动力阀控式铅酸电池的轻量化设计

沈旭培，方明学，陈勤忠

(天能电池集团股份有限公司，浙江 湖州 313100)

铅酸电池的轻量化制造一直受到行业的关注。因为铅材料约占铅酸电池质量的68%～75%[1]，所以轻量化的核心是更科学、合理地使用铅材料，同时，对产品设计精细化、设备先进化的要求也更严格。

经研发攻关和市场验证，本文作者重点从采用铅带冲压式板栅制造极板，平桥结构汇流排两方面，介绍阀控式铅酸(VRLA)电池的轻量化设计和制造工艺。

1 冲压式板栅设计

板栅是极板的骨架，具有电子传导功能[2]，应具有良好的耐腐蚀性和导电性。相对于富液电池而言，动力VRLA电池板栅受腐蚀的程度更深一些，主要是因为高电解液密度和贫液状态下电池内部温度偏高[3]。重力浇铸式板栅是由480～530 ℃的铅液冷却至150～190 ℃的固体成型而成，因过冷度小[4]，导致合金的结晶中心少、晶粒粗大，致密性差，板栅内部孔隙率大，测得布氏硬度约为97 HBW10/1000/30[5]。通常用增厚的方法延长耐腐蚀周期，因此重力浇铸式板栅相对偏厚。

冲压式板栅是将碾轧成型的铅带冷却至25～40 ℃，再经过模具冲压成型。由于碾轧和冲压的作用，板栅致密性好、板栅内部孔隙率小，测得布氏硬度约125 HBW10/1000/30[5]。基于此，冲压式板栅的设计厚度约为重力浇铸式板栅的60%～70%，考虑到板栅与铅膏结合力的原因，冲压式板栅的栅格面积设计为重力浇铸式板栅的70%～80%。6-DF-100Q型动力VRLA电池的两种板栅结构见图1。

2 汇流排设计

传统的VRLA电池汇流排多为跨桥结构[见图2(a)]，需借助铅零件将汇流排焊接，超出电池槽部分的铅置于电池

图1 重力浇铸式和冲压式板栅的结构示意图

盖的密封胶槽内。这一结构的缺点是耗铅量大，且多数厂家使用乙炔气体来焊接，对环境不友好。平桥结构汇流排采用铸焊工艺，可省去铅零件[见图2(b)]，将汇流排全部置于电池盖的密封胶槽内。为了节约电池槽隔墙所对应的密封胶，电池盖采用顶部镂空设计[6](见图3)。

图2 汇流排设计示意图

图3 顶部镂空电池盖示意图

3 轻量化成效

6-DF-100Q型动力VRLA电池的极板配比为6正/7负，重力浇铸式正板栅厚度为2.7 mm，质量为86 g，负板栅厚度为1.8 mm，质量为59 g。冲压式正板栅厚度为1.7 mm，质量为68 g，负板栅厚度为1.2 mm，质量为46 g。每只电池正、负极板栅质量分别减轻648 g、546 g，板栅质量共计减轻1 194 g。跨桥结构汇流排质量为560 g，每只电池需要铅零件530 g，平桥结构汇流排采用铸焊工艺，为保证焊接质量，汇流排厚度增加1.5 mm，总质量为664 g，汇流排质量共计减轻426 g。由此可知，每只电池可以节约铅1 620 g。电池总质量由34.5 kg轻量化至32.9 kg，比能量由34.8 Wh/kg提升至36.5 Wh/kg。由于活性物质量未变，两种结构电池的实际容量相当[7]。

4 实际效果

重力浇铸式板栅的产能与作业技能关联度很大，据湖州某电池厂统计，同一台铸板机，由于作业技能差异，日产能的波动范围约为10 000～17 000片，而冲压式板栅的日产能约为320 000～340 000片，日产能提高约20倍。跨桥结构汇流排焊接工艺需提前生产铅零件，再通过两次焊接成型[8]，每只约耗时100 s，而平桥结构汇流排铸焊工艺整体浸模，一次成型，每只约耗时45 s，生产效率提高约1.2倍。

自2018年起，轻量化的6-DF-100Q型动力VRLA电池共出厂660 086只，用于搬运车、扫地机、载货三轮车等车辆。在使用19～23个月的921只售后电池中，仅46只出现板栅严重腐蚀现象，占比仅0.007%；同期，采用重力浇铸式板栅装配的6-DF-100Q型动力VRLA电池共出厂1 830 505只，在使用11～15个月的15 212只售后电池中，有1 832只出现板栅严重腐蚀现象，占比0.12%。从售后电池的数量和使用时间可看出，冲压式板栅既提高了电池的稳定性，也使板栅耐腐蚀周期延长8个月以上。平桥结构汇流排不仅节约铅耗，也不需要使用乙炔气体，有利于安全生产和环保。目前，轻量化电池已上市6-DF-100Q型和6-DF-80Q型两款，并经过了约3a的市场验证。

5 结束语

相对于重力浇铸式板栅而言，冲压式板栅虽厚度减薄，但致密性和硬度增强，且制造时表现出良好的质量稳定性，在使用时表现出显著的耐腐蚀性和导电性。

本文作者从结构设计和制造工艺上介绍了电池轻量化，若有更好的化学元素提高板栅硬度，更好的添加剂高活性物质利用率，对轻量化会更有帮助。