風(fēng)冷電池化成工藝研究

牛義生，張文龍，楊金夢，高鶴，劉可暢，張志偉，李夢楠

（風(fēng)帆有限責(zé)任公司，河北 保定 071057）

0 引言

鉛酸蓄電池在充電化成過程中會產(chǎn)生大量熱能，所以需要采取散熱降溫措施，控制化成中的電池溫度。當(dāng)今行業(yè)中普遍采用水浴冷卻的方法對電池進(jìn)行散熱降溫。眾所周知，水浴冷卻電池化成占地面積大，消耗水資源多，電池化成產(chǎn)能提升也受到很大制約。隨著我國社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，土地資源和水資源日益緊張，環(huán)保日趨嚴(yán)峻，如何高效利用土地資源、減少生產(chǎn)水耗、減少環(huán)境污染成為蓄電池生產(chǎn)廠家面臨的主要問題和應(yīng)承擔(dān)的社會責(zé)任。筆者以空氣為冷卻介質(zhì)，設(shè)計風(fēng)冷系統(tǒng)，從而達(dá)到降耗、環(huán)保、提高電池化成產(chǎn)能的目的，并對風(fēng)冷電池化成工藝進(jìn)行了試驗研究。

1 電池化成過程中的反應(yīng)

電池化成過程中的反應(yīng)：第一類——化學(xué)反應(yīng)，主要發(fā)生在化成的中前期。極板中的 PbO、堿式硫酸鉛和電解液中的硫酸進(jìn)行中和反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱，因此電池化成初期溫度快速上升。第二類——電化學(xué)反應(yīng)，PbSO4在負(fù)極還原生成 Pb，在正極氧化生成 PbO2[1-2]，吸收熱量。它是在電池充電時發(fā)生的反應(yīng)，電化學(xué)反應(yīng)的快慢除了和輸入的電流大小有直接關(guān)系，同電化學(xué)反應(yīng)所處的溫度也有很大關(guān)系。在電池化成充電過程中，除了正負(fù)極活性物質(zhì)的轉(zhuǎn)化外，還會產(chǎn)生一些副反應(yīng)，主要是隨著正負(fù)極電勢的升高，發(fā)生電解水反應(yīng)，陽極析氧，陰極析氫。蓄電池化成中發(fā)生的反應(yīng)如下所示：

在電池化成工藝設(shè)計中，科學(xué)地利用這些反應(yīng)規(guī)律設(shè)計化成充電工藝以及化成冷卻降溫系統(tǒng)，電池化成會取得良好效果。

2 電池風(fēng)冷化成系統(tǒng)設(shè)計

如圖1 所示，電池化成風(fēng)冷系統(tǒng)包括送風(fēng)裝置、冷卻室、酸霧處理排放裝置。送風(fēng)裝置將空氣流送入冷卻室，對化成的蓄電池進(jìn)行冷卻。冷卻室是由框架和密封板構(gòu)成的封閉腔室。冷卻室內(nèi)設(shè)有擺放蓄電池的電池架。霧酸處理排放裝置將冷卻室內(nèi)含有霧酸的氣體凈化后排出。

