淺談閥控式鉛酸蓄電池的修復(fù)技術(shù)

0引言

隨著信息、能源、電子技術(shù)的快速發(fā)展，閥控式鉛酸蓄電池（VRLAB）目前已被廣泛應(yīng)用于電信運(yùn)營(yíng)、電力系統(tǒng)、通信專網(wǎng)、金融系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、公安系統(tǒng)、石油煤炭、大型工礦企業(yè)等領(lǐng)域。

與普通的鉛酸蓄電池相比，VRLAB由于采用了內(nèi)部氧復(fù)合技術(shù)，大大緩解了電解液的損耗，從而使其能夠在免維護(hù)狀態(tài)下長(zhǎng)期工作，并具有體積小、防爆安全、電壓穩(wěn)定、無污染、重量輕、放電性能高、維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)。但是，目前廣泛應(yīng)用的VRLAB聲稱為免維護(hù)蓄電池，其實(shí)這種說法是不夠科學(xué)和準(zhǔn)確的。確切地講，VRLAB應(yīng)稱為“少維護(hù)蓄電池”，僅是指平時(shí)無須加酸液和水，無須調(diào)節(jié)電解液的密度。由于蓄電池平時(shí)都是并聯(lián)在整流設(shè)備上并處于浮充狀態(tài)中，時(shí)間一長(zhǎng)，蓄電池就會(huì)出現(xiàn)活化物資脫落、電解液干涸、極板變形、極板腐蝕及硫化等異常情況，從而導(dǎo)致蓄電池容量降低甚至失效，一旦市電中斷，極有可能釀成電力供電中斷等重大事故。

VRLAB在國(guó)內(nèi)的大量安裝使用是從上世紀(jì)80年代末開始的，初期安裝的電池主要為進(jìn)口產(chǎn)品，進(jìn)入上世紀(jì)90年代末，國(guó)產(chǎn)電池在許多領(lǐng)域開始大量使用。大部分廠家聲稱其VRLAB的設(shè)計(jì)壽命在10年以上，但是，在實(shí)際使用中許多電池壽命只有5～6年時(shí)間，條件惡劣者2～3年后便會(huì)出現(xiàn)容量明顯下降現(xiàn)象。為此，有必要對(duì)嚴(yán)重影響電池使用壽命的原因進(jìn)行研究。

1蓄電池的衰退現(xiàn)象及原因

隨著通信事業(yè)的快速發(fā)展，VRLAB越來越多地被應(yīng)用于偏遠(yuǎn)的農(nóng)村和山區(qū)，由于面廣量大、維護(hù)人員專業(yè)知識(shí)的缺乏，加之供電不正常，經(jīng)常停電，導(dǎo)致電池在使用過程中會(huì)出現(xiàn)不同的缺陷，特別是深度放電的電池往往出現(xiàn)電池早期失效。電池失效的主要形式有：正極板腐蝕變形、正極活性物質(zhì)軟化脫落、極板表面硫酸鹽化或產(chǎn)生鉛絨、內(nèi)部結(jié)晶短路等。

VRLAB為了實(shí)現(xiàn)較高的再?gòu)?fù)合效率，一般多為貧電液設(shè)計(jì)，即由酸量來控制電池的容量，這種設(shè)計(jì)從理論上或在試驗(yàn)室里效果都不錯(cuò)，但到了用戶手中卻往往出現(xiàn)過早失效，尤其是在經(jīng)常停電的情況下，電池過放電時(shí)，導(dǎo)致電液密度降到1.06/cm3以下，甚至更低，從而引起電解液中游離鉛的濃度急劇增加，這是造成電池失效的根本原因。

2影響蓄電池使用壽命的因素

蓄電池是一種化學(xué)電源，它的構(gòu)造大同小異，都是由正極、負(fù)極、電解質(zhì)、隔離物和容器組成的，其中正負(fù)兩極的活性物質(zhì)和電解質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)，對(duì)電池產(chǎn)生電流起著主導(dǎo)作用。

