霍克蓄电池的发展及应用

　1 铅酸蓄电池的开展前史和现状

　　铅酸蓄电池是1859年由普兰特(Plante)发明的，至今已有一百五十年的前史。铅酸蓄电池自发明后，在化学电源中一向占有绝对优势。这是由于其原资料易于取得，价格低廉，运用上有充沛的可靠性，适用于大电流放电及广泛的环境温度规模等长处。

　　到20世纪初，铅酸蓄电池历经了许多严峻的改善，进步了能量密度、循环寿数、高倍率放电等功能。然而，开口式铅酸蓄电池有两个首要缺陷：一是充电晚期水会分化为氢，氧气体分出，需常常加酸、加水，保护作业繁重；二是气体溢出时带着酸雾，腐蚀周围设备，并污染环境，限制了电池的运用。近二十年来，为了解决以上的两个问题，世界各国竞相开发密封铅酸蓄电池，期望完成电池的密封，取得洁净的绿色动力。

　　1912年ThomasEdison宣布专利，提出在单体电池的上部空间运用铂丝，在有电流通过时，铂被加热，成为氢、氧化合的催化剂，使分出的H2与O2从头化合，返回电解液中。但该专利未能付诸完成：首要原因有如下三点，一是铂催化剂很快失效；二是气体不是按氢2氧1的化学计量数分出，电池内部仍有气体存在；三是存在爆破的风险。20世纪60年代，世界各大电池公司投入大量人力物力进行开发。1969年，美国登月方案实施，密封阀控铅酸蓄电池和镉镍电池被列入月球车用动力电源，最终镉镍电池被选用，但密封铅酸蓄电池技能从此得到敏捷开展。跟着电信业的飞速开展，VRLA电池在电信部分也得到了敏捷推广运用。1991年，英国电信部分对正在运用的VRLA电池进行了查看和测验，发现VRLA电池并不象厂商宣扬的那样功能先进安稳可靠，电池呈现了热失控、燃烧和前期容量失效等现象，这引起了电池工业界的广泛评论，并对VRLA电池的开展前途、容量监测技能、热失控和可靠性表明了疑问，此时，VRLA电池市场占有率还不到富液式电池的50％，本来提到的“密封免推护铅酸电池”名称正式被“VRLA电池”替代，原因是VRLA电池是一种还需求管理的电池，选用“免保护”简单引起误解。针对这些问题，电池专家和生产厂家的技能员纷繁宣布文章提出对策和观点，这些文章对VRLA电池的开展和推广运用起了很大的促进效果。1992年，世界上VRLA电池用量在欧洲和美洲都大幅度增加，在亚洲国家电信部分发起悉数选用VRLA电池；1996年VRLA电池基本替代传统的富液式电池，VRLA电池现已得到了广阔用户的认可。

　　2 阀控式铅酸蓄电池的界说

　　阀控式铅酸蓄电池的英文名称为Valve Regulated Lead Acid Battery(简称VRLA电池)，其基本特点是密封结构，运用期间不用加酸加水保护，不会漏酸，正确运用也不会向空气中排放酸雾，单体电池的上部设有安全阀，该阀的效果是当电池内部气体量超越一定压力时，排气阀主动翻开，排出气体，避免因电池内部压力过大而引起电池壳体决裂或爆破，待压力达到平衡后主动关阀，避免空气进入电池内部。

　　3 阀控式铅酸蓄电池的分类

　　阀控式铅酸蓄电池分为AGM和GEL（胶体）电池两种，AGM选用吸附式玻璃纤维棉(Absorbed Glass Mat)作隔阂，电解液吸附在极板和隔阂中，贫液规划，电池内无流动的电解液,电池能够立放作业，也能够卧放作业；胶体（GEL）SiO2作凝固剂，电解液吸附在极板和胶体内，一般立放作业。目前文献和会议评论的VRLA电池除非特别指明，一般是指AGM电池。

