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            松下閥控密封式鉛酸蓄電池技術及未來發展趨勢

            1 松下閥控密封式鉛酸蓄電池簡介

                松下閥控密封式鉛酸蓄電池(ValveRegulatedLead-AcidBattery,簡稱VRLA),按實在現技術分為AGM和GEL兩種,前者是指采用AbsorbedGlassMat即超細玻璃纖維棉隔板吸附硫酸電解液的技術,而后者是指采用GEL即SiO2膠體吸收硫酸電解液的技術。后者從1957年開始由西德Sonnenschein公司開發并投入貿易使用,由于GEL電池在大電流、低溫等方面的相對低機能,固然經由了半個世紀的發展,迄今為止仍未能成為主流。目前文獻和會議討論的VRLA電池除特別說明外,皆指AGM電池。

                AGM技術的VRLA電池的研制可以從上世紀60年代中期起算,實現真正意義上的貿易化在1979年,美國GNB公司在購買了Gates公司的發明專利后,經由進一步研發,開始大規模出產VRLA電池,容量為32~500AH。此后,VRLA電池在歐美得到推廣應用,泛起了以美國GNB、DEKA、C&D、英國Chloride、HAWKER、日本YUASA、GS、松下為代表的大批的VRLA電池出產廠家。到1996年,在固定用途領域VRLA電池已基本取代上一代的富液管式電池。到目前,VRLA電池雖仍面對眾多的未解決挫折,但產品維護工作量少的特點深入人心,市場地位已不可動搖。



            2 松下閥控密封式鉛酸蓄電池目前面對的幾大技術挫折及其分析


            松下電池目前主要存在以下幾個技術挫折,其余題目都與這幾個題目有緊密親密的聯系或是由這幾個題目引發。


            2.1 長期密封


            松下電池的長期密封在目前有被出產和使用雙方忽視的傾向,由于市場上大部門的VRLA電池都已將短期密封解決得比較好,在電池使用中的表現也可作為佐證。在電池投入使用的前3年,一般不會泛起密封上的題目。但在對電池的使用壽命要求已超過10年的今天,在使用3~5年之后,電池的密封還能可靠嗎?讓我們從電池的運行中的現象作一簡樸分析。眾所周知,蓄電池在使用期間正極板柵侵蝕后必定伸長,不同品牌電池之間的區別僅在于伸長量的大小,即使是采用公認非常耐腐Pb-Sb-Cd-Ag合金,在使用5~6年之后,由于正極板伸長,也會對電池極柱部位的密封造成致命的破壞。事實上,從眾多用戶處收集到的信息來看,在電池投入使用后3~6年,有良多品牌的電池會泛起極柱處密封破壞的題目,這將導致電池泄露進而短期內失效。即使是采用環氧加橡膠的多重密封或氬弧焊的看似牢不可破的密封,也抵抗不住正極板伸長的化學力。因此,我們有理由對VRLA電池的長期密封可靠性再次提出疑問。但題目顯然不全在密封上,電池設計中對正極板伸長的充分預計沒有得到足夠的正視,使得目前大多數的VRLA電池都將面對使用一段時間后產生泄露的尷尬。在這一方面,美國EPM公司(EASTPENNManufacturing,co.,inc.)做得極為精彩,體現在其DEKA(r)系列產品中,2VVRLA電池都有一個可以吸收正極板伸長的彈性底橋(如下圖1),而12V系列的產品使用與Wirtz聯合開發的連續鍛造輥壓板柵,該板柵的屈服強度明顯進步,因此極板在運行期間很少伸長膨脹[1],能分別知足20年(2V系列)和10年(12V系列)的壽命要求。因為受專利的保護,目前在世界范圍內,EPM的這種設計仍是獨此一家,別無分店。


            2.2 失水、熱失控


            松下電池失水的主要原因分為三個方面,首先是水分解后從安全閥排氣失水,其次是電池槽蓋的滲透滲出失水,第三是板柵侵蝕消耗水。電池失水到一定程度,熱失控幾乎就必定發生。


            對排氣失水,主要取決于電池的板柵合金和浮充電壓,對不同的電池,由于使用合金的不同,出產廠家推薦的浮充電壓可能不一樣,但超過2.26V/cell(25℃)的浮充電壓普遍以為是不恰當的。過高的浮充電壓導致額外的水分解和排出。DEKA(r)系列電池采用Pb-Sn合金作為正板柵材料,結合特殊的正極鉛膏配方和制造工藝,使得電池在2.25V/cell的浮充電壓下浮充電流也僅0.028A/100Ah,從而在保證電池充足電的情況下使電池浮充失水減少到最小。


            電池槽蓋的滲透滲出失水已有定論,PP是目前防止失水最好的槽蓋材料。下表是VRLA電池最常使用的三種材料的機能對比[2]。


            板柵侵蝕失水取決于所用的合金和充電電壓,目前普遍采用Pb-Ca系合金作為負板柵,正板柵則因為電池機能上的綜合考慮而有所不同,如美國GNB采用Pb-Sb-Cd-Ag合金,EPM采用Pb-Sn合金,一般廠家采用Pb-Ca-Sn合金,各種合金各有優劣,目前難有定論。


