鉛酸電池硫化現象的分析及處理方法

王少龍

摘 要：近年來隨著業務現代化建設步伐的不斷加快，野外自動工作站點大量布局建設，站點自動化設備集成度不斷提高，為保持各項觀測要素數據時間空間連續性探測，對儀器設備的平穩無故障運行提出了更高的要求。文章就儀器設備供電電源-鉛酸電池硫化現象進行分析研究及其可處理方法。故障現象：工作站點經常性白天觀測數據正常，一到夜間就無數據，電池極柱的腐蝕現象，尤其是陰極柱的腐蝕現象普遍發生。針對鉛酸電池硫化現象，通過理論研究和實用操作相結合，對鉛酸電池硫化問題進行詳細分析闡述，從而得出合理性的處理方法。

關鍵詞：鉛酸電池；硫化；脈沖充電

1 故障現象初步分析

經初步判斷：在排除供電模塊故障后，分析為電池容量不足原因導致。

鉛酸電池相較其他種類電池而言，由于其電池內阻小、電壓穩定，而且結構簡單、價格較低，所以得到廣泛采用。

電池容量不足原因分析：需從電池內部構造及其發電機理方面入手分析。

1.1 電池內部結構：蓄電池極板分為正極板和負極板兩種。蓄電池的充電過程是極板上的活性物質與電解液稀硫酸發生化學反應來實現的，將其化學能轉為電能。正極板上的活性物質為深棕色的二氧化鉛（PbO2），負極板上的活性物質是海綿狀、青灰色的純鉛（Pb）。

正負極板的活性物質分別填充在鉛銻合金或鉛鈣合金鑄成的柵架上，將多片正負極板并聯，組成正負極板組，安裝時將正、負極板相互嵌合，中間插入隔板后裝入蓄電池單格內便形成單格電池。

當極板浸入電解液時，在負極板，有少量鉛融入電解液生成Pb2+，從而在負極板上留下兩個電子，使負極板帶電，此時負極板有0.1V的負電位。在正極板處，少量PbO2融入電解液，與水反應生成Pb（OH）4再分離成四價鉛離子和氫氧根離子，一部分Pb4+沉附在正極板上，極板呈現出正電位約2.0V。因此，當外路未接通時，蓄電池單格電池的靜止電動勢為2.1V。將單格電池串聯即可得所需各類型鉛酸電池，一般串聯為6V、12V廣泛使用。

其充放電反應方程：Pb+PbO2+2H2SO4 2H2O+2PbSO4

放電時，Pb為負極，發生氧化反應，電極方程式為Pb+SO42--2e-=PbSO4；PbO2為正極，發生還原反應，電極方程式為PbO2+4H++SO42-+2e-=2H2O+PbSO4。電解液中存在的硫酸根離子SO42和H+離子在電場力的作用下分別移向電池的正負極，在電池內部形成電流，整個回路形成，蓄電池向外持續放電。放電時H2SO4濃度不斷下降，正負極板上的PbSO4增加，電池內阻增大（硫酸鉛不導電），電解液濃度下降，電池電動式降低。在蓄電池剛放電結束時，正負極活性物質轉化成的硫酸鉛（PbSO4）是一種結構疏松、晶體細密的結晶物，活性程度非常高。

充電時，陰極發生的反應是PbSO4+2e-=Pb+SO42-，陽極反應為 PbSO4-2e-+2H2O=PbO2+SO42-+4H+，在外界充電電流的作用下正負極疏松細密的硫酸鉛會重新變成二氧化鉛和金屬鉛。

1.2 電池硫化現象分析

在極板上生成白色堅硬的硫酸鹽結晶，充電時有非常難以轉化為活性物質的硫酸鉛，這就是硫酸鉛鹽化，簡稱“硫化”。放電結束時形成的結構疏松、晶體細密的硫酸鉛，在過放電或者長期放置時，硫酸鉛微粒在電解液中呈現飽和狀態，這些硫酸鉛在溫度低時重新結晶，出于多晶體系傾向與減少表面自由能的原因，硫酸鉛的重結晶使晶體變大。這種硫酸鉛的導電性不良、電阻大、溶解度和溶解速度又很小，充電時恢復困難。因而成為容量降低和壽命縮短的原因。輕微的電池硫化，會降低電池的容量，電池內阻增加，嚴重時則電極失效。充不進電。因此硫化現象最明顯的外特征是電池容量下降，內阻增加。

