高温电池的极限高温实验及影响因素分析

朱卫民（卧龙电气集团浙江灯塔电源有限公司，浙江 绍兴 312000）

高温电池的极限高温实验及影响因素分析

朱卫民
（卧龙电气集团浙江灯塔电源有限公司，浙江 绍兴 312000）

以极限高温测试作为评判方法，分别考查蓄电池外壳材料及厚度、电解液成分、铅膏类型及催化栓等因素对蓄电池高温性能的影响。结果表明，采用改性 ABS 材料、特性铅膏配方，且外壳厚度在 8 mm 以上的电池耐高温性能较好。同时，采用胶体电解液、安装催化栓也可以在一定程度上提升电池的高温性能。

高温电池；胶体电解液；改性 ABS；铅膏；氢氧复合催化栓；浮充电流

0　引言

随着市场需求的变化和行业的发展，蓄电池行业近年来不断推陈出新。针对国内外市场三、四类基站机房的恶劣使用环境，行业内将注意力集中到耐高温型阀控式铅酸蓄电池上。中国铁塔公司、中国电信公司等国内运营商均已公开招标，集中采购专用型高温电池。高温电池相比于普通电池，适用温度范围更宽，能够在 35 ℃下正常使用（常规蓄电池的使用温度为 25 ℃），可以大大降低基站机房对空调设备的依赖，大幅节约能耗，并减少温室气体的排放，利于环境保护［1-6］。

高温电池，即高温型阀控式铅酸蓄电池，是在传统的 VRLA 蓄电池的基础上，通过技术优化升级开发的新产品。根据 YD/T 2657—2013 《高温型阀控式密封铅酸蓄电池》的要求，高温型电池的推荐使用温度为 20～35 ℃，允许在 -20～65 ℃ 环境条件下使用。对于高温电池，当前最重要、最有效也是最直接的评判标准，就是对其进行极限高温试验。如果进行 65 ℃ 极限高温浮充寿命测试，电池外观上无破裂、过度膨胀和槽盖分离现象，且容量比率 ≥0.95 %，极限高温测试过程中电池的浮充电流没有明显的上升，则可以初步判断该测试电池为高温电池。本文以 2 V 500 Ah 电池为例，主要采用YD/T 2657—2013《高温型阀控式密封铅酸蓄电池》中第 6.24 节的测试方法，分别对电池外壳材料及厚度、电解液成分、催化栓及铅膏类型进行考查，寻找对高温电池耐高温性能最重要的影响因素。

1　实验

1.1外壳材料

首先，外壳材料选择普通阻燃材料以及 2 种耐高温阻燃材料，分别记为 HT-A、HT-B、HT-C。然后，采用公司现有的 M 系列 2 V 500 Ah 极群、AGM 隔板和硫酸电解液，以常规的组装方式组装成单体电池。每种材料外壳制备 10 只电池，各选择容量符合要求的 6 只进行 65 ℃ 极限高温实验。选择 6 只电池的测试数据平均值进行对比分析，见表1。

65 ℃ 极限高温测试过程中，浮充电流变化见图1。根据表1 及图1 可知，外壳材料类型对蓄电池的高温性能有着很大的影响。普通阻燃 ABS 材料在经过 15 d 的 65 ℃ 高温浮充后，外壳明显鼓胀，形变量高达 5 mm 以上，造成电池内部极群装配压力降低，内阻增大，进一步造成电池本体内的温度上升，从而加速失水，进而影响电池的容量。而两种高温材料均在一定程度上抑制了以上现象，相比较而言，高温材料 HT-B 对高温环境的适应性更强，外壳形变量约为 2.5 mm，电池的失水量、容量损失率也大幅下降。分析其原因可能是，高温HT-B 材料在其配方中增加了耐高温材料，提升了材料的热变形温度，增加了在高温环境下的强度。

1.2电池外壳厚度

根据第 1.1 节中实验的结果，选择含 HT-B 高温阻燃材料进入本阶段的实验。本阶段主要对电池槽壁厚进行考查，槽厚度分别选择 7 mm、8 mm、9 mm。针对每种厚度外壳，制备 10 只电池，各选择容量符合要求的 6 只进行 65 ℃ 极限高温实验，测试数据平均值见表2。

65 ℃ 极限高温测试过程中，浮充电流变化见图2。根据表2 及图2 可知，外壳厚度对电池的耐高温性能也有一定影响。随着外壳厚度的增加，电池的外壳形变量逐渐减小，失水量逐渐降低，容量损失也得到改善。这一情况很容易解释，对于同一种外壳材料，外壳越厚其机械强度越高，耐形变性越理想。但是从图2 中可以看出，当外壳厚度达到8 mm 时，继续增加厚度，对耐高温性能的提升幅度将不在明显，而增加外壳的厚度，不但增加了电池的重量，造成质量比能量降低，同时在一定程度上提高了电池的材料成本。

1.3电解液

根据测试结果，选择 HT-B 高温阻燃材料、8 mm厚的外壳来考查电解液的影响。选用相同密度的普通硫酸电解液和硅溶胶电解液，分别制备 10 只电池进行试验，各选择容量符合要求的 6 只电池进行 65 ℃ 极限高温实验，测试数据平均值见表3。65 ℃ 极限高温测试过程中，浮充电流变化见图3。

