浅谈铅酸蓄电池的失效及修复

庞立江，孟立辉

（石家庄理工职业学院，河北石家庄 050228）

浅谈铅酸蓄电池的失效及修复

庞立江，孟立辉

（石家庄理工职业学院，河北石家庄 050228）

本文介绍了铅酸蓄电池的优缺点、工作原理、失效形式及失效修复的有效方法。通过化学法对失效的铅酸蓄电池进行有效修复，恢复了电池容量，延长了电池的使用寿命，大大提高了能源的利用效率。

电池活化剂；硫化；正极软化

引言

人们在选购电动自行车时往往关注外观，工艺及电动车本身的性能，其实最关键的是电动车的电池。我国电动自行车主要采用铅酸蓄电池，目前市场上电池品牌很多，质量和性能都有所不同，作为不太熟悉电池原理的使用者，由于日常使用中过充、过放、不及时维护、强烈振动等不当措施，常会在无意中损耗电池的性能。从维护角度讲，若使用后不及时充电，或停放几天再充电，或每次没有充足电，则电池寿命将会大为缩短。由于铅酸电池本身的弱点及人为的使用、维护不当，使用中常会出现容量下降的问题。

近年来对于可充电的二次电池已研制了好几种，如镍氢电池、锂电池、镍镉电池、电容电池等，不过技术成熟，价格便宜的仍是铅酸蓄电池，因而铅酸蓄电池仍被国民经济各领域普遍采用。

1 铅酸蓄电池的优缺点

铅酸蓄电池已有100多年的历史，也是目前电动自行车的主导电源，它的主要优点是价格低，放电倍率可达3～5倍率（倍率指电池放电时的放电电流数值是额定容量的倍数，如0.1c （0.1是倍率，c是容量，单位是安时），对于120AH电池，放电电流为0.1×120=2A，另外铅酸电池使用温度为-40℃～+60℃，电能效率为60%，无记忆效应。[1]

铅酸蓄电池缺点：比能量低（35wh/kg），(锂电池为150wh/kg)，与其它同等体积电池相比，其重量大，使用寿命短，一般电动自行车使用前半年电量充足，后半年电池容量大大衰减，一年就得更新了，理论上是300次充放电循环。电池内电解液易分离，易发生热失控，导致电池变形，铅酸蓄电池自放电损失每天1%～2%，即一个月一个12V-100AH的电池电能容量将损失一半，同时报废的铅酸蓄电池对土壤污染严重。

2 铅酸蓄电池的工作原理

电池充电是将电能变成化学能，放电是将化学能变成电能。铅酸蓄电池负极板为纯铅，正极板为二氧化铅，正负极板相间配对，中间有防止短路的隔板（隔板可使电解液通过），每对为一个电池单元，其电压为2V，电动自行车一块电池6个单元为12V，三个大电池串联为36V，或四个串联为48V，当然作为车用动力电池，从工艺上做了许多改进，使比能量提高，寿命增加，铅酸蓄电池的电解液是纯净硫酸与蒸馏水的混合溶液，相对密度为1.29g/ml～1.30g/ml，其充放电化学方程式为：

电池放电使正负极都变成了硫酸铅，硫酸浓度变低，而充电后，正负极板又都还原为原来的物质。硫酸浓度增加，若放电后不及时充电或电池长期处于充电不足的状态下工作，则极板会严重硫化，使活性降低，容量下降。

3 铅酸蓄电池的失效及修复

用户骑行中若电量不足、车速减慢，用户误认为电动车已设置欠压保护，此时用户通常不关掉开关，仍继续行驶，或者松开手把后，用脚蹬几圈，电压又恢复至33V～34V，此时用户一扭调速手把，电动车瞬间产生大电流冲击使车前行。然而此时产生的是虚电压，反复几次电池电压会下降至单个10V以下，电池就严重损坏了。对于已损坏的电池能否修复呢?或者一个容量降低的电池如何延长其使用寿命呢？这是广大用户十分关注的问题。

