呂永堯 左家祥 錢志剛 孫世強(qiáng)

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所，武漢 430064）

0 引言

閥控密封鉛酸蓄電池發(fā)明于20世紀(jì)70年代，由于沒(méi)有酸霧逸出、免于維護(hù)、可以任意方向放置等優(yōu)點(diǎn)，該型電池得到迅速推廣。郵電通訊系統(tǒng)是鉛酸蓄電池最早的使用領(lǐng)域之一。通信設(shè)備要求不間斷供電，當(dāng)交流中斷，蓄電池是支持通信系統(tǒng)工作的唯一后備電源。在市電正常時(shí)，整流器投入工作，其輸入電流可滿足全局忙時(shí)最大負(fù)荷電流的需要（包括蓄電池的充電）。在市電異常時(shí)則由蓄電池單獨(dú)供電，其輸出電流應(yīng)滿足通信設(shè)備忙時(shí)最大耗電量，其輸出電壓應(yīng)滿足通信設(shè)備對(duì)基礎(chǔ)電源的電壓范圍要求，用于荷電待用的蓄電池，其放電速率慢，放電時(shí)間長(zhǎng)達(dá)0.5～8 h，由此也發(fā)展出鉛酸蓄電池的一種設(shè)計(jì)和使用方式，即固定型鉛酸蓄電池[1]。本文就固定型閥控密封鉛酸蓄電池的使用方式和壽命檢測(cè)方法進(jìn)行了探討。

1 幾種壽命檢測(cè)方式的分析

傳統(tǒng)的固定鉛酸蓄電池在浮充使用時(shí)有酸霧逸出（盡管設(shè)計(jì)了防酸帽也不能完全避免這種現(xiàn)象），且有外殼破損漏酸的風(fēng)險(xiǎn)，所以當(dāng)閥控密封鉛酸蓄電池興起后就逐步取代了傳統(tǒng)的固定型鉛酸蓄電池。然而在充電方式方面，雖然大家都知道充電方式對(duì)蓄電池的壽命有明顯影響，但令人驚奇的是在近幾十年里標(biāo)準(zhǔn)的充電方法幾乎沒(méi)有什么變化[2]。閥控密封鉛酸蓄電池由于自身存在的問(wèn)題，其浮充壽命不如傳統(tǒng)的固定型鉛酸蓄電池。雖然大多數(shù)生產(chǎn)廠家都宣稱固定型閥控密封鉛酸蓄電池的壽命在10年以上，但實(shí)際浮充壽命通常難以達(dá)到10年，與傳統(tǒng)的固定型鉛酸蓄電池有很大的差距。

傳統(tǒng)的固定型鉛酸蓄電池使用了將近百年，形成了一套成熟、可靠的檢測(cè)、使用方法，如壽命測(cè)試方法有DIN43539(1983)、BS6290(1983)、IEC60896-11(2002)等，基本上采用過(guò)充電循環(huán)耐久性試驗(yàn)，即用0.2I10充電，每30天進(jìn)行一次1小時(shí)率容量檢測(cè)，低于80%容量時(shí)壽命終止。通過(guò)壽命試驗(yàn)每30天相當(dāng)于實(shí)際浮充使用1年。這種加速試驗(yàn)方法實(shí)際上是模擬實(shí)際使用情況，即用更大的電流代替浮充電流，與實(shí)際使用時(shí)電池的失效方式一致，因而試驗(yàn)方法和結(jié)果能反映電池的實(shí)際使用壽命。

固定型閥控密封鉛酸蓄電池興起后，盡管發(fā)展非常迅速，但并沒(méi)有根據(jù)自身的特點(diǎn)建立起自己的檢測(cè)、使用系統(tǒng)，而是僅僅根據(jù)使用的目的相同，沿用了傳統(tǒng)固定型鉛酸蓄電池的檢測(cè)、使用模式，如進(jìn)行過(guò)充壽命試驗(yàn)、浮充使用等，二者在方法上幾乎完全一致。本文要著重指出的是，這種簡(jiǎn)單的模仿導(dǎo)致了固定型閥控密封鉛酸蓄電池壽命試驗(yàn)結(jié)果嚴(yán)重失真，使用壽命大為減短。

