VRLA电池极群结构的设计与电性能的提升

李轲

摘要：电池的结构分为极板、隔膜、电解液等多个部分。极群结构是其中的核心之一，和电池的电性能息息相关。文章就极群结构的设计进行了分析与计算，同时对电性能的提升进行了研究分析。

关键词：VRLA电池；极群结构；电性能

早在20世纪80年代，就有研究人员提出VRLA会在固定型蓄电池领域发挥重大的作用，将取代传统的GF型电池。那时的固定型蓄电池研究已经取得了一定的进展，积累了丰富的经验。但是在实际应用中，VRLA电池出现了各种质量问题，同时电性能也较差。因此，需要进行针对性的研究，加强对VRLA电池极群结构的设计，提高VRLA电池的电性能。

1 电池的内涵

电池指的是可以提供一定电能的装置，将多种电池元件通过焊接汇流排、极柱等特定的加工方式，再加入隔膜使电池形成正、负极群，装入并封合电他槽，再注入电解液，就形成了电池。

但是，电池并不是将各个元件单纯地组装上去，而是需要一个固定的工序，充分发挥各个部分的性能。组装是电池生产的总结，也就是说，对于极板等电池元件生产的目的是为了最后成为一个电池。因此，必须要保证电池具备提供电性能的能力，电池元件并不是通过简单的组装而成的，而是需要经过严格的加工，充分发挥不同元件的性能。这也是市场上很多电池使用的元件都是相同的，但最终的电池性能却各不相同的原因。电池是一个独立的、严谨的加工工艺；在电池组装后，核心在于极群结构的设计与计算。

由此可以得出，电池的本质是一个商品，因此它必须具备商品所有的属性，即经济性、实用性、安全性、科学性。第一，生产中要控制投入成本，这样才能保证电池有一个合适的价格；第二，要能够充分发挥电池中的电性能，同时要保证电池的使用寿命；第三，电池的性能要可靠，使用较为安全；第四，电池的设计要紧跟时代脚步，应用先进的科学技术。这同时也对电池极群结构的设计提出了全新的要求。

2 极群结构的重要性

如图1所示，这是一个电池的极群结构。

在极群结构中，有些参数是由电池的元件带入的，在加工过程中并不会出现变化，例如正负极板的厚度、电池槽内径尺寸等等。如何保证各个元件之间的完美契合，是极群结构设计的重点。

3 铅零件与汇流排

3.1 极柱

从我国目前的生产状况来看，极柱的形状主要分为两种，第一种是圆形截面，端极柱必须为圆形，中间串连单体电池极柱；另一种截面为半圆形。在极柱的连接方式上，分为跨越式和穿壁式，如图2-3所示。

极柱是电池内外电流所必经的通道，因此，一般对截面积有着明确的要求，必须要能承受最大充电和放电电流，在计算时，可以根据以下公式：

S=IRL/16

其中，S代表的是极柱的横截面面积（mm）；玳表的是大电流放电电流4（A）；R代表的是汇流排合金电阻（Q）；L代表的是极柱底台和顶端的距离（mm）；16代表的是系数。

在施工现场，可以使用一些简便的方法进行计算。例如在自然散热的过程中，允许通过的电流密度为15～2A，mm²，总电流的通过量一般是电池额定容量的4倍以上。

3.2 汇流排

汇流排指的是电池在充、放电过程汇集成流的通道。在对电池装备的过程中，需要将正极板和负极板分别在其极耳上部用焊接合金将极柱和其他的同性极板进行焊接，此时需要焊接的部位就叫汇流排。

汇流排的长度和并联极板的数目相关，同时每侧的长度余下2mm左右，保证边极板和汇流排之间的紧密性。汇流排的具体厚度要根据元件所规定的横截面积进行计算，必须要具备一定的厚度，保证在大电流通过的过程中不会出现过热的情况，以防熔化。一般在对汇流排设计的过程中，要保证通过数倍容量的放电电流不融、不断，同时还要考虑到电压降等因素，一般以通过电流1.5～2A/mm²为标准。在设计汇流排的宽度时，一般要在极耳宽度每侧增加2mm为标准。

在VRLA电池的设计过程中，设计人员往往会忽略对铅零件以及汇流排的设计，认为这不属于极群结构。但从实践中可以发现，这是设计过程中的一个漏洞，尤其是在小型密封电池的设计中。调查数据显示，电池中有60%以上的质量故障，其原因都是由于铅零件或汇流排中极耳焊接存在问题。出现这个问题的主要原因就是在对汇流排设计时，没有考虑到在宽度上增加2mm的余量，导致焊接工作出现问题。

3.3 极板、极群结构与参数

将同名的单片极板并联，组成极群，在对同名极板中心距进行计算时，可以采用以下公式：

D=d_正+d_负+2d_隔

其中，D指的是同名极板中心距离，d_正指的是正极板的厚度，d_负指的是负极板的厚度，d_隔指的是隔板在压缩后呈现的厚度。

经过分析得出，在公式中，正极板和负极板的厚度都是定值，唯一的变量只有隔膜。其中包括隔膜的厚度、量、压缩比等多种问题。这也是极板、极群结构设计中的重点问题。

VRLA电池又被称作“免维护”电池，其OOAGM隔膜是该电池的核心技术。在VRLA电池的设计中，主要有两方面重点技术：第一，通过Pb-Ca无锑合金技术，提高析氢过电位；第二，应用AGM隔膜技术，对传统的电池生产技术进行改善，使电池成为贫液式，同时在电池正极充电的过程中，将产生的氧通过特定的渠道通向负极通道，在负极被吸收。这样一来，就有效消除了电池中出现的氧，达到了免维护的目的。

松紧度的具体参数如图4所示。其中H_zo代表的是极群总厚，从图中可以看出，H_zo和电池槽的内径H_c是相同的，这也代表着电池松紧度的参数。但是从实践经验来看，这里的电池槽内径大多数情况下指的只是电池槽上口的内径。但是在实际的生产过程中，上下口径之间存在一定的区别，一般上口要比下口略大，因此，在生产过程中，要仔细分析下部内径尺寸。

在免维护电池发展的初级阶段，认为电池的松紧度应当在80%左右。经过多年的发展，现在看来，电池的松紧度需要考虑以下两个因素：第一，电池槽内径上下口之间存在一定的区别；第二，隔膜在受到酸反应后会产生变薄反应。因此，在松紧度上，可以设计在1以上。

极群最大外廓尺寸和隔膜的参数有着直接关系，通过对图4H_zo的分析可以得出以下公式：

H_c=H_zo

H_zo=H_j+△=H_n+H_p+△

H_j指的是极板的总厚度，H_n指的是负极板的总厚度，H_p指的是正极板总厚度，△指的是正负极板之间的空隙之和，也就是隔膜压缩后的总厚度。其中，△是一个非常关键的参数，直接和隔膜采用的数量、厚度、压缩比以及装备压力等系数相关。

4 结语

电池装配和电池的质量息息相关，直接决定了电池的电性能以及质量标准，而电池的装配质量取决于电池的极群结构设计。从我国传统的电池制造过程来看，很多企业都忽视了极群结构设计在电池生产中的重要性，导致电池的电性能差，阻碍了我国VRLA电池的发展。综上所述可以发现，VRLA电池的极群结构和电池的性能息息相关，因此，企业在生产的过程中，必须要对VRLA电池的极群结构进行全面的分析和计算，包括铅零件、汇流排、极柱等多个方面，并通过公式对极群结构的参数进行计算，为电池的电性能提供数据基础，提高VRLA电池的电性能，促进我国VRLA电池的发展。