3.1 铅酸蓄电池常见的失效形式

按电动车电池国家标准（JB/T10262-2001）规定，容量低于标称容量70%为失效电池。电动车电池失效的形式主要有：失水、硫化、阳极软化。一般电动车新电池使用6个月开始失水，8个月开始硫化，10个月阳极板软化，深度腐蚀。蓄电池失效的原因各异，分析铅酸蓄电池常见的失效形式，可以为失效电池进行有效修复提供依据。

3.1.1 失水

由于电池制造的不一致性，串联使用时，经过若干次充放电循环后，容量端电压及内阻相对变差的电池成为落后电池，充电时按正常情况给串联电池充电，致使有的过充、有的欠充，在充电容量达到80%左右时，正极板折出氧气，氧气通过隔板中的孔，到达负极，在负极板上进行氧复合反应，产生热量。当充电容量达到90%时，氧气发生速度增大，负极开始产生氢气。另一方面当充电电压高于规定值时，使电池析气量增加。大量气体的增加使安全阀打开，气体溢出，表现为失水，失水后电池内阻增大，充放电过程中发热量增大，温度升高，当电池盒内温度＞80℃时，产生“热失控”导致电池热变形。

3.1.2 硫化

铅酸蓄电池在正常使用条件下，放电后正负极板上硫酸铅是松软的活性小结晶物质，充电时又很容易还原成二氧化铅和海绵状的铅。如果电池过放电或不及时充电，负极板上的松软物质变为坚硬颗粒粗大的白色硫酸铅晶体，体积膨胀，活性物质的微孔被堵塞，使电解液带电离子难以通过微孔深入物质内进行电化学反应，在极板表面形成硬的厚膜，增加了电阻，这时极板成为不可逆变的物质，称为硫化。极板硫化后，容量大幅度下降，表现为电池充电时很快达到终止电压上限，放电时又很快达到终止电压下限，即“一充就满，一放就完”。

3.1.3 阳极软化

软化原因：（1）上坡时启动，大电流放电，超载运行。（2）深度放电。（3）大电流充电，充电器不匹配。正极板是氧化铝，又分为α－PbO2和β－PbO2，α－PbO2相当于树枝，β－PbO2相当于树叶，它依附在α－PbO2骨架上，正常情况下，仅β－PbO2参加化学反应，深度放电时，α－PbO2也参加反应，形成硫酸铅，这样α－PbO2会大量减少，树枝的支持作用破坏，活性物质脱落，这就是正极板软化，出现软化后多孔结构被破坏，降低了参与化学反应的面积，电池容量下降。[2]

3.2 失效的铅酸蓄电池的修复方法

铅酸蓄电池电性能失效的常见修复方法可分为化学法和物理法，两种修复效果都很好，既经济节约又绿色环保。本文主要介绍化学法修复电性能失效的铅酸蓄电池。

3.2.1 纳米碳溶胶蓄电池活化剂的活化机理

电池由于长期搁置不用，或长期欠充电会导致活性物质主要是负极活性物质的硫化失效，容量衰减，内阻变大，充电困难，通过激活的方式可重新使用，这个过程叫活化。当把纳米碳溶胶电池活化剂加入到电性能失效的铅酸蓄电池内部后，在电场作用下活化剂中的炭颗粒均匀的吸附在极板表面，并进一步渗透到电极内部，形成保护膜。可防止极板活性物质脱落和极板硫化，并使钝化的硫酸盐物质恢复活性，并崩解不可逆硫酸盐结晶，打通隔膜离子通道，激化电池活性物质，降低了电池内阻，增加了电极导电性，电极结构强度得到了提高。同时纳米碳和电解液中的水分子两者间的水合作用形成C-H链，故能减少电池析氢量，减少电池失水，提高电荷保持能力，电池在充放电时，电能与化学能之间转换得到改进，提高了充放电效率，电池容量得到恢复，同时使铅酸蓄电池的各项性能指标大幅度提高。[3]

