阀控密封式铅酸蓄电池技术及发展趋势

 阀控密封式铅酸蓄电池技术及发展趋势

阀控密封式铅酸蓄电池简介

　　阀控密封式铅酸蓄电池（ValveRegulatedLead－AcidBattery，简称VRLA），按其实现技术分为AGM和GEL两种，前者是指采用AbsorbedGlassMat即超细玻璃纤维棉隔板吸附硫酸电解液的技术，而后者是指采用GEL即SiO2胶体吸收硫酸电解液的技术。后者从1957年开始由西德Sonnenschein公司开发并投入商业使用，因为GEL电池在大电流、低温等方面的相对低性能，虽然经过了半个世纪的发展，迄今为止仍未能成为主流。目前文献和会议讨论的VRLA电池除特别说明外，皆指AGM电池。

　　AGM技术的VRLA电池的研制可以从上世纪60年代中期起算，实现真正意义上的商业化在1979年，美国GNB公司在购买了Gates公司的发明专利后，经过进一步研发，开始大规模生产VRLA电池，容量为32～500AH。此后，VRLA电池在欧美得到推广应用，出现了以美国GNB、DEKA、C＆D、英国Chloride、HAWKER、日本YUASA、GS、松下为代表的大批的VRLA电池生产厂家。到1996年，在固定用途领域VRLA电池已基本取代上一代的富液管式电池。到目前，VRLA电池虽仍面临众多的未解决难题，但产品维护工作量少的特点深入人心，市场地位已不可动摇。

2 阀控密封式铅酸蓄电池目前面临的几大技术难题及其分析

　　VRLA电池目前主要存在以下几个技术难题，其余问题都与这几个问题有密切的联系或是由这几个问题引发。

2.1 长期密封

　　VRLA电池的长期密封在目前有被生产和使用双方忽视的倾向，因为市场上大部分的VRLA电池都已将短期密封解决得比较好，在电池使用中的表现也可作为佐证。在电池投入使用的前3年，一般不会出现密封上的问题。但在对电池的使用寿命要求已超过10年的今天，在使用3～5年之后，电池的密封还能可靠吗？让我们从电池的运行中的现象作一简单分析。众所周知，蓄电池在使用期间正极板栅腐蚀后必然伸长，不同品牌电池之间的区别仅在于伸长量的大小，即使是采用公认非常耐腐Pb-Sb-Cd-Ag合金，在使用5～6年之后，因为正极板伸长，也会对电池极柱部位的密封造成致命的破坏。事实上，从众多用户处收集到的信息来看，在电池投入使用后3～6年，有很多品牌的电池会出现极柱处密封破坏的问题，这将导致电池泄露进而短期内失效。即使是采用环氧加橡胶的多重密封或氩弧焊的看似牢不可破的密封，也抵挡不住正极板伸长的化学力。因此，我们有理由对VRLA电池的长期密封可靠性再次提出疑问。但问题显然不全在密封上，电池设计中对正极板伸长的充分预计没有得到足够的重视，使得目前大多数的VRLA电池都将面临使用一段时间后产生泄露的尴尬。在这一方面，美国EPM公司（EASTPENNManufacturing,co.,inc.）做得极为出色，体现在其DEKA(r)系列产品中，2VVRLA电池都有一个可以吸收正极板伸长的弹性底桥（如下图1），而12V系列的产品使用与Wirtz联合开发的连续铸造辊压板栅，该板栅的屈服强度显著提高，因此极板在运行期间很少伸长膨胀[1]，能分别满足20年（2V系列）和10年（12V系列）的寿命要求。由于受专利的保护，目前在世界范围内，EPM的这种设计还是独此一家，别无分店。

2.2 失水、热失控

　　VRLA电池失水的主要原因分为三个方面，首先是水分解后从安全阀排气失水，其次是电池槽盖的渗透失水，第三是板栅腐蚀消耗水。电池失水到一定程度，热失控几乎就必然发生。

　　对排气失水，主要取决于电池的板栅合金和浮充电压，对不同的电池，因为使用合金的不同，生产厂家推荐的浮充电压可能不一样，但超过2.26V/cell（25℃）的浮充电压普遍认为是不恰当的。过高的浮充电压导致额外的水分解和排出。DEKA(r)系列电池采用Pb-Sn合金作为正板栅材料，结合特殊的正极铅膏配方和制造工艺，使得电池在2.25V/cell的浮充电压下浮充电流也仅0.028A/100Ah，从而在保证电池充足电的情况下使电池浮充失水减少到最小。

　　电池槽盖的渗透失水已有定论，PP是目前防止失水最好的槽盖材料。下表是VRLA电池最常使用的三种材料的性能对比[2]。

　　板栅腐蚀失水取决于所用的合金和充电电压，目前普遍采用Pb－Ca系合金作为负板栅，正板栅则由于电池性能上的综合考虑而有所不同，如美国GNB采用Pb－Sb－Cd－Ag合金，EPM采用Pb－Sn合金，一般厂家采用Pb－Ca－Sn合金，各种合金各有优劣，目前难有定论。