在電池化成風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計中需要解決兩個關(guān)鍵問題：(1) 風(fēng)冷系統(tǒng)的密封性。如果風(fēng)冷系統(tǒng)的密封性不好，化成過程中產(chǎn)生的酸霧和熱量就會散發(fā)到生產(chǎn)車間內(nèi)，影響工作環(huán)境，而且會使冷卻室內(nèi)冷空氣對熱量的傳導(dǎo)效果變差；(2) 冷空氣在冷卻室內(nèi)分布的均勻性。空氣作為流體，受壓力、溫度、空間結(jié)構(gòu)等影響，在密封空間內(nèi)流動時會出現(xiàn)分布不均勻的現(xiàn)象。為此，在冷卻室上的操作口、電池出入口等活動部件處做密封結(jié)構(gòu)設(shè)計，如加裝密封條。在電池化成時，操作窗、電池出入口處于密封狀態(tài)，防止冷卻室內(nèi)的空氣與生產(chǎn)車間的空氣發(fā)生置換。在冷空氣進(jìn)入冷卻室后，為了保證冷空氣在電池之間分布的一致性，對送風(fēng)管進(jìn)入冷卻室內(nèi)的部分及其上面的送風(fēng)孔、以及排風(fēng)管進(jìn)行了特殊設(shè)計：a. 在送風(fēng)管進(jìn)入冷卻室后變?yōu)椴⑿信挪?2～4 個送風(fēng)管，布置在冷卻室底部，并且在送風(fēng)管上安裝自動控制的電磁閥門，用于進(jìn)風(fēng)量的調(diào)節(jié)；b. 在送風(fēng)管上均勻分布多個送風(fēng)孔，并且令送風(fēng)孔的孔徑從冷卻室的左側(cè)到右側(cè)依次逐漸變大，以確保冷風(fēng)在冷卻室內(nèi)各部位分布的一致性；c. 多個排風(fēng)管均勻分布在冷卻室頂部，與排氣總管相連接，并且排風(fēng)管的孔徑從冷卻室的左側(cè)到右側(cè)依次逐漸變小，以確保冷卻室內(nèi)各部位排風(fēng)量的一致性；d. 將電池支架布置在冷卻室中間位置，而且令電池支架上擺放的電池之間保持一定間隙，以保證底部的冷空氣能夠流經(jīng)電池周圍，將電池散發(fā)的熱量及時帶走。另外，在電池化成風(fēng)冷系統(tǒng)中安裝了自動控制系統(tǒng)，將電池的溫度參數(shù)和電池周圍空氣的溫度參數(shù)通過溫度傳感器及時傳輸?shù)阶詣涌刂葡到y(tǒng)的集成處理器。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的電池溫度控制要求，通過自動控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)送風(fēng)裝置的送風(fēng)量和酸霧處理裝置的排風(fēng)量，實現(xiàn)電池化成溫度的自動監(jiān)測和調(diào)節(jié)。通過上述設(shè)計，風(fēng)冷系統(tǒng)密封性以及化成中電池散熱降溫的一致性得到了比較好的解決。

對比水冷化成和風(fēng)冷化成，電池風(fēng)冷化成主要有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 資源利用率提高，能耗較低。風(fēng)冷化成系統(tǒng)可采用立體式多層布局，充分利用廠房的空間，占用土地資源相對較少。風(fēng)冷化成系統(tǒng)不需要冷卻水處理系統(tǒng)，耗水少。(2) 生產(chǎn)環(huán)節(jié)相對較少，并且設(shè)備資金投入相對較少。風(fēng)冷系統(tǒng)可同現(xiàn)有的廠房通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)合在一起，使電池冷卻和廠房通風(fēng)二者合一，不需要化成水浴槽及循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。(3) 污染排放相對較少，有利于環(huán)保。沒有廢水產(chǎn)生，減少水污染。

同時，風(fēng)冷化成也存在一些缺點(diǎn)：(1) 與水相比，空氣的比熱容較低，所以熱量傳遞速度較慢，對電池的冷卻降溫速度較慢。但是，可以通過降低空氣溫度和加快空氣的置換速度來改善冷卻降溫效果。(2) 冷卻一致性稍差。可根據(jù)壓縮空氣流動特性及影響因素，合理設(shè)計冷卻室的結(jié)構(gòu)，提高空氣冷卻的一致性。(3) 對冷卻系統(tǒng)的密封性要求較高，所以在風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計中需要采取密封措施。

3 電池化成試驗及結(jié)果分析

化成溫度是影響電池化成效果和電池性能的一個關(guān)鍵因素[3-4]?；沙潆姇r，由于活性物質(zhì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，吸熱，因此化成溫度可適當(dāng)高一些。這樣有利于活性物質(zhì)轉(zhuǎn)化，從而提高正極板中 PbO2的含量。但是，化成溫度過高時，負(fù)極活性物質(zhì)中的膨脹劑又會發(fā)生高溫分解，對電池的低溫起動性能產(chǎn)生不良影響[5]，而且水分解電壓降低，導(dǎo)致化成反應(yīng)速率下降。因此，控制好電池化成過程中的溫度極為關(guān)鍵。為此，筆者以某 60 Ah 電池為例，采用新設(shè)計的風(fēng)冷系統(tǒng)對化成電池散熱降溫，驗證化成效果。表1 為風(fēng)冷化成充電工藝，充電時間控制在 20 h 左右，電池充電量約 250 Ah。在電池化成過程中，壓縮空氣的溫度保持在 20～25 ℃ 之間。

