淺談鉛酸蓄電池的失效及修復

龐立江，孟立輝

（石家莊理工職業學院，河北石家莊 050228）

淺談鉛酸蓄電池的失效及修復

龐立江，孟立輝

（石家莊理工職業學院，河北石家莊 050228）

本文介紹了鉛酸蓄電池的優缺點、工作原理、失效形式及失效修復的有效方法。通過化學法對失效的鉛酸蓄電池進行有效修復，恢復了電池容量，延長了電池的使用壽命，大大提高了能源的利用效率。

電池活化劑；硫化；正極軟化

引言

人們在選購電動自行車時往往關注外觀，工藝及電動車本身的性能，其實最關鍵的是電動車的電池。我國電動自行車主要采用鉛酸蓄電池，目前市場上電池品牌很多，質量和性能都有所不同，作為不太熟悉電池原理的使用者，由于日常使用中過充、過放、不及時維護、強烈振動等不當措施，常會在無意中損耗電池的性能。從維護角度講，若使用后不及時充電，或停放幾天再充電，或每次沒有充足電，則電池壽命將會大為縮短。由于鉛酸電池本身的弱點及人為的使用、維護不當，使用中常會出現容量下降的問題。

近年來對于可充電的二次電池已研制了好幾種，如鎳氫電池、鋰電池、鎳鎘電池、電容電池等，不過技術成熟，價格便宜的仍是鉛酸蓄電池，因而鉛酸蓄電池仍被國民經濟各領域普遍采用。

1 鉛酸蓄電池的優缺點

鉛酸蓄電池已有100多年的歷史，也是目前電動自行車的主導電源，它的主要優點是價格低，放電倍率可達3～5倍率（倍率指電池放電時的放電電流數值是額定容量的倍數，如0.1c （0.1是倍率，c是容量，單位是安時），對于120AH電池，放電電流為0.1×120=2A，另外鉛酸電池使用溫度為-40℃～+60℃，電能效率為60%，無記憶效應。[1]

鉛酸蓄電池缺點：比能量低（35wh/kg），(鋰電池為150wh/kg)，與其它同等體積電池相比，其重量大，使用壽命短，一般電動自行車使用前半年電量充足，后半年電池容量大大衰減，一年就得更新了，理論上是300次充放電循環。電池內電解液易分離，易發生熱失控，導致電池變形，鉛酸蓄電池自放電損失每天1%～2%，即一個月一個12V-100AH的電池電能容量將損失一半，同時報廢的鉛酸蓄電池對土壤污染嚴重。

2 鉛酸蓄電池的工作原理

電池充電是將電能變成化學能，放電是將化學能變成電能。鉛酸蓄電池負極板為純鉛，正極板為二氧化鉛，正負極板相間配對，中間有防止短路的隔板（隔板可使電解液通過），每對為一個電池單元，其電壓為2V，電動自行車一塊電池6個單元為12V，三個大電池串聯為36V，或四個串聯為48V，當然作為車用動力電池，從工藝上做了許多改進，使比能量提高，壽命增加，鉛酸蓄電池的電解液是純凈硫酸與蒸餾水的混合溶液，相對密度為1.29g/ml～1.30g/ml，其充放電化學方程式為：

電池放電使正負極都變成了硫酸鉛，硫酸濃度變低，而充電后，正負極板又都還原為原來的物質。硫酸濃度增加，若放電后不及時充電或電池長期處于充電不足的狀態下工作，則極板會嚴重硫化，使活性降低，容量下降。

3 鉛酸蓄電池的失效及修復

用戶騎行中若電量不足、車速減慢，用戶誤認為電動車已設置欠壓保護，此時用戶通常不關掉開關，仍繼續行駛，或者松開手把后，用腳蹬幾圈，電壓又恢復至33V～34V，此時用戶一扭調速手把，電動車瞬間產生大電流沖擊使車前行。然而此時產生的是虛電壓，反復幾次電池電壓會下降至單個10V以下，電池就嚴重損壞了。對于已損壞的電池能否修復呢?或者一個容量降低的電池如何延長其使用壽命呢？這是廣大用戶十分關注的問題。