　　4 铅酸电池的作业原理

　　4.1 开口式铅酸电池的作业原理

　　铅酸电池是一种运用最广泛的蓄电池，它以海绵状的铅作为负极，二氧化铅作为正极，用硫酸水溶液作为电解液，它们共同参加电池的电化学反响。化学反响原理如下：

　　PbO2+2H++2HSO4-+Pb→2PbSO4+2H2O

　　从反响原理能够看到，在放电时，正负极资料都与电解液中的硫酸反响生成硫酸铅，正常状况下，所生成的硫酸铅结构疏松，并且其晶体非常细小，电化学活性很高，这种活性很高的硫酸铅在充电时能够在电流效果下从头生成正极的二氧化铅和负极的海绵状铅。通过这种安稳的可逆进程，电池完成了储存电能和释放电能的效果。

　　放电时生成硫酸铅的进程亦称为“盐化反响”、“硫化反响”，这种硫酸盐生成后的一段时刻内活性很强。假如这段时刻内未充电，未能及时转化为海绵状铅和二氧化铅。随温度下降，活性的硫酸铅会再结晶成为颗粒较大的晶体。这种白色粗晶粒硫酸铅导电功能很差，难溶解，充电时也不能再很简单地复原成海绵状铅和二氧化铅，构成了不行逆的硫酸盐化，严峻时，这些结晶体附着在电极外表，阻挡了电解液与涂层活性物质的反响，构成内阻增大，容量下降，电解液温度过高，O2、H2溢出而失水，电极栅板变形，活性物质掉落，单格电池短路或断路等恶性循环发生。

　　4.2 阀控式铅酸电池的作业原理

　　电池充电进程中存在水分化反响，当正极充电到70％时，开端分出氧气，负极充电到90％时开端分出氢气。阀控式铅酸蓄电池能在电池内部对氧气再复合运用，一起抑制氢气的分出，克服了传统式铅酸蓄电池的首要缺陷。

　　阀控式铅酸蓄电池选用负极活性物质过量规划，正极在充电后期发生的氧气通过空地分散到负极，与负极海绵状铅发生反响，使负极处于去极化状况或充电缺乏状况，达不到析氢过电位，所以负极不会由于充电而分出氢气，电池失水量很小，故运用期间不需加酸加水保护。在阀控式铅酸蓄电池中，负极起着双重效果，即在充电晚期或过充电时，一方面极板中的海绵状铅与正极发生的O2反响而耗费氧气，另一方面是极板中的硫酸铅又要承受外电路传输来的电子进行复原反响，由硫酸铅反响成海绵状铅。在电池内部，若要使氧的复合反响能够进行，有必要使氧气从正极顺利的分散到负极。氧的移动进程越简单，氧循环就越简单树立。在阀控式蓄电池内部，氧以两种办法传输：一是溶解在电解液中的办法，即通过在液相中的分散，抵达负极外表；二是以气相的办法分散到负极外表。传统富液式电池中，氧的传输只能依赖于氧在正极区H2SO4溶液中溶解，然后依靠在液相中分散到负极。假如氧呈气相在电极间直接通过开放的通道移动，那么氧的迁移速率就比单靠液相中分散大得多。充电晚期正极分出氧气，在正极邻近有轻微的过压，而负极化合了氧，发生一轻微的真空，所以正、负间的压差将推动气相氧通过电极间的气体通道向负极移动。阀控式铅蓄电池的规划提供了这种通道，然后使阀控式电池在浮充所要求的电压规模下作业，而不丢失水。

　　5 铅酸蓄电池运用寿数短原因探讨

　　铅酸蓄电池自面世以来，始终跳不出实践运用寿数短，提前作废的怪圈，如普通铅酸蓄电池规划寿数为2-3年，实践只能运用一年或更短的时刻。有的蓄电池由于储存时刻过长，未经运用就已失效作废，构成动力的极大糟蹋。蓄电池运用寿数短，首要原因是在正常的运用进程中，化学能转变电能的一起也会自然发生硫化，在极板上构成一层硫酸铅结晶体，跟着时刻的推移，这些结晶体沾附在极板上的面积越来越大，越来越厚，将极板微孔阻塞，使发生化学反响的活性物质越来越少，极板不能正常作业。蓄电池容量越来越低，严峻时构成蓄电池寿数停止，这是自然原因构成的。但更多的状况是人为原因构成的，原因多为运用、储存不妥。