為了驗證風(fēng)冷系統(tǒng)對化成電池的散熱降溫效果以及冷空氣在冷卻室內(nèi)的分布均勻性，對冷卻室內(nèi)分別位于左側(cè)、中間、右側(cè)三個位置（如圖1 所示）的電池 1、電池 2、電池 3 溫度及其周圍的空氣溫度進(jìn)行了跟蹤。從圖2 可以看出，不同位置的電池初始溫度存在一定差異。由于化成前開始灌酸所處的時刻不同，導(dǎo)致電池靜置和中和反應(yīng)放熱的時間不同，從而造成電池初始溫度不同。電池 1 灌酸最晚，導(dǎo)致靜置和放熱時間相對較短，所以初始溫度較低。電池 3 灌酸最早，導(dǎo)致靜置和放熱時間相對較長，所以初始溫度較高。但是，隨著電池化成的進(jìn)行，不同位置的電池溫度及其變化趨勢比較一致。電池溫度基本控制在 40～55 ℃ 之間，達(dá)到了預(yù)期的電池化成溫度。從圖3 可以看出，雖然電池的位置不同，但它們周圍空氣的溫度比較一致，并且接近壓縮空氣的溫度，說明冷空氣在冷卻室內(nèi)分布得比較均勻，對電池散發(fā)到周圍空氣中的熱能傳導(dǎo)效果較好。對化成后的電池進(jìn)行了解剖分析，得到表2 和圖4 所示結(jié)果。正極板 PbO2含量保持在 80 % 以上，且正極板無“白花”現(xiàn)象，表明化成效果良好。對化成后的電池按照 GB/T 5008.1—2013《起動用鉛酸蓄電池》技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了性能測試[6]。表3 中結(jié)果表明，電池各項性能完全滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 電池溫度變化曲線

圖3 電池周圍空氣溫度變化曲線

圖4 風(fēng)冷化成后的正極板外觀

表2 正極板 PbO2 含量

表3 電池性能測試結(jié)果

鉛酸蓄電池化成后，正極板主要含有β-PbO2和 α-PbO2，還有部分未轉(zhuǎn)化的 PbSO4?；蓽囟葘φ龢O活性物質(zhì)各組分的含量會產(chǎn)生重要影響。為了進(jìn)一步驗證風(fēng)冷電池化成的效果，對采用風(fēng)冷化成工藝和水冷化成工藝的正極板活性物質(zhì)進(jìn)行了XRD 測試。由圖5 可知，雖然控溫方式不同，但是正極活性物質(zhì)出峰位置和衍射峰強(qiáng)度非常相近，說明兩種控溫化成方式下正極活性物質(zhì)組分及其粒徑和結(jié)晶度相差不大。通過 Jade 軟件對所得的XRD 圖譜進(jìn)行分析計算。通過表4 對比，風(fēng)冷化成與水冷化成的電池正極活性物質(zhì)的各種成分及其含量非常接近。此外，正極活性物質(zhì)中 α-PbO2和β-PbO2的質(zhì)量比基本相同。該比值直接影響凝膠-晶體之間的平衡，影響正極活性物質(zhì)的活性[7]。綜上說明，兩種化成方式的正極板化成效果一致。

圖5 化成后正極板活性物質(zhì) XRD 圖

表4 正極板成分含量對比

4 結(jié)論

通過合理地設(shè)計風(fēng)冷系統(tǒng)以及化成充電工藝，采用風(fēng)冷散熱降溫方法進(jìn)行電池化成，能夠使化成過程中的溫度得到有效控制，令電池可達(dá)到預(yù)期的化成效果。采用風(fēng)冷化成的電池各項性能指標(biāo)完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。風(fēng)冷化成以空間利用率高，生產(chǎn)環(huán)節(jié)較少，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的發(fā)展優(yōu)勢。