电动自行车用铅酸电池低温容量影响因素分析

刘玉，郭志刚，李桂发，邓成智，陈飞，班涛伟，陈志平（天能集团研究院，浙江 长兴 313100）



电动自行车用铅酸电池低温容量影响因素分析

刘玉，郭志刚，李桂发，邓成智，陈飞，班涛伟，陈志平
（天能集团研究院，浙江 长兴 313100）

摘要：本文围绕动力电池低温容量影响因素分析，从装配压力、炭材料、木素及化成工艺四个方面进行了研究。实验结果表明：装配压力会对电池低温容量产生影响；高比表面积的炭材料能够明显降低低温容量，加速电池失水；化成温度超过 45 ℃时，低温容量基本不合格；此外降低木素的添加量，低温容量也会明显降低，特别是在化成温度较高的情况下，下降得特别明显。

关键词：电动自行车；动力电池；低温容量；装配压力；比表面积；木素；炭材料；化成

0 引言

对于电动自行车用铅酸蓄电池的低温性能而言，除了自然环境对其造成的影响之外，电池本身的设计、材料及生产工艺也会产生明显的影响，因此本文从电池的装配压力、负极添加剂炭材料和木素及化成工艺几方面着手，探讨如何提高电池的低温放电容量。

1 装配压力

为保证电池的动力性能，极群的装配压力是电池设计过程中的一个重要参数，适宜的装配压力能够明显提高电池的性能，延长电池的使用寿命[1]。

目前市场上常见的三款电动车自行车用电池型号为 6-DZM-12、6-DZM-20 和 6-EVF-32A。6-DZM-12 电池的结构如图 1(a) 所示， 6-DZM-20 和 6-EVF-32A 电池的结构如图 1(b) 所示。6-DZM-12 电池在循环过程中，6 个单格彼此之间不会有太大的影响，而对于 6-DZM-20 和 6-EVF-32A电池，6 个单格一字排开，随着极群的膨胀和收缩，单格间互相挤压，彼此之间装配压力存在影响，中间单格和两边单格会存在差别，装配压力对电池低温性能的影响在这样结构的电池上尤为明显。

为了保证 6-EVF-32A 电池的 6 个单格彼此之间不受影响，均装成 2 V 单体电池，然后测试其在不同装配压力下的常温和低温放电性能。从图 2 曲线上可以看到，单体电池在常温放电过程中，放电时间比较接近，而在低温测试过程中，装配压力较低的 2# 和 4# 两单格放电时间较短，电压平台也要明显低于其它单格。要注意到的是，图中单体电池的装配压力匀为干态极群的装配压力。

图 1　电池结构立体图

图 2　6-EVF-32A 单格电池放电测试（15 A）

测试结束后对电池进行了解剖，对极群湿态的装配压力也进行了测试，数据如表 1 所示。从表 1 中可以看到电池的湿态压力值（真实装配压力值），大约为干态压力值的 45 %～50 %。该值是电池未进行循环寿命测试前所测得的，假如进行寿命测试，该值会持续地降低。结合图 2，可以看到装配压力低的单体电池，其低温性能明显比装配压力高的单体电池差。但是就不同电池结构而言，装配压力高低的影响各不相同。此外如何从控制干态的极群装配压力出发，来保证湿态的压力是技术上需要解决的问题。

表 1　装配前干态装配压力和测试后湿态装配压力

2 炭材料

炭材料作为负极导电剂，在电池充放电过程中，起着导电网络的作用[2]。目前市场上炭材料的种类较多，性能也千差万别，在实验过程中发现不同比表面积的炭材料对电池低温性能影响的差别非常大。本实验采用为三种炭材料：A 为目前负极配方中常见的乙炔黑，比表面积为 70 m2/g；B 的比表面积为 220 m2/g；C 的比表面积为 1400 m2/g。

为了排除单格之间装配压力的差异，本次实验仍选用 2 V 单体作为实验电池，容量为 20 Ah。四种实验配方中，炭材料所占质量分数均相同，其中1#、2#、3# 分别添加 A、B、C 炭材料，4# 按质量比 1∶1 添加 A 和 C 混合的炭材料。1# 和 2# 配方均按照常规工艺进行和膏，3# 和 4# 配方在加入和膏机之前对高比表面积炭材料 C 进行了预湿搅拌。电池装配过程中，对干态极群的装配压力进行了全检，装配压力值为 60～65 kPa。化成结束后对电池进行了性能测试，测试结果如表 2 所示。

表 2　不同比表面积炭材料电池性能测试

从表 2 可以看到，3# 实验电池的低温性能最差，4# 实验电池次之，1# 和 2# 实验电池无明显的差异，显然高比表面积炭材料的添加对电池低温放电有抑制作用。炭材料厂家认为，添加高比表面积的炭材料能够吸附木素，导致木素在负极中处于“失效”的模式，所以可以考虑增加木素的添加量；但是对于企业而言，增加木素的量，显然会增加电池的生产成本，另外从技术角度而言，木素的增加，对电池的充电接受能力也会有明显的抑制作用。

常规性能测试结束后，我们对编号为 1、2、5、6 的四只单体电池进行了寿命测试。从图 3 寿命测试期间前 100 次的失水情况可以看出，高比表面积炭材料的添加，极大地加剧了电池的失水量（约为常规电池的 4 倍），加速了电池的失效。因此，对于深循环用途的动力电池而言，添加高比表面积的炭材料会明显降低电池的低温容量，加速电池在循环过程中的失水，缩短电池的使用寿命。

