电动车蓄电池容量与寿命的深度剖析：原理、关系与优化策略

电动车蓄电池容量与寿命的深度剖析：原理、关系与优化策略

一、引言

随着电动车在现代交通领域的广泛应用，其核心部件蓄电池的性能成为了人们关注的焦点。电动车蓄电池的容量和寿命是衡量其性能的两个关键指标，二者之间的关系错综复杂，既相互制约又相互影响。深入理解电动车蓄电池的工作原理以及容量与寿命的关系，对于提升电动车的整体性能、延长蓄电池使用寿命、降低使用成本具有极为重要的意义。

二、电动车蓄电池工作原理

（一）铅酸蓄电池的基本构成与原理

电动车最常用的蓄电池是铅酸免维护蓄电池，主要有 AGM 型电池（采用玻璃纤维隔板吸附技术）和 GEL 型胶体电池（采用胶体电解液技术）。铅蓄电池由阳极（PbO₂）、阴极（Pb）以及电解液（稀硫酸）组成。当两极浸于电解液中时，会发生化学反应并产生 2V 的电力。

1、放电过程：在放电时，稀硫酸会与阴、阳极板上的活性物质产生反应，生成新化合物 “硫酸铅”。随着放电的进行，硫酸成分从电解液中释出，导致硫酸浓度逐渐稀薄。由于所消耗的成份与放电量成比例，所以通过测量电解液中的硫酸浓度（即测其比重），就能够得知放电量或残余电量。

2、充电过程：充电时，放电过程中在阳极板和阴极板上所产生的硫酸铅会被分解还原成硫酸、铅及过氧化铅。这使得电池内电解液的浓度逐渐增加，即电解液的比重上升，并逐渐恢复到放电前的浓度，表明蓄电池中的活性物质已还原到可以再度供电的状态。当两极的硫酸铅被还原成原来的活性物质时，充电结束。在充电的最后阶段，电流几乎都用于水的电解，此时会产生氢气（在阴极板）和氧气（在阳极板），导致电解液减少，所以需要补充纯水。

（二）AGM 型电池特点

AGM 型电池中灌注了稀硫酸，稀硫酸被吸收在超细玻璃纤维隔板和极板中，几乎没有流动电液。这种结构使得电池具有较好的密封性和稳定性，目前市场上销售的电动车电池多数属于 AGM 型电池。

（三）GEL 型胶体电池特点

1、减少漏酸风险：GEL 型胶体电池的电解质凝胶后没有游离电液，因此漏酸的机率比 AGM 型电池小得多。

2、延长电池寿命：其灌注量比稀硫酸多 10 - 15%，失水又少，所以胶体电池不会因失水造成失效。胶体的灌入增加了隔板的强度，保护了极板，弥补了隔板遇酸收缩的缺陷，使装配压力不明显降低，这是其具有延长电池寿命的原因之一。此外，胶体填充了隔板与极板之间的空隙，降低了电池的内阻，充电接受能力可因此而改善。所以胶体电池的过放电、恢复能力和低温充放性能都比 AGM 型电池优越，胶体电池的一致性也比同类 AGM 型电池好得多。国内已批量生产的胶体有气相胶、硅溶胶、混溶胶、有机硅高聚物胶等四种类型。

三、电动车蓄电池容量和寿命的关系

（一）容量与寿命的矛盾性

作为电动自行车用的蓄电池，人们期望其容量大且寿命长，但在实际情况中，这两项指标在一定程度上存在不可调和的矛盾。即一个指标的提高，往往会对另一个指标产生负面影响。

（二）提高容量的方法及其对寿命的影响

1. 增大电池体积

在电动车电池壳允许的范围内，尽量加大电池体积是一种有效的增加容量的方法。如果其他方面设计合理，单纯增大体积会增加板栅面积和活性物质重量。这种容量增加方式对寿命是有利的，因为它可以有效降低放电深度。例如，通过实验对比，对相同的电池分别采用 5.5Ah 放电和 7.5Ah 放电两种放电制式进行寿命循环实验，结果发现浅放电（7.5Ah 放电）的电池寿命是深放电（5.5Ah 放电）的两倍，可见浅放电对电池寿命的影响非常显著。

2. 改变极板参数

在外形尺寸相同的情况下，可以通过两种方法来增大容量：

增加极板厚度（主要是正板厚度）：通过增加正板厚度来增加活性物质的量，从而提高容量。这种方法相对简单，不需要增加过多操作步骤。

减薄极板厚度并增加极板片数：减薄极板厚度可以提高活性物质利用率，增加极板片数则能提高极板面积，进而达到提高容量的目的。然而，这种方法虽然更有利于容量增加，但由于极板增多，正负极间隔增多，必然导致隔膜减薄，从而增加隔膜枝晶穿透的危险，同时也增加了铸板、涂板、装配等工作量。