　　6 阀控铅酸蓄电池的失效形式

　　6.1 干枯失效形式

　　从阀控铅酸蓄电池中排出氢气、氧气，水蒸气、酸雾，都是电池失水的办法和干枯的原因。电池干枯失效是阀控铅酸蓄电池所特有的。失水的原因有以下几种：

　　①气体再化合的功率低。

　　②从电池壳体蒸腾水。

　　③板栅腐蚀耗费水。

　　④自放电丢失水。

　　6.1.1 气体再化合功率

　　气体再化合功率与挑选浮充电压联系很大。电压挑选过低，虽然氧气分出少，复合功率高，但单个电池会由于长期充电缺乏构成负极盐化而失效，使电池寿数缩短。浮充电压挑选过高，气体分出量增加，气体再化合功率低，虽避免了负极失效，但安全阀频频开启，失水多，正极板栅也有腐蚀，影响电池寿数。

　　6.1.2 从电池壳体蒸腾水

　　电池壳体的浸透率，除取决于壳体资料种类、性质外，还与其壁厚，壳体内外间水蒸气压差有关。虽然有些壳体资料的水蒸气浸透率较大，但强度好，所以仍然得到广泛的运用。

　　6.1.3 板栅腐蚀

　　板栅腐蚀也会构成水分的耗费。

　　6.1.4 自放电

　　正极自放电分出的氧气能够在负极再化合而不至于失水，但负极出析的氢不能在正极复合，会在电池累积，从安全阀排出而失水，尤其是电池在较高温度下储存时，自放电加速。

　　6.2 容量过早丢失的失效形式

　　阀控铅酸蓄电池前期容量丢异常简单在如下条件发生：

　　①不适宜的循环条件，比如接连高速率放电、深放电、充电开端时低的电流密度。

　　②缺乏特别增加剂如Sb、Sn、H3PO4。

　　③低速率放电时高的活性物质运用率、电解液高度过剩，极板过薄等。

　　④活性物质视密度过低，装配压力过低一级。

　　6.3 热失控的失效形式

　　大多数电池系统都存在发热问题，在阀控铅酸蓄电池中可能性更大，这是由于：氧再化合进程使电池内发生更多的热量；排出的气体量小，削减了热的散失；

　　若阀控铅酸蓄电池作业环境温度过高，或充电设备电压失控，则电池充电量会增加过快，电池内部温度随之增加，电池散热欠安，然后发生过热，电池内阻下降，充电电流又进一步升高，内阻进一步下降。如此反复构成恶性循环，直到热失控使电池壳体严峻变形、涨裂。为杜绝热失控的发生，要选用相应的办法：

　　①充电设备应有温度补偿或限流功能。

　　②严格操控安全阀质量，以使电池内部气体正常排出。

　　③蓄电池要装置在通风杰出的位置，并操控电池温度。

　　6.4 负极不行逆硫酸盐化

　　正常条件下，铅蓄电池在放电时构成的硫酸铅结晶，在充电时能较简单地复原为铅。假如电池运用和保护不妥，例如常常处于充电缺乏或过放电，负极就会逐步构成一种粗大坚固的硫酸铅，它几乎不溶解，用惯例办法充电很难使它转化为活性物质，然后削减了电池容量，甚至成为蓄电池寿数停止的原因，这种现象称为极板的不行逆硫酸盐化。为了避免负极发生不行逆硫酸盐化，有必要对蓄电池及时充电，不行过放电。

