（转）-电动自行车和电动摩托车用阀控式铅蓄电池的制造和使用

1、绪言
目前，具有中国特色的电动自行车和电动摩托车电池正处于加速和飞速发展的阶段，所用的电池几乎清一色属于阀控密封铅蓄电池，最主要产品有2种：12v-12ah、12v-20ah。电动车用蓄电池由于其频繁的大充大放循环使用，以及配用市售的形形色色的性能和质量差异较大的充电器，又要求电池具有一年以上的性态良好的寿命。因此，电动车用的密封蓄电池要比电信、电力、ups、照明等用途的蓄电池具有更高更苛刻的要求：电池大电流放电性能要高，低电压恒压充电接受能力要好，频繁的全充全放正极活性物质不易软化衰退，负极活性物质不易硫化失效，深度放电后以配套的小充电器充电可使容量100%恢复，滥用充/放电不会使电池失水过多而干涸，电池要经得起剧烈颠震等。所以，电动车用蓄电池所用的极板并非普通密封电池所用的极板所能胜任，而是要求采用特殊的配方，特别的极板制造工艺，并经200次以上的100%dos放电证明性能、寿命持久的极板方适宜用来制造电动车蓄电池。
一个性能优秀的电动车用蓄电池，不仅要使用特性优异的极板来制造，而且与电池使用的隔板、电解液密度和添加剂、极群组焊接的牢固性、单格之间连接的可靠性、电池极柱和槽盖密封持久性、极群组焊入槽的松紧度、良好的初充电以及包装出厂之前极板、隔板中电液适当的饱和度等密切相关。对一个电动车用电池组来说，其性能还与该组中各个电池容量的均一性和所配用的充电器的性能是否良好紧密相连。一组电池本身的性能是良好的，但如果配用的充电器总是充电不足或总是过充电者，则电池组在行车的过程中绝不可能显现其优良的放电特性和长久的寿命。所以一个性能好的电池组务必要配用一个性能良好的充电器，这是十分重要和十分关键的。
2 关于电动车用蓄电池的极板制造
电动车使用电池的特点是全充全放，放电电流较大（常为2小时率放电电流），而且大多数的用户是天天使用天天充电，在充/放深度方面，有的每天只骑车5～6km，却天天充电；而有的骑车至放电终止电压，车子自动断电之后，让电池休息一会儿，又再利用电池电力骑车至自动断电，反复多次……总的来说电动车电池在用户中处于滥用状态。因此，电动车电池对极板的特性要求是电池在频繁深充放和滥用的条件下要有特别高的电气性能和持久的寿命。
2．1 板栅合金
为了提高电池深放电之后容量恢复的能力，近几年国内有的厂家使用含sb含cd约1.7%的pb-sb-cd合金制造正板栅，但金属cd是人体危害极大的金属，也十分不利于环保，而且合金中含有sb对电池的保水能力和自放电也有不良影响，因此，pb-sb-cd合金用于正板栅，制造将随人们环保意识的增强而逐步被淘汰。实际上，许多厂家发现高 sn含量的pb-sb-cd-al合金用于正板栅，也具有电池深放电之后容易使电池容量恢复的功能，并且耐腐性也很良好。所以国内许多厂家以含sn量达1.4%-1.5%的pb-sb-cd-al合金作为正板栅合金,而负板栅合金只使用普通pb-ca合金即可。
2.2 板栅设计
最主要的要考虑两点:一是要有利于电池较大放电率放电；二是要有利于减缓正极活性物频繁充/放过程的软化衰退。为此，较合理的设计应是：①纵筋的数量要相对增加，比如12aht和20ah 电池的板栅竖筋或斜筋可分别设计3条和5条。②单格中装入的极片数，适当多些为好，比如12ah电池单格装入7＋/8－比单格装入6＋/7－会使电池充电和放电的性能更佳。③与一般蓄电池相比，电动车蓄电池正板栅的厚度与负板的厚度之比要更大一些，这样可相对延缓正极活性物的软化衰退，延长电池寿命。
2．3 铅膏制造
2．3．1 铅膏的原料
