铅酸蓄电池的应用

第一节 铅酸蓄电池的应用概述

铅酸蓄电池的应用面很广、应用量很大。

2000年我国在各领域中铅酸蓄电池产量（万KVAH）

第二节 通信用铅酸蓄电池的发展

1970年美国盖茨公司首次将超细玻璃纤维及氧气复合原理应用于阀控式密封铅酸蓄电池的生产，实现了蓄电池技术上的重大突破。20世纪80年代，随着通信局站分散供电制的推广，基础电源设备与通信交换设备同处一室，对蓄电池酸雾的排放量提出了严格限制，VRLA电池以其污染少、腐蚀低的优点顺应了市场的需求。通信事业突飞猛进的发展也促进了蓄电池技术的提高，现在，上千安时的铅酸蓄电池的生产技术已相当成熟。

目前国内外生产的VRLA电池主要采用两种技术：AGM技术和GEL技术。

AGM技术是贫液式设计，电池内部没有流动的电解液，它采用超细玻璃棉隔板，隔板吸收了足够的电解液后仍保持10%左右的孔隙作为氧气的复合通道，正极析出的氧到负极复合，以实现氧的循环。它具有自放电小、充电效率高的优点，极群采用紧装配，内阻小，适合大电流放电，气体复合效率高，酸雾逸出少，初期容量较高，有较好的低温放电性能。

GEL技术即生产胶体电池的技术。胶体电池中氧的复合通道是胶体收缩时所产生的裂纹，由于采用富液式设计，深放电的恢复特性较好，能防止电解液干涸，胶体的固定作用使电解液几乎不存在分层现象，在较高的环境温度下，胶体电池有较长的寿命。但胶体电池在使用初期，裂纹少，复合效率低，控制阀经常打开排放酸雾，无法充分体现密封蓄电池在环保方面的优越性。经过一段时间，裂纹增多，这个缺点自然而然就会被克服。

近几年，有关铅酸蓄电池的新工艺、新材料、新方法层出不穷，下面简要介绍一下铅酸蓄电池的发展动态和趋势。

一、工艺技术

（一）板栅合金

传统的耐腐蚀板栅不但制造复杂，而且还易引起早期容量损失、正极膨胀、伸长和寿命短等问题，因为铅膏与耐蚀板栅结合困难。在板栅合金中添加适量的微量元素可大大提高板栅的性能。添加银，能够明显提高板栅的机械强度和耐蠕变能力，有利于改善VRLA电池的深放电循环性能。Cd的添加能提高合金的机械性能，明显改善板栅与活性物质之间的转化活性，提高电池的过充和深放能力。添加适量的铋，利于正极活性物质结构的恢复，能够提高循环寿命，但若添加的含量不当，则会加速失水，加速铅的腐蚀速度，反而缩短电池的寿命。Pb-Sr合金中理想的Sr浓度可以提高初始容量，但在配制过程中严重氧化。

从长远看，板栅材料的发展有三个方向：①快速冷却合金，制得所有元素的均匀混合物，耐蚀性大大提高。②轻型板栅，用铝、铜网做基材，表面涂覆铅，或采用玻璃纤维丝，表面热挤压包覆铅锡合金，成为铅丝，再编织成铅布作为板栅；③拉网板栅，由于采用冷挤压成型，金属组织比重力浇铸的要细密得多，耐蚀性明显提高，板栅可减薄，提高了生产效率。

（二）正极铅膏添加剂

VRLA电池是正极限容设计，为提高比能量和活性物质利用率，主要的研究集中在正极活性物质上。添加剂的作用机理有：①影响活性物质孔率，铋在活性物质中的“造孔作用”是引起蓄电池容量增大的主要原因；②影响PAM导电性；③影响PAM中晶体的微观结构和几何形状；④影响PAM的机械强度。