對(duì)于固定型電池的實(shí)驗(yàn)室加速壽命試驗(yàn)，IEC60896-11(2002)和國(guó)內(nèi)早期的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（如DL/T637-1997、JB/T8451-1999、JIS C 8707-1992）等均規(guī)定：不低于0.8C1時(shí)進(jìn)入下一個(gè)30天循環(huán)，直到容量試驗(yàn)低于0.8C1?？傃h(huán)天數(shù)2 V蓄電池不低于240天，6 V、12 V蓄電池不低于180天。與傳統(tǒng)的富液式固定型鉛酸蓄電池一致。但傳統(tǒng)的容量試驗(yàn)時(shí)必須補(bǔ)充水到最高液面，而閥控密封鉛酸蓄電池則無(wú)法加水，這會(huì)使試驗(yàn)電池的壽命產(chǎn)生顯著的區(qū)別。

傳統(tǒng)的固定型鉛酸蓄電池壽命試驗(yàn)和浮充使用時(shí)的失效模式是一致的，都是正板柵腐蝕失效，因而壽命試驗(yàn)?zāi)軌蛘f(shuō)明問(wèn)題；而閥控密封鉛酸蓄電池壽命試驗(yàn)和浮充使用時(shí)的失效模式可并不一樣，閥控密封鉛酸蓄電池失效的主要有板柵的腐蝕與增長(zhǎng)、電解液干涸、負(fù)極硫酸鹽化、早期容量損失、熱失控等[3]，因此壽命試驗(yàn)結(jié)果并不能真實(shí)地反映實(shí)際使用壽命。我們?cè)囼?yàn)了幾組大容量的電池，其過(guò)充壽命只有2~3月，相當(dāng)于浮充壽命2~3年，但實(shí)際上這些電池的實(shí)際使用壽命都在5年以上。即試驗(yàn)結(jié)果嚴(yán)重失真。

閥控密封鉛酸蓄電池對(duì)密封反應(yīng)效率都有要求，而且通常都能滿足標(biāo)準(zhǔn)。但是，電池在做過(guò)充壽命試驗(yàn)時(shí)，充電電流是做密封反應(yīng)效率試驗(yàn)時(shí)電流的4倍，單體電池的電壓高達(dá)2.5 V左右。這時(shí)，電池內(nèi)不僅有O2的析出，也有H2的析出，氣體大量析出的速度大于氣體復(fù)合的速度導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力升高，安全閥頻繁開(kāi)啟，大量的氣體逸出電池。由于氣體是電解水產(chǎn)生的，因此氣體逸出電池的后果就是水損失。2V200AH的電池經(jīng)過(guò)充2個(gè)周期（2個(gè)月）后重量損失達(dá)600克左右，可見(jiàn)失水的嚴(yán)重。閥控密封鉛酸蓄電池本來(lái)就是貧液結(jié)構(gòu)，電池失水會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)阻增加，溫度升高，直至電池失效。另一方面，在電池失水的同時(shí)，電池內(nèi)部的復(fù)合反應(yīng)仍然是主流，但反應(yīng)的速度和規(guī)模都比做密封反應(yīng)效率試驗(yàn)時(shí)大，那么，大量的O2在負(fù)極復(fù)合，不僅使電池的溫度升高，還致使負(fù)極處于欠充狀態(tài)。也就是說(shuō)，有一部分PbSO4永遠(yuǎn)不能轉(zhuǎn)化成活性物質(zhì)Pb，這就是電池的不可逆硫酸鹽化。某型號(hào)的閥控密封鉛酸蓄電池在過(guò)充失效后，補(bǔ)充水進(jìn)行檢測(cè)，負(fù)極的鎘壓為正值，電解液密度在1.1 g/cm3以下，表明負(fù)極已經(jīng)沒(méi)有多少可用的活性物質(zhì)。另一型號(hào)的閥控密封鉛酸蓄電池在過(guò)充失效后解剖分析，負(fù)極活性物質(zhì)的含量只有30%左右，顯然已經(jīng)不能放電。失水和負(fù)極不可逆硫酸鹽化是閥控鉛酸蓄電池在過(guò)充壽命試驗(yàn)時(shí)失效的根本原因，電池在浮充使用時(shí)顯然不可能遇到如此嚴(yán)重的失水和負(fù)極不可逆硫酸鹽化情況，因此，用過(guò)充試驗(yàn)來(lái)推斷電池的浮充使用壽命是缺乏充分依據(jù)的。

