船用長壽命鉛酸蓄電池研究

彭澎，司鳳榮

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船用長壽命鉛酸蓄電池研究

彭澎，司鳳榮

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

國內船用動力鉛酸蓄電池大多使用壽命較短。通過優化蓄電池設計，提高正、負極耐腐蝕能力，采取多項隔離技術防止鉛絨短路，采用新型輔助系統，成功研制出長壽命新型板狀船用鉛酸蓄電池，在保證蓄電池容量和比能的前提下將蓄電池的壽命提高到800周次以上。

船用鉛酸蓄電池 板狀 壽命

0 引言

1860年，普蘭特發明第一只實用的鉛酸蓄電池。1882年格拉斯通和垂布斯提出了雙硫酸鹽化理論，并于1935年得到驗證。鉛酸蓄電池化學方程式為：

鉛酸蓄電池按使用分類為起動用、牽引用、固定用等。

一百多年來鉛酸蓄電池由于其成熟的技術、低廉的成本而廣泛應用于國民生活的各個方面，不論是在交通、通信、電力、軍事還是在航海、航空各個經濟領域，鉛酸蓄電池都起到了不可缺少的重要作用。

船用動力蓄電池采用富液式大容量鉛酸蓄電池，用于船舶推進電源。由于單體電池容量很大，除了具備鉛酸蓄電池一般結構包括蓄電池槽、蓋、正極板、負極板、隔板、電解液外，還必須有電解液冷卻和提升裝置等輔助系統。國外先進的船用鉛酸蓄電池壽命長達400周次以上，實際使用年限為4年，實現了大容量和長壽命的統一。而國內船用動力鉛酸蓄電池，大部分壽命較短，只有200個周次。

長期以來，業界認為只有采用管狀電極技術才能設計制造出長壽命鉛酸蓄電池，而板狀電池雖然比能很高，但是壽命卻不行。我們通過長時間的摸索和研究，突破了長壽命板狀電池的關鍵技術，成功研制出長壽命板狀船用動力鉛酸蓄電池。

使用長壽命鉛酸蓄電池，不僅可以滿足船舶動力要求，提高安全可靠性，還可以減少維護工作量，降低成本。

1 船用鉛酸蓄電池失效模式

要想延長大容量鉛酸蓄電池壽命，首先必須對其壽命終止即失效原因進行分析研究。船用鉛酸蓄電池設計和使用有特殊條件，失效的原因是多方面的。從蓄電池性能方面講主要有活性物質失效、板柵腐蝕、鉛絨短路、溫度失控、隔板老化等幾個方面。

1.1 鉛絨短路

船用鉛酸蓄電池壽命終止的常見模式之一是鉛絨短路。在對壽命終止的船用鉛酸蓄電池解剖中可以發現大量鉛絨堆積在正負極板的板耳和側面之間，造成短路。鉛絨出現的原因是因為蓄電池在工作工程中活性物質出現脫落，游離在電解液中，并在充放電過程中逐步沉積在極群正負極板的板耳和側面之間。出現短路后蓄電池一邊工作一邊通過短路自放電，活性物質的正常反應減弱，放電量減少。嚴重者導致板柵腐蝕，隔板燒壞，析氫量增加。久而久之，鉛絨短路越來越多，蓄電池容量下降，壽命終止。

1.2 板柵腐蝕

板柵是鉛酸蓄電池極板的骨架，是活性物質的載體，是電流的集散樞紐。由于不斷的充電和放電，金屬材料制成的板柵特別是正板柵本身就處于一個電化學腐蝕系統中，其腐蝕速度雖慢，但是日積月累，腐蝕程度增加，板柵強度減弱，電阻增加，最終將不能承擔起正常的板柵角色，導致蓄電池容量大大降低，析氫量猛增，蓄電池失效，壽命完結。

1.3 溫度失控

船用蓄電池容量大，充放電電流大，使用過程中溫升較高，如果蓄電池溫度超過50度，將嚴重影響蓄電池性能。必須采取有效的冷卻方法，避免造成蓄電池溫度失控，性能降低，壽命縮短。

1.4 隔板問題

隨著使用時間的增加，隔板老化，內阻增加，容易刺穿，造成短路。傳統使用的橡膠隔板容易老化。

好的隔板有合適的孔隙率和最大孔徑，較低的內阻，一定的強度。

因蓄電池使用不當造成蓄電池失效主要包括過充電，欠充電，過放電，使用環境惡劣等因素。由于篇幅有限，在此就不再展開論述了。

2 研究和試驗

通過對船用鉛酸蓄電池關鍵技術的深入研究，采取的有助于延長船用蓄電池壽命的技術措施包括以下幾個方面。

2.1 采用鎧甲式單管正極

采用鎧甲式單管正極，既具有管狀電極的優點，又具有板狀電極的高比能?；钚晕镔|減少了脫落的可能性，即使后期出現少數脫落，亦不會游離在電解液中，造成鉛絨短路。在保證提高活性物質利用率的基礎上，大大延長了電極工作壽命。