无论是增加极板厚度还是减薄极板厚度的方法来提高容量，都需要提高酸的密度，以保证有足够的酸参与反应。目前采用这两种方法做成的电池其开路电压都在 13.7 - 14V 之间（已远超习惯上可接受的值），5A 放电都可达 140 分钟以上。但提高酸的密度对电池的寿命有诸多不利影响：

极板腐蚀加剧：尤其是正极板，高酸密度会使其腐蚀速度加快，缩短极板的使用寿命。

正极板软化加速：在深放电循环下，高酸密度会加速正极板软化，导致极板结构破坏，影响电池性能。

负极硫酸盐化：随着酸密度的提高，硫酸盐的溶解度大幅度下降，在放电过程中产生的硫酸铅饱和度增加，易产生粗大坚硬的硫酸铅，造成负极硫酸盐化。特别是在电动车正常使用过程中，一般早上上班、下午下班，中间 8 个多小时电池处于亏电状态，更易引发硫酸盐化，进一步损害电池寿命。

3. 改变化成条件

通过改变化成条件来改变正极板 a - PbO₂和 b - PbO₂的比例也可影响容量。a - PbO₂和 b - PbO₂的氧化还原能力差别很大，电化学活性不同，b 型较 a 型具有较高的放电容量，在不同的电流密度下放电时，b - PbO₂给出的容量超过 a - PbO₂1.5 - 3 倍，甚至有人认为 a - PbO₂只能输出理论容量的 16％，而 b - PbO₂输出理论容量的 80％ - 90％。因此，在电池化成时，增大电流、降低电解液 PH 值，并采用有效的降温措施抑制电池温升，这样化成出来的电池 b - PbO₂的比例会相应升高，从而有效增加容量。但是，a - PbO₂具有尺寸较大、较硬颗粒的特点，在正极活性物质中可形成网络或骨骼，能使正极活性物质的结构完整，电极具有较长的寿命。所以在化成过程中若产生过多的 b - PbO₂将会对寿命产生不利影响。

4. 使用添加剂

近年来，关于能够提高电池容量的添加剂的报道屡见不鲜，但绝大多数是针对深充放循环要求不高的起动电瓶。也有一些单位宣称其添加剂不仅有利于容量，还能提高深充放循环寿命，不过在与多家此类单位沟通后，由于可能涉及技术保密原因，他们未能阐明添加剂增加容量同时提高寿命的原理。

（三）容量与寿命的平衡策略

目前各电动车电池厂家常用的增加容量的方法，除了改变外形尺寸（在有国家标准规范后，该方法可能受限）外，似乎难以找到一种容量和寿命兼顾的完美方法。因此，需要在容量和寿命之间找准一个平衡点。通过调查发现，电动自行车用户每日的骑行距离多在 10 - 30km。在设计电动车蓄电池时，应遵循保证每天骑行 10 - 30km 的用户其电池使用寿命最长的原则来考虑容量设计。目前电动自行车主要有 36V 和 24V 两种，一般骑行的放电电流在 4 - 5.5A 之间。经过实验，对于 151′94′98 的电池，重量在 3.85 - 3.95kg，5A 放电时间在 115 分和 125 分之间；对于 151′99′99 的电池，重量在 4.15 - 4.25kg，5A 放电时间在 125 分和 135 分之间较为合适。在这种容量下，可以将电池的开路电压控制在 13.2 - 13.4V 之间。容量再低，会因放电深度增加影响寿命；在此基础上再提高容量又会因上述诸多原因影响寿命。

四、结论

电动车蓄电池的容量和寿命关系是一个复杂的技术问题，涉及到电池的工作原理、结构设计、材料选择以及使用环境等多个方面。在追求高容量的同时，必须充分考虑对寿命的影响，通过合理的设计、化成工艺优化以及添加剂的科学使用等手段，在容量和寿命之间寻求最佳平衡点。这不仅有助于提高电动车蓄电池的整体性能，满足用户的日常使用需求，还能推动电动车行业的可持续发展，减少因电池性能不佳而带来的资源浪费和环境问题。未来，随着电池技术的不断创新和发展，有望在容量与寿命的协同提升方面取得更大的突破，为电动车的广泛应用提供更强大的动力支持。