通信用鉛酸蓄電池的發(fā)展及熱點(diǎn)問題探討

2019-11-03 09:55:19

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供稿：網(wǎng)友

信息產(chǎn)業(yè)部郵電工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心　吳京文
　　鉛酸蓄電池至今已有140多年的歷史，從開口式發(fā)展到閥控式經(jīng)歷了漫長的過程。20世紀(jì)70年代閥控式密封鉛酸蓄電池（VRLA）的出現(xiàn)，給蓄電池行業(yè)注入了新的活力，它以優(yōu)良的性能價(jià)格比、安全可靠的使用性能、簡(jiǎn)便的維護(hù)方法等優(yōu)點(diǎn)，迅速占領(lǐng)了市場(chǎng)。

　　一、通信用鉛酸蓄電池的發(fā)展

　　1970年美國蓋茨公司首次將超細(xì)玻璃纖維及氧氣復(fù)合原理應(yīng)用于閥控式密封鉛酸蓄電池的生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了蓄電池技術(shù)上的重大突破。20世紀(jì)80年代，隨著通信局站分散供電制的推廣，基礎(chǔ)電源設(shè)備與通信交換設(shè)備同處一室，對(duì)蓄電池酸霧的排放量提出了嚴(yán)格限制，VRLA電池以其污染少、腐蝕低的優(yōu)點(diǎn)順應(yīng)了市場(chǎng)的需求。通信事業(yè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展也促進(jìn)了蓄電池技術(shù)的提高，現(xiàn)在，上千安時(shí)的鉛酸蓄電池的生產(chǎn)技術(shù)已相當(dāng)成熟。

　　目前國內(nèi)外生產(chǎn)的VRLA電池主要采用兩種技術(shù)：AGM技術(shù)和GEL技術(shù)。

　　AGM技術(shù)是貧液式設(shè)計(jì)，電池內(nèi)部沒有流動(dòng)的電解液，它采用超細(xì)玻璃棉隔板，隔板吸收了足夠的電解液后仍保持10%左右的孔隙作為氧氣的復(fù)合通道，正極析出的氧到負(fù)極復(fù)合，以實(shí)現(xiàn)氧的循環(huán)。它具有自放電小、充電效率高的優(yōu)點(diǎn)，極群采用緊裝配，內(nèi)阻小，適合大電流放電，氣體復(fù)合效率高，酸霧逸出少，初期容量較高，有較好的低溫放電性能。

　　GEL技術(shù)即生產(chǎn)膠體電池的技術(shù)。膠體電池中氧的復(fù)合通道是膠體收縮時(shí)所產(chǎn)生的裂紋，由于采用富液式設(shè)計(jì)，深放電的恢復(fù)特性較好，能防止電解液干涸，膠體的固定作用使電解液幾乎不存在分層現(xiàn)象，在較高的環(huán)境溫度下，膠體電池有較長的壽命。但膠體電池在使用初期，裂紋少，復(fù)合效率低，控制閥經(jīng)常打開排放酸霧，無法充分體現(xiàn)密封蓄電池在環(huán)保方面的優(yōu)越性。經(jīng)過一段時(shí)間，裂紋增多，這個(gè)缺點(diǎn)自然而然就會(huì)被克服。

　　近幾年，有關(guān)鉛酸蓄電池的新工藝、新材料、新方法層出不窮，下面簡(jiǎn)要介紹一下鉛酸蓄電池的發(fā)展動(dòng)態(tài)和趨勢(shì)。

　　1．工藝技術(shù)

　　（1）板柵合金

　　傳統(tǒng)的耐腐蝕板柵不但制造復(fù)雜，而且還易引起早期容量損失、正極膨脹、伸長和壽命短等問題，因?yàn)殂U膏與耐蝕板柵結(jié)合困難。在板柵合金中添加適量的微量元素可大大提高板柵的性能。添加銀，能夠明顯提高板柵的機(jī)械強(qiáng)度和耐蠕變能力，有利于改善VRLA電池的深放電循環(huán)性能。Cd的添加能提高合金的機(jī)械性能，明顯改善板柵與活性物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化活性，提高電池的過充和深放能力。添加適量的鉍，利于正極活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)的恢復(fù)，能夠提高循環(huán)壽命，但若添加的含量不當(dāng)，則會(huì)加速失水，加速鉛的腐蝕速度，反而縮短電池的壽命。Pb-Sr合金中理想的Sr濃度可以提高初始容量，但在配制過程中嚴(yán)重氧化。

