风冷电池化成工艺研究

牛义生，张文龙，杨金梦，高鹤，刘可畅，张志伟，李梦楠

（风帆有限责任公司，河北 保定 071057）

0 引言

铅酸蓄电池在充电化成过程中会产生大量热能，所以需要采取散热降温措施，控制化成中的电池温度。当今行业中普遍采用水浴冷却的方法对电池进行散热降温。众所周知，水浴冷却电池化成占地面积大，消耗水资源多，电池化成产能提升也受到很大制约。随着我国社会经济快速发展，土地资源和水资源日益紧张，环保日趋严峻，如何高效利用土地资源、减少生产水耗、减少环境污染成为蓄电池生产厂家面临的主要问题和应承担的社会责任。笔者以空气为冷却介质，设计风冷系统，从而达到降耗、环保、提高电池化成产能的目的，并对风冷电池化成工艺进行了试验研究。

1 电池化成过程中的反应

电池化成过程中的反应：第一类——化学反应，主要发生在化成的中前期。极板中的 PbO、碱式硫酸铅和电解液中的硫酸进行中和反应，产生大量的热，因此电池化成初期温度快速上升。第二类——电化学反应，PbSO4在负极还原生成 Pb，在正极氧化生成 PbO2[1-2]，吸收热量。它是在电池充电时发生的反应，电化学反应的快慢除了和输入的电流大小有直接关系，同电化学反应所处的温度也有很大关系。在电池化成充电过程中，除了正负极活性物质的转化外，还会产生一些副反应，主要是随着正负极电势的升高，发生电解水反应，阳极析氧，阴极析氢。蓄电池化成中发生的反应如下所示：

在电池化成工艺设计中，科学地利用这些反应规律设计化成充电工艺以及化成冷却降温系统，电池化成会取得良好效果。

2 电池风冷化成系统设计

如图1 所示，电池化成风冷系统包括送风装置、冷却室、酸雾处理排放装置。送风装置将空气流送入冷却室，对化成的蓄电池进行冷却。冷却室是由框架和密封板构成的封闭腔室。冷却室内设有摆放蓄电池的电池架。雾酸处理排放装置将冷却室内含有雾酸的气体净化后排出。

在电池化成风冷系统设计中需要解决两个关键问题：(1) 风冷系统的密封性。如果风冷系统的密封性不好，化成过程中产生的酸雾和热量就会散发到生产车间内，影响工作环境，而且会使冷却室内冷空气对热量的传导效果变差；(2) 冷空气在冷却室内分布的均匀性。空气作为流体，受压力、温度、空间结构等影响，在密封空间内流动时会出现分布不均匀的现象。为此，在冷却室上的操作口、电池出入口等活动部件处做密封结构设计，如加装密封条。在电池化成时，操作窗、电池出入口处于密封状态，防止冷却室内的空气与生产车间的空气发生置换。在冷空气进入冷却室后，为了保证冷空气在电池之间分布的一致性，对送风管进入冷却室内的部分及其上面的送风孔、以及排风管进行了特殊设计：a. 在送风管进入冷却室后变为并行排布 2～4 个送风管，布置在冷却室底部，并且在送风管上安装自动控制的电磁阀门，用于进风量的调节；b. 在送风管上均匀分布多个送风孔，并且令送风孔的孔径从冷却室的左侧到右侧依次逐渐变大，以确保冷风在冷却室内各部位分布的一致性；c. 多个排风管均匀分布在冷却室顶部，与排气总管相连接，并且排风管的孔径从冷却室的左侧到右侧依次逐渐变小，以确保冷却室内各部位排风量的一致性；d. 将电池支架布置在冷却室中间位置，而且令电池支架上摆放的电池之间保持一定间隙，以保证底部的冷空气能够流经电池周围，将电池散发的热量及时带走。另外，在电池化成风冷系统中安装了自动控制系统，将电池的温度参数和电池周围空气的温度参数通过温度传感器及时传输到自动控制系统的集成处理器。根据预先设定的电池温度控制要求，通过自动控制系统自动调节送风装置的送风量和酸雾处理装置的排风量，实现电池化成温度的自动监测和调节。通过上述设计，风冷系统密封性以及化成中电池散热降温的一致性得到了比较好的解决。

对比水冷化成和风冷化成，电池风冷化成主要有以下优点：(1) 资源利用率提高，能耗较低。风冷化成系统可采用立体式多层布局，充分利用厂房的空间，占用土地资源相对较少。风冷化成系统不需要冷却水处理系统，耗水少。(2) 生产环节相对较少，并且设备资金投入相对较少。风冷系统可同现有的厂房通风系统结合在一起，使电池冷却和厂房通风二者合一，不需要化成水浴槽及循环冷却水系统。(3) 污染排放相对较少，有利于环保。没有废水产生，减少水污染。

