CN110212202B - 管式电池正板栅及其切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铅酸蓄电池技术领域，具体涉及一种管式电池正板栅及其切割方法。本发明所述的管式电池正板栅，包括多根筋条、上横梁和板耳，板耳设置于上横梁上部，筋条上端与上横梁下部相连接，所述筋条上分布有高出筋条1mm的环形凸起A和高出筋条3mm的环状凸起B；使用激光熔凝切割的方法，对板耳和板耳处冒口铸件之间的切割部位L₁、上横梁和上横梁冒口铸件之间的切割部位L₂进行切割分离。本发明的正板栅结构提高了极板在充放电期间的电流电位分布均匀性，提高了电池的使用性能；本发明的切割方法，避免了板栅上横梁缺陷的产生，延长了电池使用寿命。

Description

管式电池正板栅及其切割方法

技术领域

本发明涉及铅酸蓄电池技术领域，具体涉及一种管式电池正板栅及其切割方法。

背景技术

传统铅酸电池在使用过程中，正极的失效模式除了正极板栅腐蚀外，一个重要失效模式为正极活性物质的软化和脱落，特别在深循环使用过程中，放电产物硫酸铅密度低(6.7g/cm³)，充电产物二氧化铅密度高(9.2g/cm³)，密度的差异造成电池活性物质随着充放电的进行，体积不断的交替收缩和膨胀，造成活性物质颗粒之间的物理连接和电子连接逐渐变差，导致活性物质软化脱落，电池内阻增加，降低电池的性能。随着排管的管式正极板的使用，外部排管很好的阻止了活性物质的脱落，明显提高了电池的使用寿命。但该类型极板也存在自身固有的问题，主要有以下两个主要方面：

(1)由于管式板栅为压力铸造，表面光滑，根据管式电池化成机理和进程，在化成期间，铅膏转化从凸出筋条的圆翼处开始，同时极板上横梁下部3-5cm处最后化成，从而造成不同的化成时期形成不同晶型的二氧化铅，初期生成红色的α-二氧化铅，强度大，但容量低；末期生成黑色的β-二氧化铅，强度差，但容量高，活性物质在极板不同部位的差异会导致极板在充放电期间的电流电位分布不均匀，从而降低电池的使用性能。

(2)管式正板栅一般为压力铸造，铸造成形后，目前采用机械切割的方法实现板栅与冒口铸形的分离，在机械切割过程中，在上横梁冒口切割处会出现合金的微裂纹和缺陷，在电池使用过程中，该部位能量较高，稳定性差，容易出现腐蚀断裂，因此这是退回电池的一个常见失效原因。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种管式电池正板栅，该正板栅结构提高了极板在充放电期间的电流电位分布均匀性，提高了电池的使用性能；本发明还提供了该管式电池正板栅的切割方法，避免了板栅上横梁缺陷的产生，延长了电池使用寿命。

本发明所述的管式电池正板栅，包括多根筋条、上横梁和板耳，板耳设置于上横梁上部，筋条上端与上横梁下部相连接，所述筋条上分布有高出筋条1mm的环形凸起A和高出筋条3mm的环状凸起B。

筋条为圆柱形，相邻的筋条之间的距离为9mm。

筋条从上横梁连接处向下计，在b长度的位置设置有一个高出筋条3mm的环形凸起B，在b长度位置以上均匀设置有多个高出筋条1mm的环状凸起A，环状凸起A与筋条之间有倒角A，倒角A的半径为R1，相邻环形凸起A之间的距离为a；其中2cm≤b≤5cm，5mm≤a≤10mm，0.2mm≤R1≤0.8mm。

筋条从上横梁连接处向下计，b长度位置以下均匀设置有多个高出筋条3mm的环状凸起B，环状凸起B与筋条之间有倒角B，倒角B的半径为R2，相邻环形凸起B之间的距离为d；其中3cm≤d≤6cm，0.5mm≤R2≤1.5mm。