　　從長遠(yuǎn)看，板柵材料的發(fā)展有三個(gè)方向：①快速冷卻合金，制得所有元素的均勻混合物，耐蝕性大大提高。②輕型板柵，用鋁、銅網(wǎng)做基材，表面涂覆鉛，或采用玻璃纖維絲，表面熱擠壓包覆鉛錫合金，成為鉛絲，再編織成鉛布作為板柵；③拉網(wǎng)板柵，由于采用冷擠壓成型，金屬組織比重力澆鑄的要細(xì)密得多，耐蝕性明顯提高，板柵可減薄，提高了生產(chǎn)效率。

　　（2）正極鉛膏添加劑

　　VRLA電池是正極限容設(shè)計(jì)，為提高比能量和活性物質(zhì)利用率，主要的研究集中在正極活性物質(zhì)上。添加劑的作用機(jī)理有：①影響活性物質(zhì)孔率，鉍在活性物質(zhì)中的“造孔作用”是引起蓄電池容量增大的主要原因；②影響PAM導(dǎo)電性；③影響PAM中晶體的微觀結(jié)構(gòu)和幾何形狀；④影響PAM的機(jī)械強(qiáng)度。

　　（3）固化和化成技術(shù)

　　固化是VRLA電池生產(chǎn)的重要工序，對(duì)電池的初期容量、壽命都有較大影響。傳統(tǒng)的固化工藝形成3PbO2·PbO2·H2O(3BS)，若采用80℃下高溫和膏技術(shù)可得到4PbO2·PbO2(4BS)，4BS制造的電池不僅容量高且壽命長。化成過程中采用監(jiān)控軟件，可以提高化成工序的生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。采用紅丹可縮短固化與化成時(shí)間，使固化易于控制，提高初期容量和生產(chǎn)效率。

　　（4）電池組裝技術(shù)

　　極群壓力是決定電池終身壓力的最好參考，電池應(yīng)自始至終保持恒定的壓力，這要求隔板、電池設(shè)計(jì)、裝配都應(yīng)采取相應(yīng)的方法，因?yàn)椴煌母舭逑到y(tǒng)具有不同的氣體擴(kuò)散效率。試驗(yàn)證實(shí)對(duì)極板與隔板采用較大的壓力可以明顯地提高電池的循環(huán)壽命，防止正極活性物質(zhì)膨脹與容量損失。但極群壓力不宜過大，否則會(huì)壓壞玻棉隔膜，降低孔率和吸酸值，導(dǎo)致容量損失。

　　2．玻璃棉隔板

　　隔板的重要性可比為“第三電極”，對(duì)電池的性能有很大影響，它吸收電解液，作為正極析出的氧向負(fù)極擴(kuò)散的通道，防止正負(fù)極短路。新型聚乙烯隔板可以有效地減少Sb3+的遷移和穿透，減少了水損失和自放電。提高隔板中細(xì)纖維的含量可以提高隔板的拉伸強(qiáng)度，深循環(huán)壽命長，能夠防止大電流放電下的鉛枝晶短路。另外，還可采用多層隔板、復(fù)合纖維隔板、惰性填充劑等改善電池的性能。

　　3．催化栓

　　鉛酸蓄電池在通信行業(yè)中大部分使用在浮充狀態(tài)下，正極電位很高，氧的析出嚴(yán)重，而催化栓放于密封電池內(nèi)部的上端，補(bǔ)充了傳統(tǒng)氧氣再復(fù)合機(jī)理的負(fù)極作用，即正極析出的氧被直接復(fù)合，這部分氧不必到負(fù)極去復(fù)合，減輕了負(fù)極的去極化負(fù)擔(dān)，同時(shí)氣體排放量減少，水損失減小。