　　当电池的失水达8～10％时，由于氧复合效率的高效以及散热不良，电池将出现热失控，短时间内即告失效。

2.3 电池均匀性和可靠性

　　由于组成电池的各零部件、材料在尺寸、成分、用量上的微小差异，使得电池在浮充电压、静态电压上表现出虽然在绝对百分比上也是微小，但实际上不能接受的差异。国内外均对这种差异给以极大的关注，所有的VRLA电池制造厂都投入大量人力物力进行研究和解决，但成效似乎还不尽如人意。

　　做得最好的如DEKA(r)电池，也只能宣称达到电池出厂6个月内投入使用，浮充电压极差在±20mV之内，储存时间越长，投入使用后的电池差异越大。根据EPM的研究，电池电压的差异主要受极板和电池吸酸饱和度的影响，采用高成本的槽式化成有利于提高极板的均匀性，而采用富液玻璃棉隔板（HGM）和倒酸工艺有利于饱和度的均匀。电池的均匀性和可靠性就取决于制造厂的工艺制造水平，国内外都倾向于提高制造的自动化水平以提高电池的均匀性和可靠性。如EPM公司在DEKA(r)系列VRLA电池的生产上，就已经实现了全生产过程的电脑监控和高度自动化制造。

　　电池在使用条件上的均匀性是容易被忽视的方面，如果几个电池密放在一起，我们必然能检测到中间的电池温度会较两头的高，日积月累下来，中间电池的失水、腐蚀等会较其他电池为多，差异由此拉大，并导致个别电池寿命提前终止，整组电池也随之失效。EPM的DEKA(r)系列为每一个VRLA电池都提供六个面的散热，以保证电池在使用条件上的均匀性（下图2）。

　　VRLA电池维护工作量的极大减少，使得用户包括制造厂对使用中电池的状态不能很好掌握。先进铅酸电池联合会（ALABC）曾调查了100万只（6万组）电池的使用数据，由于用途的不同，电池使用寿命从1年到15年以上不等。在电信应用上，有54％的电池组从未更换过电池，大多数使用15年以上。调查还揭示，导致个别电池提前失效的原因首先是VRLA电池对工作温度的敏感，以年平均工作温度25℃为标准、如果长期工作偏差超过10℃，则该电池组有78％在不足5年的时间内第一只电池失效，因此，在宽的温度范围内运行的电池组，寿命缩短。导致寿命缩短的第二个原因是过充电所致的电池干水，环境温度高于35℃而没有降低充电电压的电池34％的不到5年就失效[3]。

3 当今阀控式密封铅酸蓄电池发展趋势

3.1 连续铸造辊压板栅

　　由EPM和Wirtz联合开发，显著提高屈服强度，减少极板伸长膨胀。

3.2 薄片电极

　　板栅厚度小于1mm，以获得更佳的充放电电流特性。由Wirtz开发，在EPM承担的ALABC项目中应用。

3.3 平面式管式电极

　　板栅挤压成型，厚0.75mm，制成极板后不超过3mm，适用于EV、HEV等循环使用场合。由YUASA开发。

3.4 箔式卷状电极

　　薄如纸的电极，厚度仅0.05～0.08mm,由美国BOLDER公司开发。具有极高的比功率和可再充性能。用于电动工具等场合。

3.5 水平电池

　　采用在玻璃丝上挤压包覆Pb－Sn合金制成的铅线编织的铅布为板栅，分别在两头涂正、负铅膏，中间留有铅丝相连。制得的电极水平叠放。比能量和比功率较高。

3.6 双极性电池

　　一块极板，一面是正极，另一面是负极，和其它极板串联成电池。内阻小，比能量高，尤其适合组成上100V的高电压单个电池。

3.7 螺旋卷状电极电池

　　由EXIDE开发，薄的连续电极卷绕成圆筒，有较好的深循环寿命。

3.8 内催化电池[4]

　　由美国费城科技发明，C＆D购买后已商业化应用。原理和防酸隔爆电池的消氢相同，但置于电池内部。为负极复合氧的辅助－冗余结构。据C＆D测试，能显著降低高电压充电时的析气量，减少水损耗。

3.9 槽式化成

　　本来不是新技术，但因为对电池的均匀性效果较好，有重新普及的趋势。EPM全部的VRLA电池均采用槽式化成，C＆D在其liberty2000系列上已采用槽式化成。

3.10 富液式VRLA电池

　　采用富液式隔板（HGM）的VRLA电池，由隔板中的憎酸材料（PE）提供氧气复合通道。显然电池中将留有更多的水。

3.11 VRLA电池智能化

　　更多是指充电设备的智能化和智能化监控，但由于设备投入大，未普及。

4 小结

 

 

　　回顾铅酸蓄电池近150年的发展史，我们看到，当某一种形式的产品发展到接近完美的时候，在不知不觉中，它正被另一种形式的产品所取代。推动铅酸蓄电池技术不断发展的主要动力，是在减少维护、提高稳定性和可靠性上更高的需求。未来属于免维护电池，而VRLA电池最接近此要求。通过技术上的不断进步，VRLA电池将以更高的质量，更低的价格服务于用户