提高潜艇铅酸蓄电池寿命技术途径的研究

2010-04-03朱运裕

船电技术 2010年10期

朱运裕

(海军驻武汉712所军事代表室, 武汉 430064)

1 引言

铅酸蓄电池自1859年由PLante用腐蚀的铅箔形成活性物质，首次实现了实用的铅酸蓄电池之后，已有150年历史。在此期间尽管新体系电池不断出现，如铁-镍蓄电池、镉-镍蓄电池、锌-银蓄电池、锂电池等；但时至今日，在动力电池领域铅酸蓄电池仍然占据主导地位，这主要由于它具有如下优点[1]：

(1)电压高

除锂电池外铅酸蓄电池的电压最高为 2.0 V；碱性蓄电池为1.2 V；锌-银蓄电池为1.65 V：

(2)高倍率放电性能好

铅酸蓄电池能以3～10倍率电流放电，满足于用电设备不同工况的起动要求：

(3)成本低

铅酸蓄电池的制造成本低价格仅为镉-镍蓄电池的1/3～1/5左右。

(4)安全性高

铅酸蓄电池由于能量密度相对较低，不存在像锂电池由于种种原因可能发生的燃烧、起火、爆炸，仅有电池析氢一项存在安全性影响，经过近百年来努力，人们已经找到了可靠的解决办法。

然而铅酸蓄电池又有某些难以克服的缺点:如寿命短，铅酸蓄电池的寿命仅仅是锂电池的一半：比能低。由于铅密度大的固有缺陷，其比能量低，一般为20～40 Wh/kg，而锂电池可达80～100 Wh/ kg。

2 国内外常规潜艇动力电池的现状

目前国内铅酸蓄电池由GJB 1722A-2003 潜艇用铅酸蓄电池规范可知有六个型号分别是QT-60S、QT-60Sd、QT-72sa、QT-98s、QT-105s、QT-53s，国内潜艇用铅酸蓄电池存在以下不足：

2.1 电池型号[2]多

铅酸蓄电池有 QT-60S、QT-60Sd、QTG-72Sa、QT-53S、QT-105S、QT-98S六个型号，分属三个外形尺寸、五个密度指标、四个重量要求，铅酸蓄电池的型号几乎覆盖半个世纪，既有早期产品，又有当今世界上较为先进的电池产品，电池型号多既有好处，但给电池的保障工作带来许多难题。

2.2 电池的比能差异大

早期的电池重量比能仅为24.63 Wh/kg，后期的电池重量比能已达到 40 Wh/kg从比能上可以出差异在一倍左右。

2.3 电池的容量差异大

早期的电池容量为6000 Ah/h，现在的动力电池小时容量为10500 Ah/h，容量几乎增加50%。而且电解液密度又不相同，电解液密度的范围从1.270～1.320都有产品。

2.4 电池的寿命差异大

电池的寿命短的仅有2年，长的为5年，而且仅有QTG-72Sa一型电池寿命为5年，在寿命指标方面和国外产品存在一定的差距。

对国外铅酸蓄电池的相关情况介绍并不太多，由于美国潜艇以核动力为主，所以铅酸蓄电池的容量和寿命对其没有影响，而俄罗斯等欧洲国家既有核动力又有常规动力潜艇，努力方向不尽相同。从俄罗斯的出口的基诺级的潜艇电池情况分析，俄罗斯电池还是比较重视提高铅酸蓄电池技术水平的研究工作，在提高铅酸蓄电池的容量和寿命方面做了大量的研究工作，早期出口的产品电池寿命一般为二年左右，而后期出口的产品电池寿命均提高到四年左右。其它欧洲国家并没有将集中力放在提高铅酸蓄电池的容量和寿命方面，而是将力量投身于新体系电池和AIP系统的研制方面，如德国的214潜艇装备了燃料电池，瑞典的则采用了斯特林机提高常规动力潜艇的续航力，以弥补铅酸蓄电池的容量和寿命的不足。

3 提高潜艇铅酸蓄电池寿命的技术途径

提高潜艇铅酸蓄电池寿命的技术途径较多，目前的研究成果有以下四个方面：

3.1 采用低锑合金的板栅，能提高电池寿命

从设计来看，导致电池寿命不长的原因有三个：

⑴ 板栅腐蚀断裂；

⑵ 正极活性物质脱落；

⑶ 后期析氢量较大。

用铅锑合金制造板栅是铅酸电池发展史上的一个重大技术突破，连续使用了一个世纪，它有很多优点，如板栅制造过程中不易变形，制造出的板栅较少出现气孔缩孔，但存在的缺点是明显的。

我国的QT-60S、QT-60Sd、QTG-72Sa电池的板栅均为铅锑合金，用铅锑合金制成的正板栅，在工作期间，尤其在充电时锑将会从正极板栅中溶解到溶液中，同时沉积到负极活性物质上，随着充放电次数的增加，负极活性物质上所积累的锑含量增加，而 H+离子与锑放电具有较低的过电位，因此锑存在会使蓄电池在充电后期，特别是过充电时析氢量增加，耗水量增加，自放电加速，电池寿命变短。

解决上述缺陷的方法是采用低锑合金制造板栅，用多元合金代替原来的铅锑合金，多元合金为铅、锑、锡、银、硒、砷等，经过试验证明，板栅的耐腐蚀性能大大提高，寿命终止时，板栅仍完好。而且析氢量已经大大降低，其电池寿命终止时析氢量仅为25.0 ml/ min。

综上所述，采用多元合金取代原先沿用的铅锑合金，能提高电池寿命。

3.2 采取防短路措施

最新研究成果表明，铅绒短路是影响电池寿命的原因之一，特别对于板状电池，在电池使用一段时间后，板身处会慢慢累积铅绒，采用护套和护袋是延长寿命有效手段，实验证明采用上述两项措施后，由铅绒短路所引起的容量下降和寿命缩短的情况得到解决。应用述措施时要注意护袋的孔率必须满足充放电过程中离子的迁移要求。

3.3 严格烘干工艺，能提高电池寿命

导致电池寿命不高的原因之一是正极活性物质软化脱落，而电池生产过程中对活性物质与板栅结合的程度影响最关键的工序就是烘干过程。QT-105S铅酸蓄电池研制过程中首批试生产电池的台架寿命仅为98周期，远低于指标要求的原因之一就是未能按烘干工艺对生极板进行烘干，使正极铅膏和板栅结合力不强，从而导致正极板的活性物质出现软化脱落。因此制定适宜烘干要求，并严格执行烘干工艺，能确保铅膏和板栅结合力，提高电池寿命的指标。