根据表3 及图3 可知，胶体电解液电池的耐高温性能有一定的提升。从外壳形变上来看，采用普通硫酸电解液与胶体电解液制作的电池差别不大，但是，胶体电池的失水量和容量损失率均明显减少。这是因为胶体电池以其胶体电解液的结构特点，一方面可以实现对水的束缚，从而减少水分的损失，保证氧化还原反应正常进行，确保电池的容量，另一方面，胶体的比热容较大，而且热传导和热辐射能力强，有利于电池内部反应产生的热量及时扩散。

1.4铅膏类型

根据以上测试结果，选择 HT-B 高温阻燃材料、8 mm 厚外壳和硅溶胶电解液进行本阶段的实验。分别采用公司现有的 M 型、N 型、P 型铅膏制作极板，并各制备 10 只电池进行试验，选择其中容量符合要求的 6 只进行 65 ℃ 极限高温实验，测试结果如表4 所示。65 ℃ 极限高温测试过程中，浮充电流变化见图4。

根据表4 及图4 可知，不同铅膏类型对蓄电池的耐高温性能有着巨大的影响。根据前期的实验结果，虽然可以保证外壳在高温下的结构稳定性，但是如果铅膏类型不同，电池失水及容量损失有明显的差异。HTBG-P 电池采用常规的高功率电池铅膏配方，炭含量较高；HTBG-N 电池采用常规的通信电池铅膏配方，炭含量一般；HTBG-M 电池在常规通信电池铅膏配方的基础上，增加了一定量的耐高温添加剂与特性炭材料。由于炭材料的加入，提高了活性物质的导电性，电池内阻降低，内部产生的热量减少，在一定程度上从源头控制了温升。炭材料的析氢过电位一般比铅材料的低［7-9］，从而加速了水分的消耗与损失，从而影响充放电过程中的电化学反应。不同炭材料的析氢电位有所不同，所以铅膏配方中炭材料的种类与含量对电池在高温环境下的容量有着很大的影响。

1.5催化栓

根据以上测试结果，采用 8 mm 厚 HT-B 高温阻燃材料外壳、硅溶胶电解液、M 型铅膏制备 16 只 2 V 500 Ah 电池。其中 8 只安装常规安全阀，另外 8 只安装集成有氢氧复合催化栓的安全阀。各选择容量符合要求的 6 只进行 65 ℃ 极限高温实验，测试结果如表5 所示。65 ℃ 极限高温测试过程中，浮充电流变化见图5。

根据表5 及图5 可知，安装氢氧复合催化栓，可以在一定程度上降低电池的失水量，减少电池容量的损失。当电池在温度升高时，持续的浮充会加剧电池的析氢析氧副反应，产生的气体一般会通过内部的氧循环反应进行消耗，当负极板来不及消耗多余的氧气时，电池的内部压力将会增加。正常的情况下，当压力达到一定值时，安全阀自动打开，释放一部分气体，以控制电池内部的压力，但也导致水分的损失。而安装了催化栓后，在钯催化剂的作用下，多余的氢气和氧气会再次复合成水，从而降低内部压力，减少失水。不过，从实验的结果来看，经过第 1.1～1.4 节的处理后，电池的耐高温性能已经有了很大的提升，安装催化栓后性能的提升空间较小。

2　小结

通过本次实验，可得出以下结论：

（1）采用热变形温度较高的耐高温改性 ABS材料，可以减少电池外壳的形变，降低失水量，提升电池的容量保存率；（2）对于同一种材料，电池的耐高温性能随着外壳厚度的增加而提升，但上升到一定值时，性能提升不再明显；（3）胶体电解液可以在一定程度上抑制电池的失水，所以同等条件下，采用胶体电解液电池的耐高温性能略高于采用硫酸电解液电池；（4）铅膏类型对电池的耐高温性能影响巨大，不同铅膏配方中炭材料的种类与含量会影响电池的失水量以及容量，采用耐高温添加剂可以提升电池的耐高温性能；（5）氢氧复合催化栓可以在一定程度上，降低电池的失水量，减少容量损失率。

［1］ 罗秋菊， 王文， 程劲晖， 等. 通信用蓄电池节能技术效果分析［J］. 广州通信技术， 2013（6）: 70-73.

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High temperature limit experiment of high temperature battery and its influencing factor analysis

ZHU Weimin
（Zhejiang Dengta Power Source Co.， Ltd.， Wolong Electric Group， Shaoxing Zhejiang 312000， China）

The influences of container material and thickness， electrolyte composition， paste type， and catalytic plug on the high temperature performance of lead-acid battery were studied based on high temperature limit test in this paper. The results showed that the high temperature performance of the lead-acid battery was better when the modified ABS materials and specific paste are used， and the container thickness was more than 8 mm. At the same time， by using the gelled electrolyte and catalytic plug， the high temperature performance of the battery could be improved to a certain extent.

high temperature battery； gelled electrolyte； modified ABS； lead paste； hydrogen and oxygen compound catalytic plug； floating charge current

TM 912.1

B

1006-0847（2016）04-167-04

2016-03-28