沖網正板柵厚度對起動電池性能的影響

呼夢娟，呂樂樂，師笑樂，李銘杰

（河南超威正效電源有限公司，河南 沁陽 454550）

0 引言

正極板活性物質的質量，以及板柵的腐蝕和生長，是影響鉛酸電池工作壽命的主要因素[1]。汽車用蓄電池使用狀態(tài)為瞬間大電流放電，且浮充狀態(tài)占整個使用過程的大部分時間，因此設計板柵時應考慮正負板柵厚度比較小，以及負極板決定電池充電接受能力和低溫大電流放電的需求[2]。過去由于鉛價低，鉛酸蓄電池板柵質量可占極板質量的35%～45%，但現在汽車電池板柵質量僅占極板質量的30%～40%。集流體（板柵）和極板的質量之比稱為α因子，其典型值為0.35～0.60。提高α因子有助于改善電池的大電流性能和循環(huán)性能，但會降低電池的比能量[3]。本文中，筆者主要研究降低板柵厚度，提高電池比能量，對鉛酸蓄電池電池性能和板柵使用壽命的影響。

1 實驗

1.1 制備實驗樣品

將Pb–Ca–Sn合金（合金中ω(Ca)為0.055%～0.060%，ω(Ca)為1.55%～1.60%）按照生產工藝制成厚度分別為0.90、0.85、0.80 mm的正極鉛帶，并記為A1、B1和C1。經過沖網成型正極板柵，涂板成正極板，與同一規(guī)格負極板按6正6負組裝好，化成，制成12 V 60 Ah SLI電池。由厚度0.90、0.85、0.80 mm正板柵制成的電池分別記為A2、B2和C2。

1.2 測試鉛帶的力學性能

參考 GB/T 228.1—2010金屬材料室溫拉伸試驗方法，測試鉛帶樣品（參見圖1），得到表1所示結果。隨著鉛帶厚度降低，拉伸強度稍微降低，延伸率升高。David[4]指出板柵應該有足夠的硬度、高屈服強度、高蠕變強度和低延伸率。鉛帶的厚度、拉伸強度降低，以及延伸率升高不利于板柵的使用壽命。需要根據設計的電池使用壽命選擇適合的板柵厚度。

圖 1 鉛帶樣品尺寸

表 1 鉛帶的拉伸強度和延伸率

1.3 測試的電池性能

采用蓄電池綜合性能測試儀（型號 BNT 500-018-2ME），按照國標 GB/T 5008.1—2013進行低溫起動能力、充電接受能力和循環(huán)耐久I試驗，并按照標準VW 75073—2019中第7.11條款進行（75±2）℃熱穩(wěn)定測試。

1.3.1 低溫性能

起動型鉛酸蓄電池的重要指標是低溫起動性能，而冷起動電流（CCA）就是低溫起動性能的一個重要指標。電池A2、B2和C2的電阻、冷起動電流和低溫起動性能測試結果見表2。隨著正極板柵厚度減小，電池內阻增加。一般來說，晶粒越大，晶界面積越小，電子穿透晶界所遇到的阻力越小，電阻率較小，反之電阻率越大。隨著軋制變形量的增加，晶粒變小，晶界面積增大，從而在外電場作用下自由電子穿過的阻力越大，電阻率越大，導電性能下降，因此隨著軋制變形量的增加，鉛合金板材的導電性能有所降低[5]。由于初始鉛坯厚度相同，隨著鉛帶厚度降低，總軋制變形量增加，鉛帶電阻率變大，電池內阻增大。另外，鉛帶減薄，板柵導電橫截面積變小，電池內阻增大。相應地，電池冷起動電流變小，低溫起動性能變弱。因此，正極板柵厚度降低，對電池低溫起動性能不利。

