杜曉普，閆娜，陳曉琴，楊帥，宋艷龍，楊占欣，陳志雪

（風(fēng)帆有限責(zé)任公司，河北 保定 071057）

0 引言

閥控式 AGM 電池和普通免維護(hù)電池、EFB電池的最大區(qū)別為采用 AGM 隔板（可吸附式玻璃纖維隔板）。AGM 隔板除了具備普通鉛酸電池隔板所具備的功能外，還有吸附大量電解液和提供氣體傳輸通道的功能[1-3]。正常狀態(tài)下，AGM 電池隔板飽和度為 95 % 左右，也就是隔板中 95 % 的孔被電解液占據(jù)，5 % 左右的孔被空余出來(lái)，保證氣體傳輸，從而保證 AGM 電池的再化合作用。電池飽和度過(guò)高，電解液交換會(huì)加快，有利于電池的放電，但飽和度高會(huì)減少隔板中氣體交換通道，影響電池的再化合，不利于電池的充電。飽和度超過(guò) 100 % 后，電池處于富液狀態(tài)。這樣，電池中會(huì)有游離酸，容易造成電池漏液，有噴酸風(fēng)險(xiǎn)。電池飽和度過(guò)低，電解液交換會(huì)減緩，不利于電池的放電。雖然飽和度低會(huì)增加隔板中氣體傳輸通道，有利于電池的再化合反應(yīng)，但是由于再化合反應(yīng)為放熱反應(yīng)，且 AGM 電池為貧液式設(shè)計(jì)，對(duì)溫度比較敏感，過(guò)快的再化合反應(yīng)有引起電池?zé)崾Э氐娘L(fēng)險(xiǎn)[4-5]。

1 AGM 電池飽和度的確定

目前行業(yè)內(nèi)對(duì)于電池飽和度測(cè)定主要有兩種方式：

（1）計(jì)算電池極板和隔板的吸酸總體積，以總體積為參照，確定飽和度數(shù)值。

（2）只計(jì)算電池隔板吸酸體積，以隔板吸酸體積為參照，確定飽和度數(shù)值。

通過(guò)以下實(shí)驗(yàn)步驟對(duì)上述兩種方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行探究：

a. 解剖飽和度為 95 % 的 AGM 電池，取出正、負(fù)極板，稱取極板的質(zhì)量。

b. 把隔板中電解液擠出，測(cè)定電解液密度ρ。

c. 把正、負(fù)極板分別放在密度為ρ的硫酸溶液中（防止極板中原酸液密度和浸泡溶液密度有差異。浸泡過(guò)程中極板所吸附酸液的密度變化會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響），浸泡 20 min，然后瀝干，稱取質(zhì)量。連續(xù)兩次質(zhì)量不再變化時(shí)，記錄正、負(fù)極板浸泡后的質(zhì)量。

d. 通過(guò)比較兩次質(zhì)量變化，可以得出極板吸酸量，從而判定極板飽和度。

從表1 中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，極板浸泡前后質(zhì)量幾乎沒(méi)有變化，即電池的飽和度為 95 % 時(shí)，極板飽和度為 100 %，說(shuō)明硫酸電解液更容易吸附在極板的孔隙中，所以由隔板的飽和度決定電池飽和度。由此判斷上述第2 種測(cè)定飽和度的方案更為合理。

表1 正負(fù)極板質(zhì)量

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 飽和度對(duì)電池內(nèi)阻和低溫性能的影響

選擇 4 只同一批次生產(chǎn)的電池。分別對(duì)這 4 只電池灌注不同量的硫酸電解液，使得電池的飽和度分別為 90 %、93 %、97 % 和 100 %。將電池放在 -18 ℃的低溫箱中靜置 24 h，然后以 720 A 放電 30 s，記錄電池的 30 s 電壓。從圖1 可以看出，電池的內(nèi)阻隨著飽和度的增加而減小。AGM 隔板的材質(zhì)為玻璃纖維，本身并不導(dǎo)電，所以電流是通過(guò)隔板中吸附的電解液進(jìn)行傳輸?shù)摹．?dāng)電池飽和度較低時(shí)，隔板中空余孔隙增多，電解液相對(duì)減少，會(huì)導(dǎo)致離子傳輸能力減弱，從而導(dǎo)致電池內(nèi)阻增加。正是由于電池內(nèi)阻增加，大電流放電時(shí)，電池內(nèi)部損耗的電壓增加，所以電池端電壓減小，電池低溫性能較差（參見(jiàn)圖2）。

圖1 電池飽和度與內(nèi)阻關(guān)系曲線

圖2 電池飽和度與低溫放電 30 s 終止電壓的關(guān)系曲線

2.2 飽和度對(duì)電池 50 % DoD 循環(huán)壽命的影響

對(duì)同一批次，飽和度分別為 90 %、93 %、97 %和 100 % 的電池進(jìn)行 50 % DoD 循環(huán)壽命試驗(yàn)。將電池置于 40 ℃ 環(huán)境 24 h 后，完成以下試驗(yàn)步驟：① 以 17.5 A 放電 2 h；② 在恒電壓 14.4 V 下，限流 17.5 A 充電 5 h；③ 以步驟①②為 1 個(gè)循環(huán)，不斷重復(fù)，直至電池電壓低于 10 V 時(shí)，認(rèn)為循環(huán)壽命終止。