同时，风冷化成也存在一些缺点：(1) 与水相比，空气的比热容较低，所以热量传递速度较慢，对电池的冷却降温速度较慢。但是，可以通过降低空气温度和加快空气的置换速度来改善冷却降温效果。(2) 冷却一致性稍差。可根据压缩空气流动特性及影响因素，合理设计冷却室的结构，提高空气冷却的一致性。(3) 对冷却系统的密封性要求较高，所以在风冷系统设计中需要采取密封措施。

3 电池化成试验及结果分析

化成温度是影响电池化成效果和电池性能的一个关键因素[3-4]。化成充电时，由于活性物质发生电化学反应，吸热，因此化成温度可适当高一些。这样有利于活性物质转化，从而提高正极板中 PbO2的含量。但是，化成温度过高时，负极活性物质中的膨胀剂又会发生高温分解，对电池的低温起动性能产生不良影响[5]，而且水分解电压降低，导致化成反应速率下降。因此，控制好电池化成过程中的温度极为关键。为此，笔者以某 60 Ah 电池为例，采用新设计的风冷系统对化成电池散热降温，验证化成效果。表1 为风冷化成充电工艺，充电时间控制在 20 h 左右，电池充电量约 250 Ah。在电池化成过程中，压缩空气的温度保持在 20～25 ℃ 之间。

为了验证风冷系统对化成电池的散热降温效果以及冷空气在冷却室内的分布均匀性，对冷却室内分别位于左侧、中间、右侧三个位置（如图1 所示）的电池 1、电池 2、电池 3 温度及其周围的空气温度进行了跟踪。从图2 可以看出，不同位置的电池初始温度存在一定差异。由于化成前开始灌酸所处的时刻不同，导致电池静置和中和反应放热的时间不同，从而造成电池初始温度不同。电池 1 灌酸最晚，导致静置和放热时间相对较短，所以初始温度较低。电池 3 灌酸最早，导致静置和放热时间相对较长，所以初始温度较高。但是，随着电池化成的进行，不同位置的电池温度及其变化趋势比较一致。电池温度基本控制在 40～55 ℃ 之间，达到了预期的电池化成温度。从图3 可以看出，虽然电池的位置不同，但它们周围空气的温度比较一致，并且接近压缩空气的温度，说明冷空气在冷却室内分布得比较均匀，对电池散发到周围空气中的热能传导效果较好。对化成后的电池进行了解剖分析，得到表2 和图4 所示结果。正极板 PbO2含量保持在 80 % 以上，且正极板无“白花”现象，表明化成效果良好。对化成后的电池按照 GB/T 5008.1—2013《起动用铅酸蓄电池》技术标准进行了性能测试[6]。表3 中结果表明，电池各项性能完全满足技术标准要求。

图2 电池温度变化曲线

图3 电池周围空气温度变化曲线

图4 风冷化成后的正极板外观

表2 正极板 PbO2 含量

表3 电池性能测试结果

铅酸蓄电池化成后，正极板主要含有β-PbO2和 α-PbO2，还有部分未转化的 PbSO4。化成温度对正极活性物质各组分的含量会产生重要影响。为了进一步验证风冷电池化成的效果，对采用风冷化成工艺和水冷化成工艺的正极板活性物质进行了XRD 测试。由图5 可知，虽然控温方式不同，但是正极活性物质出峰位置和衍射峰强度非常相近，说明两种控温化成方式下正极活性物质组分及其粒径和结晶度相差不大。通过 Jade 软件对所得的XRD 图谱进行分析计算。通过表4 对比，风冷化成与水冷化成的电池正极活性物质的各种成分及其含量非常接近。此外，正极活性物质中 α-PbO2和β-PbO2的质量比基本相同。该比值直接影响凝胶-晶体之间的平衡，影响正极活性物质的活性[7]。综上说明，两种化成方式的正极板化成效果一致。

图5 化成后正极板活性物质 XRD 图

表4 正极板成分含量对比

4 结论

通过合理地设计风冷系统以及化成充电工艺，采用风冷散热降温方法进行电池化成，能够使化成过程中的温度得到有效控制，令电池可达到预期的化成效果。采用风冷化成的电池各项性能指标完全满足标准要求。风冷化成以空间利用率高，生产环节较少，节能环保等优点，具有一定的发展优势。