启停系统铅酸蓄电池的保障
—AGM隔膜

倪君，王伟

(中材科技股份有限公司膜材料公司，南京 211106)



启停系统铅酸蓄电池的保障
—AGM隔膜

倪君，王伟

(中材科技股份有限公司膜材料公司，南京 211106)

摘 要：介绍了阀控密封铅酸蓄电池的工作原理，AGM铅酸蓄电池在启停系统中的应用，及启停系统时铅酸蓄电池的性能要求。从AGM隔膜厚度均匀性、孔隙率、吸酸性能、强度和压缩比等方面阐述了启停系统铅酸蓄电池对AGM隔膜的要求，并简单展望了启停系统用AGM铅酸蓄电池的未来发展空间。

关键词：启停系统；铅酸蓄电池；AGM隔膜

0前言

目前政府对节能环保汽车的鼓励和监督逐步加强，越来越多的人开始关注如何应对气候变化，探讨减少二氧化碳排放，汽车行业正迎来巨大挑战，尤其是城市中行走的汽车，启动频繁，每启动一次导致的燃油消耗，可用于正常行驶3 km，作为1.7亿辆汽车拥有量，且每年以高于15%比例增长的汽车大国，汽车启停系统的应用可减少5%～10%的排放量，启停技术将成为节能减排的主要贡献手段。而启停技术的应用对汽车电池的性能提出了更高的要求。

启动-停止是在怠速时关闭汽车发动机的一种全新的汽车平台。启停系统运行过程中，发动机关闭时，可提供车辆电器系统，包括娱乐、照明等的电能，且支持发动机在1 s内重新启动的专用蓄电池称为启停电池[1-2]。启停电池是启停系统充分发挥特性的关键。AGM电池以其优异的循环性能，充电接受能力以其在低充电状态下的工作能力，成为支持汽车启停系统的理想选择。目前，汽车制造商选择将AGM密封铅酸蓄电池作为电源启动-停止汽车的首选电池。

1阀控密封铅酸蓄电池(VRLA)工作原理

阀控密封铅酸蓄电池(VRLA)主要由正极板(活性物质为PbO2)、负极板(海绵状金属Pb)、隔膜、电解液等组成[3]。充电是将电能转化为化学能贮存，放电是将电池中的化学能转化为直流电能，并反复进行充放电循环。传统铅酸蓄电池在充电后期，充电电流将被用来分解水，正极析出氧气，负极析出氢气，从而造成电池失水干涸；VRLA蓄电池对负极活性物质过量设计，使得负极不能析出氢气，而正极产生的氧气与负极铅反应，从而保持电池内部电解液浓度不变。电极上电化学反应如下：

负极反应：

正极反应：

当充电后期时，电极反应如下：

正极开始析出氧气，正极反应：

氧气扩散到负极，负极反应：

2AGM铅酸蓄电池在启停系统中的应用

目前，汽车启停系统主要采用富液式增强性蓄电池(EFB)和玻璃纤维吸附式蓄电池(AGM)。EFB蓄电池槽内除去极板、隔膜及其它组装部件的剩余空间完全充满电解液，电解液处于富余过量状态。但其在使用过程中，一方面，水耗非常大，电池在极板上方必须有电解液的存储空间，导致极板高度的降低；另一方面，极板表面和隔膜需给酸提供足够空间，而长期电化学反应(振动)使得活性物质脱落，同时酸会慢慢分层，导致浓差极化，加大了自放电现象，使得电池寿命缩短。

AGM蓄电池是阀控式铅酸(VRLA)蓄电池，采用玻璃纤维隔膜，高孔隙率性能使其能够吸附足够的电解液，集中了VRLA蓄电池和EFB蓄电池优点为一体。使用过程中，一方面由于AGM隔膜具有孔道，氧在电池内部重组，正极析出的氧在负极重新结合，使用过程中水耗极小，从而可以提高极板高度，具有更好的冷启动性能；另一方面极板与AGM隔膜间无空隙，AGM隔膜均匀地被挤压在极板之间，酸吸附在AGM隔膜中，能有效防止蓄电池“酸层化”现象的发生[4]。

与EFB蓄电池相比，AGM铅酸蓄电池具有较大的优势。它具有较长的寿命，优良的冷启动能力以及可以提供更高的能量。其运用于启停系统中，可以更多的减少CO2排放量从而提高节油效率。因此AGM铅酸蓄电池将是未来混合动力汽车启停系统的主流。

3启停系统对铅酸蓄电池的性能要求

启停系统电池技术是推动新能源汽车产业发展的重中之重，实现降低成本以及达到降低油耗从而减少排放的目的。随着启停系统在混合动力汽车中应用越来越普及，车辆需要采用专门的蓄电池，普通的铅酸蓄电池在使用过程中寿命缩短，影响了汽车启停功能的实现，故无法应用于启停系统。针对汽车启停系统的特性，对铅酸蓄电池的要求如下：

