固定型閥控密封鉛酸蓄電池使用及壽命檢測的探討

呂永堯 左家祥 錢志剛 孫世強

（中國船舶重工集團公司第七一二研究所，武漢 430064）

0 引言

閥控密封鉛酸蓄電池發(fā)明于20世紀70年代，由于沒有酸霧逸出、免于維護、可以任意方向放置等優(yōu)點，該型電池得到迅速推廣。郵電通訊系統(tǒng)是鉛酸蓄電池最早的使用領域之一。通信設備要求不間斷供電，當交流中斷，蓄電池是支持通信系統(tǒng)工作的唯一后備電源。在市電正常時，整流器投入工作，其輸入電流可滿足全局忙時最大負荷電流的需要（包括蓄電池的充電）。在市電異常時則由蓄電池單獨供電，其輸出電流應滿足通信設備忙時最大耗電量，其輸出電壓應滿足通信設備對基礎電源的電壓范圍要求，用于荷電待用的蓄電池，其放電速率慢，放電時間長達0.5～8 h，由此也發(fā)展出鉛酸蓄電池的一種設計和使用方式，即固定型鉛酸蓄電池[1]。本文就固定型閥控密封鉛酸蓄電池的使用方式和壽命檢測方法進行了探討。

1 幾種壽命檢測方式的分析

傳統(tǒng)的固定鉛酸蓄電池在浮充使用時有酸霧逸出（盡管設計了防酸帽也不能完全避免這種現(xiàn)象），且有外殼破損漏酸的風險，所以當閥控密封鉛酸蓄電池興起后就逐步取代了傳統(tǒng)的固定型鉛酸蓄電池。然而在充電方式方面，雖然大家都知道充電方式對蓄電池的壽命有明顯影響，但令人驚奇的是在近幾十年里標準的充電方法幾乎沒有什么變化[2]。閥控密封鉛酸蓄電池由于自身存在的問題，其浮充壽命不如傳統(tǒng)的固定型鉛酸蓄電池。雖然大多數(shù)生產(chǎn)廠家都宣稱固定型閥控密封鉛酸蓄電池的壽命在10年以上，但實際浮充壽命通常難以達到10年，與傳統(tǒng)的固定型鉛酸蓄電池有很大的差距。

傳統(tǒng)的固定型鉛酸蓄電池使用了將近百年，形成了一套成熟、可靠的檢測、使用方法，如壽命測試方法有DIN43539(1983)、BS6290(1983)、IEC60896-11(2002)等，基本上采用過充電循環(huán)耐久性試驗，即用0.2I10充電，每30天進行一次1小時率容量檢測，低于80%容量時壽命終止。通過壽命試驗每30天相當于實際浮充使用1年。這種加速試驗方法實際上是模擬實際使用情況，即用更大的電流代替浮充電流，與實際使用時電池的失效方式一致，因而試驗方法和結(jié)果能反映電池的實際使用壽命。

固定型閥控密封鉛酸蓄電池興起后，盡管發(fā)展非常迅速，但并沒有根據(jù)自身的特點建立起自己的檢測、使用系統(tǒng)，而是僅僅根據(jù)使用的目的相同，沿用了傳統(tǒng)固定型鉛酸蓄電池的檢測、使用模式，如進行過充壽命試驗、浮充使用等，二者在方法上幾乎完全一致。本文要著重指出的是，這種簡單的模仿導致了固定型閥控密封鉛酸蓄電池壽命試驗結(jié)果嚴重失真，使用壽命大為減短。

對于固定型電池的實驗室加速壽命試驗，IEC60896-11(2002)和國內(nèi)早期的有關標準（如DL/T637-1997、JB/T8451-1999、JIS C 8707-1992）等均規(guī)定：不低于0.8C1時進入下一個30天循環(huán)，直到容量試驗低于0.8C1?？傃h(huán)天數(shù)2 V蓄電池不低于240天，6 V、12 V蓄電池不低于180天。與傳統(tǒng)的富液式固定型鉛酸蓄電池一致。但傳統(tǒng)的容量試驗時必須補充水到最高液面，而閥控密封鉛酸蓄電池則無法加水，這會使試驗電池的壽命產(chǎn)生顯著的區(qū)別。

