李曉景，林伯連，林齊錦，王遠(yuǎn)強(qiáng)

（1.廣東猛獅新能源科技股份有限公司，廣東 汕頭 515800；2.大英德創(chuàng)精工設(shè)備有限公司，四川 遂寧 629000）

0 引言

膠體電解液在固定型和動(dòng)力型蓄電池中已經(jīng)得到了普遍應(yīng)用[1-2]，但在起動(dòng)型蓄電池產(chǎn)品系列中應(yīng)用還比較少。主要原因是，大電流放電時(shí)，電解質(zhì)離子在膠體中的擴(kuò)散速度受到了影響，以及膠體與活性物質(zhì)之間的接觸不夠充分引起內(nèi)阻增大。尤其在低溫環(huán)境下使用時(shí)，蓄電池的起動(dòng)性能受到的影響更加明顯。如何提高膠體電解液灌注時(shí)在 AGM隔板中的擴(kuò)散速度和滲透程度，增加硫酸電解質(zhì)與活性物質(zhì)之間接觸界面的總面積，從而提高了車(chē)輛起動(dòng)時(shí)瞬間放電的電流密度，使蓄電池的低溫起動(dòng)性能得以提高，是本文研究的方向。

1 試驗(yàn)

1.1 配制膠體電解液

1.1.1 配制膠體母液

首先，在主機(jī)桶內(nèi)加入150～180 L 的純水，再加入 400～500 g 的分散劑 B；接著，設(shè)定攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速為 2～3 kr/min，啟動(dòng)攪拌機(jī)開(kāi)始攪拌；然后用真空管吸入氣相納米 SiO2，繼續(xù)攪拌 1～3 h。按以上工藝配制的膠體母液被標(biāo)記為“膠體母液 A”。其它配制條件和工藝相同，用超高速剪切攪拌機(jī)在8～10 kr/min 轉(zhuǎn)速下配制的膠體母液被標(biāo)記為“膠體母液 B”。

1.1.2 配制稀硫酸溶液

在 680～710 mL 的純水中加入添加劑 N，攪拌均勻，然后邊攪拌邊加入 350～380 mL 濃硫酸，攪拌均勻后冷卻待用。

1.1.3 配制膠體電解液

稱(chēng)取1200～1500 g 的稀硫酸溶液，邊攪拌邊加入 120～140 g 膠體母液，繼續(xù)攪拌均勻。用“膠體母液 A”配制的膠體電解液被標(biāo)記為“膠體電解液 A”，而用“膠體母液 B”配制的膠體電解液被標(biāo)記為“膠體電解液 B”。

1.2 測(cè)試

1.2.1 測(cè)試膠體母液

對(duì)配制好的膠體母液，用 LB-500 型激光散射粒度分布儀測(cè)試粒徑分布。從圖1 和圖 2 可以看出，2 種 SiO2膠體母液的粒徑分布均呈雙峰狀，但在超高轉(zhuǎn)速攪拌的作用下，SiO2顆粒的粒徑更小，且小粒徑分布峰更高，即小粒徑顆粒的含量更高。文獻(xiàn)[3]也表明，在 SiO2水分散溶液的分散過(guò)程當(dāng)中，增大攪拌速率可更好地將團(tuán)聚形成的較大 SiO2顆粒分散成較小的 SiO2顆粒，使得氣相 SiO2顆粒更好地分散到膠體電解液中，從而提高 SiO2膠體電解液的分散穩(wěn)定性。

圖1 膠體母液 A 粒徑分布圖

圖2 膠體母液 B 粒徑分布圖

1.2.2 測(cè)試膠體電解液

對(duì)膠體電解液 A 和膠體電解液 B 進(jìn)行粒徑分布測(cè)試的結(jié)果如圖 3 和圖 4 所示。從圖 3 和圖 4 可以看出，2 種膠體電解液的粒徑分布呈單峰狀，但膠體電解液 B中 SiO2顆粒的粒徑更小，分布范圍更窄，因此更利于膠體電解液的灌注和向極板、隔板中滲透。文獻(xiàn) [4]也強(qiáng)調(diào)了粒徑分布范圍是影響電解質(zhì)性能的重要因素。

1.2.3 測(cè)試蓄電池

圖3 膠體電解液 A 粒徑分布圖

圖4 膠體電解液 B 粒徑分布圖

為消除蓄電池內(nèi)部殘留氣泡的影響，確保膠體電解液能夠充分滲透，采用抽真空的方式，將所配制的 2 種膠體電解液分別灌注到 5 只同種常規(guī)型號(hào)的 12 V 5 Ah 摩托車(chē)起動(dòng)用鉛酸蓄電池中。

1.2.3.1 測(cè)試蓄電池質(zhì)量

在灌注膠體電解液前，要稱(chēng)取干電池的質(zhì)量。采用兩充一放式初充電制度（共 5 個(gè)階段），完成蓄電池的初充電，之后再次準(zhǔn)確稱(chēng)量蓄電池的質(zhì)量。從表 1 測(cè)得數(shù)據(jù)可以看出，在灌注膠體電解液前和初充電完成后，蓄電池質(zhì)量的一致性可以滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

