閥控鉛酸蓄電池補加水的維護工藝研究

2012-07-17 10:50:28王吉校段萬普

通信電源技術 2012年5期

王吉校，段萬普

（1．中國人民解放軍72749部隊，河南鄭州450016；2．河南千熙新能源科技有限公司，河南鄭州450000）

現行通信用閥控鉛酸蓄電池的維護，不允許對蓄電池加水，這種規定人為的縮短了電池的使用壽命。

1 閥控鉛酸蓄電池不能加水的由來

閥控鉛酸蓄電池采用半密封結構，用單向閥控制電池排氣，對充電電壓限制嚴格，生產初期出廠的小型閥控鉛酸蓄電池，在合理使用條件下使用，不需用戶補加水。當時閥控鉛酸蓄電池的使用壽命與開口電池相比，要延長一些，而且不需補加水，電池價格較低，更新費用不大，所以用戶就接受了這個規定。

隨著閥控鉛酸蓄電池的容量越做越大，蓄電池生產企業提倡的這種規定隨之延續到大容量蓄電池中。由于閥控鉛酸蓄電池的注液量嚴格，人們對電池氧吸收條件有些誤解，認為加液量多負極就會失去氧吸收能力，電池用戶也沒有補加水的專用設備和技術，所以蓄電池生產企業不約而同的都規定閥控鉛酸蓄電池不能加水；而且當時的電池結構也無法進行加水操作。這種規定一方面使用戶“省事了”，另一方面也避免了不合理的補水操作造成的電池失效，所以這種規定被電池供需雙方都接受了。

2 補加水維護工藝的發展

閥控鉛酸蓄電池在鐵路機車上被廣泛采用之前，曾在武漢和長春兩地做了對比試驗。當時廠家介紹的都是“免維護”概念。同一廠家、同一規格的電池，在長春使用幾乎沒有故障，但在武漢使用卻故障頻發。

在這種情況下，蓄電池生產企業開始對失效電池維護，其中最主要的手段就是補加水。由于電池設計時沒有考慮補加水的工藝需要，當時注液口用膠永久性粘接，是不能打開的，于是有的廠家就用手電鉆打孔，注液后再膠封，補加水有效地恢復了電池的結構容量，排除了電池的故障。隨后在鐵道部的機車蓄電池維護工藝中，明確提出補加水的技術要求。執行的效果是把蓄電池實際壽命延長了一倍。

由于現實維護中需要給閥控鉛酸蓄電池補加水，所以就對蓄電池的加液口提出可反復開啟的技術要求，現在多數企業的閥控鉛酸蓄電池的加水口內部采用圖1所示的結構，外部的結構采用圖2的方式。這種結構，用扳手可以方便的開啟和關閉注液口，而且不降低閥控鉛酸蓄電池的密封性。

事實上，電池使用中的失水是必然的，溫度越高，失水速度越快。通常所說的溫度上升10℃，電池壽命縮短一半，主要是因為溫升加速了失水所致。在對河南和四川的300個基站使用了4年的蓄電池進行的補水實驗中統計，平均每個500 Ah的電池補水800 mL才達到出廠的水平。從平頂山市基站的統計數據顯示，補加水基本符合100 mL／3年·100 Ah的規律。

圖1 密封蓄電池注液口基本結構

圖2 加水帽的外部樣式

理論計算表明［1］：由于缺水，補水前電解液密度由1．30會濃縮到1．37g／cm3，電池反電勢會上升到2．22 V。在控制柜上輸出的浮充電壓不變的情況下，電池得到的有效充電電壓就降低了，這就為電池的硫化準備了技術條件。但在實際維護中沒有測量到這樣高的電動勢，是由于部分硫酸已被轉換成硫酸鉛消耗掉的緣故。

對閥控鉛酸蓄電池的補水，早在2000年在鐵路運輸的機車部門就普遍采納，2004年形成工藝規程標準。對在用的閥控鉛酸蓄電池及時補水，不但保障了蓄電池運行的質量，而且在南方地區的實際應用中確實把機車用蓄電池實際使用壽命由原來的2年延長到5年左右。但在通信部門，由于管理人員認識上的不到位，目前在維護規程上依然不允許補水，造成了不必要的損失。

蓄電池及時補加水，可在較大程度上避免電池的非使用性損壞；補加水后，電池的內阻會普遍下降，容量得到提升。根據多年的實驗發現，蓄電池在加水后容量提升的連續時間大約持續3個月左右，3個月后經加水蓄電池的容量會趨于穩定。

3 補加水維護工藝的理論依據

關于補加水后電解液處于富液狀態，會不會造成閥控鉛酸蓄電池氧吸收失效的問題，這里做個說明。閥控鉛酸蓄電池在生產初期，電池都是按照“貧液”結構制造，理由是在正負極板間的隔板中，需要保持液相、固相、氣相三相共存的狀態，這樣正極板上產生的氣態氧才能擴散到負極，被負極吸收，最后轉化成固體硫酸鉛中的氧，實現氧元素的內部循環，也就是通常所說的負極吸收原理。

