催化栓对VRLA电池高温浮充性能的影响

刘桃松，党志敏，顾越峰，谢云强

(浙江南都电源动力股份有限公司，浙江 杭州 311305)

催化栓对VRLA电池高温浮充性能的影响

刘桃松，党志敏，顾越峰，谢云强

(浙江南都电源动力股份有限公司，浙江 杭州 311305)

比较安装和未安装Pd-C催化栓的浮充型GFM-600阀控式铅酸(VRLA)电池的高温浮充性能。安装催化栓后，电池的高温(55 ℃)浮充(2.25 V/只)电流下降约50%，失水量减小约65%，寿命得到延长。

催化栓； 高温浮充； 阀控式铅酸(VRLA)电池

电信运营商对基站的节能减排越来越重视，希望将阀控式铅酸(VRLA)电池的使用温度从25 ℃提高至35 ℃，或直接将电池组置于更高工作温度的室外机柜中使用，因此要求VRLA电池在高温环境下具有理想的浮充寿命。在25 ℃时，VRLA电池浮充正极产生的O2通过隔板中的缝隙扩散到负极铅表面，并与活性物质铅复合，在电池内实现氧循环[1]，使电池的长期免维护使用成为可能。由Arrhenius方程可知，温度每提高10 ℃，化学反应速度就会加倍，电池内部的氢氧析出过电位下降，析气量增加，失水增加，易造成热失控[2]。

运用催化技术，可将VRLA电池内未复合的O2和聚集的H2催化生成水[3]，返回到电池中，具有减少电池失水、减少氧复合及防止硫酸盐化等优点，使电池进入良性循环[4]。

本文作者将GFM-600电池分为2组，一组电池安装催化栓，另一组不安装催化栓，研究催化栓对电池高温(55 ℃)浮充(2.25 V/只)性能的影响。

1 实验

1.1 实验材料

实验电池为本公司生产线上挑选的初期容量、质量均相近的GFM-600电池。

实验用的催化栓为本公司自制，直接安装在电池排气阀下端[5]。催化栓以Pd作为催化剂，高比表面积的活性炭为载体；滤汽片将催化剂与电池内部的液体隔开；H2、O2气体按照设计的速度透过滤汽片，与催化剂表面接触，被催化成水，以水蒸气的形式透过滤汽片，返回到电池内部。

1.2 实验方案

按IEC 60896第21部分《固定铅酸电池阀控型测试方法》16.6节《电池高温加速浮充电循环寿命耐久性试验》[6]的要求：3只电池串联为一组，第1组每只电池安装1个催化栓；第2组为对比电池。两组电池同时置于55 ℃高温箱内，用CT2001B电池测试系统(武汉产)对电池组进行6.75 V(单体电压为2.25 V)浮充，以42 d为1次循环，共进行10次循环。实验过程中，记录电池的浮充电流，计算每次循环的平均浮充电流。

两组电池浮充电流稳定后，用TT-J-30热电偶(英国产)和TC-08温度记录仪(英国产)测量并记录表面温度，用自制Ag/Ag2SO4参比电极对电池的正、负极电位进行测试。

每次循环结束后，将电池在25 ℃下静置24 h，用电子秤对电池进行称重，计算不同循环次数后电池的失水量；之后，对电池进行容量判定，测试条件：25 ℃下，以60 A(I10)恒流放电，终止电压为5.40 V(单体电压为1.80 V)。

10次循环结束后取出催化栓，在背部中间打一个Ф=0.5 mm的孔，将热电偶插入催化栓内部中心位置，用耐高温硅胶密封催化栓与热电偶之间的缝隙。新的催化栓按同样的方法安装热电偶后，与试验后的催化栓放置在同一个容器中，向容器内通入过量的混合气体[v(H2)∶v(O2)=2∶1]，进行满负荷催化反应。用温度记录仪测量并记录内部的温度，比较催化栓的活性。

2 结果与讨论

2.1 电池高温浮充失水

电池经过10次循环实验，每次循环后对电池进行称重，失水量如图1所示。

图1 电池浮充电失水曲线

从图1可知，安装催化栓的电池累计失水151 g，对比电池累计失水366 g。在每次循环后，安装催化栓的电池失水比对比电池平均减少65%。电池安装催化栓后，直接将部分H2和O2催化生成水后返回电池内部，使电池的失水减少，同时降低了电池内部压力，减少了开阀次数，也减少了失水。

2.2 电池正、负极电位

电池浮充电流稳定后的正、负极电位见表1。

表1 正、负极电位

从表1可知，安装催化栓的电池，正、负极电位比对比电池平均低0.052 V。催化栓将部分H2和O2气体催化生成水，减少了O2在负极的复合，负极电位向负向偏移，在浮充电压不变的情况下，正极电位与负极电位一起，向负向偏移。

2.3 电池表面温度

浮充电流稳定后电池的表面温度见图2。

图2 电池表面温度曲线

从图2可知，安装催化栓电池的表面温度比对比电池低1.0～1.5 ℃。安装催化栓后，正极电位下降、析氧减少，负极氧复合也减少，导致温度下降。

2.4 电池高温浮充电流

记录电池每次循环的浮充电流，结果见图3。

图3 浮充电流曲线

从图3可知，安装催化栓的电池，浮充电流稳定在1.2 A左右，而对比电池的浮充电流稳定在2.4 A左右，安装催化栓后，可降低浮充电流约50%。

安装催化栓后，正、负极电位向负向偏移，正极氧析出减少、正极的腐蚀减少；负极氧复合减少、氢析出略有增加。

i浮=iO2析+i腐=iO2还+iH2析

(1)

