蓄电池原理与活化技术探讨

王德超

摘 要：本文从蓄电池的基本构造和原理出发，阐述有关电池使用的基本知识，探讨蓄电池失效原因，利用电池活化技术，延长蓄电池的使用寿命。

关键词：蓄电池；失效；電解液；板栅；硫酸盐化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.007

0 引言

技术进步、社会发展，使人们能够经常接触普遍使用电子设备附带的配件蓄电池，如手机镍氢电池在长期循环使用中电池容量会逐渐减少，电池老化后会膨胀变形，或因充电时间过长造成电池发热、膨胀、少数的也会发生爆炸。而电动自行车阀控密封铅酸蓄电池（VRLA），在第一次使用时应先将蓄电池充电到电量显示充满，防止在存放中电池组或单体自放电形成亏电，进行第一次均衡充电后应使用至电池电量显示为空，第二次蓄电池充电时应将蓄电池放置在25℃环境温度下进行充电并记录整个充电周期使用时间（T），目的是测试与评估一次满容量蓄电池的电动车行驶使用的放电最长时间和电池最长充电周期时间（T），以后每次充电时间不得大于测试充电周期时间（T）。夏天避免在阳光下存放、充电，尤其是蓄电池循环使用一段时间，当电量用空再进行充电时，极容易造成达不到充电器自动停止的最小电流而长时间给蓄电池充电，使电池发生热失控、失水、甚至少数的也会自燃。这是电池充电器设计上的缺陷，所以蓄电池在达到最长充电时间（T）时必须注意切关断充电电源停止充电，即能防止蓄电池过充，缩短或影响电池的使用寿命，又是避免蓄电池发生自燃最有效的方法。在深入思考人们会想蓄电池应该怎样使用，注意什么问题，才能确保安全、可靠、方便，并合理延长电池使用寿命。电池自燃、爆炸是产品厂家努力克服的问题，因为单独分析充电设备或蓄电池它们本身单独分析都不存在质量问题，而它们配套组合使用后才会发生，是系统设计存在缺陷，或是使用过程中出现尚未克服。这就需要使用与维护蓄电池人员必须尽量多的学习蓄电池知识。

1 蓄电池概述与原理

1.1 常用循环使用的电池

铅酸电池（Lead-acid）：1859年、镉镍电池（NiCd）：1960年、镍氢电池（NiMH）：1989年、锂离子电池（Li-Ion）：1991年、聚合物锂离子电池（Pl-Ion）：1999年使用。而我们讨论的阀控密封铅酸蓄电池（VRLA），因它本身特性：储电容量与放电电流大、稳定性与可靠性高、维护工作量小、使用方便，目前广泛应用于通讯、金融、铁路、电力领域。

1.2 阀控密封铅酸蓄电池（VRLA）工作原理

阀控密封铅酸蓄电池由正极、负极、电解质、隔离物、安全阀、容器组成，其中正极板活性物质二氧铅、负极板活性物质海绵絮状铅、在稀硫酸电解质中发生电化学反应，电位高的正极与电位低的负极之间产生电位差，当外电路接通后电流从正极经过外电路流向负极。 放电与充电化学反应方程：

充电：PbSO4+2H2O+ PbSO4=PbO4+Pb+2H2SO4 （电解池）

放电：PbO2+Pb+2H2SO4=PbSO4+2H2O+ PbSO4 （原电池）

阳极：PbSO4 + 2H2O- 2e = PbO2 + 4H+ + SO4?‐（充电）

阴极：PbSO4 + 2e ‐= Pb + SO4? （充电）

负极：Pb + SO4?‐- 2e= PbSO4 （放电）

正极：PbO2 + 4H+ +SO4?‐+ 2e = PbSO4 + 2H2O （放电）

2 蓄电池容量与失效探讨

2.1 蓄电池容量特性的探讨

蓄电池充电时将电能转化为化学能进行电量储存，使用时通过放电形式又将化学能转化为电能对外提供电源。提供电源的多少即为蓄电池实际输出容量（C）用输出电流大小（Ⅰ）与持续供电时间（t）的乘积计算、C=∫0tIdt 。而蓄电池标注的额定容量是在规定的工作条件下蓄电池能够放出的电量，规定的条件为：电流Ⅰ是10小时率电流放电、电解质温度为25℃、放电终止电压1.8V（单体2V的蓄电池）。由此不难推断，使用中的蓄电池容量与不同的使用条件密切相关，它并不是一个恒定不变的容量。蓄电池标注额定容量，只是蓄电池在特定环境、特定负载、特定时间段上的一个特定测试值。实际使用中蓄电池放电容量并不能够与蓄电池标注额定容量相同，而人们在使用中甚至从事多年蓄电池维护人员都会将蓄电池标注容量与蓄电池使用中实际能够放出的容量容易混淆，形成错误的认识误区，结果导致蓄电池深度放电或过放电，最终造成蓄电池极板硫化、腐蚀变形、甚至造成蓄电池使用很短时间就会失效。