在铅膏的配方中，80%以上是铅粉，其氧化度、表现密度、杂质含量是3个最主要的指标。人们往往注意了前两项指标的重要性，而忽视了杂质含量对电池恶劣影响-电池自放电和电池失水量可能会娄倍地增加。最常见的有害杂质fe、sb、as、cu，要求每种杂质元素的含量都应在0.001%以下，否则后果严重。其他添加剂和硫酸、水等，分析其纯度比分析其含量更为重要，因为电动车蓄电池属于阀控密封电池， 贫液又不能补水，充好电出了厂又不知道何年何月才会交到用户手中使用。不失水或少失水，自放电极少可说是此类电池的生命。制造铅膏的各种原料应力求纯之又纯。
2．3．2 铅膏配方
这是关系极板性能优劣的关键一环，各个生产厂自有一套，也是各厂的秘密。对配方的总体要求是：制备铅膏要方便可控，利于涂片，极板化成后电气性能高，充电接受能力好，自放电小，正负极活性物经久耐用。为达此目的，通常在正膏中添加少量的石墨、炭墨、sn、mg、ca、al、na、co的硫酸盐或氧化物，硅胶粉，空心玻璃微球等成孔齐和导电剂来提高析板的电气性能。与此同时，在正膏中添加短纤维、聚四氟乙烯乳液、cmc、磷酸、sio2等粘结剂来提高正极活性物的机械强度并减缓软化衰退。负极铅膏的添加剂比较复杂多样，其主要作用于是防止负极活性物在充/放过程中收缩、硬化而失效；此外，兼有提高电池接受能力，防止负极活性铅在生产和储存过程中氧化等功能。负极添加剂中，baso4是必不可少者，且在动力型电池中有逐步增大其用量的趋势。其余负极添加剂多为有机物，如木素、腐植酸、硬脂酸、羊毛脂、松香等。实验证明，负极的有机物添加剂在电池使用过程中有逐渐溶出减少的趋向，致使负极活性物在电池寿命的中后期趋于收板结而硫化，降低了电池寿命的中后期趋于收缩板结而硫化，降低了电池容量。为了提高电动车蓄电池的充电接受能力和提高电池寿命，经实验证明，可在负板添另齐中采用增加baso4含量（如1%）和导电碳黑的含量（如0.5%）并相应少用有机添加物的办法来达到目的。
2．3．3和膏温度及铅膏密度控制
为了提高电池的初期容量性能，以往在和制铅膏时一般控制膏温不超过600c，目的是要铅膏中多生成3pbo·pbso4·h2o，然后化成极板多形成 pbo2而提高电池的初期容量，但电池的容量衰减较快，解剖电池发现主要原因是正极活性物软化衰退所致。而使用高温70-750和膏并使正膏的表观密度达到4.1以上做出的极板电池初期容量虽然略低些，但初期充/放电池容量会逐步上升较长一段时间，中后其容量衰减很慢，电池的寿命明显延长。原因是高温和膏生成4pbo·pbso4的比例高，化成后形成a-pbo2含量高，加上高密度铅膏生成的活性物比较牢固，因此极板的机械强度好，正极的pbo2不易软化，容量衰减速较慢。
2．4生极板的固化——干燥条件控制
生极板固化以往常在350c中等湿度下进行，使铅膏固化后多生成3pbo· pbso4 ·h2o ，电池具有良好的初期容量。现代的研究和实践证明高温70-800c，相对湿度90%以上固化40h以上，然后干燥的后极板不但机械强度高，而且电池的初容量有逐步上升并持久不衰的良好表现，电池寿命明显增长。原因正如上所述是高温高湿条件下固化形成 4pbo· pbso4的比例较高所致。
2．5 极板化成
极板化成主要质量要求是表观成色一致，正极板pbo2含量要达85%以上，而且极板活性物要有良好的机械强度。
对于高温和膏和高温固化制得的生极板而言，由于4pbo·pbso4含量高，化成的充电量相对要高一些，否则化成不充分，pbo2含量不足。对于厚度2～3mm的正极板，其充电量一般要达到极板自身容量的6～8倍，否则pbo2含量偏低。
实验表明，正极pbo2偏低的极板做的电池初次容量偏低，对使用配套充电器充电的电动车电池来说，因每次充电的过充量很小，初次容量偏低的电池其容量会很难上升甚至不能上升，电池充放容量长期处于低微状态。而pbo2含量达85%以上正极板做的12v-12ah电动车电池首次5a放电至10.5v即可达到145min以上，并可多次充/放维也维持这一水平。
