恒溫脈動內化成工藝在鉛電池生產中的應用

莊建，周代輝，劉克宇，楊新明

（天能電池集團股份有限公司，浙江 長興 313100）

0 引言

采用內化成工藝生產鉛酸電池時無需用流動水清洗極板，減少了廢酸、鉛污染物的產生，故企業在電池生產中優先采用內化成工藝[1-2]。現有技術條件下，電池的內化成方式包括恒電流化成、多階段分電流化成、脈沖化成等。采用多階段分電流化成方式時，在化成各階段充電電流密度[3]不同：在化成初期，給予較大的充電電流，使電池升溫，并通過流動水調整電池化成溫度，有利于提高電池化成效率，同時縮短化成時間；在化成末期，減小化成電流，使化成副反應產生的過量氣體對極板的沖擊力減小。多階段分電流化成時大電流與小電流充電在電池間交替進行，從而獲得較好的化成效果和化成時間，因此該化成方式被蓄電池企業普遍采用。

鉛酸蓄電池化成效果的好壞，極板是否化透相當重要[4]。它最終體現在電池的一致性及循環壽命上。本文中，筆者對一種恒溫脈動內化成工藝與多階段分電流化成工藝制得的電池進行放電容量、靜置開路電壓，以及成組電池循環壽命試驗中放電壓差變化、循環放電性能的對比分析。得到的結果顯示，新型脈動內化成工藝可改善電池的一致性。

1 試驗

電池的一致性主要指電池組在充放電、靜置過程中各單只電池電壓的一致性[5]。拋開極板因素，電池的一致性與電池化成的溫度、充電量、加酸量等有關。在定量加酸的條件下化成時，須嚴格控制電池溫度變化，并充入同等電量。在原動力鉛蓄電池的基礎上，將同批次組裝并完成加酸的兩組 6-DZF-20 電池，分別存放于 a、b 兩列化成槽內（每列中放 324 只），并通入不流動的冷卻水（以浸沒電池內極板高度為準）。

1.1 方案一

按圖 1，在化成槽 a 內，將 324 只 6-DZF-20 電池分成 18 組，均勻排布，以 18 只電池正負相接串聯構成一組電池。組內第一只及最后一只分別接上相對應的設備充電輸出線。每組電池中選取一只電池，將溫度傳感器粘貼在電池大面上。化成時電池表層溫度通過溫度傳感器傳遞至充電設備電腦程序中。電池加完酸靜置 1～2 h 后進行充電、化成。

圖1 化成槽內電池擺放、接線、溫度感應安裝示意圖

設定電池化成時表層溫度[6]為 43℃（恒溫），充電最大電流 0.7C2，且充電電流根據電池表層溫度自動進行調節（脈動）。設定 3 充 2 放化成程序如下：

a) 第 1～2 次充電時，充電設備電腦程序對通過溫度傳感器測得的溫度進行識別。當測得溫度高于規定值時充電程序自動減小電流，使電池溫度不再上升并保持恒定；反之，當測得的溫度低于 43℃時，充電程序提升充電電流，使電池的表面溫度升至規定值。此循環不斷進行，直至充入規定的電量。兩次充電分別充入試驗電池額定容量的 5.1、3.0 倍電量。

b) 第 3 次充電時不再控制電池表面溫度，以0.1～0.3C2的電流充入電池額定容量的 1.5 倍。然后以 0.5 A 小電流充電，完成抽酸。

c) 整個充放電程序，電池凈充入電池額定容量的 8.0 倍。

1.2 方案二

化成槽 b 內的 6-DZF-20 電池按第 1.1 節中方案一的內容進行放置、接線，然后進行三充二放化成。化成時電池的溫度通過人工測量水溫并調節冷卻水流量控制，水溫控制在 43 ℃ ± 2 ℃。電池在第 1、2 次充電時各充入方案一中同階段充入電量的 1.15 倍，第 3 次充電按 1.1 中 條款 b) 進行，并完成方案二電池的抽酸。化成周期內電池總凈充入電量為電池額定容量的 9.0 倍。

2 試驗結果與分析

2.1 化成槽上容檢量表電壓分布

電池廠通常采用槽上容量檢測（即試驗中的第 2 次放電）電壓作為配組的第一依據。當電池組放電至平均電壓為 10.30～10.40 V/只時，記錄單只電池的放電電壓。電池配組時根據同檔位電池量表電壓及靜置開路電壓進行配組。圖 2 是試驗電池放電至平均電壓為 10.35 V/只時兩種化成方式電池放電量表電壓的歸類匯總。方案一中放電量表電壓在10.31～10.50 V、10.21～10.60 V 范圍內的電池分別有 277、315 只，占比分別為 85.5 %、96.6 %。方案二中放電量表電壓在 10.31～10.50 V、10.21～10.60 V 范圍內的電池分別有 209、278 只，占比分別為64.1 %、85.2 %。采用方案一化成的電池在槽上容量檢測量表電壓上集中度較高，有利于按量表電壓進行配組。

圖2 6-DZF-20 電池槽上容檢量表電壓分布

2.2 開路電壓

圖3為試驗電池下線經清洗、整理并靜置 48 h后測得的單只電池開路電壓的匯總。兩種方案的電池開路電壓主要集中在 13.26～13.28 V。由于方案一中化成凈充入電量少，故電池化成過程中分解水副反應相對較少，電解液密度低，制得的電池平均開路電壓較方案二也略低。

圖3 靜置 48 h 后 6-DZF-20 電池開路電壓分布

2.3 電池循環壽命、組合一致性

圖4為 48 V 電池組以 0.5C2進行 100 % DOD 壽命測試的曲線。圖 5 為壽命中組內電池的放電壓差變化曲線。① ② 代表通過恒溫脈動內化成工藝制得并配組的 48 V 電池組，③ ④ 代表多階段分電流化成工藝制得并配組的 48 V 電池組。① ②、③ ④電池組在首次壽命循環中，組間電池放電時間為124.5～126 min，容量差小于 0.25 Ah。電池循環壽命測試中，③ ④電池組分別在第 120 次、第 90 次放電時容量出現輕度衰減，相對應地在圖 5 中出現組內電池放電電壓差增大的情況，電池單只落后，造成電池組整體放電時間縮短。在以后的壽命循環中③ ④電池組放電壓差有一定的改善，但整體落后于① ②電池組，而且其放電容量、循環壽命也不如① ②電池組理想。在壽命循環中① ②電池組放電壓差也出現了變化，但是相對于③ ④電池組來說，變化較小，所以電池容量衰減不明顯，循環壽命也略優。

圖4 6-DZF-20 電池循環壽命曲線

圖5 6-DZF-20 電池循環壽命組內壓差變化

3 結論

由以上結果和分析看出，采用恒溫脈動內化成工藝制得的電池在充入較少的電量下電池槽上容量檢測一致性、靜置開路電壓一致性優于普通多階段分電流化成工藝制得的電池，而且經循環壽命試驗對比，循環中電池壓差、電池壽命優于多階段分電流化成工藝制得的電池。電池容量上，兩種方式制得的電池基本持平。由于恒溫脈動內化成工藝充電電流設置較大，對用電要求較高，因此在電力足夠時生產企業可優選恒溫脈動內化成工藝生產。