铅酸蓄电池电极铸焊工艺研究

则将电能转换为化学能。
铅酸蓄电池的电极反应如下：
放电
PbO 2
+
3H +
+
HSO
− 4
+
2e
⇔
充电
PbSO 4
+
2H 2O
…… 1-1
放电
Pb
+
HSO
− 4
⇔
充电
PbSO4
+
H+
+
2e
…… 1-2
总的电极反应：
放电
PbO2
+
Pb
+
2H 2SO 4
⇔
充电
2PbSO4
+
2H2O
…… 1-3
1.1.3 铅酸蓄电池结构
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流排上有垂直的里程碑。单体之间通过穿壁焊连接。在正极板和负极板之间有隔板。
1.1.4 铅酸蓄电池优缺点
主要有以下优点：
除锂离子电池外，在常用体系蓄电池中，铅酸蓄电池的电压最高，为 2.0V。碱性蓄电
池为 1.2V，银锌蓄电池为 1.1~1.65V； 较廉价，可制为低倍率和高倍率放电电池，价格为镍铬蓄电池的 1/3~1/5；
关键词：铅酸蓄电池，铸焊，模温，水冷系统
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Abstract
ABSTRACT Lead-acid battery has been used in industries more than 100 years since it was invented. Although Li-ion battery and Ni-MH battery become more and more popular, lead-acid battery can not be replaced by them because of its particular property. The capacity of lead-acid battery decreases after certain discharging cycles and fails finally. The failure mode includes positive grid corrosion, sulfation, runaway, negative strap corrosion and short circuit etc. Poor COS quality is a major processing factor which causes cracks between strap and lug. Many process parameters effect the quality of COS, mold temperature is the most important. In this paper the COS process is simulated through FEM to understand the phenomena of no fusion and lug melt because of mold temperature fluctuation. When the temperature of the lug close to the surface of strap equals to the solidification point of lug alloy, lug melt occurs in casting. VRLA battery uses lead calcium alloy for grid and lead tin alloy for strap, the COS process more likes soldering, COS of lead-tin strap is difficult and needs flux and tinning. The normal temperature of mold is 150℃. if the mold temperature is lower to 100℃, no fusion probably occurs, but lug melt happens if the mold temperature is higher up to 200℃. The old mold cooling system uses city water, the water pipe inner becomes dirty after service time, the mold temperature is difficult to adjust and fluctuates. In this paper we designs a refrigeration system to use DI water to cool the mold. The inlet temperature of mold is 15℃, outlet temperature is 80℃. At first cool the water to 50℃ with a fin tube heat exchanger, Then cool the water to 15℃ with a R22 refrigeration unit. This unit includes scroll compressor and bronzed plate evaporator. The performance of cooling system is good, It can
可制成小至 1AH 大至几千 AH 的各种尺寸和结构的蓄电池；
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第一章 绪论
线路，从而使电池的制造成本大幅度降低。该体系具有价格低廉、可任意方位放置、使用不
漏液的优点，在某些应用领域可取代干电池和碱性密封电池。
1.1.2 铅酸蓄电池工作原理
铅酸蓄电池的正极活性物质是二氧化铅，负极活性物质是铅，电解液是密度为
1.20-1.30g/cm3 的硫酸溶液。电池放电时将储存的化学能转换为电能。用外电源给电池充电，
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Abstract
keep the mold temperature at 150℃, decreases greatly the defects of no fusion and lug melt.