为了使正极板化成一致辞性良好，应推荐正极板采用焊接化成（负板不可以焊接）。要使正板pbo2含量达85%以上，除了充电量要足够之外，化成电液密度和化成槽温也很重要，电液密度采用1.05～1.06g/cm3，槽温30-500c较适宜（如果电液密度太低，槽温较低，pbo2含量难达标）。如果各种措施都上了，pbo2 含量还未达标，那么在充电中后期一次深度60%～80%的放电，然后再充足电，是比较奏效的。
3 关于电池注液量与电池初期循环容量和电池寿命的关系
在此讨论的这种关系是专门指电动车电池使用使用小充电器作循环使用充电而言，若采用分阶段恒流的充电器对电池进行充电则不存在或不完全存在这种关系。
3．1 电池注液不宜过多
电池过量注入电液并在初充电之后，包装出厂之前仍保持较过量的电液，对防止电池失水干涸延长寿命是有利的，但在使用专用的低压、恒压充电器对电池进行循环充/放电时，会发现新电池的容量不是上升而是下降，而且下降的速度颇快。表1是使用两个厂家生产的经长期生产验证其性能优良的极板作的两组48v-20ah电池，在单格注入较政党生产注液量多8～10ml时的充/放电实验数据（4只电池为一组专用充电器充电，然后单只电池分别以8a放电至10.5v，记录放电时间）。
表1中两组电池第1次至第7次循环采用最高电压为58.4v的三段式充电器充电，第8次至第10次改用最高电压59.6v的三段式充电器充电。数据表明，新电池注液过量即使用了59.6v这样的较高电压充电器对电池充电也是无济于事的。
表1 放电时间（min）
放电次数
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
a 1# 145 142 140 130 122 117 107 107 103 100厂 2# 143 140 138 127 122 112 114 19 105 96极 3# 143 140 138 125 126 117 111 106 101 100板 4# 144 141 139 128 123 117 111 106 102 99
b 1# 147 139 137 134 128 123 124 117 111 110 厂 2# 145 144 137 133 126 119 117 119 110 109极 3# 147 144 141 136 127 123 123 118 112 108板 4# 147 142 138 135 129 124 118 116 104 102
而使用a厂同样的极板投入生产，适当的注液，充好电后人本公司生产线上抽样8只，分为两组使用相同的充电器对电池进行循环充电，然后进行相同的循环放电，其结果就大不相同了，测试数据如表2（见下页）。





表2 放电时间（min）
放电次数
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1# 150 150 145 152 150 150 149 145 146 148 2# 148 149 147 150 150 150 148 147 146 1463# 146 148 147 148 147 148 147 145 147 145 4# 142 142 150 150 150 147 147 147 145 145 5# 148 150 147 147 147 145 149 148 149 1476# 150 147 149 143 148 152 148 149 145 1467# 148 149 144 151 146 152 149 147 147 1488# 146 145 129 143 143 144 144 147 150 149
由表1和表2的放电数据比较可以得出十分清晰的结论：在使用三段式专用充电器对电动车电池充电的条件下，即使是采用性能良好的极板，电池组装也毫无问题，但过量的注液将使电池充不足量，新电池容量会逐步下降，电池本来优良的电气性能根本发挥不出来；而适量的注液，每次循环充电基本可以充足，如果极板性能高，电池结构充电气性能根本发挥不出来；而适量的注液，每次循环充电基本可以充足，如果极板性能高，电池结构设计先进，组装良好，则电池投入使用之后就会一直表现出其非同凡响的性能。
