炭材料对通信VRLA电池性能的影响

钱 涛，刘 利，王 明

(1.苏州工业职业技术学院电子与通信工程系，江苏苏州215104；2.西安建筑科技大学信息与控制工程学院，陕西西安710055；3.江苏阳光四季新能源科技股份有限公司，江苏苏州215104)

阀控式密封铅酸(VRLA)蓄电池在机能方面大大优于防酸隔爆式电池，在移动通信设备中得到广泛应用[1]。铅蓄电池的充电性能和深放电循环寿命在很大程度上受到负极活性物质的导电性影响。因为炭材料可以形成很好的导电系统，所以就算电池在部分荷电态，额外导体硫酸铅将电极表面笼罩，电子在充电时也能迅速转到硫酸铅，负极的充电接受能力和深循环能力就能大大增强[2]。本文制备了4 V/8 Ah VRLA蓄电池，在其负极添加不同质量的OFB1进行实验验证，讨论了OFB1的含量对VRLA蓄电池负极充电接受能力的影响。

1 实验

1.1 电池制备

仪器与试剂：GSL-101BI激光颗粒分布测量仪，电化学工作站CHI650d，DigatronBTS-300电池测试系统，精密可调恒温水浴槽，参比电极为汞/硫酸亚汞电极三电极体系，对电极为Pt电极，电解液为ρ=1.280 g/cm3的硫酸溶液，场发射扫描电子显微镜，无水乙醇，8 Ah VRLA蓄电池。

单体模拟电池的制备：3 Ah阀控电池，正负极板由AGM隔开，AGM隔板包封负极，50 mL电解液。

1.2 性能测试方法

充放电接受能力测试按照GB/T5008.1-2013要求进行：(1)4 V/8 Ah电池充满电后1～4 h内以I10恒流放电10 h后，在0℃下静置48 h，拿出电池后，在3 min内4.8 V下充电300 s，记下第300 s的电流ICa，由电流-时间曲线积分，算出300 s内Q300s和ICa/I10的结果。

动态充电接受性能测试数据标准是参照Ford公司进行的：(1)4 V/8 Ah电池满电时，以I=2I10恒流放电2 h至80%荷电，在4.8 V下稳定充电300 s，将80%荷电时300 s内真正充入的量以I=2I10恒流全部放完电，再以I=2I10恒流放电2 h至70%荷电，接着在4.8 V下稳定充300 s，70%～60%荷电态检测也用这种方法进行，连续做完实验，系统转换时间最多120 s[3]；(2)记下荷电状态为80%～60%时，在4.8 V稳定电压下充至300 s的电流ICa，再由电流-时间曲线积分，得出300 s内电池的真实电量Q300s。

深循环寿命实验方案：(1)在蓄电池满电状态下，5 h以内，I=4I10稳定放电120 min，1.67 V时结束，再按照下面的方法重复实验：(a)在4.8 V恒压限流条件下以6I10充电30 min；(b)以 6I10恒电流放电 20 min，终止条件为 1.67 V。(2)按(a)～(b)重复，一个重复单位为60次，100 mV为最高电压降。

－18℃低温起动性能测试：(1)电池充满后，在－18℃箱里放12 h，再拿出来，240 s内以稳定电流12 A放电，当电压小于2.4 V后结束，分别写下5、10、30 s完成时的电压大小，并写好时长。

2 结果与讨论

充电性能测试结果见图1，可以看出当OFB1的量增多，充电能力的改变趋势为抛物线状，在w(OFB1)=0.6%时充电性能最佳，w(OFB1)=0.6%时第10 min电流比w(OFB1)=0.2%时提高了近60%，300 s内真实充入的量增加了大约52%。继续增加OFB1的量，在300 s时电流减小，但在OFB1添加量为0.6%和0.8%时，300 s内电池真实充入的量还是比OFB1添加量为0.2%和0.4%时的高。说明OFB1添加量为0.6%时，OFB1能够在很大程度上减小电池在重复使用中的极化现象，而且放电中硫酸铅的增加速度降低到极值，在50%荷电时，活性物的内阻最小，在很大程度上抑制了负极硫酸盐化的出现，使充电更完全，大大提升了电池的充电性能[4]。