图 3　循环寿命前 100 次失水

3 木素及化成温度

木素作为负极添加剂，对电池的低温性能起着至关重要的作用[3]，然而作为一种有机高分子材料，其对电池低温性能的影响机理，应该说是错综复杂[4]。电池加酸充电化成过程中，随着硫酸电解液的加入，电池内部发生剧烈的化学反应，内部温度瞬间陡升，能够达到 90 ℃ 左右，特别是在夏季，即便对电解液进行冷处理，还是会有明显的温升[5]。在充电过程中，随着活性物质的转换，电池温度始终处于变化中，所以木素的耐高温性能直接决定了其对电池低温性能的影响。

本文结合电池充电化成温度，对 A 和 B 两种木素进行了研究，其中对木素 A 采用了两种实验方案 ( 1 和 2 )，且方案 2 中的木素添加量为方案 1中的 75 %，木素 B 的添加量同方案 1 中木素 A 的相同，其他配料及含量均相同。实验电池型号为6-DZM-20。装配过程中对极板重量和极群的装配压力进行了全检，保证电池在干态情况下的一致。图 4 为电池化成过程中温度采集情况，其中电池侧面温度为极板面方向的温度，电池上表面温度为电池中盖的温度。

从图 4(a) 可以看到，在电池化成过程中，因无法保证水浴温度恒定 30 ℃，所以电池侧面温度超过 40 ℃；从图 4(b) 可以看到，把水浴温度设定为恒定 45 ℃ 和 55 ℃ 后，基本处于可控状态，无论是充电阶段还是放电阶段，电池温度未出现明显上升或下降，也就是说，在这两个温度条件控制下，整个化成期间，电池基本保持恒温。要说明的是，图中所采集的温度为电池外表面的温度，实际电池内部的温度要远高于电池表面的温度。实验过程中水浴一直处于恒温状态 (45 ℃和 55 ℃)，因此相当于木素一直处于一个极限环境条件下。

化成结束后对电池进行常规性能测试。关于常温 2 小时率容量，实验电池基本相当，没有出现任何差异。偶有看到国内外木素材料厂家提出，木素的添加量会对电池的常温容量产生影响，但是在本次实验及重复实验中均未发现有此情况。

图 4 化成过程中采集的温度

从图 5 可以看到，化成温度会对电池低温容量产生非常大的影响，当化成温度超过 45 ℃ 以后，电池的低温容量基本不合格，而当化成温度到了55 ℃，低温容量基本处于常规电池寿命终止后的情况。在相同添加量的情况下，分别添加两种木素的电池都出现了相同的情况。此外，降低木素的添加量后，电池的低温容量也会明显降低，特别是在化成温度较高的情况下，下降得特别明显。

图 5　化成温度和低温容量

图 6　化成温度和充电接受能力

从图 6 可以看到：减少木素的添加量能够明显提高电池的充电接受能力；提高化成温度后，随着木素的析出氧化，实则变相地减少了木素的添加量，充电接受能力也有明显提升；对于这两种木素，在相同添加量的情况下，有类似的规律。要注意到的是，部分实验电池处于不合格的状态，当然由于影响因素众多，不能简单地认为，就是因为该木素在该条件下，所以才会出现充电接受不合格的情况。

4 结论

通过本文的实验研究和分析探讨得出，影响电池低温容量的因素有以下几方面：

（1）电池装配压力对电池低温容量会有明显的影响；（2）对于深循环用途的动力电池而言，

添加高比表面积炭材料会明显降低电池的低温容量，加速电池在循环过程中的失水，缩短电池的使用寿命；（3）化成温度超过 45 ℃ 以后，低温容量基本不合格，此外，降低木素的添加量，低温容量也会明显降低，特别是在化成温度较高的情况下，下降得特别明显。

参考文献：

[1] 柴树松, 吴淳. 压力对密封铅酸蓄电池性能的影响[J]. 电池, 1998, 28(3): 120-122.

[2] Pavlov D, Nikolov P, Rogachev T. Influence of carbons on the structure of the negative active material of lead-acid batteries and on battery performance[J]. J. Power Sources, 2011, 196: 5155-5167.

[3] Pavlov D, Myrvold B O, Rogachev T, et al. A new generation of highly efficient expander products and correlation between their chemical composition and the performance of the lead–acid battery[J]. J. Power Sources, 2000, 85: 79-91.

[4] Matrakova M, Rogachev T, Pavlov D, et al. Influence of phenolic group content in lignin expanders on the performance of negative lead–acid battery plates[J]. J. Power Sources, 2003, 113: 345-354.

[5] 郭志刚, 刘玉, 毛书彦, 等. 电池化成工艺对深循环电池性能的影响[J]. 蓄电池, 2014(6)：265-268.

The analysis of infl uence factors on the capacity of lead-acid battery for E-bike at low temperature

LIU Yu, GUO Zhigang, LI Guifa, DENG Chengzhi, CHEN Fei, BAN Taowei, CHEN Zhiping
(The Academy of Tianneng Group, Changxing Zhejiang 313100, China)

Abstract:The infl uence factors of assembling pressure, carbon material, sodium lignosulfonate and container formation temperature on the capacity of lead-acid battery for E-bikes at low temperature were mainly examined in this paper. The experiments results showed that the assembly pressure affected the capacity at low temperature. The carbon materials with high specifi c surface area could signifi cantly reduce the capacity at low temperature and accelerate the water loss. If the temperature was higher than 45℃, it would bring in adverse effects on the capacity at low temperature. Moreover, if the amount of sodium lignosulfonate was reduced, the low temperature capacity would be signifi cantly reduced, especially in the case of higher formation temperature.

Key words:E-bike, power battery; capacity at low temperature; assembling pressure; specific surface area; sodium lignosulfonate; carbon material; formation

收稿日期：2015-11-19

中图分类号：TM 912.1

文献标识码：B

文章编号：1006-0847(2016)02-76-04