式(1)中：i浮为电池浮充电流，iO2析为正极氧析出电流，i腐为正极板栅合金腐蚀电流，iO2还为负极氧还原电流，iH2析为负极析氢电流。由式(1)可知[7]：电池在浮充状态时，活性物质转化基本完成，充入的电流i浮主要用于内部的副反应，即正极为iO2析、i腐，负极为iO2还、iH2析。安装催化栓后，O2析出减少，即iO2析减小；正极板腐蚀减少，即i腐减小，因此浮充电流i浮减小；同理，安装催化栓后，负极氧复合减少，即iO2减小，析氢速度略微增加，即iH2析略微增加，因此i浮减少。综上所述，安装催化栓后，浮充电流减小。

安装催化栓可减少失水、减少负极氧复合、降低电池温度，并防止电池发生热失控，有利于降低浮充电流，使电池处于良性循环状态。

2.5 电池高温浮充寿命

统计电池每次循环后的容量(即时间)，结果见图4。

图4 电池放电时间曲线

从图4可知，在相同的放电电流下，安装催化栓的电池的放电时间长于对比电池。安装催化栓后，失水减少、浮充电流下降，导致电池的容量衰减变慢。

2.6 催化栓寿命

经过10次循环实验后，催化栓在满负荷工作条件下的活性对比见图5。

图5 催化栓满负荷工作温度曲线

从图5可知，用过的催化栓内部温度在短时间内升高，但经过24 h连续工作后，内部温度略低于新的催化栓，说明催化栓未出现明显的毒化、老化等失效现象。

3 结论

在高温环境下，VRLA电池浮充电流大、失水快、浮充寿命短，电池甚至会有热失控的风险，难以达到技术要求和客户指标。电池中安装的催化栓，能将内部的部分H2、O2催化生成水再返回电池内部，可减少电池失水，降低电池内部温度，防止热失控，减缓电池容量衰减，延长电池寿命，特别是延长了电池在高温环境下的使用寿命。

[1] HUA Shou-nan(华寿南)，ZHU Jiao-wei(朱教伟)，WANG Ping(王平). VRLA电池的AGM隔板和氧传输[J]. Battery Bimonthly(电池)，2005，35(2)：141-143.

[2] ZHU Quan-yin(朱全印). VRLA电池早期失效的研究与改进[J]. Battery Bimonthly(电池)，2005，35(4)：308-309.

[3] LI Shu-jun(李树俊). 内催化VRLA 电池用催化剂选择的探讨[A]. The 8th China Electro Technical Society Academic Con-ference(中国电工技术学会第八届学术会议论文集)[C]. Beijing(北京)，2004. 239-240.

[4] MISRA S S，NOVESKE T M，MRAZ S L，etal. The role of recombination catalysts in VRLA cells[J]. J Power Sources，2001，95：162-173.

[5] LIU Tao-song(刘桃松)，WU Xian-zhang(吴贤章)，CHEN Jian(陈建)，etal. 一种铅酸蓄电池用的安全催化阀[P]. CN：ZL201210321438，2015-04-01.

[6] IEC 60892-2004，International Electro Technical Commission International Standard[S].

[7] BERNDT D，TANG Jin(唐槿). 免维护铅酸蓄电池[M]. Beijing(北京)：Science and Technology of China Press(中国科学技术出版社)，2001. 312-316.

Effect of catalytic plug on high-temperature performance of VRLA battery under floating-charge duty

LIU Tao-song，DANG Zhi-min，GU Yue-feng，XIE Yun-qiang

(NaradaPowerSourceCo.，Ltd.，Hangzhou，Zhejiang311305，China)

The high-temperature floating-charge performance of floating-charge type GFM-600 valve regulated lead-acid(VRLA)batteries with or without Pd-C catalytic plugs was compared. By using catalytic plugs，the high-temperature(55 ℃)floating charge(2.25 V/cell)current was decreased by about 50%，the water loss was reduced by about 65%，the cycle life was prolonged.

catalytic plug； high-temperature floating charge； valve regulated lead-acid(VRLA)battery

刘桃松(1982-)，男，四川人，浙江南都电源动力股份有限公司材料研究室主任，工程师，研究方向：铅酸蓄电池新材料、新工艺和新技术，本文联系人；

TM912.1

A

1001-1579(2016)06-0332-03

2016-06-08

党志敏(1984-)，女，湖南人，浙江南都电源动力股份有限公司材料工程师，研究方向：铅酸蓄电池新材料、新工艺和新技术；

顾越峰(1984-)，男，辽宁人，浙江南都电源动力股份有限公司海外及EPC工程事业部副总经理，工程师，研究方向：新能源电池；

谢云强(1982-)，男，浙江人，浙江南都电源动力股份有限公司储能事业部结构设计主管，工程师，研究方向：新结构、新工艺开发。