就以電池失效模式來探討設備條件、使用條件和維護條件對電池失效的影響及其應對方法：
一、電池的失效模式及其原因
1、電池的正極板軟化
電池的正極板是由板柵和活性物質組成的,其中活性物質的有效成分就是氧化鉛。放電的時候氧化鉛轉為硫酸鉛,充電的時候硫酸鉛轉為氧化鉛.氧化鉛是由α氧化鉛和β氧化鉛組成的,在2種氧化鉛中以其中α氧化鉛荷電能力小但是體積大,比為β氧化鉛堅硬,主要起支撐作用;β氧化鉛恰好相反,荷電能力大但是體積小,比為β氧化鉛軟,主要起荷電作用。α氧化鉛是在堿性環境中生成的,在電池內部一旦出現參與放電以后,在充電只能夠生產β氧化鉛。正極板的活性物質是多孔結構的,就與電解液——硫酸的接觸面積來說,多孔結構是平面的數十倍。如果α氧化鉛參與放電以后,重新充電以后只能夠生成β氧化鉛,這樣就失去了支撐,不僅僅會產生正極板活性物質脫落,而且脫落的活性物質還會堵塞正極板的微孔,導致正極板參與反應的真實面積下降,形成電池容量的下降。后備電源的電池使用年限要求比較嚴格,對電池的比容要求比較寬,因此后備電源使用的電池的后備電源的電池α氧化鉛和β氧化鉛比例比深循環的動力型電池大一些.為了減少α氧化鉛參與放電,一般控制放電深度僅僅為40%.隨著電池的使用時間的增加,電池的容量下降,新電池放電40%的電量,對于舊電池來說必然上超過40%的,所以舊電池就相當于放電深度深,電池的正極板軟化也會被加速.所以,電池的容量壽命曲線的后期下降速率遠遠高于中期.電池容量越小,放電深度越深,α氧化鉛損失也越多,正極板軟化也越嚴重,導致電池容量下降越快,形成了惡性循環。
這樣,電池的放電深度需要嚴格控制.實現這個控制的是靠基站的電源管理系統的國內和設置。目前控制電池放電深度的主要標準還是一次放電量和放電電壓.這樣,盡可能避免在應急的時候強制放電,而應該按照放電量來增加電池的容量。
2、電池的正極板腐蝕
正極板的板柵中的鉛在充電過程中或被氧化為氧化鉛,并且不能夠再還原為鉛,形成正極板腐蝕。而氧化鉛的體積比鉛的體積大,形成體積線性增加變形,使正極板活性物質與板柵脫離,導致正極板失效.而過充電會嚴重加速正極板腐蝕.我們一般以為不會產生過充電狀態.實際上,基站的浮充電壓如果跟不上環境溫度的上升而進行下降的補償,過充電就產生了.如基站的空調不夠或者損壞,電池的過充電也會產生。這樣電池的正極板板柵在不同的使用條件下會有不同的腐蝕速度.這與電池的使用環境溫度關系密切。
3、消除硫化
消除電池硫化的方法有幾種方法,各有特點。
a. 水療法
如果硫化不太嚴重,可以使用較稀的電解液,密度在1.100g/cm3以下,即向電池中加水稀釋電解液,以提高硫酸鉛的溶解度。并用20h率以下的電流,在液溫30℃~40℃的范圍內較長時間充電,可能得以恢復.如果電解液密度較高,則充電時只進行水分解,活性物質難以恢復.對于密封電池來說,水療法是無法進行的.另外,水療法的成本和使用工時都比較大.現在有了脈沖修復的方法,已經很少見到水療法了。
b. 化學處理方法
采用化學添加劑,在電池發生硫化的時候使用.這種方法對消除硫化是行之有效的,但是其副作用不可忽視.主要問題是會形成自放電明顯增加,所以一般的電池制造商都不敢使用。
c. 大電流充電
若認為吸附是造成硫酸鹽化的原因,則可以用高電流密度充電(達100mA./cm2)。在這樣的電流密度下,負極可以達到很負的電勢值,這時遠離零電荷點,使φ-φ(0)<0,改變了電極表面帶電的符號,表面活性物質會發生脫附,特別是對陰離子型的表面活性物質,這種有害的表面活性物質從電極表面上脫附以后,就可以使充電順利進行.目前國內幾乎沒有人使用這種方法處理不可逆硫酸鹽化,可能出于以下考慮:高電流密度下極化和歐姆壓降增加,這部分能量轉化為熱,使蓄電池內部溫度升高,同時又有大量的氣體析出,尤其是正極大量氣析出氣體,其沖刷作用易使活性物質脫落。d. 脈沖修復
按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,通常處于亞穩定能級狀態的離子趨向與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),硫離子包含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,形成電池的不可逆硫酸鹽化——硫化。多次發生這樣的情況,就形成了一層類似與絕緣層一樣的硫酸鉛結晶。
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,必須提供給一些能量,才能夠使得被激活的分子遷移到更高的能級狀態,太低得能量無法達到躍遷所需要的能量要求,但是,過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的原來的能級,這樣,就轉化為溶解于電解液的自由離子,而參與電化學反應。
很高的電壓可以實現,就是大電流高電壓充電的方法,諧振也可以實現,就是脈沖諧波諧振的方法。
從固體物理上來講,任何絕緣層在足夠高的電壓下都可以擊穿。一旦絕緣層被擊穿,粗大的硫酸鉛就會呈現導電狀態。如果對高電阻率的絕緣施加瞬間的高電壓,也可以擊穿大的硫酸鉛結晶.如果這個高電壓足夠短,并且進行限流,在打穿絕緣層的條件下,充電電流不大,也不至于形成大量析氣.電池析氣量強正相關于充電電流和充電時間,如果脈沖寬度足夠短,占空比足夠大,就可以在保證擊穿粗大硫酸鉛結晶的條件下,同時發生的微充電來不及形成析氣.這樣,實現了脈沖消除硫化。
實現脈沖消除硫化和抑制電池硫化的方法,一般可以采用脈沖保護器和修復儀來處理.一般使用2類修復方法.其一為在線修復,把可以產生脈沖源的保護器并聯在電池的正負極柱上,使用電池或者充電器的電源或者使用外來的市電,就會有脈沖輸出到電池上面.這種修復方式所需要的能源很少,比較慢,但是由于常年并聯在電池極柱2端,慢也沒有關系.對于沒有硫化的電池,可以抑制電池的硫化。
其二：為離線式的,可以產生快速的脈沖,脈沖電流相對比較大,產生脈沖的頻率比較高,脈沖占空比比較大.一些產品還具有自動控制.這種修復儀主要是用來修復已經硫化的電池。 |
