浅谈卷绕式铅酸蓄电池

2018-03-20戴增实

汽车实用技术 2018年5期

戴增实

（泉州市一鸣交通电器有限公司，福建福州 362008）

前言

电池是一种把物质的化学能源转化为电能的设备，可以作为设备的动力能源，也可以作为设备的储备能源。随着科技的不断进步发展，新兴电子产品便如雨后春笋般相继问世，使得电池的用途也变得越来越广泛。

目前，市场上的电池种类较多，且形态也各有不同，为适应不同用途，其性能也大不相同。因此，电池的种类划分方式很多，按电池所用正、负极材料的类型可分为铅酸蓄电池、镍铬蓄电池、锂离子电池；按其用途可分为电动车用蓄电池、汽车动力用蓄电池、通信及固定储能用蓄电池；按使用电解液的类型可分为酸性电池、碱性电池和中性电池。铅酸蓄电池电池正极材料主要为活性物质二氧化铅，负极活性物质为金属铅，电解液为高浓度的硫酸溶液。铅酸蓄电池可以分为两大类，一类为注水式铅酸蓄电池，另一类为阀控式铅酸蓄电池。前者价格低廉，但需要经常维护，补充电解液；后者通过安全控制阀自动调节密封电池体内在充电或工作异常时产生的多余气体，免维护，更符合电动汽车的要求[1]。卷绕式铅酸蓄电池便属于阀控式密封铅酸蓄电池，是普通阀控式密封铅酸蓄电池一种升级版本，可简称为卷绕式电池。

下面，我们就从卷绕式铅酸蓄电池的结构、工作原理、优点、技术难点等四个方面来对其逐一进行阐述。

1 卷绕式铅酸蓄电池的结构

普通阀控式密封铅酸蓄电池（平板电池）由正、负极板，隔板，安全阀，电解液等组合而成。根据电池容量的不同，所使用的正负极板的片数也不同。普通阀控式密封铅酸蓄电池（平板电池）的结构如图1所示。平板电池极板采用涂浆式极板，活性物质涂在特制的铅钙合金骨架上，正负极接线端子使用铅合金，并采用全密封式结构。平板电池极板的生产，冲网工艺从冲网板栅、涂板开始就进行单片化的作业，固化、分板、配组、装槽、焊接都是建立在单片的基础上作业，而焊接后的极群，又成为一个集体组合。即走过了一个从分到和的过程，这个过程正是电池生产的核心部分，产品的质量很大程度取决于此过程的制造质量。电池盖子上安装有单向排气用的安全阀，当电池内部因发生化学反应时产生的气体量超过一限定的压力值时，安全阀便会自动打开，排出多余的气体，当安全阀所受的内外压力恢复平衡，达到其正常值后，便会自动关闭阀门，防止了电池内部的水分蒸发[2]。

图1 板式电池的结构图

卷绕式铅酸蓄电池是一种性能良好，比能量高，安全可靠的铅酸蓄电池。在西方少数发达国家常应用于军事。该类电池在军事测试中，即使被子弹击穿后仍可以快速启动配套的军事装备。卷绕式铅酸蓄电池结构如图2所示。卷绕式铅酸蓄电池采用很薄（通常为1mm左右）、柔软的铅箔或冲成网眼的栅箔作为极板的基片（板栅），然后涂上铅膏，形成正负极板。为克服机械强度减小的缺陷，将正极板、隔板、负极板交替叠放，并紧紧地卷绕成螺旋状的卷，放入圆筒状的电池槽中，并使用固态酸作为其电解液，电极板和固态酸捆绑并卷起来做成了独特的螺旋式卷绕，进而制成电池单体为圆柱形的卷绕式铅酸蓄电池。

图2 卷绕式铅酸蓄电池结构

2 工作原理

卷绕式铅酸蓄电池的工作原理主要是放电时，将电池内的化学能源转化为电能供给外用设备，充电则相反，将电池的电能转化为化学能源。具体工作原理如下：

2.1 铅酸蓄电池放电过程的电化反应

卷绕式铅酸蓄电池放电时，在蓄电池的电位差作用下，负极板上的电子经负载进入正极板形成电流。同时在电池内部进行化学反应。负极板上每个铅原子放出两个电子，正极板的铅离子得到来自负极的两个电子后，变成二价铅离子与电解液中的硫酸根离子反应，在极板上生成难溶的硫酸铅。正极板水解出的氧离子与电解液中的氢离子反应，形成稳定物质水。电解液中存在的硫酸根离子和氢离子在电力场的作用下分别移向电池的正负极，在电池内部形成电流，整个回路形成，蓄电池向外持续放电。放电时硫酸浓度不断下降，正负极上的硫酸铅增加，电池内阻增大（硫酸铅不导电），电解液浓度下降，电池电动势降低。

2.2 铅酸蓄电池充电过程的电化反应

卷绕式铅酸蓄电池充电时，在外接直流电源的作用下，正、负极板在放电后生成的物质将恢复成原来的活性物质，并把外界的电能转变为化学能储存起来。在正极板上，在外界电流的作用下，硫酸铅被分解为二价铅离子和硫酸根负离子。由于外电源不断从正极吸取电子，则正极板四周游离的二价铅离子不断放出两个电子来补充，变成四价铅离子，并与水继续反应，并在正极极板上生成二氧化铅。在负极板上，在外界电流的作用下，硫酸铅被分解为二价铅离子和硫酸根负离子，由于负极不断从外电源获得电子，负极板四周游离的二价铅离子被中和为铅，并以绒状铅附在负极板上。电解液中，正极不断产生游离的氢离子和硫酸根离子，负极不断产生硫酸根离子，在电场的作用下，氢离子向负极移动，硫酸根离子向正极移动，形成电流。充电后期，在外电流的作用下，溶液中还会发生水的电解反应。

