通信用閥控式高溫電池及其特點分析

朱衛(wèi)民，宋云龍，陳蘇祥，唐偉成

通信用閥控式高溫電池及其特點分析

朱衛(wèi)民，宋云龍*，陳蘇祥，唐偉成

（臥龍電氣集團浙江燈塔電源有限公司，浙江 紹興 312000）

摘要：簡述了通信基站對高溫電池的需求、高溫電池的技術特點及研究現(xiàn)狀；介紹了耐腐蝕板柵合金、高溫鉛膏配方或固化工藝、耐高溫外殼材料、優(yōu)化的結(jié)構設計等高溫電池的技術要求；最后，分析了高溫電池的應用前景。

關鍵詞：高溫電池; 通信基站; 耐腐蝕板柵; 改性 ABS；熱失控；氫氧復合催化栓

*通訊聯(lián)系人

0　前言

隨著我國通信行業(yè)的飛速發(fā)展，尤其是全國范圍內(nèi) 4G 基站的大力建設，通信基站機房的耗能問題再次為人們所關注。根據(jù)通信行業(yè)十二五規(guī)劃，2015 年電信行業(yè)總耗能須較 2010 年底下降 10 %，因此降低基站耗能成了亟待解決的問題[1]。在通信基站機房各種設施中，空調(diào)耗電所占比例很高。當室內(nèi)溫度設定為 25 ℃的時候，空調(diào)耗電占總耗電量的 42 %，如果將室內(nèi)溫度提高到 30 ℃，則空調(diào)耗電可降低一半，這將取得很好的節(jié)能效果與經(jīng)濟效益。

通信基站機房用閥控電池對溫度比較敏感。如果環(huán)境溫度過高，一方面高溫會加速正板柵的腐蝕，影響電池的壽命；另一方面，高溫會引起電池浮充電流增大，氧復合反應加劇，反應大量放熱，電池內(nèi)部的溫度上升，從而加速電池的失水，最終導致電池干涸失效，同時也可能會引起熱失控，導致電池外殼變形、著火等事故的發(fā)生。理論上，閥控電池在 35 ℃的使用壽命僅為在 25 ℃ 時的一半，實際情況可能會更短。

提高環(huán)境溫度對蓄電池的影響很大，因此，開發(fā)出適應高溫環(huán)境的蓄電池產(chǎn)品成為了行業(yè)內(nèi)的熱點。隨著蓄電池的技術革新，閥控高溫電池應運而生。高溫電池可在 20～35 ℃ 范圍內(nèi)正常工作，為通信機房基站的節(jié)能工作提供了可靠支持。當前，國內(nèi)各大蓄電池企業(yè)均已推出自己的高溫電池產(chǎn)品，國外的一些科研機構也在做相關的開發(fā)工作。

1　高溫電池的定義與特點

高溫電池，即高溫型閥控式鉛酸蓄電池，是在常規(guī)的閥控式鉛酸蓄電池的基礎上，通過技術改進而開發(fā)出來的新型產(chǎn)品。根據(jù) YD/T 2657-2013《高溫型閥控式密封鉛酸蓄電池》要求，高溫電池的推薦使用溫度為 20～35 ℃，允許在 -20～65 ℃環(huán)境條件下使用。

高溫電池的型號命名一般為“串聯(lián)單體數(shù) -GFMH-10 小時率容量”，如 GFMH-500、6-GFMH-100。

高溫電池一般采用更耐腐蝕的板柵合金、熱變形強度更高的改性 ABS 外殼材料、更加合理的極群結(jié)構設計、以及膠體、亞膠體電解液等。這樣，極板的耐腐蝕性更強，電池的耐過充能力更佳，在-20～65 ℃ 溫度范圍內(nèi)，高溫電池的循環(huán)壽命和浮充壽命均較普通鉛酸蓄電池有大幅度提升。

2　高溫電池的技術要求

高溫電池一般在結(jié)構設計或制造工藝上做了相應的改善或調(diào)整。行業(yè)內(nèi)通常從板柵的合金組成、極板配方及固化工藝、外殼材料的改性與結(jié)構優(yōu)化、極群優(yōu)化設計、膠體電解液等方面著手，開發(fā)出相應的高溫電池產(chǎn)品。高溫電池一般具備以下技術特點：

2.1耐腐蝕板柵合金

蓄電池在浮充過程中，通常會處于過充狀態(tài)并伴隨著氧循環(huán)反應，而這些過程將加大正板柵的腐蝕。因此，開發(fā)的高溫電池時，可對正板柵進行加厚處理或改善正板柵的合金組成?？紤]到成本及電池的重量比能量等因素，改善正板柵的合金組成成為一種優(yōu)選方式。通常作為備用電源的鉛酸蓄電池的正板柵一般采用鉛鈣錫合金，合金中 ω(Ca) 一般為 0.03 %～0.04 %，板柵合金晶粒尺寸大，電阻小，析氫過電位高[2]。

