菱镁材料收稿日期：2021-02-24
呼梦娟，吕乐乐，师笑乐，李铭杰
（河南超威正效电源有限公司，河南 沁阳 454550）
摘要：随着厚度降低，铅带的拉伸强度稍微降低，延伸率升高。板栅厚度影响电池低温性能和板栅使用寿命。板栅厚度降低，对电池低温起动性能不利，对电池充电接受能力影响较小，也会使电池板栅使用寿命降低。
关键词：铅带；冲网板栅；厚度；拉伸强度；延伸率；电池；低温起动；热稳定性；充电接受能力
中图分类号：TM 912.1 文献标识码：B 文章编号：1006-0847(2021)03-111-03
Effects of the thickness of punched positive grids on the performances of starting lead-acid batteries
HU Mengjuan, LYU Lele, SHI Xiaolei, LI Mingjie
(Henan Chilwee Genshore Power Co., Ltd., Qinyang Henan 454550, China)
Abstract: With the decrease of lead strip thickness, the tensile strength of lead strip decreases slightly and the elongation increases. The thickness of the grid affects the low temperature performance and grid life of the battery. The reduction of grid thickness is not good for the low temperature starting performance of the battery, has little effect on the battery charging acceptance ability, and also reduces the service life of the panel grid.
Keywords: lead strip; punching grid; thickness; tensile strength; elongation; cold starting; thermal stability; charge acceptance 0 引言
正极板活性物质的质量，以及板栅的腐蚀和生长，是影响铅酸电池工作寿命的主要因素[1]。汽车用蓄电池使用状态为瞬间大电流放电，且浮充状态占整个使用过程的大部分时间，因此设计板栅时应考虑正负板栅厚度比较小，以及负极板决定电池充电接受能力和低温大电流放电的需求[2]。过去由
于铅价低，铅酸蓄电池板栅质量可占极板质量的 35 %～45 %，但现在汽车电池板栅质量仅占极板质量的 30 %～40 %。集流体（板栅）和极板的质量之比称为 α 因子，其典型值为 0.35～0.60。提高 α 因子有助于改善电池的大电流性能和循环性能，但会降低电池的比能量[3]。本文中，笔者主要研究降低板栅厚度，提高电池比能量，对铅酸蓄电池电池性能和板栅使用寿命的影响。1 实验
1.1 制备实验样品
将 Pb–Ca–Sn 合金（合金中 ω(Ca) 为 0.055 %～
板栅厚度减小，电池内阻增加。一般来说，晶粒越大，晶界面积越小，电子穿透晶界所遇到的阻力越小，电阻率较小，反之电阻率越大。随着轧制变形量的增加，晶粒变小，晶界面积增大，从而在外电场作用下自由电子穿过的阻力越大，电阻率越大，导电性能下降，因此随着轧制变形量的增加，铅合金板材的导电性能有所降低[5]。由于初始铅坯厚度相同，随着铅带厚度降低，总轧制变形量增加，铅带电阻率变大，电池内阻增大。另外，铅带减薄，板栅导电横截面积变小，电池内阻增大。相应地，电池冷起动电流变小，低温起动性能变弱。因此，正极板栅厚度降低，对电池低温起动性能不利。
1.3.2 充电接受能力
充电接受能力对于起动铅酸电池的可持续性、
稳定性，乃至使用寿命起到至关重要的作用。充电接受能力试验用来表征电池充电性能。国标 GB/T 5008.1—2013 要求充电接受能力（充电电流值 I C a 与 I 0 的比值）不应小于 2.0。电池 A2、B2 和
C2 的充电接受能力分别是 3.58、3.53 和 3.55。因此，正极板栅厚度减薄对电池充电接受能力影响不大。1.3.3 循环耐久 I 试验
文献[2]认为正常蓄电池寿命终止时，板栅已经被严重腐蚀。一般认为，蓄电池的寿命终止时，极板一动就碎成小块，板栅筋条中出现细小的合金条或合金段是比较合理的，即认为功能不过剩也不富余，就推断筋条设计合理。通过按国标循环 I 测试电池使用寿命，推断板栅减薄后，板栅筋条设计的合理性。由图 2 可见，电池 A2、B2 和 C2 的循环寿命分别为 244 次、258 次和 186 次。当板栅厚度为 0.80 mm 时，电池循环寿命骤减。对循环后电池解剖发现，电池 A2 和 C2 的寿命结束时，蓄电池板栅完好无损。由此推断，电池 A2 的板栅设计富余，而电池 C2 循环寿命短，导致 0.80 mm 板栅在