对一种结构和大小完全相同的电池，使用不同的注液量为什么会产生差异如此之大的充/放结果？其原因是过多的注液量会使极板和agm隔板处于吸液饱和状态，充电至中后期，负极板基本上不产生去极化作用，电池的电压会在较短的时间内使电流下降至充电器设定的转灯电流（常为0.3～0.4a），充电器一旦转灯，其充电量就微小到可以忽略不计了，帮注液过量的电池就会充电不足，表现为循环容量一次一次不断下降。而适当注液的电池，极板和agm隔板中的微孔尚有一小部分未被液体填满，隔板中存在气体通道，充电中后期电池电压上升至14.4v/只后，电流开始下降，但由于正极产生的o2可以穿过隔板与负极化合，使负极产生去极化作用，使电池的电压上升相当缓慢，由此而使电流下降速度大为降低，降至转灯电流的时间大大从而使电池充足了电，表现为初期不容量基本稳定甚至略有上升。
3．2 电池注液不宜过少
如上所述，电池中液量少些有利于电池对充电的接收，担如果注液量过少，就会潜在新电池使用很短时间就会充电不转灯，而将电池充豉肚的危险，后果十分严重。
如果充电器是正常的，但对电池充电却产生了十多个小时都不转灯的情况，多半是电池内部已缺液过多所至。此时只要往电池的各个单格补水数毫升，很快就发现充电器转了灯，继续充电则电池必定鼓肚无疑。如果新电池使用半年就出现这一情况，厂家可能就要负担索赔的责任了。因此，电池液液不足比电池过量注液产生后果更加可怕，所以不能过分追求为取得良好的充电效果而对电池过少的注液，否则可能产生电池成批退货的恶果。
3．3 电池最适当的注液量之确定
在电池极板性能良好，电池所用的其他材料和电池组装均良好的前提下，注液量是否适当是关系到新电池放电之后能否用配套充电器充足电，又关系到电池无需补水而具有温长使用寿命的关键性问题。最适当的电池注液涉及电池组装所用的电池槽、极板、隔板等材料，电池的内阻和已确定的初充电工艺，以及环境温度，电池散热条件等与电池内容积和初充电失水相关的多方因素。因此不能只靠计算，更重要的是要靠实验来确定。最适当注液量要经过若干批次电池抽样测试并审定结果来最后确定，仅凭1次或2次试验来确定某种电动车电池注液量可能会出现偏差。根据本公司多批试验取得的结果来看，按本公司设计的电池结构和使用的电池零件、材料以及初充电工艺等条件，12v～12vh电池单格注液量确定为105-106m，12v-20vh电池单格注液量确定为159-160ml是最适当的。但各电池生产厂家生产这两种电池具体条件有别， 本公司确定的两种电池注液量并不一定适合其他厂家生产的这两种电池。只有靠实验来确定电池的最佳注液量才是科学的、正确的。在生产的长期过程中，电池所用的某些原材料供应有可能发生改变，此时电池的注液量要作适当调节。
4 关于电动车蓄电池配套用三段式充电器的充电电压及转灯电流的设定
由于造价成本及目前国内用户多数讲价格便宜的消费心态和购买力的关系，中国目前电动自行车、摩托车电池配套用的充电器多为三段式的。从理论结全到实践来看，初阶段恒流充电设定0.15-0.3a都是可行的，问题是二阶段的恒压值和转灯电流应经过认真的、反复的、长期的试验来确定，至于第三阶段的浮充电压，对一个12v电池来说设定为13.8～14.0v从本公司的试验结果看并无关大局。