KEY WORDS: Lead-acid battery, COS, mold temperature, refrigerator system
固定型电池。主要用于通讯设备备用应急电源、电厂的负荷平衡电源等。固定型电池也 做成 2V 一只的单体电池。通常容量在几百到上千安时。要求在浮充条件下具有长寿命，至 少 5 年。
密封型电池。分为小密和大密两种。小密电池多用于仪器仪表、便携工具、玩具、应急 照明。多数场合电池的工作制度为深充深放。大密电池多用于开关电源和计算机的 UPS 电源， 浮充下工作，主要工作方式为浅充浅放。
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学位论文作者签名：余伟华
指导教师签名： 姚舜
日期： 年 月 日
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第一章 绪论
第一章 绪论
1.1 课题研究工程需求和意义
1.1.1 铅酸蓄电池发展历程和研究现状 铅酸蓄电池已有一百多年历史。按用途分为启动型电池、牵引型电池、固定型电池、密
构成蓄电池的主要部件是正、负极板，电解液，隔板，电池槽。还有一些零件如极柱、
汇流排和排气阀等。根据用途的不同，对各种蓄电池有不同的要求，故在结构上也略有差异。
启动型电池的结构如下：单体之间由汇流排的里程碑连接电池槽和盖热封连接。极群
装在绝缘的电池槽内。边板一般为负极。每种极性的极群，其极板以汇流排焊接在一起。汇
实用的铅酸蓄电池是普兰特于 1860 年开始研究并发明的。普兰特将两条长铅箔中间用 粗布制的隔膜分隔开并盘旋卷绕后再浸泡在 10%的硫酸水溶液中，用一次电源对它充电，再 放电反复多次使正极上生成 PbO2，负极上生成铅。这种电池化成过程进行得很慢，而且容量 很小。
继普兰特之后，为了加速化成过程和提高容量，产生了涂膏式极板。1881 年富莱和布 鲁希两人将铅的氧化物加稀硫酸制成铅膏涂到铸造的或切拉成网的板栅上制成涂膏式极板。
学位论文作者签名：余伟华
日期： 年 月 日
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铅锑合金板由赛隆在 1881 年研制成功。 为了防止活性物质的脱落，1898 年裴利帕特用带水平铣槽的硬胶管制成管式正极板， 1937 年霍尔用编织式玻璃丝管制成管式电池。 到了七十年代之后，一些新的加工技术相继出现，这包括切拉金属板栅技术，密闭电池 和免维护电池，超细玻璃纤维隔板，穿壁焊接技术，热封塑料壳与盖，高比能量电池等。 铅酸蓄电池具有在经济上与功能上良好平稳的特点[2]，因此在二次电池领域中占统治地 位。而新技术的不断发展,应用领域的不断开拓和深入，对化学电源提出了更高的性能和使 用特性要求，传统铅酸蓄电池已经不能满足不需维护全方位工作、自放电小、寿命长、高比 能量、使用安全可靠、无酸雾等要求。阀控式密封铅酸蓄电池克服传统式铅蓄电池的主要缺 点。它的正极上析出的氧气在负极直接重新化合成水，避免使用需严格控制充电电压的复杂
上海交通大学 硕士学位论文 铅酸蓄电池电极铸焊工艺研究 姓名：余伟华 申请学位级别：硕士 专业：机械工程 指导教师：姚舜;黄海谷
20080501
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摘要
摘要
铅酸蓄电池工业应用至今已有一百多年的历史。尽管目前锂 离子电池和镍氢电池越来越普及，但铅酸蓄电池独有的一些特点 使其在二次电池领域仍占有统治地位。铅酸蓄电池随着充放电次 数的增加其放电容量会减少从而失效。其形式通常有正板栅腐蚀、 不可逆硫酸盐化、热失控、负极汇流排腐蚀、晶枝短路等。铅酸 蓄电池失效决定于电池的内外界因素，同时与制造工艺密切相关， 而 COS 铸焊质量差导致汇流排或极耳断裂是主要的制造缺陷。 COS 质量与多个工艺参数相关，其中模温是一个主要因素。本课 题通过有限元分析模拟铸焊过程，揭示了由于模温的变动导致的 冷焊或过熔的规律。当极耳接近汇流排表面处的温度在铸焊过程 中超过极耳合金的固相线时发生过熔。VRLA 电池使用铅钙合金 板栅和铅锡合金汇流排，其制造过程更像是钎焊。铅锡合金汇流 排铸焊过程须使用助焊剂和搪锡。极耳插入段的温度偏低时发生 冷焊。正常铸焊模温为 150℃时，当模温 200℃时部分极耳过熔， 而模温 100℃极耳温度明显偏低。铸模冷却采用自来水，使用一段 时间后冷却水腔结垢导致通过冷却水流量调节水温效果差，使模 温波动。为此论文设计安装铸模水冷控制系统，采用去离子水循 环冷却。模具进水温度为 15℃，出水温度为 80℃。水冷系统先使 用空气冷却器将水温降至 50℃，然后再用氟利昂制冷机组将水温 降至 15℃。制冷机组使用先进的涡旋式压缩机和板式蒸发器。水 冷系统整体性能稳定，使铸模温度控制在 150℃左右，极耳冷焊或 过熔机率大大降低。
封型电池几类[1]~[4]。主要用途如下： 启动型电池。用于汽车、船舶和飞机引擎启动、车辆照明和引擎点火电源。启动型电池
的产值大约占铅酸蓄电池总产值的 70%左右。其电池组电压大都是 12 伏，容量为几十安时 到一百多安时。其主要特征为可以在常温或低温下高倍率放电。
牵引型电池。主要用作电瓶车、叉车等搬运车辆的动力电源。通常制成 2V 一只的单体 电池，容量约为几百安时。对牵引电池最主要的要求是最大限度的循环寿命，其次是高能量 密度。优秀的牵引型电池通常能使用 6 年。
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