閥控式密封鉛酸蓄電池技術(shù)與維護

　　1．后備電源，包括直流供電系統(tǒng)和UPS系統(tǒng)

　　2．濾波

　　3．調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓

　　4．動力設(shè)備啟動電源

圖1 電池作用示意圖

　　二、固定型鉛酸蓄電池的類型

　　1．VRLA電池與GF電池相比較，VRLA電池具有以下特點：

　?。?）在使用過程中，不需要添加水、調(diào)整酸的比例

　?。?）不漏液，無酸霧，無環(huán)境污染

　?。?）自放電小

　?。?）結(jié)構(gòu)緊湊，密封良好，抗震，比能量高

　?。?）不存在記憶效應

　?。?）使用范圍廣

圖2 VRLA電池與GF電池（左）的比較

　　2．陰極吸收式VRLA電池與膠體電池的比較：

　　（1）AGM電池使用初期無氣體逸出，GEL電池在使用初期需安裝排風裝置。

　?。?）AGM電池內(nèi)阻小，大電流放電特性優(yōu)于GEL電池。

　?。?）AGM電池的一致性和均一性較好，因電解液的擴散性和均勻性優(yōu)于GEL電池。

　?。?）GEL電池，（特別是管狀電極）使用壽命較長，不易熱失控。

　　三、VRLA電池的工作原理

　　1．電池的充/放原理：

　　鉛酸蓄電池的基本電極反應是鉛（Pb）和二價鉛（Pb²⁺）及四價鉛（Pb⁴⁺）之間的轉(zhuǎn)化。

　　放電過程：負極：Pb→Pb²⁺正極：Pb⁴⁺→Pb²⁺

　?。?） PbO₂ + 3H⁺ + HSO₄^-+ 2e^放═══>_充 PbSO₄ + 2H₂

　　電子得失為：負失正得即負氧化正還原

　　充電過程：負極：Pb²⁺→Pb正極：Pb²⁺→ Pb⁴⁺

　　（－）Pb + HSO₄^{- 放}═══>_充 PbSO₄ + H^＋ + 2e

　　電子得失為：負得正失即負還原正氧化

　　電池的充放電反應

　　電池總反應：Pb + 2H⁺ + 2HSO₄^- + PbO₂^放═══>_充PbSO₄+ 2H₂O +PbSO₄

　　2．VRLA電池的密封原理：

　?。?）電池內(nèi)部氣體產(chǎn)生的原因：

　　電池在過充電時電池分解水，正極產(chǎn)生O₂，負極產(chǎn)生H₂

　　正極板柵腐蝕的同時產(chǎn)生H₂

　　電池自放電時正極產(chǎn)生O₂，負極產(chǎn)生H₂

（2）氧復合原理（氧循環(huán)原理）：

　　電池在充電過程中，正極除了有PbSO₄轉(zhuǎn)變?yōu)镻bO₂以外，還有氧析出反應，特別是電池的充電后期，當電池容量達到80%時，氧的析出反應更為劇烈，兩極的氣體析出反應如下：

　?。?）2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e (--) 2H⁺ + 2e → H₂

　　對于浮充使用的VRLA電池，即使是浮充電流很小，但在長期浮充狀態(tài)下，除浮充電流一部分用于電池自放電生成的PbSO₄轉(zhuǎn)為正負極活性物資以外，不避免的，浮充電流另一部分則用于水的電解，使正極析出氧氣，負極析出氫氣。

圖3 密封原理示意圖

　　氧和氫氣的產(chǎn)生使電池內(nèi)部失水，電解液密度發(fā)生變化，也使電池難以密封。從鉛酸蓄電池誕生以來，人們都一直在尋求電池的密封，以此減少對電池的維護。VRLA電池的出現(xiàn)，實現(xiàn)了電池的密封，電池密封的關(guān)鍵技術(shù)是氧在電池內(nèi)部的再復合實現(xiàn)氧的循環(huán)，以及采用AGM隔板吸收電解液，使電池內(nèi)部沒有流動的電解液，氧的復合原理如圖3、4所示：