表 2 電池電阻、CCA及低溫性能數據

1.3.2 充電接受能力

充電接受能力對于起動鉛酸電池的可持續(xù)性、穩(wěn)定性，乃至使用壽命起到至關重要的作用。充電接受能力試驗用來表征電池充電性能。國標 GB/T 5008.1—2013要求充電接受能力（充電電流值ICa與I0的比值）不應小于2.0。電池A2、B2和C2的充電接受能力分別是3.58、3.53和3.55。因此，正極板柵厚度減薄對電池充電接受能力影響不大。

1.3.3 循環(huán)耐久I試驗

文獻[2]認為正常蓄電池壽命終止時，板柵已經被嚴重腐蝕。一般認為，蓄電池的壽命終止時，極板一動就碎成小塊，板柵筋條中出現細小的合金條或合金段是比較合理的，即認為功能不過剩也不富余，就推斷筋條設計合理。通過按國標循環(huán)I測試電池使用壽命，推斷板柵減薄后，板柵筋條設計的合理性。由圖2可見，電池A2、B2和C2的循環(huán)壽命分別為244次、258次和186次。當板柵厚度為0.80 mm時，電池循環(huán)壽命驟減。對循環(huán)后電池解剖發(fā)現，電池A2和C2的壽命結束時，蓄電池板柵完好無損。由此推斷，電池A2的板柵設計富余，而電池C2循環(huán)壽命短，導致0.80 mm板柵在循環(huán)耐久試驗中服役時間短，從而完好無損。電池B2的壽命結束后，板柵筋條中出現少量細小的合金條或合金段，因此電池B2的板柵設計能滿足要求且不富裕。

圖 2 電池循環(huán)耐久Ⅰ壽命

1.3.4 電池熱穩(wěn)定性

通過在失效過程中監(jiān)控內阻和重量損失，來評估電池板柵的耐腐蝕性能。圖3給出不同厚度板柵電池在（75±2）℃熱穩(wěn)定試驗過程中的重量損失和內阻變化曲線。在熱穩(wěn)定性試驗過程中，前期12個單元電池重量損失速率緩慢一致；后期隨著板柵厚度降低，電池重量損失速率升高，即板柵厚度越小，重量損失越快。前期10個單元電池內阻升高速率緩慢一致；后期隨著板柵厚度降低，電池內阻升高速率增大，即板柵厚度越小，電池內阻升高越快。隨著板柵厚度降低，電池熱穩(wěn)定性降低。

圖 3 電池熱穩(wěn)定性試驗中重量損失和內阻變化曲線

電池熱穩(wěn)定性試驗后板柵腐蝕情況見圖4。寬鉛帶連沖板柵的金相組織比較細碎致密，晶粒界限難以分辨，有大量的亞晶結構和被軋制拉長的纖維狀組織產生，晶粒更加細化、均勻，所以耐電化學腐蝕和機械性能有明顯的優(yōu)勢[6]。軋制工藝制作的合金腐蝕部位明顯增多，而且以平推方式向合金內部發(fā)展[7]。如圖4所示，沖網板柵使用過程沿著板柵邊框邊緣向合金內部發(fā)生均勻晶界腐蝕，沒有發(fā)生晶間穿透性腐蝕。隨著板柵厚度降低，熱穩(wěn)定性測試過程中平均每單元腐蝕層厚度增加。板柵厚度降低后電池熱穩(wěn)定性變弱。

圖 4 電池熱穩(wěn)定性試驗后板柵腐蝕情況

2 結論

隨著厚度降低，鉛帶拉伸強度降低，延伸率升高，而且在制成板柵后，會降低電池的低溫性能和板柵使用壽命。由實驗得出，采用0.85 mm厚板柵電池的熱穩(wěn)定性能比0.90 mm厚板柵電池稍弱，且二者在循環(huán)耐久Ⅰ壽命上相近。考慮到電池的比能量和使用目標要求，厚度為 0.85 mm 板柵能滿足設計需要，既能節(jié)約用鉛又能滿足電池使用性能。