在4.8 V恒壓限流條件下以6I10充電30 min；(b)以 6I10恒電流放電 20 min，終止條件為 1.67 V。(2)按(a)～(b)重復，一個重復單位為60次，100 mV為最高電壓降。

－18℃低溫起動性能測試：(1)電池充滿后，在－18℃箱里放12 h，再拿出來，240 s內以穩定電流12 A放電，當電壓小于2.4 V后結束，分別寫下5、10、30 s完成時的電壓大小，并寫好時長。

2 結果與討論

充電性能測試結果見圖1，可以看出當OFB1的量增多，充電能力的改變趨勢為拋物線狀，在w(OFB1)=0.6%時充電性能最佳，w(OFB1)=0.6%時第10 min電流比w(OFB1)=0.2%時提高了近60%，300 s內真實充入的量增加了大約52%。繼續增加OFB1的量，在300 s時電流減小，但在OFB1添加量為0.6%和0.8%時，300 s內電池真實充入的量還是比OFB1添加量為0.2%和0.4%時的高。說明OFB1添加量為0.6%時，OFB1能夠在很大程度上減小電池在重復使用中的極化現象，而且放電中硫酸鉛的增加速度降低到極值，在50%荷電時，活性物的內阻最小，在很大程度上抑制了負極硫酸鹽化的出現，使充電更完全，大大提升了電池的充電性能[4]。

圖1 不同OFB1添加量時充電接受性能變化趨勢

從圖2可以看出，在常溫下，當OFB1含量增多時，還原峰電流慢慢變多，OFB1能夠促使電極進行還原反應，應該是電極的表面積隨著OFB1的增加而加大，加快溶解硫酸鉛和加快擴散固液界面的鉛離子，增大了電子的運動速率，充電性能增強，當掃描電勢負移增多，開始析出了更多的氫，后面所得出的析氫結論跟此次相同。

圖2 不同OFB1添加量時的伏安掃描曲線

此實驗檢測了4 V/8 Ah電池在80%～60%的荷電狀態、4.8 V穩定電壓充300 s的接受性能。當計算300 s內真實充入的量時，如圖3所示，當w(OFB1)=0.2%時，在90%、80%、70%、60%荷電態下充入量沒有什么變化；w(OFB1)=0.6%時，90%與80%荷電下充入量相差最多；w(OFB1)=0.8%時，80%與70%荷電態下充入量相差最多，w(OFB1)=0.6%時，80%與70%荷電態下充入量相差第二大。當荷電態為80%、70%時，也在w(OFB1)=0.8%充入量相差最多，說明w(OFB1)=0.8%時，充電能力受荷電量的多少影響最大，包括第300 s的電流和300 s內真實充入的量，在荷電態90%～60%時，荷電狀態每變化10%，充電能力改變量和充入電量的改變量幾乎不變，都呈常數分布。

圖3 OFB1添加量在不同荷電態時10 min內的實際充入電量

測驗50%荷電下的電池重復使用能力，由表1可以看出當w(OFB1)在0.2%～0.6%內變多時，15%放電深度(DOD)循環壽命慢慢增加，w(OFB1)=0.6%時壽命最長，但w(OFB1)為0.4%與0.2%相比，循環壽命幾乎無差別。當w(OFB1)增加到0.8%～1.0%，循環性能顯著降低，說明OFB1的量最好在0.6%左右，循環性能會在OFB1的量繼續加大時而減弱。

表1 15%DOD循環壽命對比

－18℃條件下，w(OFB1)=0.6%時性能最弱，如表2和圖4所示。當w(OFB1)為 0.8%、0.9%時，5、10、30 s放電電壓均高于w(OFB1)=0.6%時的放電電壓，而w(OFB1)=0.2%時Icc最大，然后開始減小，即w(OFB1)=0.2%時比－18℃時的冷起動性能好，應該是加大OFB1的量后，活性物質的孔和孔率變化很大。低溫時，硫酸濃度加大后使得離子的移動速率減小。所以電流很大時，在硫酸濃度與孔率孔徑的影響下，低溫起動能力在很大程度上降低了[5]。

表2 －18 ℃低溫啟動性能測試

圖4 不同OFB1添加量時－18℃低溫啟動性能變化趨勢

3 結論

VRLA蓄電池在移動通信設備中的普及率很高，炭原料OFB1的價格較低，當負極導電添加劑為OFB1時，增加一定量的OFB1，這就會明顯提高電池的導電能力，使電池在其重復使用中的電阻極化現象減少，并且使硫酸鉛的增加速率減少，最后增強電池的充電性能。所以就其在鉛酸蓄電池(使用環境溫度為40℃)負極配方中，OFB1炭原料的最佳添加量為0.6%。而繼續加大炭材料OFB1的量，其很難與活性物質相容，從而與活性物質的結合力降低，加大了重復使用過程中的接觸電阻，重復使用中的電阻極化現象增加，于是負極的充電能力減弱，其循環壽命也大幅縮短了。

[1]王磊，張正國，高學農，等.VRLA蓄電池在通信光伏電源系統中的應用[J].電源技術，2007(10)：811-812.

[2]周皓，周學軍，鄭偉廣，等.高炭負極鉛酸動力電池的深循環壽命研究[J].蓄電池，2015(3)：101-105，114.

[3]王力臻，張凱慶，張林森，等.炭材料對鉛酸電池負極電化學性能的影響[J].電源技術，2012(9):1325-1327，1336.

[4]胡梅，王百杰，應珺.超級鉛酸電池負極炭材料的改性技術研究[J].廣東化工，2013(10)：45-46.

[5]張興，張祖波，夏詩忠，等.高導電性炭材料OFB1對鉛酸蓄電池負極性能的影響研究[J].蓄電池，2015(2)：51-58.