3.1 鉛酸蓄電池常見的失效形式

按電動車電池國家標準（JB/T10262-2001）規定，容量低于標稱容量70%為失效電池。電動車電池失效的形式主要有：失水、硫化、陽極軟化。一般電動車新電池使用6個月開始失水，8個月開始硫化，10個月陽極板軟化，深度腐蝕。蓄電池失效的原因各異，分析鉛酸蓄電池常見的失效形式，可以為失效電池進行有效修復提供依據。

3.1.1 失水

由于電池制造的不一致性，串聯使用時，經過若干次充放電循環后，容量端電壓及內阻相對變差的電池成為落后電池，充電時按正常情況給串聯電池充電，致使有的過充、有的欠充，在充電容量達到80%左右時，正極板折出氧氣，氧氣通過隔板中的孔，到達負極，在負極板上進行氧復合反應，產生熱量。當充電容量達到90%時，氧氣發生速度增大，負極開始產生氫氣。另一方面當充電電壓高于規定值時，使電池析氣量增加。大量氣體的增加使安全閥打開，氣體溢出，表現為失水，失水后電池內阻增大，充放電過程中發熱量增大，溫度升高，當電池盒內溫度＞80℃時，產生“熱失控”導致電池熱變形。

3.1.2 硫化

鉛酸蓄電池在正常使用條件下，放電后正負極板上硫酸鉛是松軟的活性小結晶物質，充電時又很容易還原成二氧化鉛和海綿狀的鉛。如果電池過放電或不及時充電，負極板上的松軟物質變為堅硬顆粒粗大的白色硫酸鉛晶體，體積膨脹，活性物質的微孔被堵塞，使電解液帶電離子難以通過微孔深入物質內進行電化學反應，在極板表面形成硬的厚膜，增加了電阻，這時極板成為不可逆變的物質，稱為硫化。極板硫化后，容量大幅度下降，表現為電池充電時很快達到終止電壓上限，放電時又很快達到終止電壓下限，即“一充就滿，一放就完”。

3.1.3 陽極軟化

軟化原因：（1）上坡時啟動，大電流放電，超載運行。（2）深度放電。（3）大電流充電，充電器不匹配。正極板是氧化鋁，又分為α－PbO2和β－PbO2，α－PbO2相當于樹枝，β－PbO2相當于樹葉，它依附在α－PbO2骨架上，正常情況下，僅β－PbO2參加化學反應，深度放電時，α－PbO2也參加反應，形成硫酸鉛，這樣α－PbO2會大量減少，樹枝的支持作用破壞，活性物質脫落，這就是正極板軟化，出現軟化后多孔結構被破壞，降低了參與化學反應的面積，電池容量下降。[2]

3.2 失效的鉛酸蓄電池的修復方法

鉛酸蓄電池電性能失效的常見修復方法可分為化學法和物理法，兩種修復效果都很好，既經濟節約又綠色環保。本文主要介紹化學法修復電性能失效的鉛酸蓄電池。

3.2.1 納米碳溶膠蓄電池活化劑的活化機理

電池由于長期擱置不用，或長期欠充電會導致活性物質主要是負極活性物質的硫化失效，容量衰減，內阻變大，充電困難，通過激活的方式可重新使用，這個過程叫活化。當把納米碳溶膠電池活化劑加入到電性能失效的鉛酸蓄電池內部后，在電場作用下活化劑中的炭顆粒均勻的吸附在極板表面，并進一步滲透到電極內部，形成保護膜。可防止極板活性物質脫落和極板硫化，并使鈍化的硫酸鹽物質恢復活性，并崩解不可逆硫酸鹽結晶，打通隔膜離子通道，激化電池活性物質，降低了電池內阻，增加了電極導電性，電極結構強度得到了提高。同時納米碳和電解液中的水分子兩者間的水合作用形成C-H鏈，故能減少電池析氫量，減少電池失水，提高電荷保持能力，電池在充放電時，電能與化學能之間轉換得到改進，提高了充放電效率，電池容量得到恢復，同時使鉛酸蓄電池的各項性能指標大幅度提高。[3]