            當電池的失水達8~10%時,因為氧復合效率的高效以及散熱不良,電池將泛起熱失控,短時間內即告失效。


            2.3 電池平均性和可靠性


            因為組成電池的各零部件、材料在尺寸、成分、用量上的微小差異,使得電池在浮充電壓、靜態電壓上表現出固然在絕對百分比上也是微小,但實際上不能接受的差異。海內外均對這種差異賜與極大的關注,所有的VRLA電池制造廠都投入大量人力物力進行研究和解決,但成效好像還不盡如人意。


            做得最好的如DEKA(r)電池,也只能宣稱達到電池出廠6個月內投入使用,浮充電壓極差在±20mV之內,儲存時間越長,投入使用后的電池差異越大。根據EPM的研究,電池電壓的差異主要受極板和電池吸酸飽和度的影響,采用高本錢的槽式化成有利于進步極板的平均性,而采用富液玻璃棉隔板(HGM)和倒酸工藝有利于飽和度的平均。電池的平均性和可靠性就取決于制造廠的工藝制造水平,海內外都傾向于進步制造的自動化水平以進步電池的平均性和可靠性。如EPM公司在DEKA(r)系列VRLA電池的出產上,就已經實現了全出產過程的電腦監控和高度自動化制造。


            電池在使用前提上的平均性是輕易被忽視的方面,假如幾個電池密放在一起,我們必定能檢測到中間的電池溫度會較兩頭的高,日積月累下來,中間電池的失水、侵蝕等會較其他電池為多,差異由此拉大,并導致個別電池壽命提前終止,整組電池也隨之失效。EPM的DEKA(r)系列為每一個VRLA電池都提供六個面的散熱,以保證電池在使用前提上的平均性(下圖2)。


            VRLA電池維護工作量的極大減少,使得用戶包括制造廠對使用中電池的狀態不能很好把握。提高前輩鉛酸電池聯合會(ALABC)曾調查了100萬只(6萬組)電池的使用數據,因為用途的不同,電池使用壽命從1年到15年以上不等。在電信應用上,有54%的電池組從未更換過電池,大多數使用15年以上。調查還揭示,導致個別電池提前失效的原因首先是VRLA電池對工作溫度的敏感,以年均勻工作溫度25℃為尺度、假如長期工作偏差超過10℃,則該電池組有78%在不足5年的時間內第一只電池失效,因此,在寬的溫度范圍內運行的電池組,壽命縮短。導致壽命縮短的第二個原因是過充電所致的電池干水,環境溫度高于35℃而沒有降低充電電壓的電池34%的不到5年就失效[3]。


            3 當今閥控式密封鉛酸蓄電池發展趨勢


            3.1 連續鍛造輥壓板柵


            由EPM和Wirtz聯合開發,明顯進步屈服強度,減少極板伸長膨脹。


            3.2 薄片電極


            板柵厚度小于1mm,以獲得更佳的充放電電流特性。由Wirtz開發,在EPM承擔的ALABC項目中應用。


            3.3 平面式管式電極


            板柵擠壓成型,厚0.75mm,制成極板后不超過3mm,合用于EV、HEV等輪回使用場合。由YUASA開發。


            3.4 箔式卷狀電極


            薄如紙的電極,厚度僅0.05~0.08mm,由美國BOLDER公司開發。具有極高的比功率和可再充機能。用于電動工具等場合。


            3.5 水平電池


            采用在玻璃絲上擠壓包覆Pb-Sn合金制成的鉛線編織的鉛布為板柵,分別在兩頭涂正、負鉛膏,中間留有鉛絲相連。制得的電極水平疊放。比能量和比功率較高。


            3.6 雙極性電池


            一塊極板,一面是正極,另一面是負極,和其它極板串聯成電池。內阻小,比能量高,尤其適合組成上100V的高電壓單個電池。


            3.7 螺旋卷狀電極電池


            由EXIDE開發,薄的連續電極卷繞成圓筒,有較好的深輪回壽命。


            3.8 內催化電池[4]


            由美國費城科技發明,C&D購買后已貿易化應用。原理和防酸隔爆電池的消氫相同,但置于電池內部。為負極復合氧的輔助-冗余結構。據C&D測試,能明顯降低高電壓充電時的析氣量,減少水損耗。


            3.9 槽式化成


            本來不是新技術,但由于對電池的平均性效果較好,有重新普及的趨勢。EPM全部的VRLA電池均采用槽式化成,C&D在其liberty2000系列上已采用槽式化成。


            3.10 富液式松下電池


            采用富液式隔板(HGM)的松下電池,由隔板中的憎酸材料(PE)提供氧氣復合通道。顯然電池中將留有更多的水。


            3.11 VRLA電池智能化


            更多是指充電設備的智能化和智能化監控,但因為設備投入大,未普及。


            4 小結


            回顧鉛酸蓄電池近150年的發展史,我們看到,當某一種形式的產品發展到接近完美的時候,在不知不覺中,它正被另一種形式的產品所取代。推動鉛酸蓄電池技術不斷發展的主要動力,是在減少維護、進步不亂性和可靠性上更高的需求。未來屬于免維護電池,而松下蓄電池最接近此要求。通過技術上的不斷提高,松下電池將以更高的質量,更低的價格服務于用戶。


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