炭含量對閥控電池正極板保液量及容量的影響

何麗華，祁永軍

（1.天津市產品質量監督檢測技術研究院，天津 300308；2.河北奧冠電源有限責任公司，河北 衡水 253800）

0 引言

蓄電池的容量是指在一定放電條件下，可以從電池中獲得的電量。一般，蓄電池的放電容量與極板的尺寸，活性物質的成分、數量和孔率，電解液的密度、數量和溫度，放電電流和放電終止電壓等因素有關[1]。其中，活物質的孔率是影響極板放電容量的最不確定的因素，因為極板活性物質孔隙的大小和分布處于一種不規則的形態，是在極板固化干燥過程中由鉛膏的含水量和失水速率決定的。

為了使正極板獲提較好的孔率，在控制固化干燥過程中鉛膏含水量和失水速率的前提下，一般情況下是在正極鉛膏中添加一定量的炭素材料，如碳纖維、石墨、膠體石墨等[2]。炭素材料是屬高表面活力物質，具有較高的吸附性，能很好地吸附電解液，從而提高硫酸電解液對極板活性物質（特別是極板深處的活性物質）的接觸、滲透，有利于電極電化反應的深度進行。另一方面，活性物質中高度分散的炭素材料，在極板化成時，由于硫酸的滲透作用會產生體積膨脹，有利于正極板活性物質的孔隙度的增加。也有資料顯示，把石墨加入鉛膏中，在極板固化時，可以提高 3 BS 的含量，從而使電池具有更高的容量[3]，也有利于電池的循環壽命和低溫性能[4]。所以，正極板活性物質中加入適當的炭素材料有利于活性物質的孔隙度的增加和電解液的吸附。特別是，對于閥控式蓄電池，由于正常運行一般是處在貧液狀態，與富液蓄電池相比，存在著電解液擴散能力差，極板持酸量低的問題。這些問題也影響到閥控式蓄電池的放電容量。為此，筆者對閥控式蓄電池正極板中炭素材料含量與極板保液量，以及電池放電容量之間的關系進行了分析。

1 試驗

以 6-DZM-20 電動助力車用鉛酸蓄電池為試驗對象。將膠體石墨按鉛粉重量的 0.1 %、0.3 %、0.5 %、0.7 %、0.9 % 分別加入正極板鉛膏中，按正常生產工藝制作成 5 組（每組 4 只）樣品蓄電池。在此過程中，測記每只蓄電池的正、負極板和實際灌酸重量。按 GB 22199—2017 標準中容量試驗方法，對樣品蓄電池進行 10 次練習放電，然后分別在 25 ℃、-10 ℃ 和 -20 ℃ 溫度下進行標準容量放電，記錄并計算樣品蓄電池的實際放電容量值。最后，解剖樣品蓄電池， 取出正、負極板及隔板，分別計算出所保持的電解液量。將所有測量、計算結果列于表1 中。

表1 試驗數據

將表1 的數據描繪成對應曲線。從圖1 中可以看出，隨著正極板含炭量的增加，蓄電池的放電容量呈現增長的趨勢，特別是在低溫環境下，放電容量增長的幅度較大。炭素材料的加入可以有效地改善正極板活性物質中孔的形態和極板的孔率。一方面，孔率的增加增大了正極板的真實表面積，從而使通過正極板的真實電流密度降低，減少了電化反應過程中產生的電化學極化。另一方面，孔率的增加降低了正極板界面傳質擴散層的厚度，使得電極的擴散電流密度增加，減少了電化反應過程中由于極板內外硫酸根濃度差所產生的濃差極化。特別是在低溫條件下，由于極板內部硫酸根濃度的增大，使得電解液的結冰傾向減弱，有利于電極電化反應的進行，這一點可以通過硫酸電解液的冰點曲線得到求證。所以，當正極板的炭含量增加量時會使蓄電池放電容量增大。

圖1 正極板炭含量與電池放電容量的關系

從圖2 中可以看出，隨著正極板含炭量的增加，正極板的保液量也呈顯增加趨勢。圖1 中說明，炭素材料的加入有利于硫酸電解液的吸附與傳輸，圖2 所示的關系驗證了這一點。吸附是指物質（主要是固體物質）表面吸住周圍介質（液體或氣體）中的分子或離子的現象。吸附作用和物質的表面積有關，表面積越大，吸附能力越強。炭素材料是一種具有較大表面積，較強吸附作用的物質。本試驗中采用的膠體石墨是由超細鱗片石墨和膠質有機溶劑制成的一種具有很強親水性的材料。曾有報道說，把一定量的膠體石墨加入蓄電池正極板用鉛膏中會對硫酸溶液產生較強的吸附作用。本試驗證明，隨著膠體石墨添加量的增加，在一定范圍內膠體石墨對硫酸溶液的吸附作用也增加。另外，也有資料指出，加入高純各向異性石墨后，鉛膏會因石墨膨脹而起到緊密裝配的作用，使正極保持高孔率，從而提高正極利用率[5]。

圖2 正極板炭含量與保液量的關系

2 結論

閥控式鉛酸蓄電池的正極板用鉛膏中添加0.1 %～0.9 % 的膠體石墨后，有如下作用：

（1）隨著膠體石墨添加量的增加，蓄電池正極板的保液量也逐漸增多。主要原因是，膠體石墨的加入增加了活性物質的孔率和對硫酸電解液的吸附能力。

（2）隨著膠體石墨添加量的增加，蓄電池的放電容量也逐漸增大，且低溫放電容量增大幅度較為明顯。主要原因是，正極板的保液量增加，降低了電化反應的濃差極化和電解液的結冰傾向。