徐强1，于紫阳1，常林荣1，赵巍2，周立新2，唐致远1
(1.天津大学化工学院，天津300072；2.天津蓝天高科电源股份有限公司，天津300384）
摘要：主要研究了铝合金基体上电镀铅锡合金的工艺条件，铝合金板栅的制造，以及电镀铝合金板栅作为阀控式铅酸电池负极板栅的可行性。目的在于开发出一种铝基轻型板栅，用于铅酸蓄电池中以减轻电池的质量，提高电池的质量比能量。对铝基电镀铅锡合金（包括纯铅）板栅作为负极板栅的阀控式铅酸蓄电池进行了初步的性能测试，测试结果表明，铝基轻型板栅能在一定程度上提高铅酸蓄电池的质量比能量、高倍率放电性能和低温放电性能。
关键词：电镀铅锡合金；铝合金；轻型板栅；阀控式铅酸蓄电池
中图分类号：TM912 文献标识码：A 文章编号：1002-087X(2011)09-1086-04
铅酸蓄电池已经有100多年的历史，随着人们对其应用领域的拓展，它本身也在不断地得到发展，虽然面临着镍基电池和锂离子电池的挑战，但仍占有很大的市场份额。近年来，随着我国电动自行车的迅猛普及，给阀控式铅酸蓄电池的发展带来了新的机遇和广阔的市场空间，特别是10～20Ah、12V系列的小型阀控密封铅酸蓄电池。据报道，2006年我国电动自行车的产量已达到1600万辆，预计当年全社会电动自行车保有量突破3700万辆。相对于其它类型的二次电池而言，铅酸蓄电池在大电流放电性能、浮充寿命、自放电、回收率及经济性等方面都占有明显优势。然而，铅酸蓄电池的循环寿命、深循环等性能较差，特别是决定电池性能的关键因素———质量比能量非常低。分析铅酸蓄电池的组成不难发现，比能量低的最重要原因之一是非活性物质铅（主要是铅基合金板栅材料）的用量较大所致。因此，铅酸蓄电池轻型板栅材料的开发一直是很重要的研究课题。
在轻型基体材料上电镀铅锡合金，可以替代传统铅基合金作为铅酸蓄电池的板栅材料，从而提高铅酸蓄电池的比能量。金属铝的密度是铅密度的23.8%，是铜密度的30.3%。铝导电性能良好，其电导率虽然仅为铜的62%，但比铅要大7.8倍，抗腐蚀能力也比较强。铝合金作为板栅材料能够大幅度地提高铅酸蓄电池的比能量、高倍率放电性能和低温性能。另外，铝合金的铸造加工性能也非常好，因此，铝合金是一种理想的轻型板栅基体材料。金属铝的不足之处在于其表面易生成一层氧化膜，不利于沉积合金镀层。
我们以铝合金作为板栅基体材料，采用氨基磺酸电镀体系，在铝板栅表面电镀上一层铅锡合金镀层（锡含量在2%以下），制备出了铝基轻型板栅。测试了铝基板栅作为负极板栅组装成的阀控式铅酸蓄电池的各种性能，考察了铝基轻型板栅的工业化可行性。
1·实验
1.1 铝板栅的铸造
目前，国内大多数铅酸蓄电池企业在生产涂膏式板栅时均采用金属型铸造工艺[2-4]。如果能利用金属型铸造的方法，铸造出性能良好的铝合金板栅，就可以充分利用现有的生产设备，避免资源的浪费。这对于推广铝合金板栅的应用有着重要的意义。所以本实验主要研究了铝板栅的金属型铸造方法。
1.2 铝板栅的电镀工艺
电镀工艺流程：铝板栅→化学除油→水洗→碱浸蚀→水洗→酸浸蚀→水洗→第一次浸锌→水洗→退锌→水洗→第二次浸锌→水洗→预镀铜→水洗→电镀铅锡合金。铝合金板栅电镀工艺条件如表1所示。采用该种电镀工艺分别制备出镀覆纯铅和铅锡合金镀层的铝基轻型板栅（锡质量分数为1.6%），其中镀层厚度约为200μm左右。分别以这两种镀覆材料的铝基板栅作为负极板栅，以传统铅合金作为正极板栅，装配成阀控式铅酸蓄电池，测试其性能。进而与传统铅合金板栅作为正极（Pb-Sb-Cd合金）和负极（Pb-Ca-Sn-Al合金）的普通阀控式铅酸电池进行性能对比，研究了电镀铝板栅取代传统铅合金板栅的可行性。
1.3 铅酸蓄电池的性能测试
传统负极板栅铅酸蓄电池、电镀纯铅铝板栅铅酸蓄电池和电镀铅锡合金铝板栅铅酸蓄电池分别标记为电池A、B和C。
（1）不同倍率的放电性能测试
将三种蓄电池完全充电后，在温度为（25±2）℃的环境中静置12h，然后以10A（1C）、20A（2C）电流放电至单体蓄电池平均电压达到1.7V时终止，记录放电的持续时间。用放电电流乘以放电时间来计算蓄电池的实际容量。
（2）循环寿命性能测试
将每只电池先以1.6A电流充电至2.45V（恒流充电阶段），然后控制电压为2.45V继续充电，至充电电流降到0.4A时为止（恒压限流阶段）。静止2h后，再以5A电流放电至1.75V，记录下放电时间。上述整个充放电步骤记为一个循环，考察每只电池循环20次的变化规律。
（3）低温电池性能测试
利用低温电池测试系统测试每只电池的低温性能。实验中共选取三个温度点，分别为0、－10、－20℃，每次转换温度时，需保温6～12h。以5A（0.5C）电流放电到每只蓄电池电压到达1.75V时终止。
（4）充电过程中的析气性能
通过排水集气法测定电池在充电过程中的析气量。记录时间间隔开始为1h，当电池开始析气后每15～30min记录一次，直至充电结束。
2·结果与讨论
2.1 铝合金板栅
通过金属型铸造方法铸造出10Ah阀控铅酸蓄电池铝合金板栅，板栅的照片如图1所示。铝基板栅的质量仅为铅合金板栅的22.5%，当板栅表面铅锡合金镀层厚度为200μm时，铝基轻型板栅的质量仅为传统负极板栅的48.33%，极大地减轻了板栅质量。
2.2 铝基轻型板栅铅酸蓄电池的倍率放电性能
图2中的左、右两图分别是三种阀控铅酸蓄电池放电倍率为1C、2C时的放电电压曲线。可以看出，随着铅酸蓄电池放电电流的增大，三种铅酸蓄电池的放电容量皆下降。表2是三种铅酸蓄电池在不同倍率下的放电容量和比能量，可以看出，在高倍率下，虽然所有电池的放电容量都有大幅度的下降，但是铝板栅铅酸蓄电池下降的幅度明显小于传统铅酸蓄电池。也就是说，铝板栅铅酸蓄电池明显地提高了电池在高倍率放电下的放电容量和电池比能量。原因是铝合金的电阻率仅为铅的13%，极大地降低了由板栅所引起的电池内阻。
