AGM 起停電池輕量化&降成本關(guān)鍵技術(shù)探討

熊志力，張興，張恒山，柳銳，朱文樂，艾，張偉

（湖北南都新能源研究有限公司，湖北 鄂州 436000）

0 引言

在傳統(tǒng)起停乘用車及新能源汽車行業(yè)，用戶隨著消費(fèi)和享受意識的提高，對車輛的舒適性要求越來越高[1-3]。這樣，對低壓 12 V 電池的要求越來越高。AGM 起停電池以其各項優(yōu)異的性能指標(biāo)已逐漸成為各大 OEM 主機(jī)廠及售后終端市場的首選。但是，由于 AGM 起停電池鉛耗重，導(dǎo)致生產(chǎn)成本高，故其售價遠(yuǎn)高于同型號 EFB 起停電池。因此，筆者圍繞 AGM 起停電池輕量化降本技術(shù)（板柵、活性物質(zhì)輕量化）及其關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)和工藝轉(zhuǎn)化進(jìn)行詳細(xì)闡述，在降低 AGM 起停電池重量的前提下，進(jìn)一步提升 AGM 起停的關(guān)鍵性能指標(biāo)，大幅提升企業(yè)生產(chǎn)效率和利潤空間。

1 實驗

1.1 主要設(shè)備

鑄板線、寬鉛帶連鑄連軋線、沖網(wǎng)線、真空合膏機(jī)、鼓式涂填機(jī)、固化室、TBS 全自動裝配線、冷酸機(jī)、真空定量灌酸機(jī)、高精度充放電機(jī)、精密恒溫水浴槽、CMW 全自動后處理線、金帆充放電測試儀器、萬用表、內(nèi)阻儀、電導(dǎo)儀等。

1.2 活性物質(zhì)輕量化

根據(jù)表 1 中的設(shè)計方案，首先在重力鑄造工藝方面驗證活性物質(zhì)輕量化對 6-QTF-80 AGM 起停電池性能的影響。在所有的試驗方案中 AGM 隔板的壓縮比均被控制在 25 %～30 %（隔板的寬度均為 162 mm），而且化成制度均采用 68 h/550 Ah 充電工藝。分別考察不同活性物質(zhì)配比對 AGM 起停電池在化成過程中的失水率、飽和度[4]（飽和吸酸量以及實際電池含酸量），化成過程 3 小時率容判電壓，以及下線靜置 7 d 后的開路電壓（OCV）、高倍率放電閉路電壓（HRD）、內(nèi)阻的影響。

表1 活性物質(zhì)輕量化方案設(shè)計

通過表 2 中數(shù)據(jù)可以看出，在一定的范圍內(nèi)，活性物質(zhì)輕量化對 AGM 起停電池化成后靜置 7 d后的高倍率放電閉路電壓（實際采用 1 050 A 放電4 s）、內(nèi)阻和隔板飽和度無顯著影響。由于采用相同的化成程序，隨著正極活性物質(zhì)的減少，化成失水率逐漸增加，導(dǎo)致化成終點時硫酸電解液的密度略有增加（通過對比化成下線后靜置 7 d 的開路電壓可以看出）。在 AGM 起停電池化成過程中通常會設(shè)置在線容量檢測程序（通過模擬 3 小時率放電來判斷電池實際容量合格率水平），然而活性物質(zhì)配比的改變，對 3 小時率容判電壓沒有顯著性影響。因此，在一定范圍內(nèi)，活性物質(zhì)輕量化不會對 AGM 起停電池的化成過程產(chǎn)生顯著性影響。