影響VRLAB實(shí)際使用壽命的因素很多，起主要作用的有以下幾方面。

2.1浮充電壓的設(shè)置對(duì)電池壽命的影響

浮充電壓的設(shè)置對(duì)電池的壽命具有相當(dāng)重要的影響，不合理的浮充電壓主要影響電池的正極板柵腐蝕速率和電池內(nèi)氣體的排放。

2.2均衡充電方法對(duì)電池壽命的影響

均衡充電是為了防止某些電池因容量、端壓的不一致而進(jìn)行的補(bǔ)充電。在均衡充電時(shí)氣體的產(chǎn)生量比浮充電時(shí)多幾十倍，所以充電時(shí)間不能太長(zhǎng)，均充電壓也不能太高，以避免盈余氣體影響氧的再化合效率，失水量增加，而且使板柵腐蝕速度增加，從而損壞電池。

2.3過度放電

蓄電池被過度放電是影響蓄電池使用壽命的重要因素。這種情況主要發(fā)生在交流停電后，蓄電池組為負(fù)載供電期間。當(dāng)蓄電池被過度放電時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部有大量的硫酸鉛被吸附到陰極表面，形成電池陰極的“硫酸鹽化”。硫酸鉛本身是一種絕緣體。陰極形成的硫酸鉛越多，電池的內(nèi)阻越大，電池的充放電性能就越差，電池容量下降得越快，其使用壽命就越短。

2.4運(yùn)行條件對(duì)閥控鉛酸蓄電池壽命的影響

電池的運(yùn)行條件也對(duì)電池的壽命產(chǎn)生重要的影響。如果在高溫下長(zhǎng)期使用，溫度每增高10℃，電池壽命約降低一半。

浮充運(yùn)行是蓄電池的最佳運(yùn)行條件，運(yùn)行時(shí)電池一直處于滿荷電狀態(tài)，在此條件下運(yùn)行電池將達(dá)到最長(zhǎng)的使用壽命。

蓄電池頻繁長(zhǎng)時(shí)間放電并且經(jīng)常在沒有充滿電的情況下，又進(jìn)行深度放電，使蓄電池長(zhǎng)時(shí)間處于虧電狀態(tài)，內(nèi)部極板硫化，導(dǎo)致容量迅速下降，電池落后。

3對(duì)落后電池的活化修復(fù)

3.1蓄電池內(nèi)部反應(yīng)原理

VRLAB電解液中的PbSO4始終處于飽和狀態(tài)，PbSO₄是難溶物質(zhì)，在電解液中硫酸鉛的溶解與沉淀處于平衡狀態(tài)，一般電池放電開始的硫酸密度為1.30g/cm3，質(zhì)量百分濃度為39.1％，隨著放電深度的增加，質(zhì)量百分濃度下降到8.7％以下，密度為1.06g/cm3以下，有時(shí)甚至更低，接近中性。

電池放電反應(yīng)為

Pb＋PbO₂＋2H^＋＋2HSO₄^－=2PbSO₄↓＋2H₂O（1）

從反應(yīng)式中可以看出，硫酸不僅傳導(dǎo)電流，而且參與電化學(xué)反應(yīng)，放電時(shí)硫酸不斷減少，生成PbSO4↓和水。

蓄電池放電后，如果沒有及時(shí)地充電或沒有充滿電，放電產(chǎn)生的硫酸鉛就會(huì)結(jié)晶轉(zhuǎn)化成不可逆的硫酸鉛晶體，導(dǎo)致極板硫化，電池落后。

3.2蓄電池的活化

蓄電池充電反應(yīng)為

2PbSO₄↓＋2H₂O=Pb＋PbO₂＋2H^＋＋2HSO₄^－（2）

蓄電池的充放電過程是將脈沖充電分成一個(gè)或幾個(gè)階段，嚴(yán)格按照蓄電池充電特性曲線進(jìn)行自動(dòng)充電，設(shè)計(jì)的充電模式是“恒流→（均充穩(wěn)壓值）定壓減流→（自動(dòng)判別轉(zhuǎn)為）恒流放電”三波段式使電解液降溫等。這種方法比較理想，可以消除硫化。

