關(guān)于炭材料對通信VRLA電池性能的影響分析

阮學(xué)恒

摘 要：為延長通信VRLA電池使用壽命，炭材料作為添加劑在電池負(fù)極中得到了應(yīng)用。為了解炭材料給電池性能帶來的影響，文章在分析炭材料應(yīng)用原理的基礎(chǔ)上，開展了電池性能測試實驗。從實驗結(jié)果來看，在炭材料添加量達(dá)到0.6%時能夠使電池保持最優(yōu)性能，促使電池循環(huán)使用次數(shù)得到增加。

關(guān)鍵詞：炭材料;通信VRLA電池;導(dǎo)電性能

1 ? ?炭材料在通信VRLA電池中的應(yīng)用

在通信密封式閥控鉛酸蓄電池（Valve-Regulated Lead-Acid battery，VRLA）中，電池壽命主要受到負(fù)極硫酸鹽化的影響。在高倍率部分荷電狀態(tài)下工作，硫酸鹽晶體將在電池負(fù)極板表面聚集，導(dǎo)致不可逆的硫酸鹽化現(xiàn)象發(fā)生，使得電極板內(nèi)部電阻增加，引發(fā)電池失效[1]。將炭材料當(dāng)成是負(fù)極添加劑，融入負(fù)極活性物質(zhì)中，可以減少各種晶體的接觸，避免大量溶解度低的硫酸鹽晶體產(chǎn)生。炭材料擁有較高導(dǎo)電性，可以提高電子傳輸率，促使硫酸鹽晶體實現(xiàn)電子轉(zhuǎn)化。在電池處于部分荷電狀態(tài)下時，炭材料將形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)矩陣，提供傳輸電子的通路，促使活性物質(zhì)的導(dǎo)電性得到增強(qiáng)，使析氫反應(yīng)的發(fā)生率得到降低[2]。因此就目前來看，炭材料作為負(fù)極板的添加劑在通信VRLA電池中得到了應(yīng)用，可以通過添加一種或幾種炭材料促使電池達(dá)到最優(yōu)性能。

2 ? ?炭材料對通信VRLA電池性能的影響分析

2.1 ?實驗條件

2.1.1 ?電池制備

為研究炭材料對通信VRLA電池性能的影響，需要采用不同負(fù)極鉛膏配方進(jìn)行實驗通信VRLA電池制備，使炭材料添加量分別達(dá)到0%，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%和1%，其余腐殖酸等添加劑按照正常量添加。將手工制作的涂片負(fù)極板與常規(guī)正極板組裝在一起，按照每種配方3只電池進(jìn)行電池制備，可以得到15只電池。

2.1.2 ?測試條件

在對電池性能進(jìn)行測試時，需要采用激光顆粒分布測量儀和電化學(xué)工作站，并配備電池測試系統(tǒng)和精密可調(diào)恒溫水浴槽。采用對電極為Pt電極，參比電極為汞/硫酸亞汞電極，在1.28 g/cm?硫酸溶液中進(jìn)行電解，蓄電池容積為8 Ah。按照GB/T 5008.1-2013等規(guī)定進(jìn)行電池性能測試，需要先將電池充滿電，需要先在1～4 h內(nèi)將電池充滿，然后恒流放電10 h，電流記為I0在0 ℃存放48 h后充電300 s，記錄300 s的電流Ica，對300 s內(nèi)I0與Ica比值進(jìn)行計算，確定電池充放電接受能力。在動態(tài)充放電接受性能測試時，需要以2倍I0對充滿電狀態(tài)下的電池放電2 h，達(dá)到80%荷電后充電300 s，然后放電至70%，再次充300 s。連續(xù)實驗過程中，轉(zhuǎn)換時間不超120 s。對60%～80%荷電狀態(tài)下的充至300 s的電流進(jìn)行記錄，可以得到真實電量Q300 s。對電池深循環(huán)壽命進(jìn)行測試，需要在滿電荷狀態(tài)下以4倍I0放電120 min，然后在恒壓限流條件下，以6充電30 min，之后放電20 min，直至達(dá)到1.67 V。重復(fù)60次，最高電壓降達(dá)到100 mV。

