高炭负极铅酸动力电池的深循环寿命研究

夏三保　高翔

摘 要：提高比能量，增大深循环使用寿命，是铅酸动力电池的主要发展目的。文章利用试验法，以炭材料种类为变量，以高炭负极铅酸动力电池深循环寿命为因变量，进行了试验设计、实施。结果得出，将高含量的炭材料加入到铅酸动力电池负极，可以有效提高铅酸动力电池的深循环寿命。

关键词：炭材料 负极 铅酸动力电池 深循环寿命

1 引言

在混合电动汽车和其他电动工具产业蓬勃发展的背景下，化学电池迎来了更大的发展机遇，由此引出了关于化学动力电池深循环寿命的深度思考。以往铅酸动力电池虽然在运行安全性、性价比方面表现优异，但是其在深循环下的寿命与市场对混合电动汽车电池的性能要求仍然存在较大差距。因此，从负极材料调整入手，研究高炭负极铅酸动力电池在深循环下的寿命就非常必要。

2 研究准备

2.1 制备试验电池

根据铅酸动力电池用量，选定12V-12Ah、12V-20Ah的高炭负极铅酸动力电池，电池负极为不同炭材料、不同比例的高炭配方，电池编号为6-HCN（高炭负极）-12、6-HCN（高炭负极）-20。同时准备的常规铅酸动力电池，电池编号为6-DZM-12、6-DZM-20。

2.2 制备高炭负极

选择活性炭、炭黑、石墨等多种炭材料作为掺入负极用炭添加剂，依据1.20%的质量分数，将炭材料加入到铅酸动力电池负极活性物质内[1]。根据炭材料表观密度小、表观质量轻而铅酸动力电池表观密度大的特点，选择三维球磨混粉机，对炭材料、铅酸动力电池负极铅粉进行均匀预混合。同时将粘结剂添加到炭材料、铅粉预先混合后模块，达到辅助炭负极极板成型、增强负极活性物质之间附着力的效果。

3 研究实践

准备上海施能电气设备厂的HCF3系列自动恒流恒压充放电设备以及金帆μC-XCF（48V/60A）微电脑自动循环充放电仪器[2]。在22.00℃～28.00℃恒定稳定环境下，以100%DoD120.00min恒定放电，由48V/组放电至10.50V/只，进而以恒定电压14.80V/只连续充电，充电时限流2.80A/1.80A（20Ah/12Ah），一个充电循环为570.00min，电池寿命终止节点为动力电池容量下跌到70.00%[3]。

采取100.00%DOD快速循環检测模式，即在17.00℃～23.00℃恒定温度环境内，以100.00%循环深度240分钟率电流恒流的形式，放电到9.60V。进而维持恒定压力12.40V，与2.40A/1.40A下，进行12.0Ah一组、20.0Ah一组铅酸动力电池（含高炭负极铅酸动力电池）的持续循环放电，以480min为一个循环周期，得出结果后记录[4]。

4 研究结果

4.1 炭材料理化参数

由表1结果可知，炭黑、石墨、活性炭理化参数存在较大差异，其中活性炭比表面积较大，为1598.0～1819.0m2/g，炭黑比表面积次之，为52.5～70.8m2/g，石墨比表面积最小，为13.9～22.9m2/g;而活性炭表观粒径较小，为4.0～12.8nm，炭黑表观粒径较大，为29.8～40.2nm，石墨比表面积处于中等水平，为12.5～40.9nm。

4.2 样本电池240分钟率的放电容量

由下表2可知，通过对20Ah、12Ah样本电池进行240分钟率电流放电测试，可以得出添加的各种炭材料对于初始放电性能影响不显著，负极添加了石墨的铅酸动力电池、负极添加了炭黑的铅酸动力电池240分钟率容量均稍高于常规电池，但添加了活性炭的样本铅酸电池初始容量低于常规铅酸电池。

4.3 样本电池不同倍率的放电特性

由表3可知，在放电倍率变化时，较之常规电池，石墨复合铅酸动力电池、炭黑复合铅酸动力电池大电流放电性能更为优良;而在放电倍率下降时，活性炭复合铅酸动力电池放电优势不明显，只有在放电倍率处于较高水平时，活性炭复合铅酸动力电池放电性能才会优于常规电池。这可能是由于活性炭复合铅酸动力电池比表面积较高，电容型较好。与此同时，测定石墨、活性炭、炭黑等不同炭材料对20Ah、12Ah铅酸动力电池在深循环过程中失水量的影响，得出，在使用炭黑、石墨时，铅酸动力电池失水量处于一个较小的水平，特别是石墨材料，可以保证单次循环的平均失水量与常规铅酸动力电池失水量处于同等水平，这可能与负极中析出氢元素失水影响处于小幅度变化。再加上常规负极炭材料含量处于较低的水平，颗粒之间电极极性交叉，极易在后期出现较大失水量。因此，在后续分析过程中，仅分析石墨材料作为炭材料添加到铅酸动力电池中与常规铅酸动力电池深循环寿命的对比。

4.4 高炭铅酸动力电池与常规铅酸动力电池深循环寿命对比

从20Ah一组、12Ah一组进行高炭铅酸动力电池（石墨复合铅酸动力电池）与常规铅酸动力电池深循环寿命对比。

通过对20Ah、12Ah样本电池组在充放电循环过程中电池容量充电系数进行测试可得出结果如下：

如表4所示，12Ah一组的高炭负极铅酸动力电池在循环次数逐渐增加过程中充电因子变化幅度较小，远低于常规铅酸动力电池充电因子随循环次数增加而变动的幅度，表明，石墨材料自身良好的抗硫酸盐化能力、导电性，可以促使铅酸动力电池充电接收效率向良性发展，进而达到提高电池性能的效果。同理，可以进行20Ah一组的铅酸动力电池充电因子变化情况分析。

5 结语

综上所述，研究结果表明，在铅酸动力电池负极加入含量较高的炭材料，可以有效改善铅酸动力电池在深循环下的寿命。这主要是由于适量负极炭材料的增加，可以促使铅酸动力电池在深循环过程中导电性能改善，避免引发析氢过电位下降、负极硫酸铅累积等对铅酸蓄电池深循环下寿命的负面影响因子，满足市场对混合电动汽车动力电池的较高要求。

参考文献：

[1]缑庆伟，关云霞，许行宇.不同炭材料配比对新能源汽车动力电池的影响[J].电源技术，2017，41（03）：473-474.

[2]葛礼嘉，宋政湘，张国钢.变电站用阀控式铅酸蓄电池浮充寿命研究[J].电力电容器与无功补偿，2020，41（06）：191-195.

[3]王杜友，郭志刚，张峰博，李桂发，刘玉，邓成智，孔鹤鹏.动力型电池深循环寿命性能提升分析研究[J].蓄电池，2020，57（05）：215-220.

[4]冯洪高.变电站用铅酸蓄电池的维护管理——评《铅酸蓄电池寿命评估及延寿技术》[J].电池，2020，50（03）：309-310.