两个相邻的环形凸起B之间均匀分布有两个高出筋条1mm的环形凸起A，环状凸起A与筋条之间有倒角A，倒角A的半径为R1，0.2mm≤R1≤0.8mm。

环形凸起A和环形凸起B与筋条采用一体压力铸造而成。

正板栅筋条上分布有小型圆翼结构，可确保极板化成及充放电使用过程中的电流电位分布均匀性，提高电池的使用性能。

正栅板的材料为铅锑硒锡银五元合金，其中锑2.0％，锡1.0％，银0.1％，硒0.025％，余量为铅。

本发明所述的管式电池正板栅的切割方法，使用激光熔凝切割的方法，对板耳和板耳冒口铸件之间的切割部位L₁、上横梁和上横梁冒口铸件之间的切割部位L₂进行切割分离。

切割部位L₁和切割部位L₂的厚度均为1-3mm，长度均为10-20mm。

激光熔凝切割的设备参数为：功率与切割厚度的关系为300-400W/mm，频率150Hz；切割速度为5-10mm/s。

管式电池正板栅在一体压力铸造成形后，需要对正板栅和冒口铸件进行分离，采用机械切割的方法在上横梁冒口切割处会出现合金的微裂纹和缺陷；激光熔凝切割作为机械加工领域的常规切割方法，切割速度快，能够有效避免传统机械切割方法造成的微裂纹和机械损伤；但是采用激光熔凝切割方法对铅合金切割时，容易造成不同切割厚度晶型的差异和熔渣的产生，使上横梁冒口处产生缺陷。本发明对切割厚度进行优化，并优化了激光功率与切割厚度的关系，保证了整个切割面晶型的均匀一致，并避免了铅合金熔渣的产生。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

(1)本发明在筋条上设置高出筋条1mm环形凸起A和高出筋条3mm的环形凸起B，替代原来的单一方向的圆翼，可使化成或电极充放点均匀进行，提高电极不同位置的电流电位分布均匀性；

(2)本发明的筋条从上横梁连接处向下计，b长度区域内的环形凸起A分布密集，有效解决了上横梁下b长度区域内化成进程慢以及电化学反应延后的情况，进一步提高电极不同位置的电流电位分布均匀性和电池性能；

(3)本发明用激光熔凝切割代替传统的机械切割，有效避免了微裂纹，板栅上横梁缺陷的产生，对板栅上横梁在电池使用过程中的腐蚀断裂起到很好的抑制作用，此外切割速度快，切口处热影响小，局部变形小，激光功率与切割厚度相匹配，能最大限度保持原有晶体结构，且表面组织均匀，细化晶粒，具有优良的抗腐蚀性能，大大降低电池使用过程板栅上横梁腐蚀断裂的风险，延长铅酸电池使用寿命。

附图说明

图1为本发明的管式电池正板栅及激光熔凝切割位置示意图；

图2为筋条和环形凸起A、环形凸起B的截面图；

图3为筋条上环形凸起A、环形凸起B的结构示意图；

图4为对比例2的正板栅结构示意图；

图5为实施例1样品DB50极板化成5h电位分布；

图6为实施例2样品DB100极板化成5h电位分布；

图7为对比例1对比DB100极板化成5h电位分布；

图8为对比例2对比400BS极板化成5h电位分布。

图中：1、板耳；2、上横梁；3、环形凸起A；4、环形凸起B；5、筋条；6、板耳冒口铸件；7、上横梁冒口铸件；8、切割部位L₁；9、切割部位L₂；10、倒角A；11、倒角B；12、圆翼。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围不仅限于此，该领域专业人员对本发明技术方案所作的改变，均应属于本发明的保护范围内。

实施例1

使用淄博火炬机电公司生产的压力铸造设备及板栅模具，制造牵引车用铅酸蓄电池DB50型管式正板栅，结合附图1-3，正板栅的结构如下：

正板栅包括多根筋条5、上横梁2和板耳1，板耳1设置于上横梁2上部，筋条5上端与上横梁2下部相连接，筋条5上分布有高出筋条1mm的环形凸起A3和高出筋条3mm的环状凸起B4。

筋条5为圆柱形，相邻的筋条5之间的距离为9mm。

筋条5从上横梁2连接处向下计，在2cm的位置设置有一个高出筋条3mm的环形凸起B4，在该位置以上均匀设置有5个高出筋条1mm的环状凸起A3，环状凸起A3与筋条5之间有倒角A10，倒角A10的半径为0.2mm；在该位置以下均匀设置有2个高出筋条3mm的环状凸起B4，环状凸起B4与筋条5之间有倒角B11，倒角B11的半径为0.5mm，相邻环形凸起B4之间的距离为5cm。