1.3 極柱腐蝕現象分析

鉛酸電池在充電過程中，浮充電壓如果偏高，則容易發生水解反應：

水解反應方程 2H2O 2H2↑+O2↑

正極H2O 1/2O2↑+2H++2e 陰極2H++2e H2↑

產生的氣體易使電池內部壓力增大，同時充電過程中電池溫度升高。壓力增大容易導致電池氣密性變差，溫度升高易導致酸性氣體逸出。通常酸能夠吸收空氣中的水分，酸濃度越高對水分的吸收性越強，雖然充電時熱空氣對酸液有干燥作用，但是一遇到潮濕空氣，便易在極柱表面形成酸液，因此會出現極柱的腐蝕現象。

1.4 硫化現象及極柱腐蝕解決辦法

依照原子物理學和固體物理學的原理，硫離子具有5個不同的能級狀態，通常處于亞穩定能及狀態的離子趨向于遷落到最穩定的共價鍵能級而存在。在最低能級（即共價鍵能級狀態），硫以包含8個原子的環形分子形式存在，這8個原子的環形分子模式是一種穩定的組合，難以被打碎，形成電池的不可抑硫酸鹽化-硫化。多次發生這樣的情況，就形成了一層類似絕緣層一樣的硫酸鹽結晶。要打碎這些硫酸鹽層的束縛，就要提升原子的能級到一定的程度，這時候在外層原子加帶的電子被激活到下一個更高的能帶，使原子之間解除束縛，每一個特定的能級都有唯一的諧振頻率，必須提供一些能量，才能夠使得被激活的分子遷移到更高能級狀態，太低的能量無法達到躍遷所需要的能量要求，但是太高的能量會使已經脫離了束縛而躍遷的原子處于不穩定狀態，又回落到原來的能級。這樣，必須通過多次諧振，使得其中一次脫離了束縛，達到最活躍的能級狀態而又沒有回落到原來的能級。諧振可以實現，這就是脈沖諧波諧振的方法來消除硫化。

脈沖充電方式首先是用脈沖電流對電池充電，然后讓電池停充一段時間，再用脈沖電流充電，再停充一段時間，如此循環。間歇期內使蓄電池經過化學反應產生的氧氣和氫氣有時間重新化合而被吸收掉，使濃差極化和歐姆極化自然而然的得到消除，從而減輕了蓄電池的內壓，避免電池溫度過高，減少析出氣體，弱化極柱腐蝕現象。同時間歇式脈沖使蓄電池有充分的反應時間，提高了蓄電池的充電電流接受率，保持電池容量在較高水平，降低電池硫化發生率。

2 具體應用方法

2.1 針對野外自動工作站點

首先，合理調整太陽能板向陽方位，最大限度的接收太陽光，保證電池的自然充電時間，避免因人為安裝原因導致電池無法有效充電，造成電池過放電，出現硫化現象，降低電池壽命，損壞電池。其次，在太陽能板和鉛酸蓄電池之間加載脈沖充電模塊，降低電池硫化現現象的發生，減少析氣率，有效防止極柱腐蝕，保持電池容量，延長電池使用壽命。然后，用凡士林將極柱表面進行防護，進一步延緩極柱腐蝕的發生。最后，采集箱體和電源箱體內放置干燥劑，保持箱內空氣濕度在合理水平，避免儀器設備因受潮而腐蝕損壞，延長儀器使用壽命和平穩運行時間。

2.2 關于已更換故障電池的批次處理

可將未達到正常使用壽命的故障鉛酸蓄電池，并聯起來，通過大電流脈沖發生器，進行脈沖充電-放電-充電-放電，循環進行，不斷消除電池內部的輕硫化現象，激活活性物質，恢復電池容量，從而優化儀器設備使用效率，節約公共資源。

3 結束語

通過對鉛酸電池的分析研究，從電池的結構組成及其發電機理著手，對電池故障具有較深的理論認識，提出合理化的處理方法，針對目前大量運行的野外自動工作站點，具有廣泛的應用適用性。

參考文獻

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