3.2.2 納米碳溶膠蓄電池活化劑的使用方法

（1）先將電池單體放電至電池終止電壓；（2）撬下電池面蓋，用力擰開排氣閥；（3）用注射器注入納米碳溶膠蓄電池活化劑。對于失水嚴重的電池加入納米碳溶膠蓄電池活化劑之前還要先加入濃度為5%~10%的稀硫酸電解液，補加的電解液量應控制在上下液面線之間偏上線的位置。（4）加入納米碳溶膠蓄電池活化劑后搖動均勻，然后旋入排氣閥，蓋上電池面蓋，在面蓋邊緣涂上膠水，放置30分鐘~60分鐘，立即對修復舊電池以大電流充電（大電流指大于正常充電電流50%左右的電流）以便使納米石墨在電場作用下盡快吸附到電極里面，大約充進40%左右電量，再進行正常充電，充電后再放電一次，即可正常使用，一般對于剩余容量30%的電池可恢復到容量90%以上，若達不到上述要求，可重復進行七到十次充放電的操作。[3]

3.2.3 納米碳溶膠蓄電池活化劑的使用效果

納米碳溶膠蓄電池活化劑的使用效果為：（1）新鉛酸蓄電池容量可增加10%-20%。（2）延長電池壽命1倍以上。（3）提高電池充放電接受能力達到15C（國標3C，C表示電池容量，表示電池以一定的電流放電至規定的電壓值時，電流與所放電時間的乘積I*T=C，單位安時）。（4）節省50%的充電時間。（5）28天達到100%的電荷保持能力。（6）低溫啟動能力可達-50℃。

應用實例如下：

河南省開封市有家電動車維修部曾做過1次試驗，將1個使用了兩年的舊電池，（在充滿電狀態下只能行駛5km~7km）充入納米碳溶膠活化劑，該舊電池驅動電動自行車行駛了96分鐘。

經河南省電源中心檢測一個已充放電550次的電池，經使用納米碳溶膠蓄電池活化劑后又用了4年，且符合國家技術標準。

某機務段一輛內燃機車的起動電池，NG462型鉛酸蓄電池未加入活化劑前電容量為178AH，向3個NG462型鉛酸蓄電池每個單體內注入200毫升納米碳溶膠活化劑后，經三次充放電，容量恢復到267AH，相當于電池容量增加了百分之五十。

3.2.4 納米碳溶膠鉛蓄電池活化劑的適用范圍

對于冬天電動車續航乏力，行駛里程逐漸減少。電池極板硫化，造成充電不足，電池容量嚴重下滑，板極活性物質松弛、脫落，達不到額定容量，6個月至8個月后缺水、硫化、軟化等故障，使用納米碳溶膠蓄電池活化劑均可得到解決。

4 結論

鉛酸蓄電池修復技術是有價值并值得推廣應用的新技術，它克服了鉛酸蓄電池的使用缺點，節省了使用者購置新電池的經費支出，延長了電池的使用期限，同時增強新電池動力。納米碳溶膠蓄電池活化劑解決了電動車行駛路程短、修復麻煩及更換新電池價格高等問題，納米碳溶膠蓄電池活化劑使用方便，人人會操作，深受廣大工薪階層的青睞。同時，由于電池壽命延長，從而減少了因生產鉛酸蓄電池造成的環境污染，體現了對建設環保型社會的理解和貫徹。開發和應用鉛酸蓄電池修復技術大有可為。

[1]崔萬安.電動自行車［M］.北京:機械工業出版社,2006

[2]張天星.電動自行車電器原理與維修［M］.成都:成都電子科技大學出版社,2009

[3]肖永清.汽車蓄電池的使用與維修［M］.北京:中國電力出版社,2005

TM912.1

A

JL01-0229（2015）02-0022-03

2015-03-06

責任編輯：李明亮

校對：栗笑彥

龐立江（1941-），男，漢族，天津市人，汽車工程學院教師，正高級工程師，主要從事摩托車和電動車的研究及機電專業教學。