两个相邻的环形凸起B4之间均匀分布有两个高出筋条1mm的环形凸起A3，环状凸起A3与筋条5之间有倒角A10，倒角A10的半径为0.2mm。

环形凸起A3和环形凸起B4与筋条5采用一体压力铸造而成。

正板栅压铸成形后，取出铸件，使用激光熔凝切割的方法对板耳1和板耳冒口铸件6之间的切割部位L₁8、上横梁2和上横梁冒口铸件7之间的切割部位L₂9进行切割分离；切割部位L₁8和切割部位L₂9的厚度为2mm，长度为20mm；激光熔凝切割的设备参数为功率800W，频率150Hz；切割速度为10mm/s。

将切割后的正板栅进行表面处理，得到成品板栅。板栅套状涤纶丝排管后分别进行振动灌注铅粉，1.05g/ml硫酸浸泡，固化干燥后，化成；化成期间测量极板不同位置的电位分布情况，样品DB50极板化成5h电位分布如附图5所示。

图5的电位分布均匀，有利于电极的充放电功能。

实施例2

使用淄博火炬机电公司生产的压力铸造设备及板栅模具，制造牵引车用铅酸蓄电池DB100型管式正板栅，结合附图1-3，正板栅的结构如下：

正板栅包括多根筋条5、上横梁2和板耳1，板耳1设置于上横梁2上部，筋条5上端与上横梁2下部相连接，筋条5上分布有高出筋条1mm的环形凸起A3和高出筋条3mm的环状凸起B4。

筋条5为圆柱形，相邻的筋条5之间的距离为9mm。

筋条5从上横梁2连接处向下计，在2cm的位置设置有一个高出筋条3mm的环形凸起B4，在该位置以上均匀设置有5个高出筋条1mm的环状凸起A3，环状凸起A3与筋条5之间有倒角A10，倒角A10的半径为0.5mm；

在该位置以下均匀设置有2个高出筋条3mm的环状凸起B4，环状凸起B与筋条5之间有倒角B11，倒角B11的半径为1mm，相邻环形凸起B4之间的距离为6cm。

两个相邻的环形凸起B4之间均匀分布有两个高出筋条1mm的环形凸起A3，环状凸起A3与筋条5之间有倒角A10，倒角A10的半径为0.5mm。

环形凸起A3和环形凸起B4与筋条5采用一体压力铸造而成。

正板栅压铸成形后，取出铸件，使用激光熔凝切割的方法对板耳1和板耳冒口铸件6之间的切割部位L₁8、上横梁2和上横梁冒口铸件7之间的切割部位L₂9进行切割分离；切割部位L₁8和切割部位L₂9的厚度为3mm，长度为10mm；激光熔凝切割的设备参数为功率900W，频率150Hz；切割速度为5mm/s。

将切割后的正板栅进行表面处理，得到成品板栅。板栅套状涤纶丝排管后分别进行振动灌注铅粉，1.05g/ml硫酸浸泡，固化干燥后，化成；化成期间测量极板不同位置的电位分布情况，样品DB100极板化成5h电位分布如附图6所示。

图6的电位分布均匀，有利于电极的充放电功能。

对比例1

本对比例与实施例2的正板栅结构相同，不同点仅在于切割方法不同，本对比例采用传统机械切割方法对板耳1和板耳冒口铸件6之间的切割部位L₁8、上横梁2和上横梁冒口铸件7之间的切割部位L₂9进行切割分离。

将切割后的正板栅进行表面处理，得到成品板栅。板栅套状涤纶丝排管后分别进行振动灌注铅粉，1.05g/ml硫酸浸泡，固化干燥后，化成；化成期间测量极板不同位置的电位分布情况，对比DB100极板化成5h电位分布如附图7所示。

图7的电位分布比较均匀，有利于电极的充放电功能。

对比例2

本对比例与实施例1的切割方法相同，不同点仅在于正板栅结构不同，本对比例的正板栅为400BS牵引车用铅酸蓄电池正板栅(淄博火炬能源有限责任公司生产)，结构如附图4所示，正板栅包括多根筋条5、上横梁2和板耳1，板耳1设置于上横梁2上部，筋条5上端与上横梁2下部相连接，筋条5上设置有圆翼12，相邻圆翼12之间的间距为30mm，圆翼12在筋条5的四面呈交替分布。

将切割后的正板栅进行表面处理，得到成品板栅。板栅套状涤纶丝排管后分别进行振动灌注铅粉，1.05g/ml硫酸浸泡，固化干燥后，化成；化成期间测量极板不同位置的电位分布情况，对比DB50极板化成5h电位分布如附图8所示。