圖4 氧循環(huán)原理圖

　　從圖3、4看出，正極充電過程中因電解水析出的氧氣，通過AGM隔板的孔隙，迅速擴散到負極，與負極活性物質(zhì)海綿狀鉛發(fā)生反應生成氧化鉛（PbO），負極表面的PbO遇到電解液H2SO4發(fā)生化學反應生成PbSO4和H2O，其中PbSO4再充電而轉(zhuǎn)變?yōu)楹＞d狀Pb，生成的H2O又回到電解液，因氧氣的再復合，避免了水的損失，從而實現(xiàn)了電池的密封。

　　鉛酸蓄電池實現(xiàn)密封的措施：

　　1) 選擇高孔隙率AGM隔板，孔隙率在93%以上，為氧的復合提供通道

　　2) 采取定量灌酸，使玻璃棉隔板在吸收電解液以后，仍有5—10%的孔隙率未被電解液充滿，因此VRLA電池又稱為貧液式電池。

　3)過量的負極活性物資，正、負極板的容量比一般為1：1.1～1：1.2，這樣在正極充足電以后，負極仍未充足電，以防止氫在負極析出，若氫氣大量析出是無法復合的。

　　4)電池集群的緊裝配，采取集群預壓縮技術(shù)，將裝配壓在40—60Kpa之間，以保證AGM隔板與正負極板表面能夠良好接觸，因為VRLA電池的電解液主要靠AGM隔板提供。

　　5)高純度Pb—Ca—Sn—Al無銻板柵合金，因為Pb—Ca合金比Pb—Sb合金有更高的析氫過電位，從而能夠降低因板柵腐蝕而析出氫氣的可能性。

　　6)開閉閥壓力穩(wěn)定可靠的安全閥，通信用VRLA電池的標準要求開閥壓10—35Kpa，閉閥壓3—15Kpa,開閉閥壓力較接近，可減少氣體排放和水的損失。

　　3)采用恒壓限流的充電方式，VRLA電池對過充電較為敏感，過充電會加速電流的損壞，恒壓限流充電可防止過充電和熱失控。

　　3．VRLA蓄電池的自放電原理：

　　電池自放電原因：

　　1）正極活性物質(zhì)與電解液的反應；

　　2）正極活性物質(zhì)與板柵合金之間的反應；

　　3）正極活性物質(zhì)與負極析出氫氣的反應。

　　四、VRLA電池的兩大類技術(shù)

　　應用同樣的氧復合原理，但由于采用不同的固定電解液技術(shù)和不同的氧復合通道技術(shù)，因此可分為兩大類型的VRLA電池，即AGM技術(shù)和GEL技術(shù)（膠體），故又稱為AGM電池和膠體電池。這兩類電池各有優(yōu)劣，目前在電信、電力等市場上應用的仍以AGM電池為主。

　　1．AGM技術(shù)

　　采用AGM技術(shù)的VRLA電池，AGM隔板采用U形包覆法（也可采用S形包覆法）。采用AGM技術(shù)的VRLA電池的特點：內(nèi)阻小，以超細玻璃棉隔板吸取電解液，使電池內(nèi)沒有電解液，AGM隔板具有93%以上的孔隙率，而其中10%左右的孔隙作為由正極析出的O2到負極再復合的通道，以實現(xiàn)氧的循環(huán)，達到電池密封的目的。

　　2．Gel技術(shù)（膠體技術(shù)）

　　以德國陽光公司采用Gel技術(shù)生產(chǎn)的OPZV膠體電池為典型代表。

　　膠體電池的特點：內(nèi)阻較大，采用觸變性SiO₂膠體吸收電解液，使電解液不流動。

　　以膠體的微裂紋O₂的復合通道。膠體電池使用初期由于膠體未能形成大量微裂紋，氧的復合效率較低。

　　五、VRLA電池的失效模式

　　VRLA電池盡管有許多的優(yōu)點，但它和所有電池一樣也存在可靠性和壽命問題。VRL電池文獻報道：其使用壽命為15年左右（25℃浮充使用）。但國內(nèi)外的VRLA電池在實際使用過程中，均出現(xiàn)過提前失效的現(xiàn)象。目前造成VRLA電池的失效模式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（PCL）、熱失控等。

六、VLRA電池的使用和維護

　　1、VLRA電池的選型

　　VLRA電池在使用前必須正確的選擇型號，以保證電池有足夠的放電容量，使通信設(shè)備能夠正常運行；另外選擇合理的容量能夠避免選擇容量過大而造成浪費。

　　選型方法有兩種： 1）計算法 2）曲線查