搅拌速度对起动型胶体蓄电池超低温性能的影响

2018-04-12李晓景林伯连林齐锦王远强

蓄电池 2018年2期

李晓景，林伯连，林齐锦，王远强

（1.广东猛狮新能源科技股份有限公司，广东汕头 515800；2.大英德创精工设备有限公司，四川遂宁 629000）

0 引言

胶体电解液在固定型和动力型蓄电池中已经得到了普遍应用[1-2]，但在起动型蓄电池产品系列中应用还比较少。主要原因是，大电流放电时，电解质离子在胶体中的扩散速度受到了影响，以及胶体与活性物质之间的接触不够充分引起内阻增大。尤其在低温环境下使用时，蓄电池的起动性能受到的影响更加明显。如何提高胶体电解液灌注时在 AGM隔板中的扩散速度和渗透程度，增加硫酸电解质与活性物质之间接触界面的总面积，从而提高了车辆起动时瞬间放电的电流密度，使蓄电池的低温起动性能得以提高，是本文研究的方向。

1 试验

1.1 配制胶体电解液

1.1.1 配制胶体母液

首先，在主机桶内加入150～180 L 的纯水，再加入 400～500 g 的分散剂 B；接着，设定搅拌机转速为 2～3 kr/min，启动搅拌机开始搅拌；然后用真空管吸入气相纳米 SiO2，继续搅拌 1～3 h。按以上工艺配制的胶体母液被标记为“胶体母液 A”。其它配制条件和工艺相同，用超高速剪切搅拌机在8～10 kr/min 转速下配制的胶体母液被标记为“胶体母液 B”。

1.1.2 配制稀硫酸溶液

在 680～710 mL 的纯水中加入添加剂 N，搅拌均匀，然后边搅拌边加入 350～380 mL 浓硫酸，搅拌均匀后冷却待用。

1.1.3 配制胶体电解液

称取1200～1500 g 的稀硫酸溶液，边搅拌边加入 120～140 g 胶体母液，继续搅拌均匀。用“胶体母液 A”配制的胶体电解液被标记为“胶体电解液 A”，而用“胶体母液 B”配制的胶体电解液被标记为“胶体电解液 B”。

1.2 测试

1.2.1 测试胶体母液

对配制好的胶体母液，用 LB-500 型激光散射粒度分布仪测试粒径分布。从图1 和图 2 可以看出，2 种 SiO2胶体母液的粒径分布均呈双峰状，但在超高转速搅拌的作用下，SiO2颗粒的粒径更小，且小粒径分布峰更高，即小粒径颗粒的含量更高。文献[3]也表明，在 SiO2水分散溶液的分散过程当中，增大搅拌速率可更好地将团聚形成的较大 SiO2颗粒分散成较小的 SiO2颗粒，使得气相 SiO2颗粒更好地分散到胶体电解液中，从而提高 SiO2胶体电解液的分散稳定性。

图1 胶体母液 A 粒径分布图

图2 胶体母液 B 粒径分布图

1.2.2 测试胶体电解液

对胶体电解液 A 和胶体电解液 B 进行粒径分布测试的结果如图 3 和图 4 所示。从图 3 和图 4 可以看出，2 种胶体电解液的粒径分布呈单峰状，但胶体电解液 B中 SiO2颗粒的粒径更小，分布范围更窄，因此更利于胶体电解液的灌注和向极板、隔板中渗透。文献 [4]也强调了粒径分布范围是影响电解质性能的重要因素。

1.2.3 测试蓄电池

图3 胶体电解液 A 粒径分布图

图4 胶体电解液 B 粒径分布图

为消除蓄电池内部残留气泡的影响，确保胶体电解液能够充分渗透，采用抽真空的方式，将所配制的 2 种胶体电解液分别灌注到 5 只同种常规型号的 12 V 5 Ah 摩托车起动用铅酸蓄电池中。

1.2.3.1 测试蓄电池质量

在灌注胶体电解液前，要称取干电池的质量。采用两充一放式初充电制度（共 5 个阶段），完成蓄电池的初充电，之后再次准确称量蓄电池的质量。从表 1 测得数据可以看出，在灌注胶体电解液前和初充电完成后，蓄电池质量的一致性可以满足试验要求。

表1 蓄电池的质量 g

1.2.3.2 测试蓄电池的开路电压、内阻和容量

用 FBT-50 型摩托车电池测试仪测试各蓄电池的开路电压以及内阻。在 25 ℃ 恒温环境中，对初充电后的蓄电池，以 0.5 A 的电流，恒流放电至终止电压 10.5 V，得到蓄电池的C10容量。表 2 测试结果显示，采用胶体电解液 B 的蓄电池的内阻较小，说明采用超高速剪切的胶体有利于降低蓄电池的内阻，从而有利于提高电池的大电流放电性能。

1.2.3.3 测试蓄电池的低温起动性能

按照 SAE J537—2011 标准测试各电池 -18 ℃低温起动性能：将蓄电池放置在 -18 ℃± 1 ℃ 的环境中，保持至少 20 h，使蓄电池内部温度降至-18 ℃± 1℃，然后以Icc= 65 A 持续放电 30 s 时，记录蓄电池放电电压。

表2 蓄电池的开路电压、内阻和容量

参考国标 GB/T 5008.1—2013，测试 -29 ℃ 低温起动性能：将蓄电池放置在 -29 ℃±1 ℃ 的试验环境中，保持至少 24 h，以使蓄电池内部温度降至-29 ℃±1 ℃，然后将电池先以Icc= 65 A 的电流放电 30 s，静置 20 s 后，再以 0.6Icc=39 A 的电流放电40 s。

从图 5 和图 6 可以看出，在放电过程的主要阶段，采用胶体电解液 B 的蓄电池的放电电压均高于采用胶体电解液 A 蓄电池的。测试数据显示，放电至 5 s 时的平均电压高出 0.188 V，放电至 10 s 时的平均电压高出 0.206 V，放电至 15 s 时的平均电压高出 0.197 V。作为起动型铅酸蓄电池，起动车辆的时间一般小于 5 s，因而放电 5 s 时电压的高低是衡量蓄电池起动性能的最主要指标。

从图 7 和图 8 可以看出，电池在 -29 ℃ 的低温条件下，以 65 A 放电 30 s 的过程中，采用胶体电解液 B 的蓄电池的低温起动性能明显高于采用胶体电解液 A 的蓄电池。测试数据显示，放电至 5 s 时的平均电压高出 0.339 V，放电至 10 s 时的平均电压高出 0.370 V，放电至 15 s 时的平均电压高出 0.355 V。而且，与 -18 ℃ 低温条件下的测试结果相比，这种优势更加突出。

图5 -18 ℃ 低温起动性能放电曲线图（各 5 只电池）

图6 -18 ℃ 低温起动性能放电曲线图（平均值）

图7 -29 ℃ 低温起动性能放电曲线图（各 5 只电池）

图8 -29 ℃ 低温起动性能放电曲线图（平均值）

1.3 解剖电池

取完成 -29℃ 超低温性能检测的蓄电池进行解剖观察。在极群组的上部、两旁的间隙充满了固态状的胶体，而且在 AGM 隔板的不同部位也有胶体存在。SiO2胶体进入隔板中的含量，以及渗入AGM 隔板中路径的长短，对蓄电池的性能有着重要的影响。SiO2胶体进入隔板中的含量越多，渗入路径越长，在隔板中的分布越均匀，对蓄电池性能越有利[5]。而与之相关的主要影响因素，除 AGM隔板的结构和吸附特性外，还有胶体中的 SiO2颗粒的粒径和分散稳定性。