0.060 %，ω(Ca) 为 1.55%～1.60 %）按照生产工艺制成厚度分别为 0.90、0.85、0.80 mm 的正极铅带，并记为 A1、B1 和 C1。经过冲网成型正极板栅，涂板成正极板，与同一规格负极板按 6 正 6 负组装好，化成，制成 12 V 60 Ah SLI 电池。由厚度 0.90、0.85、0.80 mm 正板栅制成的电池分别记为 A2、B2 和 C2。1.2 测试铅带的力学性能
参考 GB/T 228.1—2010 金属材料室温拉伸试验方法，测试铅带样品（参见图 1），得到表 1 所示结果。随着铅带厚度降低，拉伸强度稍微降低，延伸率升高。D av i d [4] 指出板栅应该有足够的硬度、高屈服强度、高蠕变强度和低延伸率。铅带的厚度、拉伸强度降低，以及延伸率升高不利于板栅的使用寿命。需要根据设计的电池使用寿命选择适合的板栅厚度。
1.3 测试的电池性能
采用蓄电池综合性能测试仪（型号 BNT 500- 018-2ME ），按照国标 GB/T 5008.1—2013 进行低温起动能力、充电接受能力和循环耐久 I 试验，并按照标准 VW 75073—2019 中第 7.11 条款进行（75±2）℃ 热稳定测试。1.3.1 低温性能
起动型铅酸蓄电池的重要指标是低温起动性能，而冷起动电流（CCA ）就是低温起动性能的一个重要指标。电池 A2、B2 和 C2 的电阻、冷起动电流和低温起动性能测试结果见表 2。随着正极
图 1
铅带样品尺寸铅带代号拉伸强度/MPa
延伸率/%A154.318.7B153.619.4C1
分质供水设备
52.7
20.7
表 1 铅带的拉伸强度和延伸率
表 2 电池电阻、CCA 及低温性能数据电池代号电阻/m Ω冷起动电流/A 低温起动性能
U 10 s /V U 30 s /V U 90 s /V A2 4.636557.7207.3578.770B2 4.726407.6367.2918.409C2
二次沉淀池
4.79
631
7.591
7.208
8.272
循环耐久试验中服役时间短，从而完好无损。电池 B2 的寿命结束后，板栅筋条中出现少量细小的合金条或合金段，因此电池 B2 的板栅设计能满足要求且不富裕。
1.3.4 电池热稳定性
通过在失效过程中监控内阻和重量损失，来评估电池板栅的耐腐蚀性能。图 3 给出不同厚度板栅电池在（75 ± 2）℃ 热稳定试验过程中的重量损失和内阻变化曲线。在热稳定性试验过程中，前期 12 个单元电池重量损失速率缓慢一致；后期随着板栅厚度降低，电池重量损失速率升高，即板栅厚度越小，重量损失越快。前期 10 个单元电池内阻升高速率缓慢一致；后期随着板栅厚度降低，电池
内阻升高速率增大，即板栅厚度越小，电池内阻升高越快。随着板栅厚度降低，电池热稳定性降低。
电池热稳定性试验后板栅腐蚀情况见图 4。宽
铅带连冲板栅的金相组织比较细碎致密，晶粒界限难以分辨，有大量的亚晶结构和被轧制拉长的纤维状组织产生，晶粒更加细化、均匀，所以耐电化学腐蚀和机械性能有明显的优势[6]。轧制工艺制作的合金腐蚀部位明显增多，而且以平推方式向合金内部发展[7]。如图 4
所示，冲网板栅使用过程沿着板栅边框边缘向合金内部发生均匀晶界腐蚀，没有发生晶间穿透性腐蚀。随着板栅厚度降低，热稳定性测试过程中平均每单元腐蚀层厚度增加。板栅厚度
降低后电池热稳定性变弱。
图 2
微型液位开关电池循环耐久Ⅰ寿命
图 3 电池热稳定性试验中重量损失和内阻变化曲线
a 电池 A2
b 电池 B2
c 电池 C2
图 4 电池热稳定性试验后板栅腐蚀情况
2 结论
随着厚度降低，铅带拉伸强度降低，延伸率升高，而且在制成板栅后，会降低电池的低温性能和
板栅使用寿命。由实验得出，采用 0.85 mm 厚板栅电池的热稳定性能比 0.90 mm 厚板栅电池稍弱，且二者在循环耐久Ⅰ寿命上相近。考虑到电池的比能
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境传递热量的速度也会相应变慢，因此在隔热设计上，在隔热装置和电池之间应留有一定间隙。这样，当环境温度降低时，电池可以通过间隙中的空气以对流方式向周围环境散热，加快电池降温速度，进一步缓解电池高温状态。所以，对于一般用途的轿车而言，隔热措施防止电池温度过高的效果比较明显，而对于长时间、连续行驶的出租车而言，隔热措施对电池降温效果一般。
6 结论
高温加速了蓄电池内的板栅、隔板等零部件老化，使其过早失去应有的功能。对高温运行的蓄电池，可以采取以下措施提高其使用寿命：(1) 采用耐腐性能较好的合金，优化板栅结构和制造工艺，从而提
高蓄电池耐高温性能；(2) 采用水损耗少和抗氧化性能较好的隔板，延缓电解液液面下降速度，防止汇流排过早暴露在空气中发生腐蚀断裂，同时防止由隔板过早老化、强度下降造成的正负极板短路；(3) 在电池外侧加装隔热套或贴隔热膜，减缓蓄电池温度升高，减少蓄电池高温运行时间。参考文献：
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图 6
蓄电池外加隔热套
图 7
环境和电池温度变化趋势
量和使用目标要求，厚度为 0.85 mm 板栅能满足设计需要，既能节约用铅又能满足电池使用性能。参考文献：
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