由圖3 可以看出，隨著電池飽和度的增加，電池的 50 % DoD 循環(huán)壽命逐漸下降。由圖4 可以看出，隨著電池飽和度降低，充入和放出的電量比例在逐漸增加。在電池的壽命循環(huán)過(guò)程中，放出電量是恒定的，所以隨著電池飽和度降低，電池充入電量逐漸增加，電池不容易產(chǎn)生充電不足的現(xiàn)象，因此在一定范圍內(nèi)飽和度較低時(shí)，AGM 電池的壽命循環(huán)會(huì)變好。同時(shí)，在圖4 中還可以發(fā)現(xiàn)飽和度為90 % 時(shí)，隨著循環(huán)次數(shù)增加，電池充放電電量比逐漸增大。

圖3 電池飽和度與 50 % DoD 循環(huán)壽命的關(guān)系

圖4 不同飽和度電池在 50 % DoD 循環(huán)過(guò)程中充放電電量比的變化

由表2 可以看出，飽和度為 90 % 的電池壽命結(jié)束后水損耗為 90 g，每個(gè)單格水損耗為 15 g。水損耗增加會(huì)使電池飽和度進(jìn)一步降低，而飽和度的降低會(huì)使電池再化合反應(yīng)進(jìn)一步加快。電池再化合反應(yīng)為放熱反應(yīng)，會(huì)使電池內(nèi)部溫度升高。電池內(nèi)部升高會(huì)增加正極板的析氧速度，進(jìn)一步促進(jìn)再化合反應(yīng)，從而使電池內(nèi)部溫度繼續(xù)升高，導(dǎo)致電池耗水量增多，形成惡性循環(huán)，可能導(dǎo)致電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。

表2 電池在 50 % DoD 循環(huán)壽命結(jié)束后的水耗

為進(jìn)一步分析飽和度對(duì) AGM 電池 50 % DoD循環(huán)的影響，在 100 % 飽和度電池試驗(yàn)終止后，對(duì)電池進(jìn)行完全充電，然后繼續(xù)進(jìn)行 50 % DoD 循環(huán)壽命試驗(yàn)，但是循環(huán)過(guò)程中的充電方法變更為在14.8 V 下以 17.5 A 限流充電。電池循環(huán) 846 次后壽命終止。由此可以看出，提高充電電壓后，電池循環(huán)壽命有了很大程度提高，所以電池 50 % DoD 壽命循環(huán)中主要失效模式為充電不足。飽和度增大時(shí)，電池隔板中空余孔數(shù)量減小，所以氣體再化合受到影響，從而影響電池的充電效率。電池飽和度為 100 % 時(shí)，AGM 電池在充電時(shí)幾乎不能進(jìn)行氧氣再化合反應(yīng)，導(dǎo)致充電嚴(yán)重不足，所以電池循環(huán)壽命急劇下降。

由上述試驗(yàn)可以看出，電池飽和度和 50 % DoD循環(huán)壽命有直接關(guān)系，對(duì)循環(huán)壽命影響主要是影響電池充入電量，對(duì)此進(jìn)一步分析：

電池正負(fù)極反應(yīng)分別為[6-7]：

AGM 電池中除了發(fā)生上述反應(yīng)還存在氣體再化合反應(yīng)[6-7]：

圖5 為 AGM 電池內(nèi)部再化合示意圖。電池充電過(guò)程中，正極析出的氧氣通過(guò)隔板中的孔隙傳輸?shù)截?fù)極板表面，與負(fù)極的絨狀鉛發(fā)生反應(yīng)生成PbO。然后，PbO 在硫酸條件下變?yōu)?PbSO4，導(dǎo)致負(fù)極電極電位下降，以及電池荷電狀態(tài)降低。在恒壓充電過(guò)程中，電池荷電狀態(tài)下降會(huì)使充電電流增加，從而使電池充入電量增加。

圖5 AGM 電池內(nèi)部再化合示意圖

電池中氣體再化合反應(yīng)是通過(guò)隔板中的孔隙來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電池處于低飽和度狀態(tài)時(shí)，隔板中孔隙增加，氣體傳輸通道增多，導(dǎo)致電池在充電時(shí)氣體再化合反應(yīng)加快，從而使電池充入的電量增多。然而，AGM 電池 50 % DoD 壽命循環(huán)的早期失效模式為充電不足，所以在電池處于低飽和度狀態(tài)時(shí)AGM 電池 50 % DoD 循環(huán)壽命會(huì)提升（與前述觀點(diǎn)相符）。

3 結(jié)論

隔板飽和度過(guò)高或過(guò)低都對(duì)閥控式 AGM 電池的內(nèi)阻、低溫、50 % DoD 循環(huán)壽命有較大影響。飽和度過(guò)低，電池內(nèi)阻增大，低溫放電性能變差，存在熱失控風(fēng)險(xiǎn)。飽和度過(guò)高，電池 50 % DoD 循環(huán)壽命變差。這是由恒壓限流充電時(shí)電池充電不足導(dǎo)致的。因此，為保證電池性能，需對(duì) AGM 電池飽和度進(jìn)行嚴(yán)格把控。