AGM,起停电池轻量化&降成本关键技术探讨
时间：2023-01-20 15:40:08 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
熊志力，张兴，张恒山，柳锐，朱文乐，艾，张伟
（湖北南都新能源研究有限公司，湖北 鄂州 436000）
在传统起停乘用车及新能源汽车行业，用户随着消费和享受意识的提高，对车辆的舒适性要求越来越高[1-3]。这样，对低压 12 V 电池的要求越来越高。AGM 起停电池以其各项优异的性能指标已逐渐成为各大 OEM 主机厂及售后终端市场的首选。但是，由于 AGM 起停电池铅耗重，导致生产成本高，故其售价远高于同型号 EFB 起停电池。因此，笔者围绕 AGM 起停电池轻量化降本技术（板栅、活性物质轻量化）及其关键生产技术和工艺转化进行详细阐述，在降低 AGM 起停电池重量的前提下，进一步提升 AGM 起停的关键性能指标，大幅提升企业生产效率和利润空间。
1.1 主要设备
铸板线、宽铅带连铸连轧线、冲网线、真空合膏机、鼓式涂填机、固化室、TBS 全自动装配线、冷酸机、真空定量灌酸机、高精度充放电机、精密恒温水浴槽、CMW 全自动后处理线、金帆充放电测试仪器、万用表、内阻仪、电导仪等。
1.2 活性物质轻量化
根据表 1 中的设计方案，首先在重力铸造工艺方面验证活性物质轻量化对 6-QTF-80 AGM 起停电池性能的影响。在所有的试验方案中 AGM 隔板的压缩比均被控制在 25 %～30 %（隔板的宽度均为 162 mm），而且化成制度均采用 68 h/550 Ah 充电工艺。分别考察不同活性物质配比对 AGM 起停电池在化成过程中的失水率、饱和度[4]（饱和吸酸量以及实际电池含酸量），化成过程 3 小时率容判电压，以及下线静置 7 d 后的开路电压（OCV）、高倍率放电闭路电压（HRD）、内阻的影响。
表1 活性物质轻量化方案设计
通过表 2 中数据可以看出，在一定的范围内，活性物质轻量化对 AGM 起停电池化成后静置 7 d后的高倍率放电闭路电压（实际采用 1 050 A 放电4 s）、内阻和隔板饱和度无显著影响。由于采用相同的化成程序，随着正极活性物质的减少，化成失水率逐渐增加，导致化成终点时硫酸电解液的密度略有增加（通过对比化成下线后静置 7 d 的开路电压可以看出）。在 AGM 起停电池化成过程中通常会设置在线容量检测程序（通过模拟 3 小时率放电来判断电池实际容量合格率水平），然而活性物质配比的改变，对 3 小时率容判电压没有显著性影响。因此，在一定范围内，活性物质轻量化不会对 AGM 起停电池的化成过程产生显著性影响。
表2 活性物质配比对 AGM 起停电池化成结果的影响
通过对比不同程度的活性物质轻量化对 AGM起停关键电性能的影响，可以发现（如表 3～表 5所示），随着活性物质轻量化程度的增加，AGM起停电池的 CCA 电导值（CCA 电导值是采用电导仪模拟测试得出的一个无量纲值）、内阻、20 小时率容量、静态及动态充电接受能力、水损耗均无显著降低。随着活性物质轻量化程度的增加，低温冷起动性能有所下降，主要体现在 U10s电压和低温持续放电总容量 Ccc上，而且储备容量也有一定程度的降低，但均满足 JB/T 12666—2016 标准的要求。此外，随着活性物质轻量化程度的增加，75 ℃SAE J2801 寿命呈逐渐增加的趋势。由于随着极板活性物质轻量化程度的增加，极板厚度降低，为了保证装配压缩比维持在 25 %～30 % 范围内，需要采用更厚的 AGM 隔板。由于 AGM 隔板厚度增加（宽度保持不变），AGM 隔板的自由吸酸总量和加压吸酸量均明显增加。因此，在饱和度相同的情况下，随着极板轻量化程度的增加，AGM 起停电池内部有效含酸量明显增加。75 ℃ J2801 高温寿命失效的主要特征为电池失水，导致隔板干涸[5-6]。在板栅耐腐蚀速率基本一致的前提下，电池内部有效酸量的增加会在一定程度上延缓隔板干涸的速率，提升 J2801 寿命。另外，随着活性物质轻量化程度的增加，虽然按照标准 JB/T 12666—2016 标准要求，其 50 % DOD 循环寿命均能合格，但放电电压平台有一定程度的降低，因此在生产设计上需要兼顾考虑深循环寿命的需求时，活性物质轻量化需要有一定的度量把握，尤其是针对正极活性物质轻量化，设计上须尤为谨慎。通过综合对比不同活性物质轻量化对 AGM 起停关键电性能的影响结合成本及市场客户反馈，最终选择装配方案 2 作为最佳活性物质设计配比，并进行量产推广。
表3 活性物质配比对 AGM 起停电池关键电性能的影响
表4 活性物质配比对 AGM 起停电池充电接受能力的影响
