提高潛艇鉛酸蓄電池壽命技術(shù)途徑的研究

朱運(yùn)裕

(海軍駐武漢712所軍事代表室, 武漢 430064)

1 引言

鉛酸蓄電池自1859年由PLante用腐蝕的鉛箔形成活性物質(zhì)，首次實(shí)現(xiàn)了實(shí)用的鉛酸蓄電池之后，已有150年歷史。在此期間盡管新體系電池不斷出現(xiàn)，如鐵-鎳蓄電池、鎘-鎳蓄電池、鋅-銀蓄電池、鋰電池等；但時(shí)至今日，在動(dòng)力電池領(lǐng)域鉛酸蓄電池仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，這主要由于它具有如下優(yōu)點(diǎn)[1]：

(1)電壓高

除鋰電池外鉛酸蓄電池的電壓最高為 2.0 V；堿性蓄電池為1.2 V；鋅-銀蓄電池為1.65 V：

(2)高倍率放電性能好

鉛酸蓄電池能以3～10倍率電流放電，滿足于用電設(shè)備不同工況的起動(dòng)要求：

(3)成本低

鉛酸蓄電池的制造成本低價(jià)格僅為鎘-鎳蓄電池的1/3～1/5左右。

(4)安全性高

鉛酸蓄電池由于能量密度相對(duì)較低，不存在像鋰電池由于種種原因可能發(fā)生的燃燒、起火、爆炸，僅有電池析氫一項(xiàng)存在安全性影響，經(jīng)過(guò)近百年來(lái)努力，人們已經(jīng)找到了可靠的解決辦法。

然而鉛酸蓄電池又有某些難以克服的缺點(diǎn):如壽命短，鉛酸蓄電池的壽命僅僅是鋰電池的一半：比能低。由于鉛密度大的固有缺陷，其比能量低，一般為20～40 Wh/kg，而鋰電池可達(dá)80～100 Wh/ kg。

2 國(guó)內(nèi)外常規(guī)潛艇動(dòng)力電池的現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)鉛酸蓄電池由GJB 1722A-2003 潛艇用鉛酸蓄電池規(guī)范可知有六個(gè)型號(hào)分別是QT-60S、QT-60Sd、QT-72sa、QT-98s、QT-105s、QT-53s，國(guó)內(nèi)潛艇用鉛酸蓄電池存在以下不足：

2.1 電池型號(hào)[2]多

鉛酸蓄電池有 QT-60S、QT-60Sd、QTG-72Sa、QT-53S、QT-105S、QT-98S六個(gè)型號(hào)，分屬三個(gè)外形尺寸、五個(gè)密度指標(biāo)、四個(gè)重量要求，鉛酸蓄電池的型號(hào)幾乎覆蓋半個(gè)世紀(jì)，既有早期產(chǎn)品，又有當(dāng)今世界上較為先進(jìn)的電池產(chǎn)品，電池型號(hào)多既有好處，但給電池的保障工作帶來(lái)許多難題。

2.2 電池的比能差異大

早期的電池重量比能僅為24.63 Wh/kg，后期的電池重量比能已達(dá)到 40 Wh/kg從比能上可以出差異在一倍左右。

2.3 電池的容量差異大

早期的電池容量為6000 Ah/h，現(xiàn)在的動(dòng)力電池小時(shí)容量為10500 Ah/h，容量幾乎增加50%。而且電解液密度又不相同，電解液密度的范圍從1.270～1.320都有產(chǎn)品。

2.4 電池的壽命差異大

電池的壽命短的僅有2年，長(zhǎng)的為5年，而且僅有QTG-72Sa一型電池壽命為5年，在壽命指標(biāo)方面和國(guó)外產(chǎn)品存在一定的差距。

對(duì)國(guó)外鉛酸蓄電池的相關(guān)情況介紹并不太多，由于美國(guó)潛艇以核動(dòng)力為主，所以鉛酸蓄電池的容量和壽命對(duì)其沒(méi)有影響，而俄羅斯等歐洲國(guó)家既有核動(dòng)力又有常規(guī)動(dòng)力潛艇，努力方向不盡相同。從俄羅斯的出口的基諾級(jí)的潛艇電池情況分析，俄羅斯電池還是比較重視提高鉛酸蓄電池技術(shù)水平的研究工作，在提高鉛酸蓄電池的容量和壽命方面做了大量的研究工作，早期出口的產(chǎn)品電池壽命一般為二年左右，而后期出口的產(chǎn)品電池壽命均提高到四年左右。其它歐洲國(guó)家并沒(méi)有將集中力放在提高鉛酸蓄電池的容量和壽命方面，而是將力量投身于新體系電池和AIP系統(tǒng)的研制方面，如德國(guó)的214潛艇裝備了燃料電池，瑞典的則采用了斯特林機(jī)提高常規(guī)動(dòng)力潛艇的續(xù)航力，以彌補(bǔ)鉛酸蓄電池的容量和壽命的不足。