傳統(tǒng)的固定型鉛酸蓄電池壽命試驗和浮充使用時的失效模式是一致的，都是正板柵腐蝕失效，因而壽命試驗能夠說明問題；而閥控密封鉛酸蓄電池壽命試驗和浮充使用時的失效模式可并不一樣，閥控密封鉛酸蓄電池失效的主要有板柵的腐蝕與增長、電解液干涸、負極硫酸鹽化、早期容量損失、熱失控等[3]，因此壽命試驗結(jié)果并不能真實地反映實際使用壽命。我們試驗了幾組大容量的電池，其過充壽命只有2~3月，相當于浮充壽命2~3年，但實際上這些電池的實際使用壽命都在5年以上。即試驗結(jié)果嚴重失真。

閥控密封鉛酸蓄電池對密封反應效率都有要求，而且通常都能滿足標準。但是，電池在做過充壽命試驗時，充電電流是做密封反應效率試驗時電流的4倍，單體電池的電壓高達2.5 V左右。這時，電池內(nèi)不僅有O2的析出，也有H2的析出，氣體大量析出的速度大于氣體復合的速度導致電池內(nèi)部壓力升高，安全閥頻繁開啟，大量的氣體逸出電池。由于氣體是電解水產(chǎn)生的，因此氣體逸出電池的后果就是水損失。2V200AH的電池經(jīng)過充2個周期（2個月）后重量損失達600克左右，可見失水的嚴重。閥控密封鉛酸蓄電池本來就是貧液結(jié)構，電池失水會導致電池內(nèi)阻增加，溫度升高，直至電池失效。另一方面，在電池失水的同時，電池內(nèi)部的復合反應仍然是主流，但反應的速度和規(guī)模都比做密封反應效率試驗時大，那么，大量的O2在負極復合，不僅使電池的溫度升高，還致使負極處于欠充狀態(tài)。也就是說，有一部分PbSO4永遠不能轉(zhuǎn)化成活性物質(zhì)Pb，這就是電池的不可逆硫酸鹽化。某型號的閥控密封鉛酸蓄電池在過充失效后，補充水進行檢測，負極的鎘壓為正值，電解液密度在1.1 g/cm3以下，表明負極已經(jīng)沒有多少可用的活性物質(zhì)。另一型號的閥控密封鉛酸蓄電池在過充失效后解剖分析，負極活性物質(zhì)的含量只有30%左右，顯然已經(jīng)不能放電。失水和負極不可逆硫酸鹽化是閥控鉛酸蓄電池在過充壽命試驗時失效的根本原因，電池在浮充使用時顯然不可能遇到如此嚴重的失水和負極不可逆硫酸鹽化情況，因此，用過充試驗來推斷電池的浮充使用壽命是缺乏充分依據(jù)的。

GB/T19638.2-2005《固定型閥控密封鉛酸蓄電池》在編寫時顯然意識到了這個問題，在保留了過充試驗方法（但取消了試驗天數(shù)與實際使用年限的關系）同時，又增加了兩種新的試驗方法，即浮充電循環(huán)耐久性試驗和加速浮充電循環(huán)耐久性試驗，這三種試驗方法可以任意選擇。這兩種新辦法似乎比較能代表電池的實際使用情況，因而比老的標準要合理一些。但試驗的具體方法標準卻是這樣規(guī)定的：

浮充電循環(huán)耐久性試驗：10 h率容量合格之后，蓄電池在20±5 ℃環(huán)境中以2.0I10恒電流放電2 h，以Uflo恒定電壓（限流2.0I10）充電22 h。經(jīng)過50次循環(huán)之后，不經(jīng)充電進行10 h率容量試驗，放電容量不低于0.8C10時進入下一個50次循環(huán)，直到容量試驗低于 0.8C10。總循環(huán)次數(shù)不低于300次。

加速浮充電循環(huán)耐久性試驗：3 h率容量合格之后，完全充電的蓄電池在60±2 ℃環(huán)境中以Uflo恒定電壓充電30天，36 h內(nèi)冷卻到25±2℃并完成3 h率容量檢查，放電容量不低于0.8C3時進入下一個30天循環(huán)，直到容量試驗低于0.8 C3?？傃h(huán)天數(shù)2 V蓄電池不低于180天，6 V、12 V蓄電池不低于150天。