3.2.2 纳米碳溶胶蓄电池活化剂的使用方法

（1）先将电池单体放电至电池终止电压；（2）撬下电池面盖，用力拧开排气阀；（3）用注射器注入纳米碳溶胶蓄电池活化剂。对于失水严重的电池加入纳米碳溶胶蓄电池活化剂之前还要先加入浓度为5%~10%的稀硫酸电解液，补加的电解液量应控制在上下液面线之间偏上线的位置。（4）加入纳米碳溶胶蓄电池活化剂后摇动均匀，然后旋入排气阀，盖上电池面盖，在面盖边缘涂上胶水，放置30分钟~60分钟，立即对修复旧电池以大电流充电（大电流指大于正常充电电流50%左右的电流）以便使纳米石墨在电场作用下尽快吸附到电极里面，大约充进40%左右电量，再进行正常充电，充电后再放电一次，即可正常使用，一般对于剩余容量30%的电池可恢复到容量90%以上，若达不到上述要求，可重复进行七到十次充放电的操作。[3]

3.2.3 纳米碳溶胶蓄电池活化剂的使用效果

纳米碳溶胶蓄电池活化剂的使用效果为：（1）新铅酸蓄电池容量可增加10%-20%。（2）延长电池寿命1倍以上。（3）提高电池充放电接受能力达到15C（国标3C，C表示电池容量，表示电池以一定的电流放电至规定的电压值时，电流与所放电时间的乘积I*T=C，单位安时）。（4）节省50%的充电时间。（5）28天达到100%的电荷保持能力。（6）低温启动能力可达-50℃。

应用实例如下：

河南省开封市有家电动车维修部曾做过1次试验，将1个使用了两年的旧电池，（在充满电状态下只能行驶5km~7km）充入纳米碳溶胶活化剂，该旧电池驱动电动自行车行驶了96分钟。

经河南省电源中心检测一个已充放电550次的电池，经使用纳米碳溶胶蓄电池活化剂后又用了4年，且符合国家技术标准。

某机务段一辆内燃机车的起动电池，NG462型铅酸蓄电池未加入活化剂前电容量为178AH，向3个NG462型铅酸蓄电池每个单体内注入200毫升纳米碳溶胶活化剂后，经三次充放电，容量恢复到267AH，相当于电池容量增加了百分之五十。

3.2.4 纳米碳溶胶铅蓄电池活化剂的适用范围

对于冬天电动车续航乏力，行驶里程逐渐减少。电池极板硫化，造成充电不足，电池容量严重下滑，板极活性物质松弛、脱落，达不到额定容量，6个月至8个月后缺水、硫化、软化等故障，使用纳米碳溶胶蓄电池活化剂均可得到解决。

4 结论

铅酸蓄电池修复技术是有价值并值得推广应用的新技术，它克服了铅酸蓄电池的使用缺点，节省了使用者购置新电池的经费支出，延长了电池的使用期限，同时增强新电池动力。纳米碳溶胶蓄电池活化剂解决了电动车行驶路程短、修复麻烦及更换新电池价格高等问题，纳米碳溶胶蓄电池活化剂使用方便，人人会操作，深受广大工薪阶层的青睐。同时，由于电池寿命延长，从而减少了因生产铅酸蓄电池造成的环境污染，体现了对建设环保型社会的理解和贯彻。开发和应用铅酸蓄电池修复技术大有可为。

[1]崔万安.电动自行车［M］.北京:机械工业出版社,2006

[2]张天星.电动自行车电器原理与维修［M］.成都:成都电子科技大学出版社,2009

[3]肖永清.汽车蓄电池的使用与维修［M］.北京:中国电力出版社,2005

TM912.1

A

JL01-0229（2015）02-0022-03

2015-03-06

责任编辑：李明亮

校对：栗笑彦

庞立江（1941-），男，汉族，天津市人，汽车工程学院教师，正高级工程师，主要从事摩托车和电动车的研究及机电专业教学。