為了進一步提高板柵的耐腐蝕性能，可以采用鉛錫硅三元合金，其中 ω (Sn) 為 0.1 %～1 %，ω(Si) 為 0.01 %～1 %，以提高電池的浮充壽命[3]；另外，采用連鑄連軋的方式制備板柵，并在涂板前進行熱處理，可以顯著提高蓄電池在高溫環(huán)境下的循環(huán)壽命。張明等采用耐高溫腐蝕和防失水的含銀合金，其中 ω (Ca) 為 0.05 %～0.06 %，ω (Sn) 為1.0 %～1.2 %，ω (Al) 為0.004 %～0.02 %，ω (Ag) 為 0.01 %～0.1 %[4]，同樣取得良好的浮充壽命。

2.2高溫鉛膏配方或固化工藝

備用電池的失效模式一般是正極板的腐蝕或鉛膏的脫落，而高溫環(huán)境會加劇這一現(xiàn)象的產(chǎn)生。為了提高蓄電池的耐高溫性能，可以改善鉛膏的配方及電池的固化工藝。祝夫勤等開發(fā)的高溫電池，正極活性物質(zhì)中按質(zhì)量分數(shù)分別為鉛粉 80 %～95 %、紅丹 3 %～15 %、4BS 0.3 %～2 %、納米膠體石墨0.3 %～1 %、二氧化硅 0.5 %～3.5 %[5]；張明等在正極鉛膏配方中添加了質(zhì)量分數(shù)占 1 %～2 %的稀土氧化物三氧化二釔[6]；吳賢章等在正極鉛膏添加了質(zhì)量分數(shù)占 1%～10 %的4BS[7]，都取得了一定的效果。

改善正極的鉛膏配方，提高正極鉛膏中的 4BS所占的質(zhì)量分數(shù)，可以采用在和膏時添加到鉛膏中的方式，也可以采用高溫固化工藝原位生成。試驗證明，在鉛膏中加入的 4BS，在常溫固化過程中會部分轉(zhuǎn)化為 3BS。

2.3耐高溫外殼材料

根據(jù) YD/T 2657-2013 《高溫型閥控式密封鉛酸蓄電池》中第 5.24 節(jié)對極限高溫使用的要求，蓄電池按照標準第 6.24 節(jié)進行試驗，電池浮充電流不能有上升趨勢，容量損失不超過 5 %；蓄電池外觀不應有破裂、過度膨脹及槽、蓋分離現(xiàn)象。高溫電池對外殼材料的熱變形溫度要求嚴格。對于常規(guī)的 ABS 材料，熱變形溫度較低，高溫電池一般需要采用熱變形溫度較高的改性材料或改善外殼結(jié)構設計。

以 2 V 500 Ah 電池為例，按照高溫電池行業(yè)標準第 6.24 節(jié)進行試驗。結(jié)果表明，采用改性 ABS材料的電池外殼經(jīng) 65 ℃ 極限高溫測試后外殼基本無形變，而采用普通 ABS 材料的電池外殼明顯鼓脹，具體結(jié)果見表 1。

表1　不同外殼材料 2 V 500 Ah 電池極限高溫試驗數(shù)據(jù)

由表 1 可知，經(jīng)極限高溫試驗后，改性 ABS外殼基本無形變，電池失水量較少，容量無損失；而普通 ABS 外殼形變明顯，電池失水量較多，容量略有損失。外殼的厚度對其強度有一定的影響。可見，采用熱變形溫度較高的外殼材料或增加外殼的厚度均可以降低外殼的形變。

2.4改善極群結(jié)構及優(yōu)化電解液設計

改善蓄電池在高溫環(huán)境下的浮充壽命，一個很重要的思路是解決失水問題。通?？梢圆捎酶纳茦O群結(jié)構、優(yōu)化電解液設計或增加氫氧復合催化栓的方式。

在電池極群上套有 2～4 道塑料扎帶打包緊固，用以保證壓縮比，可以在一定程度上提高電池的高溫性能[8]；另外，12 V 極群的極耳可以采用對角線相對設計，即正極引出極柱與負極引出極柱分別從蓄電池前端的上部和下部引出[7]，可以在一定程度上改善電池的失水情況。

實驗證明采用膠體電解液，可有效地減少蓄電池，尤其是 2 V 高型蓄電池的失水及酸分層現(xiàn)象，提高蓄電池在高溫狀態(tài)下的循環(huán)壽命；同時，在電解液中添加質(zhì)量分數(shù)占 0.1 %～1 %的多氟烷基磺酸[3]，或者質(zhì)量分數(shù)占 1%～1.8 %的K2SO4[9]，或質(zhì)量分數(shù)占 0.5 %～5 %的SiO2[10]，均可以提高鉛酸電池的析氫過電位，在一定程度上提高蓄電池的高溫性能。