2.2 造成阀控铅酸蓄电池失效的因素分析

阀控密封铅酸蓄电池（VRLA）生产厂家介绍，蓄电池一般可使用10年以上完全实现了免除维护。同时从事蓄电池专业研究人员的书籍中根据阀控密封铅酸蓄电池原理、特性及制造工艺的改进分析论证了免维护可能性、先进性。比如设计安装安全阀建立蓄电池内部气密空间克服电池产生氧气积累内部过压，保证安全阀气压在10～49kPa打开，蓄电池内部减压后自动关闭，减少蓄电池失水，防止电池内部过压壳体膨胀。然而令人感到困惑的是蓄电池在实际投入使用后3、4年或更短的时间蓄电池就会出现储存容量下降至额定容量的40﹪～50﹪甚至完全失效。为寻求有效克服蓄电池储存容量下降办法，查阅学习了大量相关资料并结合多年使用与维护经验，经反复试验分析造成蓄电池失效的主要原因归纳为产品生产技术与工艺的不同，使用机房环境温度，供电负载大小，维护观念与方法的差异都是影响蓄电池储存容量下降的直接因素，具体表现为蓄电池正极板栅腐蚀、电解液失水过大、负极硫化。其中维护方法影响电池容量的是使用中负载过大造成电池失水或过小会使电池活性物质硫化、电池深度放电或过放电、电池长时间不放电、电池充电参数设置不合理如均衡充电电压过高或浮充电压过低、均衡充电时间过长。

3 蓄电池活化技术探讨与应用

3.1 脉冲充电技术

蓄電池充电方式通常有浮充充电与均衡充电都是在电池没有放电的条件下补足电池自放电的电量或为均衡电池电压进行均充充电，其缺点不能有效激活电池极板的活性物质，电池长时间处于浮充状态，容易造成电池板栅不同程度的硫化。脉冲充电方式通过短时间放电与均衡充电相结合，均衡电压与大电流作用于蓄电池可以有效消除极板硫化提高电池容量。根据通通信机房蓄电池使用时间判断电池容量损失程度，电池投入使用两年、机房停电次数较少、供给负载与蓄电池10小时（H）放电率比较负载较小。一般都会出现落后电池或单体浮充电压不均衡，放电时容量小于80%，如果不进行维护就会影响整组中其它单体偏离标准浮充电压。由于电池组使用时间较短各单体板栅硫化颗粒较小，脉冲充电方法很容易激活板栅活性物质。具体操作方法：将高频开关电源充电电流设置为5小时充电率大小，假负载大小设置为电池5小时放电率大小，并连在电池组输出端，关断高频开关电源交流电源利用电池放电给通信设备与假负载供电15分钟再接通高频开关电源交流电源给蓄电池充电10分钟为一个周期循环，放电时间大于充电时间便于极板活性物质向深层活化。经过反复几个周期循环就能有效的激活整组各单体的板栅活性物质，落后单体电池也能有效恢复。利用脉冲活化技术对电池进行每2年一次脉冲充电，基本能够保证电池使用寿命。

3.2 添加电解液与脉冲充电技术

VRLA蓄电池失水是影响电池寿命的主要因素之一，电池失水的原因：电池投入使用较长时间，蓄电池经常深度放电、机房环境温度较高、放电电流大、安全阀失效。电池失水的具体表现：电池放电电压下降快放电特性差、充电电压上升快、大电流充电单体温度偏高、浮充电压偏低。电池失水都伴随单体板栅硫化（下一篇单独探讨电池硫化现象）与极板腐蚀。电池活化具体操作：从安全阀孔注入电解液，电解液浓度低于0.5～1.0g/cm3、添加电解液每100AH为单位加注30～50ml（毫升）、应该注意的是先将电池侧放单侧板栅顶部添加一半电解液静置后再添加另一侧，有助于电解液在电池各板栅均匀吸收。第二步脉冲充电，利用高频开关电源单独给电池充电，放电利用假负载进行，对于蓄电池容量恢复有很好的效果。

4 结语

本文主旨对于蓄电池使用者阐述蓄电池充电要求，注意事项。与蓄电池研究或维护者探讨蓄电池寿命延长技术措施。目的是降低企业投入成本，减少对环境污染。

参考文献：

[1]（德）D.Berndt，唐槿.免维护蓄电池[M].北京：中国科学技术出版社，2001（07）.

[2]（保）德切柯·巴普洛夫，段春喜，苑松.铅酸蓄电池科学与技术[M].北京：机械工业出版社，2015（05）.

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