GB/T19638.2-2005《固定型閥控密封鉛酸蓄電池》在編寫時(shí)顯然意識(shí)到了這個(gè)問(wèn)題，在保留了過(guò)充試驗(yàn)方法（但取消了試驗(yàn)天數(shù)與實(shí)際使用年限的關(guān)系）同時(shí)，又增加了兩種新的試驗(yàn)方法，即浮充電循環(huán)耐久性試驗(yàn)和加速浮充電循環(huán)耐久性試驗(yàn)，這三種試驗(yàn)方法可以任意選擇。這兩種新辦法似乎比較能代表電池的實(shí)際使用情況，因而比老的標(biāo)準(zhǔn)要合理一些。但試驗(yàn)的具體方法標(biāo)準(zhǔn)卻是這樣規(guī)定的：

浮充電循環(huán)耐久性試驗(yàn)：10 h率容量合格之后，蓄電池在20±5 ℃環(huán)境中以2.0I10恒電流放電2 h，以Uflo恒定電壓（限流2.0I10）充電22 h。經(jīng)過(guò)50次循環(huán)之后，不經(jīng)充電進(jìn)行10 h率容量試驗(yàn)，放電容量不低于0.8C10時(shí)進(jìn)入下一個(gè)50次循環(huán)，直到容量試驗(yàn)低于 0.8C10?？傃h(huán)次數(shù)不低于300次。

加速浮充電循環(huán)耐久性試驗(yàn)：3 h率容量合格之后，完全充電的蓄電池在60±2 ℃環(huán)境中以Uflo恒定電壓充電30天，36 h內(nèi)冷卻到25±2℃并完成3 h率容量檢查，放電容量不低于0.8C3時(shí)進(jìn)入下一個(gè)30天循環(huán)，直到容量試驗(yàn)低于0.8 C3?？傃h(huán)天數(shù)2 V蓄電池不低于180天，6 V、12 V蓄電池不低于150天。

比較這兩種試驗(yàn)方法可知，它們并不是同一類性質(zhì)的試驗(yàn)，后者并不是前者的加速試驗(yàn)，而前者也不是單純的浮充電試驗(yàn)，而是一種淺充淺放的循環(huán)性能試驗(yàn)，可以在一定程度上說(shuō)明電池在欠充電情況下負(fù)極抗硫酸鹽化的性能（如果全充電，預(yù)計(jì)電池的壽命遠(yuǎn)大于3000次），但并不能說(shuō)明電池的實(shí)際使用壽命。

如果固定型閥控密封鉛酸蓄電池確實(shí)是浮充電使用，那么上述加速試驗(yàn)方法倒是一種比較好的預(yù)判其使用壽命的方法。問(wèn)題是要在高低溫度之間建立一種可靠的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)一般的物理化學(xué)原理，環(huán)境溫度由25℃增加到60℃，化學(xué)反應(yīng)的速度要增加20到60倍，因此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)可能過(guò)高。另一方面，在60℃浮充電，電池有可能會(huì)發(fā)生析氣和復(fù)合反應(yīng)，從而與實(shí)際使用情況不符。這一點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有考慮到。