另外，在蓄電池安全閥的下部，安裝鈀金屬催化劑或者消氫帽，促進氫氧的復合反應，可以顯著降低電池的失水量。2015 年 4 月 28 日，在浙江舟山舉行的中外氫氧復合催化芯技術討論會上，來自費城科技的 Duncan Jones 介紹了氫氧復合催化栓的結(jié)構及原理，匯報了其在 VRLA 電池中的可行性分析，共同探討了其在高溫電池中使用的前景。

3　高溫電池的應用前景

當前，全國通信基站總數(shù)已超過一百萬個。據(jù)統(tǒng)計，每個基站空調(diào)耗電量約為 1.5 萬度，其中空調(diào)耗電約占基站耗電總量的 45 %，全年基站空調(diào)耗電量超過 70 億度，相當于 43 億公斤 CO2的排放量。隨著能源的日益緊張，以及國家產(chǎn)業(yè)結(jié)構的優(yōu)化和調(diào)整，實現(xiàn)低碳經(jīng)濟，推進節(jié)能減排的深入開展，采用高溫電池，降低基站空調(diào)的耗電量具有重要的經(jīng)濟效率和環(huán)保意義。

為了更加直觀地對比基站選擇高溫電池與普通電池的經(jīng)濟投入，林宇等[11]采用 12 V/100 Ah 電池，以 48 V/100 Ah 為一組，采用 800 Ah-48 V的配置，通過單價計算，得出普通電池與高溫電池投資與能耗效益的分析統(tǒng)計，經(jīng)匯總見表 2。

表2　普通電池與高溫電池投資與能耗效益分析[11]

由表 2 可知，對于一個基站，如果采用高溫電池，在最初的設備投資上約為采用普通閥控電池的1.6～1.7 倍。但電費的支出約為采用普通閥控電池的 1/10。在第一年內(nèi)，總花費基本持平，在第二年及以后，采用高溫電池的經(jīng)濟效益將非常明顯。而蓄電池一般的實際使用壽命在 5 a 以上。所以，從長遠以及環(huán)保的角度來看，基站選用高溫電池有著巨大的優(yōu)勢。

4　結(jié)束語

閥控式高溫電池的開發(fā)為鉛酸蓄電池行業(yè)注入了新的活力，也給通信基站的環(huán)保節(jié)能提供了更多的選擇。當然，高溫電池的性能有待進一步的提升與驗證，其生產(chǎn)成本也有待進一步的優(yōu)化。相信隨著技術的不斷升級，高溫電池在通信基站機房的優(yōu)勢將會更加的明顯，未來將會擁有更廣闊的市場。

參考文獻：

[1] 羅秋菊, 王文, 程勁暉, 等. 通信用蓄電池節(jié)能技術效果分析[J]. 廣州通信技術, 2013(6): 70–73.

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[4] 張明, 馬向民, 畢廣春, 等. 耐高溫深循環(huán)鉛酸蓄電池: 中國, 103700812 A[P]. 2014–04–02.

[5] 祝夫勤, 吳勇, 孔德龍, 等. 一種高溫用固定型鉛酸蓄電池正極活性物質(zhì): 中國, 102306786 A[P]. 2012–01–04.

[6] 張明, 馬向民, 畢廣春, 等. 耐高溫深循環(huán)鉛酸蓄電池: 中國, 103700812 A[P]. 2014–04–02.

[7] 吳賢章, 陳建, 項文敏, 等. 12 V 高溫循環(huán)狹長型閥控密封式鉛酸蓄電池: 中國, 102222803 A[P]. 2011–10–19.

[8] 張明, 李靜. 鉛酸蓄電池耐高溫極群: 中國, 102903970 A[P]. 2013–01–30.

[9] 薛奎網(wǎng), 張明. 高溫循環(huán)用鉛酸蓄電池: 中國, 102255060 A[P]. 2011–11–23.

[10] 黎立華, 黎福根. 一種高溫閥控式密封鉛酸蓄電池: 中國, 103594738 A[P]. 2014–02–19.

[11] 林宇. 通信基站后備電源儲能節(jié)能改造及分析[J]. 能源與環(huán)境, 2014(2) : 17–18.

High temperature valve-regulated lead-acid battery for telecommunications and its characteristics

ZHU Wei-min, SONG Yun-long*, CHEN Su-xiang, TANG Wei-cheng
(Zhejiang Dengta Power Source Co., ltd. of Wolong Electric Group, Shaoxing Zhejiang 312000, China)

Abstract:This paper briefl y introduced the demand for high temperature batteries in communication base stations, present situation and technology features of high temperature batteries. Then it introduced the technical requirements of corrosion-resistant grid alloy, special paste formula or curing process, high temperature resistant material for container, the optimized structure design, etc. Finally, it analyzed the application prospect of high temperature batteries.

Key words:high temperature battery; telecommunication base station; corrosion-resistant grid alloy; modified ABS; thermal runaway; hydrogen and oxygen compound catalytic bolt

中圖分類號：TM 912.1

文獻標識碼：B

文章編號：1006-0847(2015)06-287-03

收稿日期：2015–06–04