图1 不同OFB1添加量时充电接受性能变化趋势

从图2可以看出，在常温下，当OFB1含量增多时，还原峰电流慢慢变多，OFB1能够促使电极进行还原反应，应该是电极的表面积随着OFB1的增加而加大，加快溶解硫酸铅和加快扩散固液界面的铅离子，增大了电子的运动速率，充电性能增强，当扫描电势负移增多，开始析出了更多的氢，后面所得出的析氢结论跟此次相同。

图2 不同OFB1添加量时的伏安扫描曲线

此实验检测了4 V/8 Ah电池在80%～60%的荷电状态、4.8 V稳定电压充300 s的接受性能。当计算300 s内真实充入的量时，如图3所示，当w(OFB1)=0.2%时，在90%、80%、70%、60%荷电态下充入量没有什么变化；w(OFB1)=0.6%时，90%与80%荷电下充入量相差最多；w(OFB1)=0.8%时，80%与70%荷电态下充入量相差最多，w(OFB1)=0.6%时，80%与70%荷电态下充入量相差第二大。当荷电态为80%、70%时，也在w(OFB1)=0.8%充入量相差最多，说明w(OFB1)=0.8%时，充电能力受荷电量的多少影响最大，包括第300 s的电流和300 s内真实充入的量，在荷电态90%～60%时，荷电状态每变化10%，充电能力改变量和充入电量的改变量几乎不变，都呈常数分布。

图3 OFB1添加量在不同荷电态时10 min内的实际充入电量

测验50%荷电下的电池重复使用能力，由表1可以看出当w(OFB1)在0.2%～0.6%内变多时，15%放电深度(DOD)循环寿命慢慢增加，w(OFB1)=0.6%时寿命最长，但w(OFB1)为0.4%与0.2%相比，循环寿命几乎无差别。当w(OFB1)增加到0.8%～1.0%，循环性能显著降低，说明OFB1的量最好在0.6%左右，循环性能会在OFB1的量继续加大时而减弱。

表1 15%DOD循环寿命对比

－18℃条件下，w(OFB1)=0.6%时性能最弱，如表2和图4所示。当w(OFB1)为 0.8%、0.9%时，5、10、30 s放电电压均高于w(OFB1)=0.6%时的放电电压，而w(OFB1)=0.2%时Icc最大，然后开始减小，即w(OFB1)=0.2%时比－18℃时的冷起动性能好，应该是加大OFB1的量后，活性物质的孔和孔率变化很大。低温时，硫酸浓度加大后使得离子的移动速率减小。所以电流很大时，在硫酸浓度与孔率孔径的影响下，低温起动能力在很大程度上降低了[5]。

表2 －18 ℃低温启动性能测试

图4 不同OFB1添加量时－18℃低温启动性能变化趋势

3 结论

VRLA蓄电池在移动通信设备中的普及率很高，炭原料OFB1的价格较低，当负极导电添加剂为OFB1时，增加一定量的OFB1，这就会明显提高电池的导电能力，使电池在其重复使用中的电阻极化现象减少，并且使硫酸铅的增加速率减少，最后增强电池的充电性能。所以就其在铅酸蓄电池(使用环境温度为40℃)负极配方中，OFB1炭原料的最佳添加量为0.6%。而继续加大炭材料OFB1的量，其很难与活性物质相容，从而与活性物质的结合力降低，加大了重复使用过程中的接触电阻，重复使用中的电阻极化现象增加，于是负极的充电能力减弱，其循环寿命也大幅缩短了。

[1]王磊，张正国，高学农，等.VRLA蓄电池在通信光伏电源系统中的应用[J].电源技术，2007(10)：811-812.

[2]周皓，周学军，郑伟广，等.高炭负极铅酸动力电池的深循环寿命研究[J].蓄电池，2015(3)：101-105，114.

[3]王力臻，张凯庆，张林森，等.炭材料对铅酸电池负极电化学性能的影响[J].电源技术，2012(9):1325-1327，1336.

[4]胡梅，王百杰，应珺.超级铅酸电池负极炭材料的改性技术研究[J].广东化工，2013(10)：45-46.

[5]张兴，张祖波，夏诗忠，等.高导电性炭材料OFB1对铅酸蓄电池负极性能的影响研究[J].蓄电池，2015(2)：51-58.