（三）固化和化成技术

固化是VRLA电池生产的重要工序，对电池的初期容量、寿命都有较大影响。传统的固化工艺形成3PbO2·PbO2·H2O（3BS），若采用80℃下高温和膏技术可得到4PbO2·PbO2（4BS），4BS制造的电池不仅容量高且寿命长。化成过程中采用监控软件，可以提高化成工序的生产效率及产品质量。采用红丹可缩短固化与化成时间，使固化易于控制，提高初期容量和生产效率。

（四）电池组装技术

极群压力是决定电池终身压力的最好参考，电池应自始至终保持恒定的压力，这要求隔板、电池设计、装配都应采取相应的方法，因为不同的隔板系统具有不同的气体扩散效率。试验证实对极板与隔板采用较大的压力可以明显地提高电池的循环寿命，防止正极活性物质膨胀与容量损失。但极群压力不宜过大，否则会压坏玻棉隔膜，降低孔率和吸酸值，导致容量损失。

二、玻璃棉隔板

隔板的重要性可比为“第三电极”，对电池的性能有很大影响，它吸收电解液，作为正极析出的氧向负极扩散的通道，防止正负极短路。新型聚乙烯隔板可以有效地减少Sb3+的迁移和穿透，减少了水损失和自放电。提高隔板中细纤维的含量可以提高隔板的拉伸强度，深循环寿命长，能够防止大电流放电下的铅枝晶短路。另外，还可采用多层隔板、复合纤维隔板、惰性填充剂等改善电池的性能。

三、催化栓

铅酸蓄电池在通信行业中大部分使用在浮充状态下，正极电位很高，氧的析出严重，而催化栓放于密封电池内部的上端，补充了传统氧气再复合机理的负极作用，即正极析出的氧被直接复合，这部分氧不必到负极去复合，减轻了负极的去极化负担，同时气体排放量减少，水损失减小。

第三节 电动自行车电池用阀控铅酸蓄电池

一、取得的成绩

1、外观渗漏液的问题有已基本解决，渗漏液现象已基本没有。

2、绝大部分厂家的电池充电末期电流小于0.1A，说明合金成分和材料纯度符合要求。

3、50次循环容量衰减率符合指标的明显增加，约占被测样本的80%以上，说明早期容量衰减（PCL-1）问题已能够解决。

4、容量和比能量有明显提高。2小时率（5A）放电容量达到11-13.5Ah；比能量达到31-35WH/Kg。

5、寿命明显提高。100%放电深度的循环寿命超过250次，达到300-400次。有9-10个样本循环寿命超过250次循环，其中6-7个样本是中小型厂的产品。

6、用Pb-Sb-Cd合金的减少，用Pb-Ca高锡合金的增加，环保性能提高。

二、存在的问题

生产电动自行车用阀控铅酸蓄电池的大小厂家有200多家，产品质量参差不齐，用户投诉较多，是存在的主要问题。从我们检测评估过的产品看，主要问题和出现的现象是：

1、能够在容量、比能量、循环寿命（尤其重要）等全面指标达到要求的生产厂家不多，不超过20%。

2、电池间的一致性有待提高。质量好的电池，在100次循环前一致性好，到100-150次循环间才出现不一致。一般厂家的电池在10次循环内就出现不一致，随循环进行差距越来越大，电池组容量往往受落后电池牵制衰减率大。

3、微短路，甚至完全短路。发现造成电池间一致性差的重要现象是个别单格微短路。还发现个别单格在寿命中后期逐渐发展成完全短路。

4、与充电器参数未很好匹配。不是欠充电造成电池容量衰减快和电池间的一致性变差、影响循环寿命，就是过充电太多造成电池失水多和热失控。

三、改进方向

1、及时了解国内外发展的新材料和新技术，逐步掌握它和通过试验采用它。

2、加强生产过程质量管理。生产过程中的质量管理问题，说起来简单，做起来不易，需要从源头开始，抓好每个工序的点滴细节环节，严格工序检查、检测。

3、要注意与电驱动系统的其他部件的匹配和优化。

4、研究蓄电池的维护技术。阀控铅酸蓄电池也叫“免维护”铅酸蓄电池，实际不能完全免维护。中、后期进行适当的维护对电池有一定的恢复功能。笔者已对有的技术做过试验，证明确有效果。

