CN100347888C - 一种蓄电池板栅及其浇铸方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种蓄电池板栅，包括板栅边框以及固定在板栅边框内的横筋和竖筋，所述横筋与竖筋的总截面积之比为k值，k值介于1.2至1.8之间。本发明还公开了上述蓄电池板栅的浇铸方法，包括步骤：在制作板栅的铸板机中保持铅锅温度为480-500℃、铅勺温度为500-530℃、动模下部温度190-230℃、动模上部温度175-240℃、喷模温度165-175℃，在板栅模具中沿竖筋方向竖向浇铸。本发明制备出的板栅成型良好，无断筋现象，能减少合金量，节约生产成本，同时增加附着的活性物质重量，提高电池容量；用本发明板栅制作的电池性能更优良。

Description

一种蓄电池板栅及其浇铸方法

技术领域

本发明涉及一种蓄电池的组成部件及其制备方法，特别是涉及一种阀控铅酸蓄电池的板栅及其浇铸方法。

背景技术

随着近年来阀控铅酸(Valve Regulated Lead Acid Battery，VRLA)电池在各个领域中的广泛应用，阀控铅酸电池的市场前景呈现一片大好形势。但在此同时，客户在使用电池的过程中也提出了更高的要求。特别是阀控电池在UPS电源中的应用，用户对电池的大电流放电性能、比能量方面提出了更高的要求。这也就促使需要着手改进电池产品结构，而板栅的结构设计尤为重要。

板栅是蓄电池的重要组成部分，其在蓄电池中的作用，主要是支撑活性物质，使电流均匀分布在活性物质上，以提高活性物质的利用率。传统的板栅主要由带极耳的板栅边框和固定在板栅边框内的竖筋、横筋构成。其中，竖筋设置在板栅边框的上、下边框之间，横筋设置在两个竖边框之间。

板栅在电池中虽不参加成流反应，但对电池的主要性能如容量、寿命、大电池流放电及充电接受等均有很大影响。板栅边框的主要作用是防止板栅在涂板过程中变形，撕裂。横筋主要功能是与竖筋连接以支撑活性物质；竖筋主要是用以传递电流。因此提高阀控铅酸电池的比能量一个重要途径是合理设计板栅结构，使板栅的电势，电流分布更合理，更重要的是这个结构必须在工业生产中得到实现。

早期的一些学者对铅蓄电池电极表面电势分布进行研究，他们测量了极板表面不同部位间的电势差，发现极板底部活性物质利用率低于上部。在研究起动型铅酸电池的电压损耗时，测量了极耳的板栅上各部位的电势差，发现接线柱、接头和板栅上的电压损耗占总电压损耗的16％。电势分布的计算原则是把板栅等效为一个电阻网络，把横竖筋条交接处作为该网络的节点，每一节点上的电流都符合节点电流定律，即进入和流出每一节点的电流之和等于零。在不考虑活性物质的电导的情况下计算举例如下，计算单元如下图所示：

图中“0”点

$({\mathrm{\φ}}_1-{\mathrm{\φ}}_0)\frac{H_1\mathrm{\κ}}{a}+({\mathrm{\φ}}_2-{\mathrm{\φ}}_0)\frac{V_2\mathrm{\κ}}{b}+({\mathrm{\φ}}_3-{\mathrm{\φ}}_0)\frac{H_3\mathrm{\κ}}{a}+({\mathrm{\φ}}_4-{\mathrm{\φ}}_0)\frac{V_4\mathrm{\κ}}{B}+i_{\mathrm{ab}}=0$

式中：i----跨越板栅的电流密度(A/cm2)

      a、b----矩形计算单元的尺寸(cm)

      Hi----水平方向栅筋条横截面积(在1、2、3、4各点)(cm2)

      Vi----竖直方向栅筋条横截面积(在1、2、3、4各点)(cm2)

      κ----板栅材料的电导率(S/m)

      фi---在1、2、3、4各点的电势(V)

ф0是周围各点的函数，栅内任意一点的电势如下：

$\mathrm{\φ}0=\frac{\left[(\mathrm{abi}/\mathrm{\κ}+({\mathrm{\Φ}}_3{H}_3+{\mathrm{\Φ}}_1{H}_1)/a)\right]+[({\mathrm{\Φ}}_2{V}_2+{\mathrm{\Φ}}_4{V}_4)/b]}{[(H_3+H_1)/a]+[(V_2+V_4)/b]}$

一个具有M根横筋条、N根竖筋条的板栅，会有M*N个方程。

通过计算表明，当保持电极的面积不变，对于横竖筋截面积不变，横竖筋的比例越大时，电压降就越大，电流分布越趋于不均匀。按此理论分析，板栅的合理结构应是横竖筋比例进一步减少。