铅酸蓄电池需具有大电流放电性能，可以频繁启动发电机，同时发动机启动时，电池需要点火并给电动机供电；很强的充电接收性能，对外供电次数多，供电量大，车在减速和刹车时产生的能量能快速为电池充电；大容量，发动机停止过程中，电池能满足汽车所需电力；较好的耐久性能以及更长的循环寿命。

铅酸蓄电池常见的失效模式是负极不可逆硫酸盐化，正极板栅腐蚀，电池失水以及电池短路[5]。Fernandez研究了铅酸电池硫酸盐化的失效机理，PbSO4在充放电过程中重结晶长大，堆积阻碍了硫酸在反应孔间的扩散，导致电池容量损失和寿命降低[6]；正极板栅腐蚀是指VRLA蓄电池充电时，阳极氧化反应使得板栅变细甚至断裂，导致活性物质与板栅接触变差，影响了VRLA蓄电池的充放电性能；电池失水是由于铅酸蓄电池内氧复合效率低于100%以及水分蒸发造成电解液减少，导致电池放电性能大幅下降；电池短路主要是由于极板生成的铅结晶穿透隔膜以及活性物质脱落，从而使得电池失效。

相关研究表明，电池短路与失水等问题都与AGM隔膜有密切的关系，AGM隔膜对电池性能的影响与极板的作用同等重要，所以启停系统用铅酸蓄电池对极板要求更高的同时，对AGM隔膜同样有着更高的要求。

4启停系统铅酸蓄电池对AGM隔膜的要求

AGM隔膜作为电池的“第三电极”，由超细玻璃纤维(直径0.1～10 μm)制成。AGM隔膜决定着电池性能和质量优良与否，是其成败的关键。AGM隔膜性能对启停系统铅酸蓄电池的影响主要表现在厚度均匀性、孔隙率、拉伸强度、压缩比、吸酸性能及电解液保持能力等方面。因此，研制出低成本高性能满足启停系统用铅酸蓄电池AGM隔膜迫在眉睫，本文就AGM隔膜有关性能对启停系统铅酸蓄电池性能的影响进行论述。

4.1AGM隔膜厚度均匀性

AGM隔膜均匀性主要指厚度均匀一致，它直接影响电池的容量。在电池装配时，隔膜紧贴电池极板，可以防止活性物质脱落，均匀性好的隔膜不同部位受到的压力较为均匀[7-8]，对电解液的吸附也较为均匀，从而充放电时电池各极板上的电流分布较为均匀。据有关文献报道，隔膜越厚，均匀性越难以控制，影响着电池的性能。隔膜所用玻璃纤维直径越细，厚度受压力影响越小；反之玻璃纤维直径越粗，则厚度受压力影响越大。为了解决隔膜的厚度均匀性，可在隔膜中添加部分细玻璃纤维，其有较大的比表面积，粗玻璃纤维在成型过程中形成骨架结构，而细玻璃纤维可填充在骨架之中，形成的隔膜结构较为致密，厚度均匀性好，从而保证了启停系统在正常运转时电池容量要求。

4.2AGM隔膜孔隙率与吸酸性能

隔膜的孔隙率和吸酸量的大小对电池的性能有直接的影响。孔的结构与吸液快慢、吸液量有着直接的关系，较小孔径的隔膜具有良好的润湿性，即具有较高的电解液保持能力，大孔可以让氧气通过，提高密封反应效率[9-10]。隔膜孔隙率越大，对电池的大放电性能有利，它能够吸收足够的电解液保证电池的大容量放电，电池的内阻就小。启停系统为了实现更好的大容量放电，即要求隔膜具有高的孔隙率和吸酸性能。

一方面，AGM隔膜主要由粗细玻璃纤维抄造而成，细玻璃纤维具有较高的比表面积，其制成的隔膜孔隙率高，具有致密的膜结构以及较好的吸酸性能，通过调整细玻璃纤维的添加比例，可以改善隔膜的孔隙率和吸酸性能；另一方面，在紧装配下电解液量直接影响了电池密封反应效率，为了多加电解液以保证蓄电池的容量而又不影响密封反应效率，让氧气通过，可以在隔膜中添加部分有机纤维，使得隔膜具有憎斥电解液的孔道供氧气通过，氧气以一定速率到达负极板后，被活性物质及时吸收，致使电池向外部析出的气体量相应减少，电池内部电解液水分散失也相应缓慢。