比較這兩種試驗方法可知，它們并不是同一類性質(zhì)的試驗，后者并不是前者的加速試驗，而前者也不是單純的浮充電試驗，而是一種淺充淺放的循環(huán)性能試驗，可以在一定程度上說明電池在欠充電情況下負極抗硫酸鹽化的性能（如果全充電，預計電池的壽命遠大于3000次），但并不能說明電池的實際使用壽命。

如果固定型閥控密封鉛酸蓄電池確實是浮充電使用，那么上述加速試驗方法倒是一種比較好的預判其使用壽命的方法。問題是要在高低溫度之間建立一種可靠的數(shù)學模型。根據(jù)一般的物理化學原理，環(huán)境溫度由25℃增加到60℃，化學反應的速度要增加20到60倍，因此標準規(guī)定的指標可能過高。另一方面，在60℃浮充電，電池有可能會發(fā)生析氣和復合反應，從而與實際使用情況不符。這一點標準沒有考慮到。

2 建議的使用方式

閥控密封鉛酸蓄電池在原理、結(jié)構以及材料上與傳統(tǒng)的富液式鉛酸蓄電池都有較大的差別，因此閥控密封鉛酸蓄電池繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的固定型鉛酸蓄電池的經(jīng)常性浮充使用方式是值得商榷的。傳統(tǒng)的固定型鉛酸蓄電池發(fā)明和使用年代較早，其板柵合金通常采用高銻合金，因此電池荷電保持能力較差，自放電較大，為了不影響使用，電池采取了經(jīng)常性浮充使用方式，使電池隨時都能保持充足的容量。隨著技術的進步，閥控密封鉛酸蓄電池普遍采用低銻或無銻合金，電池的自放電已大幅度減小。根據(jù)現(xiàn)有的標準閥控密封鉛酸蓄電池擱置3個月后，荷電保持應該在80%以上。實際上，由于技術的進步現(xiàn)在設計和制造優(yōu)良的電池擱置1年也能保持在80%的容量。因此，對固定型閥控密封鉛酸蓄電池來說，浮充的意義并不大，相反會造成電池使用壽命的縮短。更理想的使用方法是：電池平時處于靜置狀態(tài)，每 3個月補充電后進行10小時率深放電治療，然后充足電；如果有應急使用，則在使用后及時補充電，3個月后治療一次。按這種方式使用，相當于電池在進行充放電循環(huán)使用，即使電池的循環(huán)壽命并不長，但由于電池循環(huán)間隔較長，因此電池的使用壽命會相當長。例如，電池的循環(huán)壽命為100周，則使用壽命為100×3＝300月＝25年。這樣，電池的使用壽命就大幅度延長了，絲毫不亞于傳統(tǒng)固定型鉛酸蓄電池。

3 結(jié)束語

固定型閥控密封鉛酸蓄電池按上述方式使用，則在實驗室加速考核其使用壽命的方法就會非常簡單、明確、直觀。當然，考慮到電池可能會遇到的應急使用，可以根據(jù)具體情況給定一個壽命系數(shù)。盡管如此，加速壽命試驗與實際使用壽命之間的對應關系仍然是一目了然的。這種改變使用方式的意義如下：1、由于鉛酸蓄電池是高能耗、重污染行業(yè)，電池使用壽命的延長減少了電池的消耗量，降低了能耗和污染；2、傳統(tǒng)的固定型電池的浮充電流雖然不大，但浮充只會對電池產(chǎn)生副作用，而電能卻白白的浪費了，雖然單只電池浪費的電能并不大，但由于固定型閥控式密封鉛酸電池的使用量龐大，因此總的耗電量也非常可觀，電池取消浮充電后，可以節(jié)約大量的電能，充電設備的壽命也能大大延長。

[1]徐曼珍. 閥控式密封蓄電池及其在通信中的應用[M]. 北京: 人民郵電出版社, 1997: 1-2.

[2]D.A.J.Rand(澳), 郭永榔. 閥控式鉛酸蓄電池[M].北京: 機械工業(yè)出版社, 2006: 205-206.

[3]高建成, 殷玉恒, 劉躍軍. 閥控密封鉛酸蓄電池（VRLA）的失效模式及采取的有效模式[J]. 應用能源技術, 2007, 4: 45-47.