2 建議的使用方式

閥控密封鉛酸蓄電池在原理、結(jié)構(gòu)以及材料上與傳統(tǒng)的富液式鉛酸蓄電池都有較大的差別，因此閥控密封鉛酸蓄電池繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的固定型鉛酸蓄電池的經(jīng)常性浮充使用方式是值得商榷的。傳統(tǒng)的固定型鉛酸蓄電池發(fā)明和使用年代較早，其板柵合金通常采用高銻合金，因此電池荷電保持能力較差，自放電較大，為了不影響使用，電池采取了經(jīng)常性浮充使用方式，使電池隨時(shí)都能保持充足的容量。隨著技術(shù)的進(jìn)步，閥控密封鉛酸蓄電池普遍采用低銻或無(wú)銻合金，電池的自放電已大幅度減小。根據(jù)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)閥控密封鉛酸蓄電池?cái)R置3個(gè)月后，荷電保持應(yīng)該在80%以上。實(shí)際上，由于技術(shù)的進(jìn)步現(xiàn)在設(shè)計(jì)和制造優(yōu)良的電池?cái)R置1年也能保持在80%的容量。因此，對(duì)固定型閥控密封鉛酸蓄電池來(lái)說(shuō)，浮充的意義并不大，相反會(huì)造成電池使用壽命的縮短。更理想的使用方法是：電池平時(shí)處于靜置狀態(tài)，每 3個(gè)月補(bǔ)充電后進(jìn)行10小時(shí)率深放電治療，然后充足電；如果有應(yīng)急使用，則在使用后及時(shí)補(bǔ)充電，3個(gè)月后治療一次。按這種方式使用，相當(dāng)于電池在進(jìn)行充放電循環(huán)使用，即使電池的循環(huán)壽命并不長(zhǎng)，但由于電池循環(huán)間隔較長(zhǎng)，因此電池的使用壽命會(huì)相當(dāng)長(zhǎng)。例如，電池的循環(huán)壽命為100周，則使用壽命為100×3＝300月＝25年。這樣，電池的使用壽命就大幅度延長(zhǎng)了，絲毫不亞于傳統(tǒng)固定型鉛酸蓄電池。

3 結(jié)束語(yǔ)

固定型閥控密封鉛酸蓄電池按上述方式使用，則在實(shí)驗(yàn)室加速考核其使用壽命的方法就會(huì)非常簡(jiǎn)單、明確、直觀。當(dāng)然，考慮到電池可能會(huì)遇到的應(yīng)急使用，可以根據(jù)具體情況給定一個(gè)壽命系數(shù)。盡管如此，加速壽命試驗(yàn)與實(shí)際使用壽命之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系仍然是一目了然的。這種改變使用方式的意義如下：1、由于鉛酸蓄電池是高能耗、重污染行業(yè)，電池使用壽命的延長(zhǎng)減少了電池的消耗量，降低了能耗和污染；2、傳統(tǒng)的固定型電池的浮充電流雖然不大，但浮充只會(huì)對(duì)電池產(chǎn)生副作用，而電能卻白白的浪費(fèi)了，雖然單只電池浪費(fèi)的電能并不大，但由于固定型閥控式密封鉛酸電池的使用量龐大，因此總的耗電量也非?？捎^，電池取消浮充電后，可以節(jié)約大量的電能，充電設(shè)備的壽命也能大大延長(zhǎng)。

[1]徐曼珍. 閥控式密封蓄電池及其在通信中的應(yīng)用[M]. 北京: 人民郵電出版社, 1997: 1-2.

[2]D.A.J.Rand(澳), 郭永榔. 閥控式鉛酸蓄電池[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2006: 205-206.

[3]高建成, 殷玉恒, 劉躍軍. 閥控密封鉛酸蓄電池（VRLA）的失效模式及采取的有效模式[J]. 應(yīng)用能源技術(shù), 2007, 4: 45-47.