3 提高潛艇鉛酸蓄電池壽命的技術(shù)途徑

提高潛艇鉛酸蓄電池壽命的技術(shù)途徑較多，目前的研究成果有以下四個(gè)方面：

3.1 采用低銻合金的板柵，能提高電池壽命

從設(shè)計(jì)來(lái)看，導(dǎo)致電池壽命不長(zhǎng)的原因有三個(gè)：

⑴ 板柵腐蝕斷裂；

⑵ 正極活性物質(zhì)脫落；

⑶ 后期析氫量較大。

用鉛銻合金制造板柵是鉛酸電池發(fā)展史上的一個(gè)重大技術(shù)突破，連續(xù)使用了一個(gè)世紀(jì)，它有很多優(yōu)點(diǎn)，如板柵制造過(guò)程中不易變形，制造出的板柵較少出現(xiàn)氣孔縮孔，但存在的缺點(diǎn)是明顯的。

我國(guó)的QT-60S、QT-60Sd、QTG-72Sa電池的板柵均為鉛銻合金，用鉛銻合金制成的正板柵，在工作期間，尤其在充電時(shí)銻將會(huì)從正極板柵中溶解到溶液中，同時(shí)沉積到負(fù)極活性物質(zhì)上，隨著充放電次數(shù)的增加，負(fù)極活性物質(zhì)上所積累的銻含量增加， 而 H+離子與銻放電具有較低的過(guò)電位，因此銻存在會(huì)使蓄電池在充電后期，特別是過(guò)充電時(shí)析氫量增加，耗水量增加，自放電加速，電池壽命變短。

解決上述缺陷的方法是采用低銻合金制造板柵，用多元合金代替原來(lái)的鉛銻合金，多元合金為鉛、銻、錫、銀、硒、砷等，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明，板柵的耐腐蝕性能大大提高，壽命終止時(shí)，板柵仍完好。而且析氫量已經(jīng)大大降低，其電池壽命終止時(shí)析氫量?jī)H為25.0 ml/ min。

綜上所述，采用多元合金取代原先沿用的鉛銻合金，能提高電池壽命。

3.2 采取防短路措施

最新研究成果表明，鉛絨短路是影響電池壽命的原因之一，特別對(duì)于板狀電池，在電池使用一段時(shí)間后，板身處會(huì)慢慢累積鉛絨，采用護(hù)套和護(hù)袋是延長(zhǎng)壽命有效手段，實(shí)驗(yàn)證明采用上述兩項(xiàng)措施后，由鉛絨短路所引起的容量下降和壽命縮短的情況得到解決。應(yīng)用述措施時(shí)要注意護(hù)袋的孔率必須滿足充放電過(guò)程中離子的遷移要求。

3.3 嚴(yán)格烘干工藝，能提高電池壽命

導(dǎo)致電池壽命不高的原因之一是正極活性物質(zhì)軟化脫落，而電池生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)活性物質(zhì)與板柵結(jié)合的程度影響最關(guān)鍵的工序就是烘干過(guò)程。QT-105S鉛酸蓄電池研制過(guò)程中首批試生產(chǎn)電池的臺(tái)架壽命僅為98周期，遠(yuǎn)低于指標(biāo)要求的原因之一就是未能按烘干工藝對(duì)生極板進(jìn)行烘干，使正極鉛膏和板柵結(jié)合力不強(qiáng)，從而導(dǎo)致正極板的活性物質(zhì)出現(xiàn)軟化脫落。因此制定適宜烘干要求，并嚴(yán)格執(zhí)行烘干工藝，能確保鉛膏和板柵結(jié)合力，提高電池壽命的指標(biāo)。

3.4 使用防鈍化劑能延長(zhǎng)電池壽命

使用正常的鉛酸蓄電池在放電時(shí)形成硫酸鉛結(jié)晶，在充電時(shí)能夠比較容易還原為鉛。如果電池的使用和維護(hù)不善，如經(jīng)常充電不足或放電時(shí)，負(fù)極上就會(huì)逐漸形成一種粗大的硫酸鉛，它引起了蓄電池容量下降，充電時(shí)析氫增加，電池壽命縮短，采用的添加劑技術(shù)能使硫酸鉛重新活化，提高鉛酸蓄電池的壽命指標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述, 盡管鉛酸蓄電池已經(jīng)經(jīng)歷了 150年的發(fā)展歷程，許多方面已經(jīng)達(dá)到了極限的，但大量的研究結(jié)果表明采取有效的方法和技術(shù)措施仍舊能提高鉛酸蓄電池的容量和壽命，本文所介紹的方法已經(jīng)成功的得到了應(yīng)用，效果顯著。

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[1]朱松然. 鉛酸蓄電池技術(shù)［M］(2版). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2002.

[2]戴維·林登. 電池手冊(cè)［M］.2版. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2007.