　　6.5 板栅腐蚀

　　在铅酸蓄电池中，正极板栅比负极板栅厚，原因之一是在充电时，特别是在过充电时，正极板栅要遭到腐蚀，逐步被氧化成二氧化铅而失掉板栅的效果，为补偿其腐蚀量有必要加粗加厚正极板栅。所以在实践运转进程中，一定要依据环境温度挑选适宜的浮充电压，浮充电压过高，除引起水丢失加速外，也引起正极板栅腐蚀加速。电池的规划寿数是按正极板栅合金的腐蚀速率进行核算的，正极板栅被腐蚀的越多，电池的剩下容量就越少；电池寿数就越短。

　　7 阀控式铅酸蓄电池的自放电

　　7.1 自放电的原因

　　电池的自放电是指电池在存储期间通过内电路放电,致使容量下降的现象。自放电一般首要在负极，由于负极活性物质为较活泼的海绵状铅电极，可发生置换反响。若在电极中存在着析氢过电位低的金属杂质，这些杂质和负极活性物质能组成腐蚀微电池，成果负极金属自溶解，并伴有氢气分出，然后容量削减。在电解液中杂质起着相同的有害效果。一般正极的自放电不大。正极为强氧化剂，若在电解液中或隔阂上存在易于被氧化的杂质，也会引起正极活性物质的复原，然后削减容量。

　　7.2正极的自放电

　　正极的自放电是由于在放置期间，正极活性物质发生分化，构成硫酸铅并伴跟着氧气分出。

　　7.3负极的自放电

　　蓄电池在开路状况下，铅的自溶解导致容量丢失。引起自放电的要素许多，如电解液及极板资料有杂质，引起部分电池效应自放电；隔板决裂，活性物质掉落；蓄电池盖上有浸润性尘埃，电解液或水构成回路自放电。我们能做到的是坚持蓄电池盖上的干燥和清洁。冬季从屋外移到屋内的蓄电池其体现上会有冷凝水，可擦拭或静置屋内待其蒸腾后再充电。

　　8 阀控式铅酸蓄电池容量的影响要素

　　8.1 放电率对电池容量的影响

　　铅蓄电池容量随放电倍率增大而下降，在考核电池容量时，有必要指明放电的倍率。

　　8.1.1高倍率放电时容量下降的原因

　　放电倍率越高，放电电流密度越大，电流在电极上散布越不均匀，电流优先散布在离主体电解液最近的外表上，然后在电极的最外外表优先生成PbSO4。PbSO4的体积比PbO2和Pb大，所以放电产品硫酸铅阻塞多孔电极的孔口，电解液则不能充沛供应电极内部反响的需求，电极内部物质不能得到充沛运用，因而高倍率放电时容量下降。

　　8.1.2 放电电流与电极效果深度联系

　　在大电流放电时，活性物质沿厚度方向的效果深度有限，电流越大其效果深度越小，活性物质被运用的程度越低，电池给出的容量也就越小。在大电流放电时，由于极化和内阻的存在，电池的端电压低，电压降丢失增加，使电池端电压下降快，也影响容量。

　　8.2 温度对电池容量的影响

　　环境温度对电池的容量影响较大，跟着环境温度的下降容量减小。环境温度改变1℃时的电池容量改变称为容量的温度系数。

　　9 阀控铅酸蓄电池的运用

　　9.1 容量挑选

　　阀控铅酸蓄电池的额外容量是10小时率放电的容量。电池放电电流过大，则达不到额外容量。因而，应依据设备负载，电压巨细等要素来挑选适宜容量电池。

　　9.2 充电机的挑选

　　由于浮充运用和无人值守，要求运用阀控铅酸蓄电池的充电机具有如下功能：

　　①主动稳压。

　　②主动稳流。

　　③恒压限流。

　　④高温报警。

　　⑤毛病报警。

　　⑥温度补偿。

　　9.3 阀控铅酸蓄电池的装置

　　9.3.1装置办法

　　阀控铅酸蓄电池有高形和矮形两种规划，高形规划的电池高度、重量大，浓差极化大，影响电池功能，最好卧式放置。矮形电池最好立放作业。装置办法要依据作业场地与设备而定。

　　9.3.2衔接办法及导线

　　阀控铅酸蓄电池实践运用中，大电流放电功能特别重要。除电池本身外，衔接办法和衔接导线的电压降是至关重要的。1000Ah以上大电池大部分是用500Ah-1000Ah并联而成，衔接线运用多，要遵循“多串少并，先串后并”准则。一般要求电池间衔接导线电压降在1h率大电流放电时不大于10mV。