對(duì)蓄電池進(jìn)行脈沖充電和恒流放電反復(fù)循環(huán)，將其內(nèi)部的硫酸鉛晶體激活，提高硫酸密度和質(zhì)量百分濃度，隨著活化修復(fù)的加深，使電池硫酸密度達(dá)到1.30g/cm3，質(zhì)量百分濃度達(dá)到39.1％，電解液中硫酸鉛的溶解與沉淀處于平衡狀態(tài)，PbSO4=Pb2＋＋SO42－。在溶液中遵守溶度各規(guī)則，即(Pb2＋)·(SO42－)=K(常數(shù))，K=2.20×10e－8，蓄電池完全被修復(fù)，蓄電池使用壽命被延長(zhǎng)一到兩個(gè)周期。

3.3對(duì)嚴(yán)重落后電池處理

對(duì)嚴(yán)重極板硫化、電解液干涸或極間短路、開路的電池（內(nèi)阻嚴(yán)重偏大、電壓很高或?yàn)榱悖?yīng)立即更換。對(duì)2V電池組可短接該電池應(yīng)急處理。

3.4電池活化修復(fù)

并不是所有的落后電池都可以修復(fù)的，導(dǎo)致蓄電池落后的因素很多，大體分7種，即極板膨脹、極板腐蝕、極板鈍化、有效物質(zhì)脫落、電解液干涸、極板短路、極板硫化。前4種是不可修復(fù)的，后3種是可修復(fù)的。其中極板硫化導(dǎo)致蓄電池落后因素占的比例最大，高達(dá)90％。所以，對(duì)于容量為額定容量的40％～80％落后電池修復(fù)的成功率比較高，經(jīng)試驗(yàn)表明，可修復(fù)率高達(dá)95％以上；而對(duì)于容量為額定容量的40％以下落后電池修復(fù)的成功率相對(duì)較低。

4對(duì)蓄電池活化修復(fù)的充電設(shè)置

蓄電池活化需要反復(fù)地充放電，對(duì)于一些落后電池進(jìn)行充電時(shí)，有時(shí)充不進(jìn)去，于是，維護(hù)人員通過提高充電電壓的方法進(jìn)行充電，認(rèn)為充電電壓越高越好，越高越能修復(fù)電池。這是一種錯(cuò)誤的理解。這是由于水分解反應(yīng)為

2H₂O=O₂↑＋4H^＋＋4e^－（3）

如果把電壓設(shè)置過太高，就會(huì)對(duì)蓄電池過充，其結(jié)果可能為以下2種情況。

1）內(nèi)部氧復(fù)合反應(yīng)不能及時(shí)地將氧氣復(fù)合掉，就會(huì)造成大量的氧氣，氫氣從排氣閥放出（甚至可能造成蓄電池爆炸），使容量下降。

2）正極的反應(yīng)為PbSO₄＋2H2O=PbO₂＋3H^＋＋HSO₄^－＋2e。在蓄電池的陽極，鉛合金和活性的二氧化鉛直接接觸，而且同時(shí)浸在硫酸溶液中，各自與硫酸溶液都建立不同的平衡的電極電位。在對(duì)蓄電池充電的狀態(tài)下，正極由于析氧反應(yīng)，水被消耗，H＋增加，從而導(dǎo)致正極附近的酸度增大，加速腐蝕極板，甚至造成極板嚴(yán)重腐蝕，而使電池報(bào)廢，本來可修復(fù)的電池變成了無法修復(fù)的電池。

為此，建議均充時(shí)電壓一般不超過2.35V。

5結(jié)語

如何延長(zhǎng)蓄電池供電時(shí)間和使用壽命，提高資源的利用率，是我們共同關(guān)注的焦點(diǎn)，雖然并不是所有的落后電池都可以修復(fù)，但鉛酸蓄電池的修復(fù)技術(shù)帶來的效益是毋庸置疑的。

作者：王峰光，張揚(yáng)