VRLA電池模擬停電試驗的探討分析

1 引言

隨著鉛酸蓄電池在生產領域的廣泛應用，蓄電池在惡劣環境下的使用壽命已成為很多用戶判斷電池性能的一個標準。在電力供應緊張的當今社會，模擬停電壽命檢測更能滿足現實需要，準確判斷電池在實際的環境中的使用壽命，更好地衡量電池的產品性能和產品質量。

2 試驗方法

從50節抽樣母體電池中，隨機抽取4節12V80AH鉛酸電池。開始測試前，測試電池充滿電，在25℃環境下，4節電池串聯，10小時率的實際容量不低于額定容量（10hr-10.8V,C10≥80AH）。然后按下述方法進行測試（25℃）：

3 試驗結果

從上面兩個圖可以看出，經過模擬停電試驗，電池隨循環次數的增加失水逐漸嚴重，電池內阻逐漸增大，電池充電接受能力逐漸降低，容量也逐漸下降，最終失效。下面對電池失效的原因進行分析討論。

4 分析討論

對電池失效原因進行了分析，發現主要的影響因素有：正極活性物質蛻變及與板柵失去結合力、氣體復合效率、電池的內阻、電池失水、電解液的層化和隔板的影響、熱失控、酸的密度。

4.1 正極活性物質蛻變及與板柵失去結合力

電池在放電期間，PbO2到PbSO4的轉化經由溶解-沉積機理[1，2]，再充電時，PbO2以與放電前存在的PbO2輕微不同的形貌再沉積，隨著循環的進行，可能引起正極活性物質形貌的變化。被假定為連接PbO2顆粒的頸區慢慢變厚，導致顆粒間最終失去結合力。

隨循環次數的增加，活性物質的比表面降低，晶體微粒也隨循環次數的增加而增大，使得ß-PbO2逐漸與板柵失去接觸。并且隨活性物質的膨脹，PbO2顆粒間的導電性降低，因而膨脹使活性物質之間電阻增加，導致PbO2軟化，失去放電能力，并使電池容量下降。放電越深，活性物質的膨脹和容量的損失的趨勢越大。

在放電過程中，板柵和活性物質界面形成非導電層或低導電層，在板柵和活性物質界面引起高的電阻，這層高電阻層在充放電循環時發熱，使板柵附近正極板活性膨脹，導致正極容量下降。

4.2 氣體復合效率的影響

由于氣體復合效率不可能達到100%，負極總有少量的硫酸鉛存在，使負極長期處于非完全充電狀態，形成不可逆的硫酸鉛。在放電初期，小顆粒的硫酸鉛晶體生長變大，靜置時通過溶解-重結晶過程生長變大。隨著循環的進行，負極板上的硫酸鉛晶體顆粒變得越來越大，含量越來越高，負極板電位逐漸正移，容量逐漸降低，導致電池壽命終結。

4.3 內阻的影響

隨著循環測試的增加，電池正極板柵和負極板連接條的腐蝕使電池的金屬通道減少，金屬阻尼增大；板柵的增長使有效物質（涂膏）與板柵松動；部分活性物質硫化，導致活性物質減少，涂膏的電阻增加，硫化消耗掉部分硫酸，使電解液的電阻率變大；電解液的干涸使電池內阻相鄰板柵間的導電通道電阻增大，這些因素導致蓄電池中的歐姆極化、電化學極化、離子濃差極化的加劇，加重了蓄電池在充電過程中的氣體逸出和溫度升高。氣體逸出，在極板內造成壓力，使極板表面的活性物質容易脫落；溫度升高，極化電壓升高，壓降增大。同時，當電池一直處于欠充電狀態，不僅會在電池極板內部形成不可逆的硫酸鹽化，而且還會在活性物質和板柵之間形成高電阻阻擋層，使電池內阻增加，容量下降。當電池內阻值增大25%左右時，預示電池有潛在的故障；內阻增大50%左右時，電池已有嚴重故障，內阻增大100%及以上時，電池失效[3]。

4.4 電池失水的影響

4節電池串聯測試，當電池的一致性較差時，易造成容量累積性失效。在電池的制造過程中有很多環節會造成容量差異，各板柵重量差、鉛膏密度和重量差、電解液重量差、化成電流差，活性物質化學成分差造成容量的差異。只要有1節電池容量偏低，在幾十次充電循環以后，累計差值就會很大，每次充電這一節電池就會提前析氣，造成電解液慢性流失，電解液的散失造成VRLA的容量衰竭。同時引起水損失的原因可能有：氣體復合效率低；電池外殼的水蒸發；安全閥開閥壓力過低；正極板的腐蝕及負極板的自放電。大量的實驗表明，電解液每下降10%，電池容量就下降約20%；電解液下降20%，電池容量下降約50%。當電解液下降15%左右時，電池就被認為失效報廢[4]。

