李玉科，趙旭宏，韓艷霞，李磊

（河南豫光金鉛集團(tuán)鉛鹽有限責(zé)任公司，河南 濟(jì)源 459000）

0 引言

管式大容量極板主要用于普通牽引型鉛酸蓄電池和煤礦用特殊牽引型鉛酸蓄電池。由于采用壓鑄工藝生產(chǎn)的板柵耐腐蝕性強(qiáng)，電池的循環(huán)耐久能力可以達(dá)到 1 000 多次。煤礦用戶通常要求在電池出廠時(shí)為干荷電狀態(tài)，以方便電池的運(yùn)輸和儲(chǔ)存，因此電池需要采用熟極板，導(dǎo)致一些企業(yè)至今仍在采用極板外化成的工藝。相對(duì)于電池內(nèi)化成工藝，極板外化成用時(shí)短，效率高。但是，與外化成工藝相伴的是采用焊接化成的一些弊端，例如：每次焊接鉛條都會(huì)產(chǎn)生鉛蒸汽，不僅污染空氣；每次更換鉛條都需要重新熔鑄澆注鉛條，造成材料成本增加；焊接后極板的板耳由于有焊接毛刺，需要全部打磨才可以流到下道工序，導(dǎo)致工序增加[1]?；诖?，筆者探討了對(duì)于牽引型管式大容量極板，采用不焊接化成來(lái)代替焊接式化成的工藝。

1 為什么大容量管式極板采用焊接化成？

不焊接化成在板式極板中已有應(yīng)用。板式極板一般較?。ê穸?1～3 mm），單片容量較小，而且充電電流不大，所以其較早就采用了無(wú)焊接化成。但是，大容量管式極板由于容量大、極板厚（管式正極板厚度 9.0～10.5 mm，是板式極板的 2 倍多；對(duì)應(yīng)負(fù)極板厚度 3.5～4.5 mm），需要很大的化成電流（可以達(dá)到幾十安甚至上百安）。這么大的電流需要極板和導(dǎo)電條之間有牢固和良好的連接，才能保證良好的化成效果。為了保險(xiǎn)起見(jiàn)，多年來(lái)大家對(duì)管式大容量極板都是采用極板和導(dǎo)電條焊接方式。隨著無(wú)焊接化成的普及，情況也在發(fā)生著變化，管式極板也在嘗試不焊接化成工藝。

2 牽引型管式極板不焊接化成原理

管式結(jié)構(gòu)的正極板和板式結(jié)構(gòu)的負(fù)極板經(jīng)過(guò)固化干燥后被置于配備好稀硫酸電解液的化成槽梳形板中。梳形板底部呈平行排列著帶有規(guī)則齒溝的鉛合金母線條。正、負(fù)極板靠自身重力實(shí)現(xiàn)板耳自然與母線條齒溝部位接觸連接，分別形成正、負(fù)極群。通入外部電流，利用電解原理使正、負(fù)極板發(fā)生氧化-還原反應(yīng)，使正極板上的鉛膏物質(zhì)發(fā)生氧化，生成 PbO2，使負(fù)極板的鉛膏物質(zhì)發(fā)生還原反應(yīng)，生成海綿狀鉛[2]。具體氧化還原反應(yīng)化學(xué)方程式如下：

決定化成質(zhì)量好壞的主要指標(biāo)就是正極 PbO2含量以及負(fù)極 Pb 含量。

在不焊接化成過(guò)程中，由于整個(gè)極板只有板耳與導(dǎo)電條直接接觸，接觸的好壞直接影響接觸電阻的大小，從而影響到化成效果。因此，導(dǎo)電條的結(jié)構(gòu)形式就顯得很重要。

3 不焊接工藝探討

3.1 導(dǎo)電條的結(jié)構(gòu)形式

分別制作圖1 中 4 種形式的導(dǎo)電條。圖1a中，要求極板的板耳端面精確平行于導(dǎo)電條上表面，以便完全接觸。圖1b 中，導(dǎo)電條上有一個(gè)梯形頂部，極板板耳端面與梯形頂部端面接觸。圖1c中，導(dǎo)電條為梯形橫截面，其一邊與基線成 55°角。圖1d 中，板耳的外角與此斜面相接觸導(dǎo)電條上有一個(gè)倒立梯形的溝槽，板耳兩角與梯形溝槽的兩個(gè)斜壁相接觸，兩斜壁呈 36°角[3]。在保持化成工藝不變的情況下進(jìn)行多次試驗(yàn)，根據(jù)極板花白片率（通常將極板表面花白片視為極板化成不合格）判定極板化成的不合格率以此判斷導(dǎo)電條結(jié)構(gòu)的對(duì)化成的影響。

圖1 導(dǎo)電條結(jié)構(gòu)形式

從表1 可以看出，采用圖1d 所示的導(dǎo)電條結(jié)構(gòu)形式時(shí)，極板的化成不合格率最低，使用效果最好，可以滿足正常的化成需要。當(dāng)采用圖1d 中導(dǎo)電條形式時(shí)，極板能夠充分利用自重與導(dǎo)電條的特殊結(jié)構(gòu)，將自身與導(dǎo)電條緊密接觸（見(jiàn)圖2），確保接觸良好，達(dá)到較理想的充電和化成效果，并且化成產(chǎn)生的殘留鉛膏也能順利流出溝槽。