从理论上讲，充电器对电池的充电量与设置的充电电压成正比关系，电压设置高对电池充电量较充足，但会合电池的失水量较大，月积年累，可能会加速电液干涸而使电池提前失效，而充电电压设置过低会合电池充电不足，每次行车的里程短，并会使电池的容量逐步衰减甚至促成负极的硫化而使电池寿终。我们的试验证明，对一个12v电池来说，设置14.6v（对4只一组的电池为58.4v）的恒压只能对注液量相对不足的十分贫液的电池充足电（例如：单格注液总量为150m的12v－20ah电池），但这种过分贫液的电池可能充放一、二十次或三四十次就会产生充电器充电不转灯而被充鼓了。短期内电池被充鼓意味着电池的死亡和用户索赔。本公司 的电池测试表明，4只一组的12v-20ah电池在合理适宜注液量的情况下，用58.4v的三段式充电器对电池组进行充电，电池应有的设计容量放不出来，并呈现容量逐步误减现象，而使用59.2～59.6v充电器的电池组每次放电容量都较高，并能较好地保持其初期的容量。数据对比如表3。
表3 电池不同放电次数8a放电时间（min）
放电次数 9# 10# 11# 12# 13# 14# 15# 16#
1 146.42 146.35 148.13 143.98 147.88 145.27 143.35 143.65 5 143.90 144.88 144.30 143.30 139.20 139.10 140.22 141.7010 145.03 143.42 142.05 142.20 127.10 124.05 138.05 135.6315 143.25 142.38 141.22 142.01 120.67 117.55 130.88 129.9720 143.02 142.01 140.33 141.57 112.33 115.10 122.53 122.7225 142.95 141.68 140.83 141.35 112.58 117.30 121.75 120.87
注：表中#9～#12为一组使用59.6v充电器充电，#13～#16为一组使用58.4v充电器充电。
根据上表数据和本公司其他使用权不同充电电压对电池充电/放电报数据，我认为对1只12v电池来说，采用14.6v的恒压充电肯定是不适当的（电压偏低）。因为无论12ah或20ah的电动车电池，由于每ah可能注入的液量偏小，而对电池要求的放电性能又高，各电池厂都不得不注入密度较高的电解液，电池自身的开路电压较高。充电的过程就是对电池施加一个极化电压，使电池的正、负极板产生极化（极化电压=充电电压－电池开路电压）。如果施加的极化电压偏小，必然会引起正、负极极极化不足——电池充电不足。以大量的实验数据为依据，对1只12v电动车电池来说，我认为三段式充电器设置的恒压以14.8～14.9v为佳。即36v的充电器设置的电压为44.4～44.7v，48v的充电器设置的电压为59.2～59.6v。
三段式充电器通常以恒压（或未达到恒压）降电流达到规定什为转灯条件的，一个放完电的电池在充电开始后9～10h转灯。电池既充足了电又不会过充，但如果充电15h以上还不转灯，则要注意电池可能已面临电液干涸，甚至根本就不可能转灯了；如果充电24h仍不转灯，再充下去的电池必死无疑！根据这一利害关系，我认为一个转灯电池不宜太低，太低的转灯电流对电液饱和度还较高的新电池来说并无所谓，但对于一个已使用半年以上的已失去部分电液的电池而言，则有电流下降不到规定值而长时间充电也不转灯的危险。所以，我认为12ah电池的充电器转灯电流最低也不能低于0.35a，以设订0.40a更好更保险。对20ah电池的充电器，其转灯电流不宜低于0.4a，以设定0.45a更安全保险。我的指导思想是宁可欠充那么一点点电，也不要产生不转灯而置电池于死地的危险。
5 关于电池在充/放使用过程中的失水量及其与使用铅粉的关系
vrla蓄电池注液量本来就很少，在电池使用的过程中又不能让用户自己补水，因此，在极板质量好、电池内部无故障的情况下，电池能在正常充/放电条件下失水即成为电池能具有长寿命的又一关键。
