超级铅酸电池工艺研究

梅魁主，李维俊，王志文

(武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)



超级铅酸电池工艺研究

梅魁主，李维俊，王志文

(武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)

摘 要：研究了在超级铅酸电池负极中添加炭材料时，不同的添加方式对超级铅酸电池容量的影响，实验结果表明，以膏体的形式添加的炭材料的超级铅酸电池容量效果最好。

关键词：超级铅酸电池 炭材料 容量 工艺

0 引言

蓄电池具有较高的比能量，超级电容器具有很高的比功率，二者结合起来互相取长补短，做成超级电池[1]。由于铅酸电池与超级电容器的正极相同，因此这两个电极通过内部的并联就能够结成一体，成为一个统一的正极。而组合后的负极则由一个超级电容电极和一个铅酸负极构成。第二代超级铅酸电池将高比表面的炭材料掺入铅负极，发挥高比表面炭材料的高导电性，并且对铅基活性物质起到分散作用，提高铅基活性物质的利用率，同时能抑制硫酸铅晶体的长大和失活。高比表面炭材料在高功率充放电和脉冲放电时可提供双电层电容，减弱大电流对负极的破坏。而且可以使铅负极内部有多孔结构，这有利于高功率充放电的时候电解液离子的快速迁移。但在第二代超级电池中，由于活性炭的加入，铅膏自身的结合力随之减弱，当活性炭含量大于2 %时，如果不加入粘合剂，将会造成极板强度低，活性炭容易析出、脱落等问题[2-4]。本实验研究了炭材料的不同加入方式对电池性能的影响。

1 实验电池的制备

实验用铅酸蓄电池额定电压2 V，10 h率额定容量10.000 Ah。本实验主要制作了四类电池：1）负极铅膏中不加炭的原样电池，2）负极铅膏中加入炭粉的炭粉电池，3）负极铅膏中加入炭膏的炭膏电池，4）极群中并联炭板的炭板电池。实验方法参照国标和企标[5-9]。

1.1原样电池的制备

将合好的正负极用铅膏分别涂在对应的正极铅板栅和负极镀铅铜网上，涂板时应尽量控制涂膏量，以便保持实验电池的均衡性。然后在固化干燥室中固化48 h、干燥24 h，干燥结束后正负极生干板一起化成，耗时24 h，最后再干燥24 h便可以装配。极群焊接前正极板要套袋子，负极板要包膜，正负极板都要称重并搭配好。原样电池的制备工艺流程图见图1。

1.2炭粉电池的制备

炭粉电池的制备工艺与原样电池的制备工艺基本相同，唯一的区别是合膏时在加入铅粉的同时加入一定比例的炭粉。炭粉电池的制备工艺流程图见图2。

1.3炭膏电池的制备

将活性炭、导电剂、粘结剂按计划的比例加入搅拌器中，加入除离子水搅拌至膏状即炭膏。然后开始合铅膏，当铅膏合膏结束前（10-15）min加入炭膏，混合均匀，即得到含有炭膏的铅膏。然后同原样电池的制备工艺流程一样，涂板、固化干燥、化成干燥、正极板套袋子、负极板包膜、装配。炭膏电池的制备工艺流程图见图3。

图1 原样电池制备流程图

图2 炭粉电池制备流程图

图3 炭膏电池制备流程图

1.4炭板电池的制备

将活性炭、导电剂、粘结剂按计划的比例加入搅拌器中，加入除离子水搅拌至膏状即炭膏，然后把炭膏涂在镀铅铜网上，干燥形成炭板。炭板电池的制备工艺与原样电池的基本相同，唯一的区别是在电池装配时用一片或几片炭板代替负极板。炭板电池的制备工艺流程图见图4。

2 不同类型电池容量实验结果及讨论

将完全充电的蓄电池在(25±5)℃环境中静置（1-24）h后，分别按表1中的恒定电流连续放电，直至电池端电压降至表1中相应的终止电压时停止实验，按公式（1）计算超级铅酸电池容量如表2，其折线图如图5。