图8的电位分布不均匀，不利于电极的充放电功能。

将实施例1-2和对比例1-2的正板栅进行耐腐蚀测试，造成双极性电池寿命终止的原因(板栅腐蚀和活性物质从板栅上脱落以及密封材料与板栅的密封效果变差)都与正板栅合金的耐腐蚀能力有关，通过用恒电流充电法测试合金的腐蚀速率来测定合金耐腐蚀性能。板栅铸造裁切完成后，搁置5d进行时效硬化，之后进行腐蚀测试。

耐腐蚀试验的测定方法如下：

(1)测量各试样的重量(W_前)，测试样作为阳极，面积稍大于测试板栅的铅板作为阴极，将阴阳极放入电解池中；

(2)向电解池中加入电解液，电解液选用密度为1.300g/cm³(25℃)的AR级硫酸，10min后通电测试；

(3)用电流密度为6mA/cm²，充电600h；

(4)配制清洗溶液，配方为白砂糖20g，氢氧化钠100g，蒸馏水1000g；

(5)将腐蚀后的试样置入清洗溶液中，加热煮沸，使得PbO₂完全溶解，洗涤、干燥并称重(W_后)；

(6)根据试验数据计算，计算公式为：

W_失＝W_前-W_后

式中：W_失—失重(g)

W_前—测试前试样质量(g)

W_后—测试后试样质量(g)。

试验结果见表2。

表2实施例1-2和对比例1-2的正板栅耐腐蚀测试结果

从表2可以看出，采用激光熔凝切割的方法，制备的正板栅腐蚀均匀，冒口处没有出现明显的腐蚀，物理结构良好；对比机械切割样品在上横梁的冒口处，出现了腐蚀断裂，板栅的物理结构出现不可逆转的现象。

Claims (7)

1.一种管式电池正板栅，包括多根筋条(5)、上横梁(2)和板耳(1)，板耳(1)设置于上横梁(2)上部，筋条(5)上端与上横梁(2)下部相连接，其特征在于：筋条(5)上分布有高出筋条1mm的环形凸起A(3)和高出筋条3mm的环状凸起B(4)；

筋条(5)从上横梁(2)连接处向下计，在b长度的位置设置有一个高出筋条3mm的环形凸起B(4)，在b长度位置以上均匀设置有多个高出筋条1mm的环状凸起A(3)，环状凸起A与筋条(5)之间有倒角A(10)，倒角A(10)的半径为R1，相邻环形凸起A(3)之间的距离为a；其中2cm≤b≤5cm，5mm≤a≤10mm，0.2mm≤R1≤0.8mm；

筋条(5)从上横梁(2)连接处向下计，b长度位置以下均匀设置有多个高出筋条3mm的环状凸起B(4)，环状凸起B(4)与筋条(5)之间有倒角B(11)，倒角B(11)的半径为R2，相邻环形凸起B(4)之间的距离为d；其中3cm≤d≤6cm，0.5mm≤R2≤1.5mm；

两个相邻的环形凸起B(4)之间均匀分布有两个高出筋条1mm的环形凸起A(3)，环状凸起A(3)与筋条(5)之间有倒角A(10)，倒角A(10)的半径为R1，0.2mm≤R1≤0.8mm。

2.根据权利要求1所述的管式电池正板栅，其特征在于：筋条(5)为圆柱形，相邻筋条(5)之间的距离为9mm。

3.根据权利要求1所述的管式电池正板栅，其特征在于：环形凸起A(3)和环形凸起B(4)与筋条(5)采用一体压力铸造而成。

4.一种权利要求1-3任一项 所述的管式电池正板栅的切割方法，其特征在于：使用激光熔凝切割的方法对板耳(1)和板耳冒口铸件(6)之间的切割部位L1(8)、上横梁(2)和上横梁冒口铸件(7)之间的切割部位L2(9)进行切割分离。

5.根据权利要求4所述的管式电池正板栅的切割方法，其特征在于：切割部位L1(8)和切割部位L2(9)的厚度均为1-3mm，长度均为10-20mm。

6.根据权利要求4所述的管式电池正板栅的切割方法，其特征在于：激光熔凝切割的设备参数为：功率与切割厚度的关系为300-400W/mm，频率150Hz。

7.根据权利要求4所述的管式电池正板栅的切割方法，其特征在于：切割速度为5-10mm/s。

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