4.3AGM隔膜强度性能

AGM隔膜强度性能决定了电池的循环寿命，隔膜在电池充放电循环过程中可以抑制活性物质膨胀与收缩。电池制造过程是连续化大生产，隔膜抗张强度低，装配时无法适应机械化大生产；穿刺强度低，电池使用过程中极板毛刺或铅枝晶可能会穿刺隔膜，导致电池短路，缩短使用寿命[11]。AGM隔膜的强度来源于纤维相互交织产生的摩擦力，隔膜受到外力时，隔膜受到拉伸，纤维之间发生滑动或被拉断。所以隔膜中细纤维越多，强度性能越好，是因为细纤维的比表面积大，可以增加纤维间的交织面积；另外，有机纤维在隔膜烘干过程中，可以部分熔化与玻璃纤维混合交织形成网状结构，能够提高隔膜的抗张强度与干、湿态下抗穿刺性能。

4.4AGM隔膜压缩比

大部分研究表明，压缩隔板不仅可以抑制或延缓早期容量损失(PLC)现象的发生，而且可以延长铅酸蓄电池深循环寿命。因此在电池充放电循环中，始终保持极板处于压缩状态，有利于延长铅酸蓄电池的循环寿命。在一定的压缩比范围内，电池的循环性能随隔膜压缩比增加而提高，压缩比超过一定限值，电池的循环性能会降低[12]。因此可以通过增加隔膜中细玻璃纤维比例，增加压缩比，从而电池失水量、内阻的变化幅度相应减小，高倍率放电时间延长，所以能够延长启停系统铅酸蓄电池的循环寿命和浮充寿命。

5展望

微混动力汽车市场正在蓬勃兴起，每年以25%速度稳定的增长，预计到2020年将覆盖全球15%左右的汽车市场。目前汽车的启停技术仍处于发展时期，国内外学者也正致力于启停系统AGM蓄电池的开发与研究，从而使其满足市场需求。国内蓄电池企业的启停系统电池所占市场份额较少，所以对铅酸蓄电池进行改进，改善AGM隔膜性能，研发启停系统用AGM铅酸蓄电池，是目前阶段的重中之重。

参考文献

[1]刘小锋.怠速启停微混车用AGM电池[J].新材料产业，2014，12(10)：17-19.

[2]沈阳蓄电池研究所.怠速启停车用铅蓄电池技术的发展历程[J].电源世界，2015，12(9)：42-43.

[3]Pavlov D，Ruevski S，Naidenov V，et al.Influence of temperature，current and number of cycles on the efficiency of the closed oxygen cycle in VRLA batteries[J].Journal of power sources，2000，85(1)：164-171.

[4]陈积先，让松，覃北阶，等.基于工况仿真的启停功能AGM铅酸电池性能研究[J].汽车科技，2015，6(3)：27-31.

[5]王吉校，王秋虹.VRLA蓄电池的失效模式研究[J].蓄电池，2008，6(2)：58-61.

[6]刘志鹏，顾大明，陈锋强，等.铅炭电池技术的研究[J].蓄电池，2014，6(1)：282-286.

[7]闫智刚.AGM隔板对密封铅酸蓄电池性能的影响[J].电动自行车，2011，12(3)：24-26.

[8]包有富，张华，胡信国.AGM隔板性能对密封铅酸蓄电池性能的影响[J].电源技术，2000，24(5)：262-263.

[9]赵金珠，张华.VRLA电池用AGM隔板性能的探讨[J].蓄电池，2000，6(3)：17-19.

[10]陈红雨，黄镇泽.AGM隔板的研究与应用[J].蓄电池，1996，6(2)：6-7.

[11]党志敏，刘桃松，项文敏.VRLA电池AGM隔板性能测试方法讨论[J].2014，44(5)：311-312.

[12]马兰芳.超细玻璃纤维隔板对铅酸蓄电池性能的影响[P].2009.

Guarantee of Lead-Acid Battery ion Start-Stop System-AGM Separator

Ni Jun，Wang Wei

(Membrane Material of Sinoma Science & Technology Co.Ltd，Nanjing 211106)

Abstract:The article below describes the working principle of valve regulated lead-acid battery (VRLA), the use of AGM lead-acid battery in start-stop system, and the requirements of start-stop system for the performance of lead-acid battery. In terms of thickness evenness, porosity and acid absorptivity, strength and compression ratio of AGM separator, the article elaborates the requirements of lead-acid battery for AGM separator, and briefly predicts the futural development of AGM lead-acid batteries used in start-stop system.

Key words:start-stop system；lead-acid battery；AGM separator

中图分类号：TQ171.77+7.73

文献标识码：A

收稿日期：2016-03-28

作者简介：倪君，男，1976年生，工程师。主要从事新型隔膜方面的研究。

修回日期：2016-03-30