固定型阀控密封铅酸蓄电池使用及寿命检测的探讨

吕永尧 左家祥 钱志刚 孙世强

（中国船舶重工集团公司第七一二研究所，武汉 430064）

0 引言

阀控密封铅酸蓄电池发明于20世纪70年代，由于没有酸雾逸出、免于维护、可以任意方向放置等优点，该型电池得到迅速推广。邮电通讯系统是铅酸蓄电池最早的使用领域之一。通信设备要求不间断供电，当交流中断，蓄电池是支持通信系统工作的唯一后备电源。在市电正常时，整流器投入工作，其输入电流可满足全局忙时最大负荷电流的需要（包括蓄电池的充电）。在市电异常时则由蓄电池单独供电，其输出电流应满足通信设备忙时最大耗电量，其输出电压应满足通信设备对基础电源的电压范围要求，用于荷电待用的蓄电池，其放电速率慢，放电时间长达0.5～8 h，由此也发展出铅酸蓄电池的一种设计和使用方式，即固定型铅酸蓄电池[1]。本文就固定型阀控密封铅酸蓄电池的使用方式和寿命检测方法进行了探讨。

1 几种寿命检测方式的分析

传统的固定铅酸蓄电池在浮充使用时有酸雾逸出（尽管设计了防酸帽也不能完全避免这种现象），且有外壳破损漏酸的风险，所以当阀控密封铅酸蓄电池兴起后就逐步取代了传统的固定型铅酸蓄电池。然而在充电方式方面，虽然大家都知道充电方式对蓄电池的寿命有明显影响，但令人惊奇的是在近几十年里标准的充电方法几乎没有什么变化[2]。阀控密封铅酸蓄电池由于自身存在的问题，其浮充寿命不如传统的固定型铅酸蓄电池。虽然大多数生产厂家都宣称固定型阀控密封铅酸蓄电池的寿命在10年以上，但实际浮充寿命通常难以达到10年，与传统的固定型铅酸蓄电池有很大的差距。

传统的固定型铅酸蓄电池使用了将近百年，形成了一套成熟、可靠的检测、使用方法，如寿命测试方法有DIN43539(1983)、BS6290(1983)、IEC60896-11(2002)等，基本上采用过充电循环耐久性试验，即用0.2I10充电，每30天进行一次1小时率容量检测，低于80%容量时寿命终止。通过寿命试验每30天相当于实际浮充使用1年。这种加速试验方法实际上是模拟实际使用情况，即用更大的电流代替浮充电流，与实际使用时电池的失效方式一致，因而试验方法和结果能反映电池的实际使用寿命。

固定型阀控密封铅酸蓄电池兴起后，尽管发展非常迅速，但并没有根据自身的特点建立起自己的检测、使用系统，而是仅仅根据使用的目的相同，沿用了传统固定型铅酸蓄电池的检测、使用模式，如进行过充寿命试验、浮充使用等，二者在方法上几乎完全一致。本文要着重指出的是，这种简单的模仿导致了固定型阀控密封铅酸蓄电池寿命试验结果严重失真，使用寿命大为减短。

对于固定型电池的实验室加速寿命试验，IEC60896-11(2002)和国内早期的有关标准（如DL/T637-1997、JB/T8451-1999、JIS C 8707-1992）等均规定：不低于0.8C1时进入下一个30天循环，直到容量试验低于0.8C1。总循环天数2 V蓄电池不低于240天，6 V、12 V蓄电池不低于180天。与传统的富液式固定型铅酸蓄电池一致。但传统的容量试验时必须补充水到最高液面，而阀控密封铅酸蓄电池则无法加水，这会使试验电池的寿命产生显著的区别。

传统的固定型铅酸蓄电池寿命试验和浮充使用时的失效模式是一致的，都是正板栅腐蚀失效，因而寿命试验能够说明问题；而阀控密封铅酸蓄电池寿命试验和浮充使用时的失效模式可并不一样，阀控密封铅酸蓄电池失效的主要有板柵的腐蚀与增长、电解液干涸、负极硫酸盐化、早期容量损失、热失控等[3]，因此寿命试验结果并不能真实地反映实际使用寿命。我们试验了几组大容量的电池，其过充寿命只有2~3月，相当于浮充寿命2~3年，但实际上这些电池的实际使用寿命都在5年以上。即试验结果严重失真。

阀控密封铅酸蓄电池对密封反应效率都有要求，而且通常都能满足标准。但是，电池在做过充寿命试验时，充电电流是做密封反应效率试验时电流的4倍，单体电池的电压高达2.5 V左右。这时，电池内不仅有O2的析出，也有H2的析出，气体大量析出的速度大于气体复合的速度导致电池内部压力升高，安全阀频繁开启，大量的气体逸出电池。由于气体是电解水产生的，因此气体逸出电池的后果就是水损失。2V200AH的电池经过充2个周期（2个月）后重量损失达600克左右，可见失水的严重。阀控密封铅酸蓄电池本来就是贫液结构，电池失水会导致电池内阻增加，温度升高，直至电池失效。另一方面，在电池失水的同时，电池内部的复合反应仍然是主流，但反应的速度和规模都比做密封反应效率试验时大，那么，大量的O2在负极复合，不仅使电池的温度升高，还致使负极处于欠充状态。也就是说，有一部分PbSO4永远不能转化成活性物质Pb，这就是电池的不可逆硫酸盐化。某型号的阀控密封铅酸蓄电池在过充失效后，补充水进行检测，负极的镉压为正值，电解液密度在1.1 g/cm³以下，表明负极已经没有多少可用的活性物质。另一型号的阀控密封铅酸蓄电池在过充失效后解剖分析，负极活性物质的含量只有30%左右，显然已经不能放电。失水和负极不可逆硫酸盐化是阀控铅酸蓄电池在过充寿命试验时失效的根本原因，电池在浮充使用时显然不可能遇到如此严重的失水和负极不可逆硫酸盐化情况，因此，用过充试验来推断电池的浮充使用寿命是缺乏充分依据的。