总之，蓄电池厂家不只是配套、被动的角色，如何做好与电驱动系统的其他部件匹配和优化及中、后期维护技术研究，使蓄电池充分发挥潜力，有很多工作可做。

四、基本估计

根据我们对产品的检测评估和考察部分厂家的情况，基本上可分为如下几类：

1、容量、容量衰减率、循环寿命（尤其重要）等全面指标达到要求，而且质量稳定、可靠，一致性较好。这类厂家都是大、中型厂，掌握了关键技术和生产过程质量管理严格。

2、容量、容量衰减率、循环寿命等全面指标达到要求，但质量不够稳定。这类厂家都是中、小型厂，掌握了关键技术，但生产过程质量管理不够严格。

3、容量、容量衰减率等指标达到要求，但循环寿命达不到要求。这类厂家都是中、小型厂，掌握了关键技术不全面，生产过程质量管理不够严格。

4、容量能达到要求，但容量衰减率、循环寿命等重要指标达不到要求。这类厂家都是中、小型厂，未掌握关键技术，生产过程质量管理不严格。

第四节 对热点问题的探讨

现在围绕铅酸蓄电池的研究和维护领域有许多热点问题，归根结底都是为了延长蓄电池的循环使用寿命。阀控式密封铅酸蓄电池广泛用于通信行业，然而，实际使用中电池早期失效现象常有发生，电池寿命往往达不到预期，严重影响了系统的安全运行。研究电池的早期失效机理并对症下药，成为当前的研究热点与重点。

阀控式密封铅酸蓄电池是一个复杂的电化学体系，电池的性能和寿命取决于制备电极的材料、工艺、活性物质的组成和结构、电池运行状态和条件等，以下是对几个热点问题的探讨。

一、极板的腐蚀

对浮充电使用的电池，板栅腐蚀是限定电池寿命的重要因素，在电池过充状态下，负极产生水，正极产生H+，加速了正极板的腐蚀，电池内存在酸分层导致极群上端腐蚀、生长。VRLA电池的浮充电流对温度极为敏感，温度每变化10℃，电流成倍变化。要延长蓄电池的使用寿命，必须对其进行过充电及限流保护。

二、水损失

由于再化合反应不完全及板栅腐蚀引起水损失，当每次充电时，产生气体的速率大于气体再化合速率，导致一部分气体逸出，造成水损失。

三、枝状结晶生成

当电池处于放电状态，或长期以放电状态放置，负极pH值增加，极板上生成可溶性颗粒，促进枝状结晶生成穿透隔膜造成极间短路，使电池失效。

四、负极板硫酸盐化

由于自化合反应的发生，无论电池处于充电或放电状态，负极总有硫酸盐存在，使负极长期处于非完全充电状态，形成不可逆硫酸盐，使电池容量减少，导致电池失效。

五、温度补偿

充电过程中，电池内的再化合反应产生大量的热，由于蓄电池的密封结构使热量不易散出，导致电池温升过高，电解液干涸，造成电池的热失控。另一方面，若没有温度补偿，充电控制器有可能过早关断，导致电池充不满电，长期如此就会引起容量下降。解决的方法就是对VRLA电池的过充电域值进行温度补偿，防止过充和充电不足，电池管理系统可控制每个单体电池，补偿参数一般为-2～4mV/℃。

六、充电方法

铅酸蓄电池的充电过程中极化现象始终存在并逐渐加剧，严重影响充电质量和速度，损伤蓄电池。传统的恒流充电、恒压充电、快速充电方法的充电效果不尽完美，其根本原因就是不符合电池的充电接受特性，最大的缺点就是都没有去极化措施。定电压快速充电法模拟一种放电方法，在完成再充电后进行大电流脉冲放电以消除小电流放电的缺陷，它首先具有恒压充电的特性，随着充电过程的进行，充电电流自动减小，遏止了极化现象的加剧趋势，另外采取瞬间放电措施，进一步减少极化现象。提高充电机的稳压、限流精度，将改善电池的充电性能。