但是，传统的板栅结构一般均是采用横筋多，竖筋少的结构。按传统板栅模的浇铸方式，板栅成型时是横向的，即横筋处于竖直方向。

目前铸造蓄电池板栅一般采用铸板机，主要包括铅锅、铅勺、模具等，其工作原理是：液态合金铅由泵沿保温管道提升到铅勺，铅勺把铅液浇入模具。铅液在模具里冷却成板栅毛坯。传送带把板栅毛坯送进整平装置整平，再由传送辊送入切模切除余边，最后由翻板机构把板栅送到贮存架上，完成一个由液态合金铅到固态合金铅板栅的工艺过程。在浇铸板栅的传统操作中，一般将铅锅温度设为460-480℃、铅勺温度为480-510℃、动模下部温度170-210℃、动模上部温度155-220℃、喷模温度150℃，喷模次数为2～3次，浇铸速度为每分钟6-7片，在板栅模具中沿横筋方向横向浇铸。

不采用竖向浇铸的原因是，按传统浇铸工艺，竖向浇铸得到的板栅不易成型，易断筋。而在横向浇铸时，横筋多、竖筋少的方式利于板栅的浇铸，横筋多时，相对铅液下流的通道就多，利于向四周分流而浇铸良好。这种横筋多、竖筋少的结构是基于板栅铸造工艺的适性而设计的，而用这种结构的板栅制造出的电池性能却不够良好，电压降大，电流分布趋于不均匀。如果用k值来表示横筋总截面积/竖筋总截面积，那么现在的板栅成型方式的k值均大于1.8，这样同时又造成铅耗量(kg/kVAH)的增加，导致资源的浪费。

发明内容

本发明的目的是为了解决以上问题，提供一种能使由板栅引起的电压降减少、电流分布趋于合理并且使电池性能得到改善的蓄电池板栅以及该蓄电池板栅的浇铸方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

本发明公开了一种蓄电池板栅，包括板栅边框，以及固定在板栅边框内的横筋和竖筋，所述横筋与竖筋的总截面积之比为k值，并且k值介于1.2至1.8之间。

在本发明优选的具体实施方式中，所述k值为1.37。

所述蓄电池为阀控铅酸蓄电池。

本发明还公开了上述蓄电池板栅的浇铸方法，所述方法包括步骤：在制作板栅的铸板机中保持铅锅温度为480-500℃、铅勺温度为500-530℃、动模下部温度190-230℃、动模上部温度175-240℃、喷模温度165-175℃的情况下，在板栅模具中沿竖筋方向竖向浇铸。

在本发明的优选方案中，所述方法进一步包括步骤，竖向浇铸之前在165-175℃的喷模温度下喷模4-5次。

浇铸速度为每分钟浇铸4-5片板栅。

由于采用了以上的方案，使本发明具有的有益效果在于：

利用本发明的浇铸方法在特定条件下沿竖筋方向竖向浇铸板栅，解决了本领域内一直渴望解决、但始终未能成功的“竖向浇铸时板栅不易成型、易断筋”的技术问题，制备出的板栅成型良好，无断筋现象，且能够减少所需要的合金量，节约生产成本，同时却能增加板栅上能附着的活性物质重量，从而提高电池容量；并且，采用本发明的板栅制作的电池，能改善充放电的接受能力、降低电池内阻、降低板栅腐蚀速度、提高电池的循环寿命，且有助于克服阀控铅酸蓄电池的早期容量衰减(PCL)现象。

具体实施方式

下面通过具体的实施方式对本发明作进一步详细的描述。

一种阀控铅酸蓄电池用的板栅，该板栅包括板栅边框，以及固定在板栅边框内的横筋和竖筋，横筋有5根、竖筋有3根，每根横筋截面积为1.5mm²，竖筋截面积为1.83mm²，横筋总截面积/竖筋总截面积(k值)为1.37。

该板栅的制作过程是：将铸板机中的铅锅温度设为490℃、铅勺温度设为520℃、动模下部温度设为220℃、动模上部温度设为230℃、喷模温度设为170℃，喷模4-5次，浇铸速度保持在每分钟浇铸4-5片板栅，在板栅模具中沿竖筋方向竖向浇铸。

制备出的板栅成型良好，无断筋现象。

将上述板栅进行下述分析：

1.板栅相关参数比较

新旧板栅相关设计数据对比见表一，新板栅为上述的本发明的板栅，k值为1.37，旧板栅为按照传统方法(沿横筋方向的横向浇铸)制备的板栅，每根横筋截面积为1.0mm²，竖筋截面积为2.5mm²，k值为2.0。

                      表一：新旧的板栅相关性参数

项目	旧2.0Ah板栅		新2.0Ah板栅
					1#	2#	1#	2#
	极性	+	-	+					-
横筋数量					10	10	5	5
	竖筋数量	2	2	3					3
横筋中心距(mm)					5.233	5.325	8.971	5.325
	竖筋中心距(mm)	8.15	8.7	6.52					6.96
板栅重量(g)					23.47	13.7	21.4	12.2
	活物质重量(g)	25.1	18.5	25.8					19.1

可以看出，新的板栅所用合金量有所降低，活性物质重量增加，从而提高了电池的容量。

2.板栅耐腐蚀试验

将上述新旧两种板栅进行耐腐蚀试验，试验条件如下：

将板栅样品置于d＝1.290g/cm3的硫酸溶液中，以1.0A恒电流阳极极化480h，环境温度25℃左右。然后在热糖碱溶液中除去表层氧化物，根据腐蚀失重和样品表面积计算出腐蚀速率，两种板栅的两次试验结果见表二；