GB/T19638.2-2005《固定型阀控密封铅酸蓄电池》在编写时显然意识到了这个问题，在保留了过充试验方法（但取消了试验天数与实际使用年限的关系）同时，又增加了两种新的试验方法，即浮充电循环耐久性试验和加速浮充电循环耐久性试验，这三种试验方法可以任意选择。这两种新办法似乎比较能代表电池的实际使用情况，因而比老的标准要合理一些。但试验的具体方法标准却是这样规定的：

浮充电循环耐久性试验：10 h率容量合格之后，蓄电池在20±5 ℃环境中以2.0I10恒电流放电2 h，以Uflo恒定电压（限流2.0I10）充电22 h。经过50次循环之后，不经充电进行10 h率容量试验，放电容量不低于0.8C10时进入下一个50次循环，直到容量试验低于 0.8C10。总循环次数不低于300次。

加速浮充电循环耐久性试验：3 h率容量合格之后，完全充电的蓄电池在60±2 ℃环境中以Uflo恒定电压充电30天，36 h内冷却到25±2℃并完成3 h率容量检查，放电容量不低于0.8C3时进入下一个30天循环，直到容量试验低于0.8 C3。总循环天数2 V蓄电池不低于180天，6 V、12 V蓄电池不低于150天。

比较这两种试验方法可知，它们并不是同一类性质的试验，后者并不是前者的加速试验，而前者也不是单纯的浮充电试验，而是一种浅充浅放的循环性能试验，可以在一定程度上说明电池在欠充电情况下负极抗硫酸盐化的性能（如果全充电，预计电池的寿命远大于3000次），但并不能说明电池的实际使用寿命。

如果固定型阀控密封铅酸蓄电池确实是浮充电使用，那么上述加速试验方法倒是一种比较好的预判其使用寿命的方法。问题是要在高低温度之间建立一种可靠的数学模型。根据一般的物理化学原理，环境温度由25℃增加到60℃，化学反应的速度要增加20到60倍，因此标准规定的指标可能过高。另一方面，在60℃浮充电，电池有可能会发生析气和复合反应，从而与实际使用情况不符。这一点标准没有考虑到。

2 建议的使用方式

阀控密封铅酸蓄电池在原理、结构以及材料上与传统的富液式铅酸蓄电池都有较大的差别，因此阀控密封铅酸蓄电池继续沿用传统的固定型铅酸蓄电池的经常性浮充使用方式是值得商榷的。传统的固定型铅酸蓄电池发明和使用年代较早，其板栅合金通常采用高锑合金，因此电池荷电保持能力较差，自放电较大，为了不影响使用，电池采取了经常性浮充使用方式，使电池随时都能保持充足的容量。随着技术的进步，阀控密封铅酸蓄电池普遍采用低锑或无锑合金，电池的自放电已大幅度减小。根据现有的标准阀控密封铅酸蓄电池搁置3个月后，荷电保持应该在80%以上。实际上，由于技术的进步现在设计和制造优良的电池搁置1年也能保持在80%的容量。因此，对固定型阀控密封铅酸蓄电池来说，浮充的意义并不大，相反会造成电池使用寿命的缩短。更理想的使用方法是：电池平时处于静置状态，每 3个月补充电后进行10小时率深放电治疗，然后充足电；如果有应急使用，则在使用后及时补充电，3个月后治疗一次。按这种方式使用，相当于电池在进行充放电循环使用，即使电池的循环寿命并不长，但由于电池循环间隔较长，因此电池的使用寿命会相当长。例如，电池的循环寿命为100周，则使用寿命为100×3＝300月＝25年。这样，电池的使用寿命就大幅度延长了，丝毫不亚于传统固定型铅酸蓄电池。

3 结束语

固定型阀控密封铅酸蓄电池按上述方式使用，则在实验室加速考核其使用寿命的方法就会非常简单、明确、直观。当然，考虑到电池可能会遇到的应急使用，可以根据具体情况给定一个寿命系数。尽管如此，加速寿命试验与实际使用寿命之间的对应关系仍然是一目了然的。这种改变使用方式的意义如下：1、由于铅酸蓄电池是高能耗、重污染行业，电池使用寿命的延长减少了电池的消耗量，降低了能耗和污染；2、传统的固定型电池的浮充电流虽然不大，但浮充只会对电池产生副作用，而电能却白白的浪费了，虽然单只电池浪费的电能并不大，但由于固定型阀控式密封铅酸电池的使用量庞大，因此总的耗电量也非常可观，电池取消浮充电后，可以节约大量的电能，充电设备的寿命也能大大延长。

[1]徐曼珍. 阀控式密封蓄电池及其在通信中的应用[M]. 北京: 人民邮电出版社, 1997: 1-2.

[2]D.A.J.Rand(澳), 郭永榔. 阀控式铅酸蓄电池[M].北京: 机械工业出版社, 2006: 205-206.

[3]高建成, 殷玉恒, 刘跃军. 阀控密封铅酸蓄电池（VRLA）的失效模式及采取的有效模式[J]. 应用能源技术, 2007, 4: 45-47.