表1 蓄電池的質(zhì)量 g

1.2.3.2 測(cè)試蓄電池的開(kāi)路電壓、內(nèi)阻和容量

用 FBT-50 型摩托車(chē)電池測(cè)試儀測(cè)試各蓄電池的開(kāi)路電壓以及內(nèi)阻。在 25 ℃ 恒溫環(huán)境中，對(duì)初充電后的蓄電池，以 0.5 A 的電流，恒流放電至終止電壓 10.5 V，得到蓄電池的C10容量。表 2 測(cè)試結(jié)果顯示，采用膠體電解液 B 的蓄電池的內(nèi)阻較小，說(shuō)明采用超高速剪切的膠體有利于降低蓄電池的內(nèi)阻，從而有利于提高電池的大電流放電性能。

1.2.3.3 測(cè)試蓄電池的低溫起動(dòng)性能

按照 SAE J537—2011 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試各電池 -18 ℃低溫起動(dòng)性能：將蓄電池放置在 -18 ℃± 1 ℃ 的環(huán)境中，保持至少 20 h，使蓄電池內(nèi)部溫度降至-18 ℃± 1℃，然后以Icc= 65 A 持續(xù)放電 30 s 時(shí)，記錄蓄電池放電電壓。

表2 蓄電池的開(kāi)路電壓、內(nèi)阻和容量

參考國(guó)標(biāo) GB/T 5008.1—2013，測(cè)試 -29 ℃ 低溫起動(dòng)性能：將蓄電池放置在 -29 ℃±1 ℃ 的試驗(yàn)環(huán)境中，保持至少 24 h，以使蓄電池內(nèi)部溫度降至-29 ℃±1 ℃，然后將電池先以Icc= 65 A 的電流放電 30 s，靜置 20 s 后，再以 0.6Icc=39 A 的電流放電40 s。

從圖 5 和圖 6 可以看出，在放電過(guò)程的主要階段，采用膠體電解液 B 的蓄電池的放電電壓均高于采用膠體電解液 A 蓄電池的。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，放電至 5 s 時(shí)的平均電壓高出 0.188 V，放電至 10 s 時(shí)的平均電壓高出 0.206 V，放電至 15 s 時(shí)的平均電壓高出 0.197 V。作為起動(dòng)型鉛酸蓄電池，起動(dòng)車(chē)輛的時(shí)間一般小于 5 s，因而放電 5 s 時(shí)電壓的高低是衡量蓄電池起動(dòng)性能的最主要指標(biāo)。

從圖 7 和圖 8 可以看出，電池在 -29 ℃ 的低溫條件下，以 65 A 放電 30 s 的過(guò)程中，采用膠體電解液 B 的蓄電池的低溫起動(dòng)性能明顯高于采用膠體電解液 A 的蓄電池。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，放電至 5 s 時(shí)的平均電壓高出 0.339 V，放電至 10 s 時(shí)的平均電壓高出 0.370 V，放電至 15 s 時(shí)的平均電壓高出 0.355 V。而且，與 -18 ℃ 低溫條件下的測(cè)試結(jié)果相比，這種優(yōu)勢(shì)更加突出。

圖5 -18 ℃ 低溫起動(dòng)性能放電曲線(xiàn)圖（各 5 只電池）

圖6 -18 ℃ 低溫起動(dòng)性能放電曲線(xiàn)圖（平均值）

圖7 -29 ℃ 低溫起動(dòng)性能放電曲線(xiàn)圖（各 5 只電池）

圖8 -29 ℃ 低溫起動(dòng)性能放電曲線(xiàn)圖（平均值）

1.3 解剖電池

取完成 -29℃ 超低溫性能檢測(cè)的蓄電池進(jìn)行解剖觀察。在極群組的上部、兩旁的間隙充滿(mǎn)了固態(tài)狀的膠體，而且在 AGM 隔板的不同部位也有膠體存在。SiO2膠體進(jìn)入隔板中的含量，以及滲入AGM 隔板中路徑的長(zhǎng)短，對(duì)蓄電池的性能有著重要的影響。SiO2膠體進(jìn)入隔板中的含量越多，滲入路徑越長(zhǎng)，在隔板中的分布越均勻，對(duì)蓄電池性能越有利[5]。而與之相關(guān)的主要影響因素，除 AGM隔板的結(jié)構(gòu)和吸附特性外，還有膠體中的 SiO2顆粒的粒徑和分散穩(wěn)定性。

2 結(jié)論

與常規(guī)轉(zhuǎn)速條件下相比，以超高轉(zhuǎn)速攪拌剪切配制的膠體母液中顆粒的粒徑更小，粒徑更均勻。把這樣的 SiO2膠體母液用于制作起動(dòng)型 AGM 膠體蓄電池，可以得到更好的低溫起動(dòng)性能，尤其是-29 ℃ 超低溫性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]孔德龍.閥控式鉛蓄電池膠體電解質(zhì)技術(shù)的進(jìn)展[J].蓄電池, 2003(2): 70–74.

[2]LAMBERT D W H, GREENWOOD P H J, REED M C, 等.閥控鉛酸蓄電池中膠體電解液技術(shù)進(jìn)展[J].電源技術(shù), 2005(10): 69–73.

[3]王力臻, 程蘇, 谷書(shū), 等.SiO2膠體電解液分散穩(wěn)定性研究[J].蓄電池, 2013(3): 112–117.

[4]王景川.膠體蓄電池及其電解質(zhì)中的氣相二氧化硅[J].蓄電池, 2002(2): 65–67.

[5]沈浩宇, 王鵬偉, 成梓銘, 等.膠體電解液分布均勻性對(duì)動(dòng)力電池性能的影響[J].蓄電池, 2016(4):162–166.