船用长寿命铅酸蓄电池研究

彭澎，司凤荣



船用长寿命铅酸蓄电池研究

彭澎，司凤荣

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

国内船用动力铅酸蓄电池大多使用寿命较短。通过优化蓄电池设计，提高正、负极耐腐蚀能力，采取多项隔离技术防止铅绒短路，采用新型辅助系统，成功研制出长寿命新型板状船用铅酸蓄电池，在保证蓄电池容量和比能的前提下将蓄电池的寿命提高到800周次以上。

船用铅酸蓄电池 板状 寿命

0 引言

1860年，普兰特发明第一只实用的铅酸蓄电池。1882年格拉斯通和垂布斯提出了双硫酸盐化理论，并于1935年得到验证。铅酸蓄电池化学方程式为：

铅酸蓄电池按使用分类为起动用、牵引用、固定用等。

一百多年来铅酸蓄电池由于其成熟的技术、低廉的成本而广泛应用于国民生活的各个方面，不论是在交通、通信、电力、军事还是在航海、航空各个经济领域，铅酸蓄电池都起到了不可缺少的重要作用。

船用动力蓄电池采用富液式大容量铅酸蓄电池，用于船舶推进电源。由于单体电池容量很大，除了具备铅酸蓄电池一般结构包括蓄电池槽、盖、正极板、负极板、隔板、电解液外，还必须有电解液冷却和提升装置等辅助系统。国外先进的船用铅酸蓄电池寿命长达400周次以上，实际使用年限为4年，实现了大容量和长寿命的统一。而国内船用动力铅酸蓄电池，大部分寿命较短，只有200个周次。

长期以来，业界认为只有采用管状电极技术才能设计制造出长寿命铅酸蓄电池，而板状电池虽然比能很高，但是寿命却不行。我们通过长时间的摸索和研究，突破了长寿命板状电池的关键技术，成功研制出长寿命板状船用动力铅酸蓄电池。

使用长寿命铅酸蓄电池，不仅可以满足船舶动力要求，提高安全可靠性，还可以减少维护工作量，降低成本。

1 船用铅酸蓄电池失效模式

要想延长大容量铅酸蓄电池寿命，首先必须对其寿命终止即失效原因进行分析研究。船用铅酸蓄电池设计和使用有特殊条件，失效的原因是多方面的。从蓄电池性能方面讲主要有活性物质失效、板栅腐蚀、铅绒短路、温度失控、隔板老化等几个方面。

1.1 铅绒短路

船用铅酸蓄电池寿命终止的常见模式之一是铅绒短路。在对寿命终止的船用铅酸蓄电池解剖中可以发现大量铅绒堆积在正负极板的板耳和侧面之间，造成短路。铅绒出现的原因是因为蓄电池在工作工程中活性物质出现脱落，游离在电解液中，并在充放电过程中逐步沉积在极群正负极板的板耳和侧面之间。出现短路后蓄电池一边工作一边通过短路自放电，活性物质的正常反应减弱，放电量减少。严重者导致板栅腐蚀，隔板烧坏，析氢量增加。久而久之，铅绒短路越来越多，蓄电池容量下降，寿命终止。

1.2 板栅腐蚀

板栅是铅酸蓄电池极板的骨架，是活性物质的载体，是电流的集散枢纽。由于不断的充电和放电，金属材料制成的板栅特别是正板栅本身就处于一个电化学腐蚀系统中，其腐蚀速度虽慢，但是日积月累，腐蚀程度增加，板栅强度减弱，电阻增加，最终将不能承担起正常的板栅角色，导致蓄电池容量大大降低，析氢量猛增，蓄电池失效，寿命完结。

1.3 温度失控

船用蓄电池容量大，充放电电流大，使用过程中温升较高，如果蓄电池温度超过50度，将严重影响蓄电池性能。必须采取有效的冷却方法，避免造成蓄电池温度失控，性能降低，寿命缩短。

1.4 隔板问题

随着使用时间的增加，隔板老化，内阻增加，容易刺穿，造成短路。传统使用的橡胶隔板容易老化。

好的隔板有合适的孔隙率和最大孔径，较低的内阻，一定的强度。

因蓄电池使用不当造成蓄电池失效主要包括过充电，欠充电，过放电，使用环境恶劣等因素。由于篇幅有限，在此就不再展开论述了。

2 研究和试验

通过对船用铅酸蓄电池关键技术的深入研究，采取的有助于延长船用蓄电池寿命的技术措施包括以下几个方面。

2.1 采用铠甲式单管正极

采用铠甲式单管正极，既具有管状电极的优点，又具有板状电极的高比能。活性物质减少了脱落的可能性，即使后期出现少数脱落，亦不会游离在电解液中，造成铅绒短路。在保证提高活性物质利用率的基础上，大大延长了电极工作寿命。