4.5 電解液的層化和隔板對壽命的影響

AGM超細玻璃纖維氈狀隔板是良好的隔熱材料，產生的熱量不易散發，溫升明顯。因隔板熱脹冷縮和隔板彈性疲勞的影響，隔板與極板間產生微觀裂紋，接觸不良，內阻增大，易產生熱失控和干涸現象，電池壽命下降。當負極板生成的鉛枝晶貫穿隔板與正極板，形成貫穿短路；當蓄電池完全放電，在電解液密度降低狀態放置時，負極板的鉛在電解液中溶解，沉積在隔板細孔中與正極板形成浸透短路。兩種短路均能使電池壽命提前終結。

AGM電池電解液的層化，不僅導致頂部的活性物質由于沒有足夠的硫酸而放不出應有的容量，而且因底部硫酸濃度過高而使板柵腐蝕加速和活物質的硫酸鹽化進而縮短電池壽命。

4.6 熱失控的發生

熱失控發生的主要原因是極板干涸。電壓和環境溫度是導致水損失的主要原因，當進行到幾十個循環后，電池一致性變的較差，出現落后電池。個別電池過度放電，個別電池充電電壓經常超過2.45V/單格，導致水損失，最終引起單格短路和極板干涸[5]。

4.7 酸的密度對電池的壽命影響

酸的密度高低，直接影響電池的開路電壓，充電接受能力和電池容量。在深循環模擬停電過程中，酸的密度影響正極板的腐蝕速率，軟化速率，負極板的硫酸鹽化速率。放電態時很低濃度的酸對板柵有害，很高濃度的酸增加析氣和產生活性物質硫酸鹽化的幾率。

5 延長蓄電池壽命的方法

蓄電池的容量恢復能力和壽命的長短，給蓄電池生產廠家和用戶帶來嚴重的經濟影響。通過下述方法，有助于延長蓄電池的使用壽命和改善容量恢復能力：

（1） 合適的電解液添加劑已成為改善鉛酸蓄電池性能的主要途徑之一[6]。電解液中的添加劑能增強電解液的電導，提高電池過度放電后的容量恢復性能和再充電接受能力，抑制枝晶短路，提高電池的容量和抑制早期容量損失，防止活性物質的軟化、脫落和減緩板柵的腐蝕。

（2） 采用納米石墨溶膠直接添加到電極中或制成活化劑添加到蓄電池中，碳纖維在正極活性物質中的含量為0.2-0.3%（質量百分數），Na2SO4含量為2.0%（質量百分數）[7]。能夠有效的改善鉛酸蓄電池容量下降快，使用壽命短，減少蓄電池內阻，改善電極結構，阻止鉛酸蓄電池硫酸鹽化，提高蓄電池電能和化學能的轉化效率，提高蓄電池性能。

（3）電池在化成時，適當增大電流，降低電解液PH值，再采用有效的降溫措施，抑制電池溫升。通過改變化成條件來改變正極板α-PbO2和β-PbO2,達到增大容量和延長壽命的目的。

（4）提高單體電池的容量均勻性，其容量差應分布在很小的范圍內，最大不超過4%，以避免落后電池產生過度放電。

（5）電池組裝之后，電池須以恒流進行過充，以確保電池組內的各單體都能充足電，而不受各單體電池原來荷電態的影響。

（6）實驗室的溫度必須均衡，保證所有單體都有相同的充電效率，以防止產生低充電效率、較高的氧再化合效率的高溫電池。

（7）合理配置合金成分，防止板柵合金與活性物質之間產生阻擋層，采用高錫（1.0-1.5%）合金，基本上能克服合金易產生PCL效應，適用于深循環。

6 結語

VRLA蓄電池應用十分廣泛，但是電池使用壽命和質量問題是用戶十分關心的問題。本文系統討論了影響VRLA蓄電池使用壽命的各種因素及延長使用壽命的方法。上述內容有助于延長VRLA蓄電池的使用壽命和提高系統的可靠性和可用度。

參考文獻：
[1] P. Ruetschi, Review on the lead –acid battery science and technology, J. Power Sources 2(1977-1978)3-24。
[2] Y. Yamaguchi, M. Shiota, Y. Hirai, S. Hara. Combined in situ EC-AFM and CV measurement study on lead electrode for lead batteries, J. Power Sources93 (2001)104-111。
[3] 蔣春林，用內阻法預測閥控鉛酸蓄電池故障[J]，電力機車與城軌車輛，2004，（5），51-52。
[4] 朱松然，蓄電池手冊，天津：天津大學出版社，1998。
[5] 黃鑌（翻譯），VRLA電池過充電和熱失控的研究[J]，中國電源資訊，2003，（8），20-24
[6] 魏杰，王東田，翟淑芳，董保光，最近10年鉛酸電池添加劑研究概況，電池，2001（1）：40-43
[7] 張寶宏，沈左松，井厚良，碳纖維作為鉛酸蓄電池正極添加劑[J]，國際電源商情，2004，1-2：88-89