表1 極板化成不合格率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖2 極板與導(dǎo)電條接觸形式

3.2 導(dǎo)電條反復(fù)利用性

在初次使用導(dǎo)電條時(shí)，由于導(dǎo)電條的材質(zhì)是鉛，導(dǎo)電條在化成過(guò)程的初期與硫酸電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在表面生成一層不溶于稀硫酸的導(dǎo)電性能極差的 PbSO4膜。在接通直流電源，開(kāi)始化成后，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，負(fù)極導(dǎo)電條上生成 Pb，正極導(dǎo)電條上生成 PbO2。PbO2電阻也比較大，會(huì)導(dǎo)致正極導(dǎo)電條的導(dǎo)電性變差，下次使用時(shí)會(huì)影響極板的正常導(dǎo)電和化成效果。

如何減少 PbO2電阻大給下次化成帶來(lái)的影響，使導(dǎo)電條能夠反復(fù)利用，也是不焊接化成面臨的成本問(wèn)題。根據(jù)電化學(xué)原理，擬進(jìn)行反向充電來(lái)解決這一問(wèn)題。即下一次化成時(shí)，將正極板插入上次用的負(fù)導(dǎo)電條，將負(fù)極板插入上次用的正導(dǎo)電條。像這樣，負(fù)導(dǎo)電條與化成電源正極連接，而正導(dǎo)電條與化成電源負(fù)極連接。正導(dǎo)電條（與充電機(jī)負(fù)極相連）發(fā)生如下電化學(xué)反應(yīng)：

通電 2～3 h 后，正導(dǎo)電條的 PbO2層就可以轉(zhuǎn)換成導(dǎo)電性能良好的金屬 Pb，保證了化成的正常進(jìn)行[4]。

3.3 導(dǎo)電條的使用周期

在整個(gè)化成程中，由于導(dǎo)電條長(zhǎng)期浸于電解液中，位于化成槽底部，不易觀察到導(dǎo)電條上氧化層（即高阻率的 PbO2）的厚度。隨著使用時(shí)間延長(zhǎng)，表面氧化層會(huì)不斷增厚，以至于隨著反充的進(jìn)行，PbO2也轉(zhuǎn)換不過(guò)來(lái)，所以使用一段時(shí)間就必須更換導(dǎo)電條。為此，在保持工藝不變的情況下，分別試驗(yàn)使用 1 個(gè)月、2 個(gè)月、3 個(gè)月的導(dǎo)電條，通過(guò)化驗(yàn)正板活性物質(zhì) PbO2含量（主要考慮正極板的影響較大，正極板化成好了，負(fù)極板一定化成好），來(lái)尋找最佳的導(dǎo)電條更換周期[5]。由表2 可知，當(dāng)導(dǎo)電條使用 3 個(gè)月時(shí)，正極板 PbO2含量明顯低于使用 2 個(gè)月時(shí)的含量。這表明導(dǎo)電條表面的氧化層厚度已經(jīng)嚴(yán)重影響到化成的進(jìn)行。而使用 1 個(gè)月和 2 個(gè)月時(shí)的化驗(yàn)結(jié)果基本一致，PbO2含量沒(méi)有出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。本著節(jié)約成本和減少更換頻率的原則，選擇每 2 個(gè)月更換一次新的導(dǎo)電條。

表2 導(dǎo)電條更換周期與正極活性物質(zhì)中 PbO2 含量

4 工藝驗(yàn)證

通過(guò)以上 3 個(gè)方面的分析，確定了牽引型大容量管式極板不焊接化成的關(guān)鍵控制點(diǎn)，連續(xù)進(jìn)行了 2 個(gè)月 5 個(gè)小批次試驗(yàn)，用容量來(lái)驗(yàn)證工藝可行性，并與以前的焊接化成工藝進(jìn)行對(duì)比，均未發(fā)現(xiàn)異常。在進(jìn)行第 5 批次試驗(yàn)時(shí)，用兩種工藝同時(shí)各化成一列同型號(hào)極板，抽取其中極板各組裝 2 只D-560 電池，做工藝和容量驗(yàn)。從表3 中試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，不焊接化成蓄電池的容量合格，和以前的焊接工藝相比，沒(méi)有明顯差異及波動(dòng)，說(shuō)明新工藝比較穩(wěn)定、可控。

表2 電池容量試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，牽引型大容量管式極板采用不焊接化成是可行的。實(shí)踐中也初步總結(jié)了適合不焊接化成的極板厚度，如：正極板厚度不低于 9 mm，負(fù)極板厚度不低于 3.5 mm。小于這個(gè)尺寸時(shí)，一方面極板由于質(zhì)量較輕，與下部的導(dǎo)電條接觸不良，另一方面牽引型大容量極板由于形狀細(xì)長(zhǎng)，化成裝槽插入時(shí)易變形，影響化成。

需要說(shuō)明的是，筆者僅僅是對(duì)管式正極板不焊接化成工藝中一個(gè)主要因素——導(dǎo)電條進(jìn)行了具體的分析。不焊接化成還受到很多諸如反充電流、反充時(shí)間和化成時(shí)間等因素的影響。只有嚴(yán)格控制好這些影響因素，極板的化成質(zhì)量才能得到有效控制。