2.2 提高板柵耐腐蝕能力

1）耐腐正板柵研究

研制低銻銀系列耐腐蝕正板柵合金。采用傳統的鉛銻合金體系，但大大降低其中銻的含量，同時添加一定比例的銀等元素，形成多元耐腐蝕低銻合金。

改進正板柵結構設計。通過合理的結構設計，采用合適的柵格空間比，設計新型筋條形狀，優化設計板柵厚度。在制造過程中采用新工藝，并采用壓鑄技術。

合金材料和正板柵結構設計的改進，增加了板柵耐腐蝕能力，大大降低蓄電池析氫量，延長蓄電池壽命。

2）開展鈦板柵技術研究

鈦的密度為4.5 g/cm3，大大低于鉛的密度，耐腐蝕性能相當高。采用鈦金屬鍍鉛做負板柵，可以大大減輕板柵重量、降低內阻、減少內部損耗，大幅度提高比能，使得蓄電池可以采用容量冗余設計，延長使用壽命。

2.3 采用新型電解液冷卻和提升系統

大容量蓄電池充放電過程中溫升較大，需要有專門的冷卻系統。采用新型直冷系統，大幅降低了電解液溫升，控制蓄電池充放電過程在正常溫度范圍內。

由于蓄電池體積較大，電解液容易分層，造成濃度、溫度差異。采用新型電解液提升系統，可以直接將蓄電池底部電解液提升到上部，提高蓄電池內各部位電解液濃度、溫度一致性，減少濃差極化，提高性能。

2.4 選用PE隔板

通過對比試驗，篩選出孔隙率65%的PE隔板。

2.5 試驗

在研究基礎上優化整體設計，試制了大容量樣品電池，放電特性符合表1。樣品電池進行壽命試驗，試驗方法參考相應標準，采用新型脈沖充電方式，充電電流分別為6000 A/3000 A/1600 A/800 A。前三階段過渡電壓為2.6 V，末階段充至電解液密度穩定。

3 試驗結果

3.1 蓄電池容量試驗結果

樣品電池5時率放電實際放出容量達到要求值的113%，結果見表2，放電曲線見圖1。

其短時率重量比能達到25 Wh/kg，長時率重量比能達到50 Wh/kg。

3.2 蓄電池壽命試驗結果

蓄電池壽命試驗達到825周次，壽命曲線見圖2。

4 結果討論

試驗表明，試驗電池不僅滿足了各項容量要求，而且壽命試驗達到825周次。這表明，圍繞著提高板狀蓄電池壽命所采取的一系列措施是有效的，長壽命鉛酸蓄電池研究成功。分析如下：

1）采用了新型正極技術。在電極設計中，努力做到合理、有效，提高電極耐腐蝕能力，提高活性物質利用率，使電極的效能擴展到長壽命的水平。

采用鎧甲式單管正極，大大降低了活性物質脫落的可能性，即使有少量的脫落，亦不會游離在電解液中，造成鉛絨短路。

采用傳統的鉛銻合金體系，但大大降低其中銻的含量，同時添加一定比例的銀等元素，形成多元低銻銀系列耐腐蝕合金。

改進正板柵結構設計。合金材料和正板柵結構設計的改進，增加了板柵耐腐蝕能力，大大降低蓄電池析氫量，延長蓄電池壽命。

2）鈦板柵耐腐蝕功能強

鈦的密度為4.5 g/cm3，大大低于鉛的密度，耐腐蝕性能相當高。采用鈦金屬鍍鉛做負板柵，可以大大減輕板柵重量、降低內阻、減少內部損耗，大幅度提高比能，使得蓄電池可以采用容量冗余設計，延長使用壽命。

3）采用了新型電解液水冷和提升方式等輔助系統：冷卻水從發熱量最大的部件內部流過，傳熱效率高，冷卻效果好，而蓄電池溫升越低，對壽命越有利。

4）采用高性能PE隔板。其孔率孔徑合適，電導率高，強度合適，使用時間長。

5）蓄電池初容量達到額定值的110%以上，優異的初容量性能使蓄電池在壽命試驗的過程中放電負擔減輕。而放電深度越低，放電周次越長，蓄電池的壽命也越長。

6）采用了新型脈沖充電方法，充電電流大，去極化能力強，充電時間短，充電效率高。

總之，通過技術攻關，研究成功船用長壽命板狀鉛酸電池。

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Study on Long-life Lead-acid Battery for Ship

Peng Peng, Si Fengrong

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, CSIS, Wuhan 430064, China）

TM912.1

A

1003-4862(2013)01-0028-03

2012-05-28

彭澎（1969-），男，碩士，高級工程師。研究方向：鉛酸蓄電池。