铅酸蓄电池失效原因分析及监测方案的设想

侯俊舟

（辽宁建筑职业学院，辽宁 辽阳111000）

目前铅酸蓄电池在汽车、通讯、广电、IT、电力、铁路、航空、港口、军事、金融、能源等领域得到了广泛应用。但是铅酸蓄电池若使用维护不当易造成失效报废。文中分析了蓄电池失效的原因，提出了铅酸蓄电池微电脑监测方案设想。

1 铅酸蓄电池的结构原理

1.1 铅酸蓄电池的基本结构

铅酸电池是将化学能转变为电能的设备。铅酸蓄电池的结构原理基本相同，常由电池槽、正极板、负极板、隔板、链条、极桩和电解液等组成。

铅酸蓄电池的重要电能转换部件是正、负极板及电解液，其他部件如电池槽、隔板链条、极柱等为附属设备。电池槽是用来盛装电解液和正负极板的部件，通常由耐腐蚀的硬质塑料压铸而成，其内部结构分为三单格和六单格两种形式。三单格式用来装配端电压为6 V直流电压的蓄电池，六单格式用来装配端电压为12 V直流电压的蓄电池。

蓄电池的正、负极板是由金属骨架与活性物质共同构成，且正、负极板的金属骨架采用同一种材料。为确保铅酸蓄电池极板骨架具有足够的刚度和强度，并具有较强的抗氧化能力，通常正、负极板金属骨架的材料采用铅锑合金。骨架的外框为矩形，框内设有数条纵横交错的金属网格。

铅酸蓄电池正、负极板表面涂有活性物质。其中正极板活性物质涂抹于正极板骨架上，是由海绵状二氧化铅（PbO2）与稀硫酸作为主要原料配置成的铅膏，化成后颜色为深棕色。而负极板的主活性物质是由海绵状纯铅（Pb）与稀硫酸作为主要原料配置成的铅膏，颜色为深灰色。

蓄电池隔板用来隔开蓄电池的正负极板，以防止正负极板短路。极板上还均匀分布许多网状孔，以保证电解液相互渗透。蓄电池的隔板材料通常用塑料和玻璃纤维等制成，既保证绝缘又保证不被硫酸腐蚀。

蓄电池的电解液是由纯净的蒸馏水和硫酸配制而成。温度为20℃时，在我国南方地区电解液比重γ为1.20～1.25 g／cm3，北方地区其比重γ为1.28～1.30 g／cm3。

1.2 铅酸蓄电池的工作原理

铅酸蓄电池的充、放电过程，实质上就是电能与化学能的相互转换过程。蓄电池充电时，在外电场的作用下正、负极板中的硫酸析出进入电解液，使电解液中的硫酸浓度增高。同时正极板演变为二氧化铅，负极板变为纯铅。充电过程化学反应方程式如式（1）。

理论上放电过程与充电过程是完全可逆的，其化学反应方程式如式（2）。

2 铅酸蓄电池失效的原因

蓄电池的使用实践证明，由于蓄电池的生产、储存、运输、初充电和使用等因素，蓄电池的使用容量总比其标称容量要小，甚至小很多。影响蓄电池容量的因素主要有如下方面。

2.1 蓄电池生产工艺对蓄电池容量的影响

蓄电池在生产过程中，其正极板的化成条件对蓄电池容量会产生影响。由于正极板化成条件的不同，正极板上的二氧化铅通常以两种形式存在，一种是α－PbO2，一种是β－PbO2。这两种二氧化铅在放电容量上存在着很大的差异。通常α－PbO2放电容量只有β－PbO2的60%左右。只有在多次充放电循环中，一部分α－PbO2才有可能逐步转化为β－PbO2。由此可见，α－PbO2初含量越高，则蓄电池初始容量越低。正极板的α－PbO2初含量主要取决于化成条件，即化成液密度和温度。化成液密度越大温度越高，则生成α－PbO2就越少；反之，生成的α－PbO2就越多。

2.2 蓄电池活性物质含量对蓄电池放电容量的影响

放电时，负极板反应生成的硫酸铅容易在海绵铅表面形成钝化层，致使硫酸电解液扩散受阻，大大降低了负极板利用率。若在负极板中加入少量的腐殖酸、木素等膨胀剂，可以延缓或阻止钝化层的形成，从而增加放电容量。

2.3 自放电

不合格的电解液中含有铁、锰、硝酸银等，这些物质与电解液一起侵蚀隔板和电池槽生成有机物等杂质。这些新生成的有机物杂质将与极板上的活性物质共同形成局部电池，产生局部电流，致使正负极板上活性物质反应生成硫酸铅，导致蓄电池容量下降。这种现象还与极板中锑含量有关，极板中锑的含量越多，温度愈高，愈能加速自放电。

2.4 板极中心距

在其它因素不变的情况下，极板中心距越远，蓄电池的容量越小。因此，在其它因素不变的情况下，应尽量减小隔板的厚度，以有效地减小极板中心距离。

2.5 使用因素对铅酸蓄电池容量的影响

铅酸蓄电池在使用过程中，必须保持在较短时间内充放电相对平衡。如果蓄电池长期处于深度亏电状态，其正、负极板上的海绵铅将形成粗晶粒的铅结晶，导致充电时不能参与化学反应，致使蓄电池的有效容量下降。

铅酸蓄电池超过规定时间大电流放电是造成早期失效的最普遍原因。某些用电设备超过蓄电池允许输出的最大电流的限制，长时间大电流用电，造成极板过热弯曲，致使极板上活性物质过早严重脱落。蓄电池的这种损坏形式不但致使蓄电池容量大大下降，还会因脱落的活性物质沉淀在正、负极板的下方，造成正、负极板短路，加速彻底失效。

此外，蓄电池电解液比重配比不当、工作温度、振动等均会导致蓄电池容量的下降。

3 铅酸蓄电池微电脑监测方案的设想

笔者依多年经验得知，铅酸蓄电池彻底丧失工作能力是有前兆的，主要体现在内阻随时间推移逐渐攀升、充电时电压偏高、充电终止端电压下降快、带电时间短。大电流放电时，较正常工作的电池端电压下降快、工作温度高等。

鉴于上述铅酸蓄电池种种损坏的迹象，根据铅酸蓄电池的工作原理，笔者设想一种微电脑铅酸蓄电池工作状态监测系统，它可以非常准确地向蓄电池的使用者作出工作状态的预报，设置紧急报警，避免因蓄电池损坏造成巨大损失。

3.1 蓄电池温度监测法

给蓄电池组中的每一块电池均贴上温度传感器，同时在蓄电池工作空间再设置一个环境温度传感器。将采集到的温度信号通过专用的模数转换卡变成数字量送入计算机。通过严格标定后，让计算机进行各种比较，预报各单体电池的工作温度，以此作为判定蓄电池工作状态的依据。

3.2 各单体电池在线工作电压增量比较法

为蓄电池组中的每一块单体电池装蓄电池工作电压增量传感器。并把蓄电池端电压增量信号通过专用的模数转换卡送入计算机。端电压超出正常值者，即为快要失效的电池。

3.3 电解液酸度实时监测法

把蓄电池组中的每一块单体电池装蓄电池电解液酸度传感器。并把蓄电池电解液酸度降低信号通过专用的模数转换卡送入计算机。电解液酸度降低超出正常值者即为快要失效的电池。

以上三种监测方法可通过计算机进行综合分析，准确判定蓄电池的工作状态，进而做出准确失效预报。