              表二  两种设计板栅的腐蚀速率

腐蚀速率	旧板栅		新板栅
					1#	2#	1#	2#
	mg/cm2/h	0.120	0.116	0.0879					0.0841
mg/cm2/d					2.88	2.78	2.10	2.01

由表二中数据可以看出，新的板栅腐蚀速率比旧设计要低很多，约下降25％左右，这样设计的正板栅其寿命将得到很大改善。

3.电压降比较：

新板栅电压降与旧的设计相比下降的量见表三。

如表中所示的计算公式，根据板栅上电流流经的截面积及电流流经的长度可以计算出板栅筋条上的电压降，从而估量其对电池内阻的影响。

               表三  新旧设计板栅电压降对比

项目	极性	电压降	计算公式：
				电压降(mv)	+	-0.00000533	ΔU＝IRR＝ρl/Sρ＝0.0000003Ωml＝电流流经的长度S＝电流流经的截面积
-	-0.00000873
		总电压降(mv)			-0.00001406

可以看出，由于竖筋增加了1/3，新板栅比旧板栅的电压降下降了约33.3％。这对于改善电池的大电流放电性能有良好的效果。

本发明的板栅除对板栅电压降有影响外，还会影响到电池充放电过程中的电流分布，从而会大幅提高电池的放电性能，充电接受能力及循环寿命等。以下为采用新旧板栅所组装电池的相关测试结果比较。

4.电池容量测试

用新旧板栅制作的极板组装电池进行测试，相关结果如表四：

             表四：两种板栅设计的电池三种放电条件容量测试

项目	旧板栅		新板栅
					1#	2#	1#	2#
	开路电压(V)	6.50	6.51	6.53					6.53
内阻(mΩ)					16	17	12	13
	5小时率放电时间(hr)	5.1	5.15	5.32					5.4
1C放电时间(min)					35	35.5	41	42
	3C放电时间(min)	7.2	7.6	9.5					9.8

从表四可以看出，采用新板栅的电池无论从内阻还是大电流放电性能方面均有明显的改善。

5.电池充电接受能力比较见表五

表五  不同板栅组装电池的充电接受能力比较

	旧板栅	新板栅	旧板栅	新板栅	旧板栅	新板栅
							循环次数	1	1	2	2	3	3
放电制度	0.2C10A放电至终止电压10.2V    0.2C10A放电3h
							充电制度	0.1C10A恒流限压14.80V充电，直到电流3h不变
放电电量/Ah	13.5	13	14.4	13.4	8.7	8
							充电电量/Ah	15.8	15.6	16.72	16.24	9.92	9.71

恒流时间/h	10	11.5	9.87	11.7	5.4	6.3
							充放电系数	117	120	116.1	121.2	114.1	121.4

注：充放电系数即该次充放电量和前次充放电电量的比值，可作为电池充电接受能力的标志

由表五数据看出：用新板栅极板制造的VRLA电池，与老的相比，无论在深放电还是在浅放电制度下，它的充电接受能力都更好。这是由于新结构板栅降低了极板内阻，使充放电时电流在活性物质上分布均匀，电流密度较小，减小了中间活性物质电流传导路径，使极化速率减慢，改善了电池充电接受能力，使其有利于形成结构合理的活性物质，有良好的导电网络和充足的电化学活性二氧化铅，所以充放电性能良好，电池充电接受能力好。

6.电池循环寿命

两种结构板栅制造的电池的循环寿命见表六

               表六  循环寿命对比

项目	旧板栅		新板栅
					1#	2#	1#	2#
	1C循环寿命(cycles)	300	301	356					346
3C循环寿命(cycles)					201	200	251	253

可以看出，在采用新结构板栅的基础上，蓄电池的循环寿命在很大程度上得到明显改善。

Claims (6)

1、一种蓄电池板栅，包括板栅边框，以及固定在板栅边框内的横筋和竖筋，其特征在于：所述横筋与竖筋的总截面积之比为k值，k值介于1.2至1.8之间。

2、根据权利要求1所述的一种蓄电池板栅，其特征在于：所述k值为1.37。

3、根据权利要求1或2所述的一种蓄电池板栅，其特征在于：所述蓄电池为阀控铅酸蓄电池。

4、权利要求1所述的蓄电池板栅的浇铸方法，所述方法包括步骤：在制作板栅的铸板机中保持铅锅温度为480-500℃、铅勺温度为500-530℃、动模下部温度190-230℃、动模上部温度175-240℃、喷模温度165-175℃的情况下，在板栅模具中沿竖筋方向竖向浇铸。

5、根据权利要求4所述的蓄电池板栅的浇铸方法，其特征在于：所述方法进一步包括步骤，竖向浇铸之前在165-175℃的喷模温度下喷模4-5次。

6、根据权利要求5所述的蓄电池板栅的浇铸方法，其特征在于：浇铸速度为每分钟浇铸4-5片板栅。