[发明专利]考虑物质膨胀效应的铅酸电池板栅强度仿真分析方法

说明书

本发明提供了考虑物质膨胀效应的铅酸电池板栅强度仿真分析方法，包括确定辅助物质体积以及充满电和放电完全状态时活性物质的物质的量，计算铅膏平均体积膨胀率，建立极板结构静力学分析模型、添加材料属性和接触关系、施加约束和载荷，求解和获得板栅应力分布及变形分布等步骤。本发明充分考虑到了铅酸电池放电过程物质体积膨胀的效应，通过将因电化学反应导致的物质膨胀等效为温度变化因素引起的热膨胀，进而基于成熟的结构仿真分析方法准确实现了物质膨胀效应作用下的板栅结构静力学分析，故科学可靠、计算量小、应用方便，且有助于指导铅酸电池板栅的失效模式分析和设计优化。

技术领域

本发明涉及铅酸电池领域，特别涉及一种考虑物质膨胀效应的铅酸电池板栅强度仿真分析方法。

背景技术

铅酸电池是一种电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。铅酸电池具有性能稳定、成本低廉、安全性能好等一系列优点，长久以来广泛应用于工农业生产、居民生活和国防军事等各个领域。铅酸电池的正极板和负极板共同组成电极对，若干电极对通过串并联形成电池单体。铅酸电池的正负极板由板栅和涂覆于板栅表面且与板栅紧密结合的铅膏组成：板栅由铅或铅锡合金等金属通过浇铸、冲压等方式制成且具有栅格结构，起到支撑和导电作用；铅膏则包括了活性物质和其他必要的辅助物质。活性物质参与了充放电过程：铅酸电池放电状态下，正极板内的二氧化铅被还原为硫酸铅，负极板内的铅被氧化为硫酸铅；充电状态下，正极板内的硫酸铅被氧化为二氧化铅，负极板内的硫酸铅被还原为铅。

铅酸电池工作过程中，二氧化铅、硫酸铅和铅均为固态，但三者的密度具有很大的不同，其中硫酸铅的密度最小且摩尔体积最大。这意味着二氧化铅、硫酸铅和铅在充放电过程中的互相转化会导致铅膏体积不断变化。其中，由于放电过程正极板和负极板均不断新生成硫酸铅，而硫酸铅的摩尔体积最大，这就造成了正极板和负极板内的铅膏都发生显著的体积膨胀，进而挤压板栅，对板栅的结构强度带来不利影响。物体的体积膨胀可由体积膨胀率来衡量，而体积膨胀率通常约等于3倍线膨胀率，故体积膨胀过程带动物体三个正交的空间方向的膨胀。由于制作板栅所用的铅或铅锡合金材质较软，弹性模量较小，铅酸电池放电过程活性物质的膨胀对板栅结构的影响十分显著，严重时甚至造成板栅内的栅格巨大变形和筋条断裂，降低铅膏粘附能力和导电均匀性，造成铅酸电池的性能失效。

由以上分析可以得知，在铅酸电池板栅的设计优化过程中，需要密切关注放电过程活性物质膨胀对板栅结构的影响。但是，由于活性物质的膨胀是由电化学反应过程的物质转化所造成的，现有的各种公知技术对这一因素的考虑较少，尤其是当前已经较为成熟的计算机结构强度仿真分析中，各种普遍应用的载荷施加途径并不涵盖电化学反应所导致的体积膨胀因素。

因此，在现有的计算机结构强度仿真分析技术的基础上，如何准确地考虑铅酸电池放电过程正极板或负极板内活性物质膨胀对板栅结构的影响，同时开发易于数值求解的建模和计算方法，进而准确计算获得物质膨胀效应下板栅的结构变形和应力分布以更好地指导板栅的优化设计工作，是一个亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种模拟真实度高、操作方便的考虑物质膨胀效应的铅酸电池板栅强度仿真分析方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：考虑物质膨胀效应的铅酸电池板栅强度仿真分析方法，用于指导铅酸电池极板设计优化，所述极板包括板栅和涂覆于板栅表面并与板栅结合的铅膏，所述铅膏包括活性物质和辅助物质，所述活性物质由可互相转化的第一活性物质和第二活性物质组成，所述第一活性物质针对正极板和负极板两种情况而言分别为二氧化铅和铅，所述第二活性物质为硫酸铅，所述辅助物质在铅酸电池充放电过程中不发生变化，所述板栅包括极耳、边框和设置在所述边框内的筋条组成，包括以下步骤：

(1)确定铅酸电池极板的铅膏中辅助物质的体积，并分别确定铅酸电池极板充满电和放电完全两种状态时铅膏中第一活性物质与第二活性物质的物质的量：