式中：Ce—换算为25℃时的容量（Ah）；

t —放电开始至放电终止时的平均温度（℃）；

Ct—平均温度为t℃时的容量（Ah）；

k—温度系数，50 h率、20 h率、10 h率时，k=0.006；5 h率、3 h率、2 h率时，k=0.008；1 h率时，k=0.01。

图1、图2、图3、图4描绘了不同工艺方法制备的电池，其容量数据如表2，对应的折线图如图5，由图5可以看出，原样及其超级铅酸电池容量一般都超过其额定容量。

图4 炭板电池制备流程图

比较其他三种工艺制备的超级电池，可以看出，炭粉电池在大电流放电时容量比较高，但在5时率循环放电时，容量下降很快，分析其原因为，大电流放电时，炭材料起到了一定的作用，但由于加入的是炭粉，没有黏结剂，循环到一定周期后，炭材料变松甚至脱落，进而导致活性物质脱落，使容量下降。

炭膏电池容量稳定，大电流放电效果好，加入的黏结剂避免了炭及活性物质的脱落，有效提高了电池的容量和寿命。

炭板电池的容量一开始就偏低，这是因为用炭板代替铅负极板后，电池虽然能进行大电流放电，但负极活性物质不足，导致整体容量偏低。

表1 超级铅酸电池不同时率的放电电流及终止电压

表2 不同类型超级铅酸电池容量

图5 不同方法制备超级电池容量折线图

3 小结

本实验的结果说明，在铅酸蓄电池的负极铅膏中添加炭材料，能有效增加铅酸电池容量，并且有利于大电流放电。加入炭材料时应同时加入黏结剂防止炭材料和活性物质的脱落。就本实验而言，炭膏好于炭粉。在制作并炭的炭板电池时，应在不减少负极活性物质的前提下并入炭板，这样会在保证基本容量的前提下既有利于大电流充放电，又可延长寿命。

参考文献：

[1]张洁.超级电池的炭基超级电容电极研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学化工学院,2011.

[2]杨丽杰.Pb和Ba对多孔碳材料的修饰研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学化工学院,2010.

[3]陈绪杰.超级铅酸电池负极用炭材料的改性及电化学性能研究［D］.长沙:中南大学冶金科学与工程学院,2011.

[4]陈飞,张慧,梁佳翔,杨惠强,方明学.铅碳超级电池混合负极的研究[J].蓄电池:2011 No.6 Vol.48-263.

[5]伊晓波.铅酸蓄电池制造与过程控制[M].北京:机械工业出版社,2004,286-337.

[6]刘广林.铅酸蓄电池工艺学概论[M].北京:机械工业出版社,2008,146-350.

[7]伊晓波,熊兰英,曹水焕等.GB/T 19638.2-2005 固定型阀控密封式铅酸蓄电池[S].北京:中国标准出版社,2005.

[8]王志文,李维俊,梅魁主等.Q/ZGN J 001-2011 湖北长海新能源科技有限公司企业标准/阀控式密封铅酸蓄电池[S].湖北鄂州:湖北省鄂州市标准局,2011.

[9]王志文,李维俊,梅魁主等.双极群铅酸蓄电池性能研究[J].船电技术,2012（增刊）:121-123.

Study on Lead-acid Super Battery Technology

Mei Kuizhu,Li Weijun,Wang Zhiwen
(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064,China)

Abstract：The effects of different adding methods on the capacity of lead-acid super batteries are studied.Experimental results show that the added carbon materials in the form of a paste of the lead-acid super battery capacity effect are the best.

Keywords：lead-acid super battery; carbon materials; capacity; technology

作者简介：梅魁主(1984-)，男，工程师。研究方向：化学电源。

收稿日期：2015-09-16

中图分类号：TM912

文献标识码：A

文章编号：1003-4862（2016）02-0004-04