表2 活性物質(zhì)配比對 AGM 起停電池化成結(jié)果的影響

通過對比不同程度的活性物質(zhì)輕量化對 AGM起停關(guān)鍵電性能的影響，可以發(fā)現(xiàn)（如表 3～表 5所示），隨著活性物質(zhì)輕量化程度的增加，AGM起停電池的 CCA 電導(dǎo)值（CCA 電導(dǎo)值是采用電導(dǎo)儀模擬測試得出的一個無量綱值）、內(nèi)阻、20 小時率容量、靜態(tài)及動態(tài)充電接受能力、水損耗均無顯著降低。隨著活性物質(zhì)輕量化程度的增加，低溫冷起動性能有所下降，主要體現(xiàn)在 U10s電壓和低溫持續(xù)放電總?cè)萘?Ccc上，而且儲備容量也有一定程度的降低，但均滿足 JB/T 12666—2016 標(biāo)準(zhǔn)的要求。此外，隨著活性物質(zhì)輕量化程度的增加，75 ℃SAE J2801 壽命呈逐漸增加的趨勢。由于隨著極板活性物質(zhì)輕量化程度的增加，極板厚度降低，為了保證裝配壓縮比維持在 25 %～30 % 范圍內(nèi)，需要采用更厚的 AGM 隔板。由于 AGM 隔板厚度增加（寬度保持不變），AGM 隔板的自由吸酸總量和加壓吸酸量均明顯增加。因此，在飽和度相同的情況下，隨著極板輕量化程度的增加，AGM 起停電池內(nèi)部有效含酸量明顯增加。75 ℃ J2801 高溫壽命失效的主要特征為電池失水，導(dǎo)致隔板干涸[5-6]。在板柵耐腐蝕速率基本一致的前提下，電池內(nèi)部有效酸量的增加會在一定程度上延緩隔板干涸的速率，提升 J2801 壽命。另外，隨著活性物質(zhì)輕量化程度的增加，雖然按照標(biāo)準(zhǔn) JB/T 12666—2016 標(biāo)準(zhǔn)要求，其 50 % DOD 循環(huán)壽命均能合格，但放電電壓平臺有一定程度的降低，因此在生產(chǎn)設(shè)計上需要兼顧考慮深循環(huán)壽命的需求時，活性物質(zhì)輕量化需要有一定的度量把握，尤其是針對正極活性物質(zhì)輕量化，設(shè)計上須尤為謹(jǐn)慎。通過綜合對比不同活性物質(zhì)輕量化對 AGM 起停關(guān)鍵電性能的影響結(jié)合成本及市場客戶反饋，最終選擇裝配方案 2 作為最佳活性物質(zhì)設(shè)計配比，并進(jìn)行量產(chǎn)推廣。

表3 活性物質(zhì)配比對 AGM 起停電池關(guān)鍵電性能的影響

表4 活性物質(zhì)配比對 AGM 起停電池充電接受能力的影響

表5 活性物質(zhì)配比對 AGM 起停電池循環(huán)壽命的影響

1.3 板柵輕量化

根據(jù)生產(chǎn)設(shè)計、成本及客戶反饋，最終確定了最佳的活性物質(zhì)設(shè)計配比，接下來進(jìn)行板柵輕量化，即采用寬鉛帶連鑄連軋—沖網(wǎng)工藝替代傳統(tǒng)重力鑄造板柵生產(chǎn)工藝，并通過交叉配組驗證方式充分對比了 2 種板柵制造工藝對 AGM 起停關(guān)鍵電性能的影響。

根據(jù)表 6 交叉配組驗證設(shè)計方案，在固定正負(fù)極活性物質(zhì)配比的前提下，所有的試驗方案 AGM隔板壓縮比均控制在 25 %～30 %（隔板寬度均為162 mm），化成制度同樣均采用 68 h/550 Ah 充電工藝。通過表 7 數(shù)據(jù)可以看出，采用重力鑄造工藝與鉛帶連鑄連軋—連沖工藝制造正極板柵對 AGM起停電池化成后靜置 7 d 后的 HRD（高倍率放電閉路電壓，實際采用 1 050 A 放電 4 s）和內(nèi)阻有顯著性影響，尤其是對電導(dǎo)值及內(nèi)阻，采用重力鑄造工藝的正極板柵的電導(dǎo)值明顯偏高，內(nèi)阻明顯偏低。這就是重力鑄造板柵的核心優(yōu)勢。同樣的板面寬度和板面高度條件下，重力鑄造板柵比連鑄連軋—連沖板柵約重 10 g/片。由于重力鑄造工藝板柵表面粗糙化程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于連鑄連軋—沖網(wǎng)板柵，因此在同樣的固化條件下，重力鑄造板柵的固化效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于連鑄連軋—沖網(wǎng)板柵。連鑄連軋—沖網(wǎng)板柵本身可能存在油污，會影響固化界面腐蝕層的形成與腐蝕層化成組成，因此板柵表面的清潔度需要尤為重視。

