淺談閥控式鉛酸蓄電池的修復技術

0引言

隨著信息、能源、電子技術的快速發(fā)展，閥控式鉛酸蓄電池（VRLAB）目前已被廣泛應用于電信運營、電力系統(tǒng)、通信專網、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)等領域。

與普通的鉛酸蓄電池相比，VRLAB由于采用了內部氧復合技術，大大緩解了電解液的損耗，從而使其能夠在免維護狀態(tài)下長期工作，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、維護量小等優(yōu)點。但是，目前廣泛應用的VRLAB聲稱為免維護蓄電池，其實這種說法是不夠科學和準確的。確切地講，VRLAB應稱為“少維護蓄電池”，僅是指平時無須加酸液和水，無須調節(jié)電解液的密度。由于蓄電池平時都是并聯(lián)在整流設備上并處于浮充狀態(tài)中，時間一長，蓄電池就會出現(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在國內的大量安裝使用是從上世紀80年代末開始的，初期安裝的電池主要為進口產品，進入上世紀90年代末，國產電池在許多領域開始大量使用。大部分廠家聲稱其VRLAB的設計壽命在10年以上，但是，在實際使用中許多電池壽命只有5～6年時間，條件惡劣者2～3年后便會出現(xiàn)容量明顯下降現(xiàn)象。為此，有必要對嚴重影響電池使用壽命的原因進行研究。

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越來越多地被應用于偏遠的農村和山區(qū)，由于面廣量大、維護人員專業(yè)知識的缺乏，加之供電不正常，經常停電，導致電池在使用過程中會出現(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、正極活性物質軟化脫落、極板表面硫酸鹽化或產生鉛絨、內部結晶短路等。

VRLAB為了實現(xiàn)較高的再復合效率，一般多為貧電液設計，即由酸量來控制電池的容量，這種設計從理論上或在試驗室里效果都不錯，但到了用戶手中卻往往出現(xiàn)過早失效，尤其是在經常停電的情況下，電池過放電時，導致電液密度降到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

蓄電池是一種化學電源，它的構造大同小異，都是由正極、負極、電解質、隔離物和容器組成的，其中正負兩極的活性物質和電解質起化學反應，對電池產生電流起著主導作用。

影響VRLAB實際使用壽命的因素很多，起主要作用的有以下幾方面。

2.1浮充電壓的設置對電池壽命的影響

浮充電壓的設置對電池的壽命具有相當重要的影響，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氣體的排放。

2.2均衡充電方法對電池壽命的影響

均衡充電是為了防止某些電池因容量、端壓的不一致而進行的補充電。在均衡充電時氣體的產生量比浮充電時多幾十倍，所以充電時間不能太長，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，蓄電池組為負載供電期間。當蓄電池被過度放電時，會導致電池內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運行條件對閥控鉛酸蓄電池壽命的影響

電池的運行條件也對電池的壽命產生重要的影響。如果在高溫下長期使用，溫度每增高10℃，電池壽命約降低一半。

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

蓄電池頻繁長時間放電并且經常在沒有充滿電的情況下，又進行深度放電，使蓄電池長時間處于虧電狀態(tài)，內部極板硫化，導致容量迅速下降，電池落后。

3對落后電池的活化修復

3.1蓄電池內部反應原理

VRLAB電解液中的PbSO4始終處于飽和狀態(tài)，PbSO₄是難溶物質，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，質量百分濃度為39.1％，隨著放電深度的增加，質量百分濃度下降到8.7％以下，密度為1.06g/cm3以下，有時甚至更低，接近中性。

電池放電反應為

Pb＋PbO₂＋2H^＋＋2HSO₄^－=2PbSO₄↓＋2H₂O（1）

從反應式中可以看出，硫酸不僅傳導電流，而且參與電化學反應，放電時硫酸不斷減少，生成PbSO4↓和水。

蓄電池放電后，如果沒有及時地充電或沒有充滿電，放電產生的硫酸鉛就會結晶轉化成不可逆的硫酸鉛晶體，導致極板硫化，電池落后。

3.2蓄電池的活化

蓄電池充電反應為

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或幾個階段，嚴格按照蓄電池充電特性曲線進行自動充電，設計的充電模式是“恒流→（均充穩(wěn)壓值）定壓減流→（自動判別轉為）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。

對蓄電池進行脈沖充電和恒流放電反復循環(huán)，將其內部的硫酸鉛晶體激活，提高硫酸密度和質量百分濃度，隨著活化修復的加深，使電池硫酸密度達到1.30g/cm3，質量百分濃度達到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)，K=2.20×10e－8，蓄電池完全被修復，蓄電池使用壽命被延長一到兩個周期。

3.3對嚴重落后電池處理

對嚴重極板硫化、電解液干涸或極間短路、開路的電池（內阻嚴重偏大、電壓很高或為零）應立即更換。對2V電池組可短接該電池應急處理。

3.4電池活化修復

并不是所有的落后電池都可以修復的，導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、有效物質脫落、電解液干涸、極板短路、極板硫化。前4種是不可修復的，后3種是可修復的。其中極板硫化導致蓄電池落后因素占的比例最大，高達90％。所以，對于容量為額定容量的40％～80％落后電池修復的成功率比較高，經試驗表明，可修復率高達95％以上；而對于容量為額定容量的40％以下落后電池修復的成功率相對較低。

4對蓄電池活化修復的充電設置

蓄電池活化需要反復地充放電，對于一些落后電池進行充電時，有時充不進去，于是，維護人員通過提高充電電壓的方法進行充電，認為充電電壓越高越好，越高越能修復電池。這是一種錯誤的理解。這是由于水分解反應為

2H₂O=O₂↑＋4H^＋＋4e^－（3）

如果把電壓設置過太高，就會對蓄電池過充，其結果可能為以下2種情況。

1）內部氧復合反應不能及時地將氧氣復合掉，就會造成大量的氧氣，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。在對蓄電池充電的狀態(tài)下，正極由于析氧反應，水被消耗，H＋增加，從而導致正極附近的酸度增大，加速腐蝕極板，甚至造成極板嚴重腐蝕，而使電池報廢，本來可修復的電池變成了無法修復的電池。

為此，建議均充時電壓一般不超過2.35V。

5結語

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

作者：王峰光，張揚