　　9.4 运转充电

　　9.4.1弥弥补电与容量实验

　　阀控铅酸蓄电池是荷电出厂，由于自放电等原因，投入运转前要作弥弥补电和一次容量实验。弥弥补电应按厂家运用说明书进行，各生产厂的要求并不完全一致。

　　9.4.2 浮充充电

　　9.4.2.1浮充作业

　　阀控铅酸蓄电池在现场的作业办法首要是浮充作业制，浮充作业制是在运用中将蓄电池组和整流器设备并接在负载回路作为支持负载作业的后备电源，浮充作业的特点是，一般说电池组平常并不放电，负载的电流悉数由整流器供给。当然实践运转中电池有部分放电以及由于负载的意外突然增大而放电。

　　9.4.2.2浮充充电效果

　　蓄电池组在浮充作业制中有两个首要效果

　　①当市电中止或整流器发生毛病时，蓄电池组即可担负起对负载单独供电任务，以确保通信不中止。

　　②起滑润滤波效果。电池组与电容器相同，具有充放电效果，因而对沟通成分有旁路效果。这样，送至负载的脉动成分进一步削减，然后确保了负载设备对电压的要求。

　　9.4.2.3浮充电压的准则

　　①浮充电流足以补偿电池的自放电丢失。

　　②当蓄电池放电后，能依靠浮充电很快地弥补丢失的电量，以备下一次放电。

　　③在该充电电压下，电池极板生成的PbO2较为致密，以保护板栅不致于很快腐蚀。

　　④尽量削减O2与H2分出，并削减负极盐化。

　　⑤浮充电压的挑选还要考虑其它的影响要素，如电解液浓度对浮充电压的影响、板栅合金对浮充电压的影响等。

　　依据浮充电压挑选准则与各种要素对浮充电压的影响，国外一般挑选稍高的浮充电压，规模可达2.25—2.33V，国内稍低，2.23—2.27V。

　　9.4.2.4浮充电压的温度补偿

　　浮充充电与环境温度有密切联系。一般浮充电压是指环境25℃而言，所以当环境温度改变时，需按温度系数补偿，调整浮充电压。不同厂家电池的温度补偿系数不相同，在设置充电机电池参数时，应依据说明书上的规则设置温度补偿系数，如说明书没有写明，应向电池生产厂家咨询确认。

　　9.4.3 关于均衡充电的问题

　　所谓均衡充电，就是均衡电池特性的充电，是指在电池的运用进程中，由于电池的个体差异、温度差异等原因构成电池端电压不平衡，为了避免这种不平衡趋势的恶化，需求进步电池组的充电电压，对电池进行活化充电。

　　9.4.3.1关于阀控铅酸蓄电池的均衡充电

　　①均衡充电的概念是在老式铅酸电池运用中提出的，目前大多数的阀控式电池都明确提出“电压均衡、化成彻底”。而“电池内不构成酸层，无需进行均衡充电”。

　　②均衡充电会对阀控式电池构成损害。均衡充电电压关于大多数电池来说，都是较高的浮充电压。此时，大多数正常电池都处于过充电状况。不能复合的气体在电池内部构成一定的压力，压力超越安全操控阀阀值时，阀门翻开，气体从操控阀中排出。

　　③在曾经的电池保护中，伴跟着均衡充电的进程是进行电池电解液比重的调整，也就是说选用增加蒸馏水的办法弥补水量，以坚持电池的均衡性。但在免保护电池中，在现有的保护制度下是不加水的，这样一来，将不行避免构成电池的失水、电池干枯。