3 优点

与普通阀控式密封铅酸蓄电池（平板电池）相比，卷绕式铅酸蓄电池采用了纯铅或铅锡合金作为板栅材料，较柔软，利于卷绕，且比普通铅酸电池一般采用铅锑合金或铅钙合金更耐腐蚀。使用的极板很薄，每片极板有多个极耳，电极比表面积大，电流分布均匀，有利于提高活性物质利用率，且大电流充放电性能好。电极设计成卷绕结构，装配压力大，是AGM阀控式铅酸蓄电池的两倍，消除了电极上活性物质的脱落现象，同时解决了电解液分层的问题。槽为圆柱形，电池的开阀压力大，正负极板间距小，有利于提高密封反应效率，失水速度小，且有优良的耐过充性能[3]。上述特殊的工艺手段和先进的制造技术，使得其性能以下诸多优点[2]：

（1）卓越的高低温性能

卷绕式铅酸蓄电池拥有比普通电池高 2～3倍的电极表面积，极大的降低了内阻，使电池在低温下也能进行正常充电，且低温下没有液态酸可以冰冻，因此也不存在输出电流随温度降低急剧减小的问题。高温下，冷轧纯铅板的高耐腐蚀性，以及圆柱形结构和高达50Kpa的开阀压力可以避免严重失水和膨胀变形，确保电池有很长的使用寿命。根据美国SAE检测标准，卷绕电池可在-55～75℃范围内安全快速启动和牵引汽车，而普通铅酸电池的工作范围在-5～40℃，由此可见，相对我国南方炎热天气和北方寒冷气候，使用卷绕电池可以更加安全可靠。

（2）大电流放电能力兙俥

卷绕式铅酸蓄电池由于釆用薄板技术，电极表面积大，因而具有高倍率放电能力，最高放电电流可达到 18CA，同种规格的卷绕式铅酸蓄电池与普通铅酸电池相比，卷绕式铅酸蓄电池启动功率要比普通电池高出4倍左右。

（3）安全系数极高

由于采用贫液设计，无游离电解液，电解液全部吸附在AGM隔板上，成为“固体电池”，因而在充放电、储存过程中可以任意方向放置，不用担心漏液问题。卷绕式铅酸蓄电池结构紧密、完全密封，不会产生任何有害气体，正因为具备如此之高的安全系数，因此可以在有人居住的封闭空间内使用。

（4）快速充电性能

普通电池内阻较高，充电时一部分充电电流转化为热能散失，且充电时间一般在6小时以上，而卷绕电池由于采用了超薄的卷绕式极板，电极表面积是普通铅酸蓄电池的 2～3倍，所以其内阻极低，因此基本可将充电电流全部接受，最大充电电流可达到6CA，一般充电时间在1个小时即可满充。由于板栅采用纯铅制作，副反应极低，因而可实现小电流充电，作太阳能储备电源时，阴雨天也可以达到90%以上的充电效率。

（5）超长的使用寿命

由于卷绕式铅酸蓄电池采用了薄板技术，活性铅表面积非常大，故其放电后的恢复能力也极强，C/5放电速率下，100%DOD可以达到350～400次，一般设计浮充寿命可以达到10年，在太阳能领域设计寿命10年。根据美国SAE标准，在J240测试中，卷绕式铅酸蓄电池启动次数在15000次以上，相比普通电池的2000～4000次，卷绕式铅酸蓄电池更显劲量十足的王者风范。

（6）优异的抗震性

普通电池极板是悬挂在电解液中，震动中铅膏易脱落。而卷绕式铅酸蓄电池采用的是螺旋卷绕技术，装配压力高，且酸为固态酸，故抗震性能特别优越。根据美国SAE标准，卷绕电池能耐4g震动12小时以及6g震动4小时后一点也不损伤。普通电磁最多能耐4g震动4小时以及6g震动1小时。颠簸和震动是导致蓄电池失效的主要原因之一。和常规蓄电池不一样，卷绕式铅酸蓄电池的储电介质为“固体”材料，另外采用了独特的“螺旋卷绕”技术来固定蓄电池内的组件，这是卷绕电池抗震抗摔性能比传统蓄电池高15倍的关键。在高强度震动测试环境下，卷绕电池的失效极限为9000小时，好一点的传统蓄电池在连续震动1950小时后就会失效，而普通的传统蓄电池不到300小时就完全失效。

4 技术难点

卷绕式铅酸蓄电池虽然具有上述许多优点，并且有广泛的应用市场，但其生产和制造还存在一些待解决的技术难点。比如：卷绕式蓄电池极耳的设计。通常极耳的位置是根据极板的厚度、隔板的厚度、隔板的压缩比、极群卷绕的压力等因素设计确定的，随着卷绕的进行，极耳间的距离也在加大，也就是说在平面上极耳的间距是不等距的。这就出现了一个问题，卷绕过程中，极板的拉长会使极耳的位置偏移。极板越薄，拉长的长度越大；拉力越大拉长的长度越大。极耳的设计是按正负板、隔板厚度均匀一致设计的，但实际上，正负板、隔板厚度的误差是存在的，有时还较大。卷绕过程中，极耳就无法完全到达指定的位置。极板上下侧的涂膏很难做到一致，薄厚不均也会产生极耳的偏移。还有，卷绕式蓄电池是高功率电池，新“启-停”功能汽车首选的技术与产品，解决电池的“动态充电接受能力”是开发新型“启-停”电池要解决关键技术问题。再有，如何提高卷绕式蓄电池的温度特性，需研发新型耐高温板栅合金，可提高电池在高温下的使用寿命，并开发出新型高效低温启动电极活性物质添加剂，进而提高低温和超低温下的电池启动性能等技术难点。