在使用中，閥控鉛酸蓄電池突出的問題就是“嬌氣”，少量失水，電池容量便明顯下降，這就會給用戶和生產企業帶來巨大的損失。為了減少這種損失，生產企業就逐步加大電解液的數量，采取這項措施后，其效果非常明顯，于是，蓄電池生產企業就把這項技術作為正式生產工藝采用，故閥控鉛酸蓄電池電池出廠時已經基本達到富液狀態。

那么為什么富液結構的蓄電池仍有“氧吸收能力”？

原因是電池正負極板的間距約2～3 mm，而極板的寬和高都大于100 mm。在電池組裝時，通常采用20kg／dm2的預緊力壓縮極群。在緊裝配的條件下，正極板上產生的“氧”，不可能立即以氣體方式排出，其產生的壓力向四周傳遞相同的力，如圖3所示。由于正負極的間距遠小于極板的高度和寬度，所以在氣體逸出極板前仍然會在負極板被吸收，實現閥控鉛酸蓄電池的氧吸收。這種情況已經在電池生產企業成為共識，打開新購買的閥控鉛酸蓄電池的加水口，就可看到液面位置，這是很容易驗證的。

圖3 極板間氣體的擴散

另外，用實驗也可驗證這一理論。先給閥控鉛酸蓄電池補加一些水，補加量以達到液面可見為度。把閥控鉛酸蓄電池的浮充電壓以緩慢速度逐步提高，就會看到電池內的液面逐步上升，但并沒有氣體逸出，這就說明一旦氣體產生，在富液的條件下，也會在正負極間建立傳輸通道。

補加水電池處于富液狀態后，由于隔板中的氣體通道減少，氧氣的擴散速度會低于貧液式電池，電池析氣量會有所上升。但由于水在鉛鈣合金上的分解電壓是2．45 V，在臺站工作條件下，電池不處在這個電壓條件下，所以這項指標的降低對使用并無大礙，但用戶卻得到了富液狀態帶來的增加設備可靠性的好處。

市場上現在依然有注液口采用粘封結構的電池，這類產品是為適應“一次性”使用要求的市場銷售行為所制造的，若考慮延長使用壽命的要求，就不宜采用這種結構的電池。

美國GNB的電池20世紀90年代在歐洲使用時（1995年），由于容量衰減就曾進行了補水。但是遭到歐盟的投訴（當時GNB承諾免維護20年）。實際上GNB的AGM電池從第3年開始就出現了容量衰減，不得不花錢雇人補水。

4 補加水維護工藝造成電池損壞的原因

在實際操作中，發生不少加水前尚可使用，加水后蓄電池反倒完全失效的情況，造成這種情況的原因主要包括以下三個方面。

4．1 加水前極板已經發生了硫化損壞

在補加水前，由于長期缺水，極板已經發生深度硫化，隔板上已經有大量脫落物，硫化程度越深，脫落量越多；同時由于電解液的液面下降，脫落物質呈“干態”存在，沒有導電離子的參與，即使電池處于充電態，充電反應也不會在這里發生。脫落的活性物質，是以硫酸鉛的形式存在的。硫酸鉛是絕緣的，在正負極間不會造成短路；補加水后，電解液的液面上升，脫落的物質處在電解液的包圍中，在充電除硫化作用下，硫酸鉛就會轉化成鉛（如圖4所示），于是不導電的物質變成了導電的物質，短路就開始了。在免維護狀態下使用幾年的電池，容易發生這樣的損壞。

圖4 蓄電池補加水后的微短路

這樣就容易給人一種錯覺，認為補加水造成電池的損壞。事實上，造成這種損壞的真正原因并不是補加水造成的，而恰恰是由于沒有及時補加水造成的。

4．2 補加水后電池不在充電態［3］

電池補加水，必須在充電狀態下進行［2］。補加的水要與電池內的電解液混合均勻，需要十幾天的時間，如果不在充電態，由于水的密度小于電解液的密度，水會長期漂浮在電解液的上面，于是在極板上，下部的電液密度就大于上部的密度，下部的電壓高于上部的電壓，如圖5所示。電池的自放電就會在一夜之間把蓄電池的保有容量降到“0”，只要及時充電，容量仍然可以恢復，不至于造成電池損壞。需要說明的是蓄電池在臺站工作條件下補加水，電池組始終處于浮充狀態，就不存在這種工作狀況。

圖5 電解液密度差造成自放電

4．3 補水量超限［4］

補水量不當會造成電池損壞，例如，補水量如果超過圖6的位置，電池很快就會失效。這是因為對于6 V、12 V的連體電池，液面一旦超過穿壁焊的孔位，由于孔的密封不易保障，就會造成兩個電池共槽，導致電池失效。對2 V的單體電池，一旦液面超過極耳高度，往往由于匯流排和極耳的材料不同，兩種材料構成微電池，造成極耳根部腐蝕斷裂。