2.2 ?性能分析

2.2.1 ?導(dǎo)電性能分析

在對幾組電池導(dǎo)電性能進(jìn)行測試時，需要對相同配方測試組的平均值進(jìn)行求取。從測試結(jié)果來看，在炭材料添加量增多的情況下，電池導(dǎo)電性能呈現(xiàn)出先增強(qiáng)后減小的變化。從電池充電能力變化情況來看，在炭材料添加量達(dá)到0.6%時，電池充電性能最佳。在充電10 min時，電池充電量比添加量達(dá)到0.2%時增加近52%。但隨著炭材料量的增加，300 s時電流有所減小。分析原因可知，添加炭材料能夠使電池重復(fù)使用過程中的極化現(xiàn)象得到抑制，促使硫酸鉛增加速度達(dá)到最大。在50%荷電狀態(tài)下，活性物中內(nèi)阻最小，能夠使硫酸鹽化現(xiàn)象得到減少，繼而使電池導(dǎo)電性能得到提升。但持續(xù)增加炭材料，將導(dǎo)致其較難與活性物質(zhì)相容，出現(xiàn)結(jié)合力下降問題。在電池重復(fù)使用期間，將導(dǎo)致接觸電阻增加，促使電阻發(fā)生極化，繼而導(dǎo)致電池導(dǎo)電性下降。因此在應(yīng)用炭材料時，還應(yīng)加強(qiáng)用量控制。

2.2.2 ?接受能力分析

進(jìn)一步分析電池接受能力可以發(fā)現(xiàn)，在常溫狀態(tài)下，隨著炭材料增加，還原峰電流不斷增加，電極還原反應(yīng)有所加強(qiáng)。因為在炭材料增加的情況下，電極表面積增大，固液界面鉛離子擴(kuò)散加快，使得電子運行加速，因此電池充電性能有所改善。在80%～90%的荷電狀態(tài)下，添加0.2%的炭材料，與不添加炭材料的電池充入量相差不大。但在炭材料用量達(dá)到0.6%時，80%～90%荷電狀態(tài)下可以達(dá)到較高充入量，Q值在0.15～0.20 Ah范圍內(nèi)。在70%～80%狀態(tài)下，炭材料用量為0.8%時充入量較大，Q值在0.3～0.45 Ah變化。在炭材料顆粒間緊密結(jié)合的情況下，能夠使導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)電速度得到提升，放電時將生成硫酸鉛，被炭材料圍住，發(fā)揮晶核作用，繼而使電池的接受能力得到增強(qiáng)。

2.2.3 ?循環(huán)壽命分析

從電池循環(huán)壽命變化情況來看，在50%的荷電下對電池重復(fù)使用，使用次數(shù)最初伴隨著炭材料添加量的增加而增加，隨后則有所減少。在添加量達(dá)到0.4%時，循環(huán)使用次數(shù)能夠達(dá)到286次，添加量增加至0.6%，使用次數(shù)達(dá)到1 348次，次數(shù)得到了大幅度提升。但在添加量達(dá)到0.8%后，使用次數(shù)下降至372次。分析原因可知，炭材料能夠使負(fù)極活性物質(zhì)的導(dǎo)電性提高，從而使活性物質(zhì)得到充分利用，繼而達(dá)到延長電池使用壽命的目標(biāo)。

3 ? ?結(jié)語

炭材料應(yīng)用在通信VRLA電池中將發(fā)揮有益作用，在電池負(fù)極板中適量添加炭材料，可以形成特殊導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，能夠使電流給電池帶來的損害得到減弱，促使電池導(dǎo)電性能得到提升，充受電能力得到改善，從而獲得更長的循環(huán)壽命。因此相信在通信VRLA電池研制方面，炭材料可以獲得良好的應(yīng)用前景。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張菲菲，王俊霞，楊勇，等.閥控鉛酸蓄電池的性能檢測和監(jiān)控方案[J].電力與能源，2020（1）：80-83.

[2]張峰博，郭志剛，陳強(qiáng)，等.裝配壓力對動力型VRLA電池性能的影響[J].蓄電池，2019（1）：42-45.