表5 活性物质配比对 AGM 起停电池循环寿命的影响
1.3 板栅轻量化
根据生产设计、成本及客户反馈，最终确定了最佳的活性物质设计配比，接下来进行板栅轻量化，即采用宽铅带连铸连轧—冲网工艺替代传统重力铸造板栅生产工艺，并通过交叉配组验证方式充分对比了 2 种板栅制造工艺对 AGM 起停关键电性能的影响。
根据表 6 交叉配组验证设计方案，在固定正负极活性物质配比的前提下，所有的试验方案 AGM隔板压缩比均控制在 25 %～30 %（隔板宽度均为162 mm），化成制度同样均采用 68 h/550 Ah 充电工艺。通过表 7 数据可以看出，采用重力铸造工艺与铅带连铸连轧—连冲工艺制造正极板栅对 AGM起停电池化成后静置 7 d 后的 HRD（高倍率放电闭路电压，实际采用 1 050 A 放电 4 s）和内阻有显著性影响，尤其是对电导值及内阻，采用重力铸造工艺的正极板栅的电导值明显偏高，内阻明显偏低。这就是重力铸造板栅的核心优势。同样的板面宽度和板面高度条件下，重力铸造板栅比连铸连轧—连冲板栅约重 10 g/片。由于重力铸造工艺板栅表面粗糙化程度远远高于连铸连轧—冲网板栅，因此在同样的固化条件下，重力铸造板栅的固化效果远远优于连铸连轧—冲网板栅。连铸连轧—冲网板栅本身可能存在油污，会影响固化界面腐蚀层的形成与腐蚀层化成组成，因此板栅表面的清洁度需要尤为重视。
表6 板栅轻量化设计及交叉配组方案
表7 板栅制造工艺对 AGM 起停电池化成结果的影响
生产冲网板栅需要先生产宽铅带。目前，行业里宽铅带的生产工艺主要分为 Cominco 铸带和连铸连轧工艺。采用 Cominco 铸带工艺生产的铅带未经轧制过程且较软，所以板栅需要经过高温时效硬化后才能用于涂填工序。目前行业内采用 Cominco铸带工艺生产的铅带多用于负极板栅。由于存在轧制工艺，连铸连轧工艺与 Cominco 铸带工艺和重力铸造工艺相比，铅带时效硬化速率较高，因此生产效率大幅度提高。此外，铅胚经过轧制后，晶粒更加细化，晶界腐蚀速率比采用重力铸造工艺时有一定降低，板栅耐腐蚀性能增强，但连铸连轧宽铅带的生产工序控制更为复杂。由于连铸连轧工艺需要很高的技术壁垒，工艺参数的调整直接影响铅带耐腐蚀性。在此详细罗列了连铸连轧宽铅带在生产过程中所需要的关键控制点：① 成型腔内铅液温度；
② 铅胚温度（与铸带轮转速、冷却水进口温度和流量息息相关）；
③ 铅胚轧制比（每道工序的轧制变形量和轧制比直接影响晶粒结构组织与大小）；
④ 皂化液浓度与温度；
⑤ 收卷张力锥度比；
⑥ 铅带侧弯情况；
⑦ 冲网板栅排布设计和冲网模具设计问题；
⑧ 冲网板栅筋条粗细一致性问题；
⑨ 板栅表面清洁度（RUF 荧光值）。
通过表 8 发现，正极板栅轻量化对 AGM 起停电池的内阻和电导值有显著性影响。连铸连轧—冲网板栅电池与重力铸造板栅电池相比，虽然质量较小，但内阻较高，电导值也有较大幅度下降。由表 8和表 9 可知，虽然连铸连轧冲网板栅电池的 50 %DOD 深循环寿命、水损耗和高温耐腐蚀性能均能满足标准要求，但连铸连轧—冲网板栅电池与重力铸造板栅电池相比，-18 ℃ 低温冷起动测试中以 Icc放电 10 s 时的电压值 U10s的富余量有一定程度的降低，SAE J2801 寿命有一定程度的提升。通常实际生产中，重力铸造正极板栅中实际的 Sn 含量会比连铸连轧—正极冲网板栅略高。而且，二者相比之下，重力铸造板栅更厚，筋条更粗，然而为了达成轻量化目的，通常连铸连轧冲网板栅更薄，筋条更细。但是，在高温耐腐蚀性能方面，连铸连轧—冲网板栅与重力铸造板栅相比，有过之无不及。随着对连铸连轧工艺参数的进一步持续优化改进，连铸连轧—冲网板栅的耐腐蚀性能会有更高的提升。
表8 板栅制造工艺对 AGM 起停电池关键电性能的影响
表9 板栅制造工艺对循环寿命和充电接受能力的影响
1.4 COS 轻量化
由于 AGM 起停电池设计及生产制造进一步精益化，很多企业在考虑制造成本时，已不再局限在活性物质和板栅在铅耗上，也将降低铸焊铅耗作为目标。通过降低铸焊汇流排（COS）中 Sn 含量，优化 COS 模具设计，更改铅零件的设计厚度、宽度，以及直极柱、偏零件的尺寸，在不降低 AGM起停电池性能和生产效率的基础上，降低铸焊铅耗，最终达到了降本增效的目的。
笔者重点围绕 AGM 起停电池轻量化降本技术（板栅和活性物质轻量化）及其关键生产技术、设备、工艺升级转化进行详细阐述，在大幅度降低 AGM起停电池重量的前提下，进一步提升 AGM 起停的关键性能指标，大幅提升企业生产效率及利润空间。
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