电池在充/放使用过各失水的多少，在外因上与使用的充电方式和环境温度、散热条件有关。采用恒流电方式或分阶段恒流充电方式失水肯定比恰当的恒压充电失水大，不幸温度高，散热不良失水会增加。在电池内因方面，失水与电池极板、隔板、电液使用的材料，成分配比，电池结构形成的内阻紧密相关。如果电池内部的组份中含有能降低氢析出超电位的元素，并且含量较高时，它们会促进充电时水的分解，使电池的失水量比正常电池数以倍增。
近年来，我们进行了多种极板铅膏配方的试验，前面10批使用的广东某厂（a厂）的铅粉，结果发现无论是性能良好的配方还是性能一般的配方，电池在循环充放的过程中通过电池质量测定，表明10种配方做的电池失水量都数倍超越现有的正常生产电池的失水量。10批试验之后，我们采用了广东另一家厂（b厂）生产的铅粉再研究新的配方并重复作了前10批中性能特别良好的配方试验，结果发现各种配方做的电池循环充放过和的失水量都数倍少于前10批配方做的电池。现将使用a、b两厂铅粉做的试验电池按试验电池编组的顺序编号各取6只列出来，失水数据对照如表4。
表4 失水量（g）
a 厂 b厂
充/放电次数 7# 8# 9# 28# 29# 30# 55# 56# 57# 58# 59# 60#
10次 9.5 8.0 11.5 7.5 6.5 7.020次 17.5 14.5 21.5 18.0 15.5 14.530次 21.5 17.0 24.0 24.0 20.5 18.540次 26.0 21.0 28.0 25.5 23.5 21.550次 27.0 22.5 29.5 32.0 26.5 25.060次 30.0 26.0 32.5 35.5 30.0 27.070次 31.0 27.0 33.0 39.0 33.0 31.080次 39.5 33.5 39.5 42.0 36.5 35.0 2.0 2.5 4.0 2.5 4.5 2.53.0 3.0 4.0 3.0 5.5 2.53.5 3.5 4.5 3.5 5.5 3.54.0 4.0 4.0 4.0 5.5 6.05.0 5.0 5.5 5.0 6.5 7.55.0 5.5 7.0 5.0 7.0 7.55.0 5.5 7.0 5.5 7.5 8.06.0 6.5 7.5 5.5 8.0 8.0

由表4的失水数据来看，铅粉的万分和性质对电池充/放过程的失水量影响巨大，即使铅膏的配方性能是十分良好的，但因铅粉含量点活性物质量95%以上，所以使用的铅粉如果含有促进水分解杂质元素，即使超标那么一点点，但其对电池的不良影响却是非常显著的，它们会使电池在循环充放过程中的失水量数倍地增加，可能电池充放循环几十次或百余次就会发生充电器不转灯的事故了。因此，不论是自产铅粉或购买铅粉都要来严格化验分析铅粉中的杂质元素含量，确认合格，方可投入阀控密封式蓄电池或其他免加水电池使用。
6 品质优秀的电动车用蓄电池要配用性能良好的充电器方能显现超凡的特性
我公司自2002看起开始生产12v-12ah和12v-20ah两种电动车用蓄电池。两年以前，主要选购别厂生产的极板进行电池组装，性能一般。为了在国内外竞争剧烈的市场中站稳脚跟，创出名牌，自2003年起我们创建了自己的极板研制试验室，并在电池内部结构改进和电解液添加剂等方面大力开展研试工作，经过一年多的努力，今天已经颇见成效。今年下半年以来，我们采用自研配方工艺生产的极板和改进结构，使用新型高效电解液添加剂做出来的电池，电气性能和寿命都比以前上了一个台阶。另外，我们深知一个高性能的电动车电池组要在循环使用中，每次放电都显现持久充足的电力，必须要靠配套的充电器具有良好的充电性能来保证。因此，在2002年之前，本公司就大力投资开发研究与电池组配套出厂的充电器。经过两年的努力，本公司已建成两条肯有规模组装优良充电器的生产流水线。自2003年以来，本公司的电动车用蓄电池组的寿命试验就全部改为使用配套的充电器对电池组充电，然后放电记时的循环试验制度。我们认为只有使用配套充电器来对电池组充电做出来的循环寿命数据才是最真实可靠可信的——因为电池的用户日常就使用这样