　　9.4.3.2怎么确保阀控铅酸蓄电池端电压的一致性

　　①电池端电压的决定性要素

　　首要，首要是电解液浓度和极板资料。电池失水，电解液浓度必定增大，使电池的端电压升高。其次，与安全阀的开启有关。如安全阀的压力过低，必将构成电池过早失水、端电压上升。第三，串联电池之间的衔接状况是不同的，浮充时，会呈现充电缺乏。当电池遇到深放电再进行康复性充电时，难以康复的电池，将构成电池端电压偏低。

　　②电池端电压的确保手法

　　已然电池会存在端电压不一致，又不答应电池进行均衡充电，那么应怎么确保电池端电压的一致呢？首要应从电池的原资料、生产环节确保电池电压的一致性。比如电池资料的挑选，特别是电解液、极板、压力操控阀等关键资料的挑选。其非必须确保电池装置的质量，确保电池装置状况的一致性。如，电池的衔接办法、扭力的均衡性等。第三，还要在保护中予以重视。关于落后的电池要进行康复性充电，应定期查看操控阀的作业状况。

　　10 铅酸蓄电池的保护

　　10.1日常保护

　　曾经过错地认为阀控蓄电池是免保护蓄电池，很简单给人构成是无须保护而不闻不问。其实蓄电池的改变是一个渐进的进程，为确保电池的杰出运用，作好运转记载是适当重要的，每月应查看的项目如下：

　　①单体和电池组浮充电压。

　　②电池的外壳和极柱温度。

　　③电池的壳盖有无变形和渗液。

　　④极柱、安全阀周围是否渗液和酸雾溢出。

　　10.2 衔接条是否拧紧

　　电池的衔接条松动，会使衔接处的接触电阻增大，在大电流充、放电进程中，很简单使衔接条发热甚至会导致电池盖的熔化，状况严峻的可能引发明火。

　　10.3 电池的内阻

　　已运转了4年以上的电池，有可能会导致电池的内阻增大及个体之间内阻差异，这种状况一般是要求相关厂家对电池进行活化处理，下降内阻,康复电池容量。

　　10.4 电池的电压

　　有些厂家电池选用厚极板规划，使电池的寿数得到进步，但关于电池电压的均匀性就较难操控，一般需运转两年以上电压才会逐步均匀，此外电池电压偏低的还能够对整组电池进行浅放电，看该电池的放电电压是否显着偏低，若显着低的话，就要联系相关厂家进行处理。

　　10.5 电池的容量检测

　　关于已运转三年以上的电池，最好能每年进行一次核对性放电实验，放出额外容量的30--40％(额外容量按实践放电率核算)，每三年进行一次容量放电测验，放出额外容量的80％，记载电池单体电压和总电压。

　　10.6要及时充电

　　蓄电池放电时就开端了盐化反响，充电将具有活性的硫酸铅及时转化为海绵状铅和二氧化铅，若放置12小时以上，活性的硫酸铅就会再次结晶成为较大晶体颗粒，成为不行逆的硫酸盐。

　　10.7 要定期完全放电

　　在浮充状况下作业，应定期进行完全放电，以活化电池的极板物质，并检测电池的实践容量。

　　10.8 不行欠电储存

　　长期停用的电池，要将电池充满电再寄存，至少每个月要充电一次。

　　10.9 电池的混用

　　电池新、旧混用可能会导致电池的实践负荷电流不相同，所以应尽量避免混用。

　　10.10 蓄电池的运用环境

　　阀控蓄电池应装置在远离热源和易发生火花的当地，在清洁的环境中运用。建议电池室温在15℃ 至35℃之间，最好装置空调，操控温度在25℃左右。潮湿、通风不畅、太阳照射等环境必定会使阀控蓄电池的寿数缩短。因而环境清洁、杰出的通风条件、环境温度以及避免阳光直射是十分必要的。别的为了便利蓄电池的保护，挑选机房时要留有适当的保护空间。