2.2 提高板栅耐腐蚀能力

1）耐腐正板栅研究

研制低锑银系列耐腐蚀正板栅合金。采用传统的铅锑合金体系，但大大降低其中锑的含量，同时添加一定比例的银等元素，形成多元耐腐蚀低锑合金。

改进正板栅结构设计。通过合理的结构设计，采用合适的栅格空间比，设计新型筋条形状，优化设计板栅厚度。在制造过程中采用新工艺，并采用压铸技术。

合金材料和正板栅结构设计的改进，增加了板栅耐腐蚀能力，大大降低蓄电池析氢量，延长蓄电池寿命。

2）开展钛板栅技术研究

钛的密度为4.5 g/cm3，大大低于铅的密度，耐腐蚀性能相当高。采用钛金属镀铅做负板栅，可以大大减轻板栅重量、降低内阻、减少内部损耗，大幅度提高比能，使得蓄电池可以采用容量冗余设计，延长使用寿命。

2.3 采用新型电解液冷却和提升系统

大容量蓄电池充放电过程中温升较大，需要有专门的冷却系统。采用新型直冷系统，大幅降低了电解液温升，控制蓄电池充放电过程在正常温度范围内。

由于蓄电池体积较大，电解液容易分层，造成浓度、温度差异。采用新型电解液提升系统，可以直接将蓄电池底部电解液提升到上部，提高蓄电池内各部位电解液浓度、温度一致性，减少浓差极化，提高性能。

2.4 选用PE隔板

通过对比试验，筛选出孔隙率65%的PE隔板。

2.5 试验

在研究基础上优化整体设计，试制了大容量样品电池，放电特性符合表1。样品电池进行寿命试验，试验方法参考相应标准，采用新型脉冲充电方式，充电电流分别为6000 A/3000 A/1600 A/800 A。前三阶段过渡电压为2.6 V，末阶段充至电解液密度稳定。

3 试验结果

3.1 蓄电池容量试验结果

样品电池5时率放电实际放出容量达到要求值的113%，结果见表2，放电曲线见图1。

其短时率重量比能达到25 Wh/kg，长时率重量比能达到50 Wh/kg。

3.2 蓄电池寿命试验结果

蓄电池寿命试验达到825周次，寿命曲线见图2。

4 结果讨论

试验表明，试验电池不仅满足了各项容量要求，而且寿命试验达到825周次。这表明，围绕着提高板状蓄电池寿命所采取的一系列措施是有效的，长寿命铅酸蓄电池研究成功。分析如下：

1）采用了新型正极技术。在电极设计中，努力做到合理、有效，提高电极耐腐蚀能力，提高活性物质利用率，使电极的效能扩展到长寿命的水平。

采用铠甲式单管正极，大大降低了活性物质脱落的可能性，即使有少量的脱落，亦不会游离在电解液中，造成铅绒短路。

采用传统的铅锑合金体系，但大大降低其中锑的含量，同时添加一定比例的银等元素，形成多元低锑银系列耐腐蚀合金。

改进正板栅结构设计。合金材料和正板栅结构设计的改进，增加了板栅耐腐蚀能力，大大降低蓄电池析氢量，延长蓄电池寿命。

2）钛板栅耐腐蚀功能强

钛的密度为4.5 g/cm3，大大低于铅的密度，耐腐蚀性能相当高。采用钛金属镀铅做负板栅，可以大大减轻板栅重量、降低内阻、减少内部损耗，大幅度提高比能，使得蓄电池可以采用容量冗余设计，延长使用寿命。

3）采用了新型电解液水冷和提升方式等辅助系统：冷却水从发热量最大的部件内部流过，传热效率高，冷却效果好，而蓄电池温升越低，对寿命越有利。

4）采用高性能PE隔板。其孔率孔径合适，电导率高，强度合适，使用时间长。

5）蓄电池初容量达到额定值的110%以上，优异的初容量性能使蓄电池在寿命试验的过程中放电负担减轻。而放电深度越低，放电周次越长，蓄电池的寿命也越长。

6）采用了新型脉冲充电方法，充电电流大，去极化能力强，充电时间短，充电效率高。

总之，通过技术攻关，研究成功船用长寿命板状铅酸电池。

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Study on Long-life Lead-acid Battery for Ship

Peng Peng, Si Fengrong

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, CSIS, Wuhan 430064, China）

TM912.1

A

1003-4862(2013)01-0028-03

2012-05-28

彭澎（1969-），男，硕士，高级工程师。研究方向：铅酸蓄电池。