　　二、對(duì)熱點(diǎn)問題的探討

　　現(xiàn)在圍繞鉛酸蓄電池的研究和維護(hù)領(lǐng)域有許多熱點(diǎn)問題，歸根結(jié)底都是為了延長蓄電池的循環(huán)使用壽命。閥控式密封鉛酸蓄電池廣泛用于通信行業(yè)，然而，實(shí)際使用中電池早期失效現(xiàn)象常有發(fā)生，電池壽命往往達(dá)不到預(yù)期，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的安全運(yùn)行。研究電池的早期失效機(jī)理并對(duì)癥下藥，成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)與重點(diǎn)。

　　閥控式密封鉛酸蓄電池是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)體系，電池的性能和壽命取決于制備電極的材料、工藝、活性物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)、電池運(yùn)行狀態(tài)和條件等，以下是對(duì)幾個(gè)熱點(diǎn)問題的探討。

　　1．極板的腐蝕

　　對(duì)浮充電使用的電池，板柵腐蝕是限定電池壽命的重要因素，在電池過充狀態(tài)下，負(fù)極產(chǎn)生水，正極產(chǎn)生H+，加速了正極板的腐蝕，電池內(nèi)存在酸分層導(dǎo)致極群上端腐蝕、生長。VRLA電池的浮充電流對(duì)溫度極為敏感，溫度每變化10℃，電流成倍變化。要延長蓄電池的使用壽命，必須對(duì)其進(jìn)行過充電及限流保護(hù)。

　　2．水損失

　　由于再化合反應(yīng)不完全及板柵腐蝕引起水損失，當(dāng)每次充電時(shí)，產(chǎn)生氣體的速率大于氣體再化合速率，導(dǎo)致一部分氣體逸出，造成水損失。

　　3．枝狀結(jié)晶生成

　　當(dāng)電池處于放電狀態(tài)，或長期以放電狀態(tài)放置，負(fù)極pH值增加，極板上生成可溶性顆粒，促進(jìn)枝狀結(jié)晶生成穿透隔膜造成極間短路，使電池失效。

　　4．負(fù)極板硫酸鹽化

　　由于自化合反應(yīng)的發(fā)生，無論電池處于充電或放電狀態(tài)，負(fù)極總有硫酸鹽存在，使負(fù)極長期處于非完全充電狀態(tài)，形成不可逆硫酸鹽，使電池容量減少，導(dǎo)致電池失效。

　　5．溫度補(bǔ)償

　　充電過程中，電池內(nèi)的再化合反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱，由于蓄電池的密封結(jié)構(gòu)使熱量不易散出，導(dǎo)致電池溫升過高，電解液干涸，造成電池的熱失控。另一方面，若沒有溫度補(bǔ)償，充電控制器有可能過早關(guān)斷，導(dǎo)致電池充不滿電，長期如此就會(huì)引起容量下降。解決的方法就是對(duì)VRLA電池的過充電域值進(jìn)行溫度補(bǔ)償，防止過充和充電不足，電池管理系統(tǒng)可控制每個(gè)單體電池，補(bǔ)償參數(shù)一般為-2~4mV/℃。

　　6．充電方法

　　鉛酸蓄電池的充電過程中極化現(xiàn)象始終存在并逐漸加劇，嚴(yán)重影響充電質(zhì)量和速度，損傷蓄電池。傳統(tǒng)的恒流充電、恒壓充電、快速充電方法的充電效果不盡完美，其根本原因就是不符合電池的充電接受特性，最大的缺點(diǎn)就是都沒有去極化措施。定電壓快速充電法模擬一種放電方法，在完成再充電后進(jìn)行大電流脈沖放電以消除小電流放電的缺陷，它首先具有恒壓充電的特性，隨著充電過程的進(jìn)行，充電電流自動(dòng)減小，遏止了極化現(xiàn)象的加劇趨勢(shì)，另外采取瞬間放電措施，進(jìn)一步減少極化現(xiàn)象。提高充電機(jī)的穩(wěn)壓、限流精度，將改善電池的充電性能。

　　近年來，閥控式密封鉛酸蓄電池的設(shè)計(jì)制造技術(shù)不斷進(jìn)步，它仍然是鉛酸蓄電池的發(fā)展方向。

摘自《通信世界》2001.26期

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