关于炭材料对通信VRLA电池性能的影响分析

阮学恒

摘 要：为延长通信VRLA电池使用寿命，炭材料作为添加剂在电池负极中得到了应用。为了解炭材料给电池性能带来的影响，文章在分析炭材料应用原理的基础上，开展了电池性能测试实验。从实验结果来看，在炭材料添加量达到0.6%时能够使电池保持最优性能，促使電池循环使用次数得到增加。

关键词：炭材料;通信VRLA电池;导电性能

1    炭材料在通信VRLA电池中的应用

在通信密封式阀控铅酸蓄电池（Valve-Regulated Lead-Acid battery，VRLA）中，电池寿命主要受到负极硫酸盐化的影响。在高倍率部分荷电状态下工作，硫酸盐晶体将在电池负极板表面聚集，导致不可逆的硫酸盐化现象发生，使得电极板内部电阻增加，引发电池失效[1]。将炭材料当成是负极添加剂，融入负极活性物质中，可以减少各种晶体的接触，避免大量溶解度低的硫酸盐晶体产生。炭材料拥有较高导电性，可以提高电子传输率，促使硫酸盐晶体实现电子转化。在电池处于部分荷电状态下时，炭材料将形成导电网络矩阵，提供传输电子的通路，促使活性物质的导电性得到增强，使析氢反应的发生率得到降低[2]。因此就目前来看，炭材料作为负极板的添加剂在通信VRLA电池中得到了应用，可以通过添加一种或几种炭材料促使电池达到最优性能。

2    炭材料对通信VRLA电池性能的影响分析

2.1  实验条件

2.1.1  电池制备

为研究炭材料对通信VRLA电池性能的影响，需要采用不同负极铅膏配方进行实验通信VRLA电池制备，使炭材料添加量分别达到0%，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%和1%，其余腐殖酸等添加剂按照正常量添加。将手工制作的涂片负极板与常规正极板组装在一起，按照每种配方3只电池进行电池制备，可以得到15只电池。

2.1.2  测试条件

在对电池性能进行测试时，需要采用激光颗粒分布测量仪和电化学工作站，并配备电池测试系统和精密可调恒温水浴槽。采用对电极为Pt电极，参比电极为汞/硫酸亚汞电极，在1.28 g/cm?硫酸溶液中进行电解，蓄电池容积为8 Ah。按照GB/T 5008.1-2013等规定进行电池性能测试，需要先将电池充满电，需要先在1～4 h内将电池充满，然后恒流放电10 h，电流记为I0在0 ℃存放48 h后充电300 s，记录300 s的电流Ica，对300 s内I0与Ica比值进行计算，确定电池充放电接受能力。在动态充放电接受性能测试时，需要以2倍I0对充满电状态下的电池放电2 h，达到80%荷电后充电300 s，然后放电至70%，再次充300 s。连续实验过程中，转换时间不超120 s。对60%～80%荷电状态下的充至300 s的电流进行记录，可以得到真实电量Q300 s。对电池深循环寿命进行测试，需要在满电荷状态下以4倍I0放电120 min，然后在恒压限流条件下，以6充电30 min，之后放电20 min，直至达到1.67 V。重复60次，最高电压降达到100 mV。

2.2  性能分析

2.2.1  导电性能分析

在对几组电池导电性能进行测试时，需要对相同配方测试组的平均值进行求取。从测试结果来看，在炭材料添加量增多的情况下，电池导电性能呈现出先增强后减小的变化。从电池充电能力变化情况来看，在炭材料添加量达到0.6%时，电池充电性能最佳。在充电10 min时，电池充电量比添加量达到0.2%时增加近52%。但随着炭材料量的增加，300 s时电流有所减小。分析原因可知，添加炭材料能够使电池重复使用过程中的极化现象得到抑制，促使硫酸铅增加速度达到最大。在50%荷电状态下，活性物中内阻最小，能够使硫酸盐化现象得到减少，继而使电池导电性能得到提升。但持续增加炭材料，将导致其较难与活性物质相容，出现结合力下降问题。在电池重复使用期间，将导致接触电阻增加，促使电阻发生极化，继而导致电池导电性下降。因此在应用炭材料时，还应加强用量控制。

2.2.2  接受能力分析

进一步分析电池接受能力可以发现，在常温状态下，随着炭材料增加，还原峰电流不断增加，电极还原反应有所加强。因为在炭材料增加的情况下，电极表面积增大，固液界面铅离子扩散加快，使得电子运行加速，因此电池充电性能有所改善。在80%～90%的荷电状态下，添加0.2%的炭材料，与不添加炭材料的电池充入量相差不大。但在炭材料用量达到0.6%时，80%～90%荷电状态下可以达到较高充入量，Q值在0.15～0.20 Ah范围内。在70%～80%状态下，炭材料用量为0.8%时充入量较大，Q值在0.3～0.45 Ah变化。在炭材料颗粒间紧密结合的情况下，能够使导电网络的导电速度得到提升，放电时将生成硫酸铅，被炭材料围住，发挥晶核作用，继而使电池的接受能力得到增强。

2.2.3  循环寿命分析

从电池循环寿命变化情况来看，在50%的荷电下对电池重复使用，使用次数最初伴随着炭材料添加量的增加而增加，随后则有所减少。在添加量达到0.4%时，循环使用次数能够达到286次，添加量增加至0.6%，使用次数达到1 348次，次数得到了大幅度提升。但在添加量达到0.8%后，使用次数下降至372次。分析原因可知，炭材料能够使负极活性物质的导电性提高，从而使活性物质得到充分利用，继而达到延长电池使用寿命的目标。

3    结语

炭材料应用在通信VRLA电池中将发挥有益作用，在电池负极板中适量添加炭材料，可以形成特殊导电结构，能够使电流给电池带来的损害得到减弱，促使电池导电性能得到提升，充受电能力得到改善，从而获得更长的循环寿命。因此相信在通信VRLA电池研制方面，炭材料可以获得良好的应用前景。

[参考文献]

[1]张菲菲，王俊霞，杨勇，等.阀控铅酸蓄电池的性能检测和监控方案[J].电力与能源，2020（1）：80-83.

[2]张峰博，郭志刚，陈强，等.装配压力对动力型VRLA电池性能的影响[J].蓄电池，2019（1）：42-45.