表6 板柵輕量化設(shè)計及交叉配組方案

表7 板柵制造工藝對 AGM 起停電池化成結(jié)果的影響

生產(chǎn)沖網(wǎng)板柵需要先生產(chǎn)寬鉛帶。目前，行業(yè)里寬鉛帶的生產(chǎn)工藝主要分為 Cominco 鑄帶和連鑄連軋工藝。采用 Cominco 鑄帶工藝生產(chǎn)的鉛帶未經(jīng)軋制過程且較軟，所以板柵需要經(jīng)過高溫時效硬化后才能用于涂填工序。目前行業(yè)內(nèi)采用 Cominco鑄帶工藝生產(chǎn)的鉛帶多用于負(fù)極板柵。由于存在軋制工藝，連鑄連軋工藝與 Cominco 鑄帶工藝和重力鑄造工藝相比，鉛帶時效硬化速率較高，因此生產(chǎn)效率大幅度提高。此外，鉛胚經(jīng)過軋制后，晶粒更加細(xì)化，晶界腐蝕速率比采用重力鑄造工藝時有一定降低，板柵耐腐蝕性能增強(qiáng)，但連鑄連軋寬鉛帶的生產(chǎn)工序控制更為復(fù)雜。由于連鑄連軋工藝需要很高的技術(shù)壁壘，工藝參數(shù)的調(diào)整直接影響鉛帶耐腐蝕性。在此詳細(xì)羅列了連鑄連軋寬鉛帶在生產(chǎn)過程中所需要的關(guān)鍵控制點：① 成型腔內(nèi)鉛液溫度；② 鉛胚溫度（與鑄帶輪轉(zhuǎn)速、冷卻水進(jìn)口溫度和流量息息相關(guān)）；③ 鉛胚軋制比（每道工序的軋制變形量和軋制比直接影響晶粒結(jié)構(gòu)組織與大?。虎?皂化液濃度與溫度；⑤ 收卷張力錐度比；⑥ 鉛帶側(cè)彎情況；⑦ 沖網(wǎng)板柵排布設(shè)計和沖網(wǎng)模具設(shè)計問題；⑧ 沖網(wǎng)板柵筋條粗細(xì)一致性問題；⑨ 板柵表面清潔度（RUF 熒光值）。

通過表 8 發(fā)現(xiàn)，正極板柵輕量化對 AGM 起停電池的內(nèi)阻和電導(dǎo)值有顯著性影響。連鑄連軋—沖網(wǎng)板柵電池與重力鑄造板柵電池相比，雖然質(zhì)量較小，但內(nèi)阻較高，電導(dǎo)值也有較大幅度下降。由表 8和表 9 可知，雖然連鑄連軋沖網(wǎng)板柵電池的 50 %DOD 深循環(huán)壽命、水損耗和高溫耐腐蝕性能均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但連鑄連軋—沖網(wǎng)板柵電池與重力鑄造板柵電池相比，-18 ℃ 低溫冷起動測試中以 Icc放電 10 s 時的電壓值 U10s的富余量有一定程度的降低，SAE J2801 壽命有一定程度的提升。通常實際生產(chǎn)中，重力鑄造正極板柵中實際的 Sn 含量會比連鑄連軋—正極沖網(wǎng)板柵略高。而且，二者相比之下，重力鑄造板柵更厚，筋條更粗，然而為了達(dá)成輕量化目的，通常連鑄連軋沖網(wǎng)板柵更薄，筋條更細(xì)。但是，在高溫耐腐蝕性能方面，連鑄連軋—沖網(wǎng)板柵與重力鑄造板柵相比，有過之無不及。隨著對連鑄連軋工藝參數(shù)的進(jìn)一步持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)，連鑄連軋—沖網(wǎng)板柵的耐腐蝕性能會有更高的提升。

表8 板柵制造工藝對 AGM 起停電池關(guān)鍵電性能的影響

表9 板柵制造工藝對循環(huán)壽命和充電接受能力的影響

1.4 COS 輕量化

由于 AGM 起停電池設(shè)計及生產(chǎn)制造進(jìn)一步精益化，很多企業(yè)在考慮制造成本時，已不再局限在活性物質(zhì)和板柵在鉛耗上，也將降低鑄焊鉛耗作為目標(biāo)。通過降低鑄焊匯流排（COS）中 Sn 含量，優(yōu)化 COS 模具設(shè)計，更改鉛零件的設(shè)計厚度、寬度，以及直極柱、偏零件的尺寸，在不降低 AGM起停電池性能和生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)上，降低鑄焊鉛耗，最終達(dá)到了降本增效的目的。

2 結(jié)束語

筆者重點圍繞 AGM 起停電池輕量化降本技術(shù)（板柵和活性物質(zhì)輕量化）及其關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)、設(shè)備、工藝升級轉(zhuǎn)化進(jìn)行詳細(xì)闡述，在大幅度降低 AGM起停電池重量的前提下，進(jìn)一步提升 AGM 起停的關(guān)鍵性能指標(biāo)，大幅提升企業(yè)生產(chǎn)效率及利潤空間。