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(nèi)船用動力鉛酸蓄電池大多使用壽命較短。通過優(yōu)化蓄電池設(shè)計，提高正、負極耐腐蝕能力，采取多項隔離技術(shù)防止鉛絨短路，采用新型輔助系統(tǒng)，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(fā)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(shù)、低廉的成本而廣泛應(yīng)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(jīng)濟領(lǐng)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(jié)構(gòu)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(tǒng)。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(xiàn)了大容量和長壽命的統(tǒng)一。而國內(nèi)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(yè)界認為只有采用管狀電極技術(shù)才能設(shè)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(guān)鍵技術(shù)，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(shè)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(zhì)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(fā)現(xiàn)大量鉛絨堆積在正負極板的板耳和側(cè)面之間，造成短路。鉛絨出現(xiàn)的原因是因為蓄電池在工作工程中活性物質(zhì)出現(xiàn)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(cè)面之間。出現(xiàn)短路后蓄電池一邊工作一邊通過短路自放電，活性物質(zhì)的正常反應(yīng)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(zhì)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(tǒng)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(jié)。

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(nèi)阻增加，容易刺穿，造成短路。傳統(tǒng)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(nèi)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(huán)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(guān)鍵技術(shù)的深入研究，采取的有助于延長船用蓄電池壽命的技術(shù)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(yōu)點，又具有板狀電極的高比能?；钚晕镔|(zhì)減少了脫落的可能性，即使后期出現(xiàn)少數(shù)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(zhì)利用率的基礎(chǔ)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(tǒng)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(jié)構(gòu)設(shè)計。通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用合適的柵格空間比，設(shè)計新型筋條形狀，優(yōu)化設(shè)計板柵厚度。在制造過程中采用新工藝，并采用壓鑄技術(shù)。

合金材料和正板柵結(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)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(nèi)阻、減少內(nèi)部損耗，大幅度提高比能，使得蓄電池可以采用容量冗余設(shè)計，延長使用壽命。

2.3 采用新型電解液冷卻和提升系統(tǒng)

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(tǒng)。采用新型直冷系統(tǒng)，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(nèi)。

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(tǒng)，可以直接將蓄電池底部電解液提升到上部，提高蓄電池內(nèi)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(chǔ)上優(yōu)化整體設(shè)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(yīng)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(wěn)定。

3 試驗結(jié)果

3.1 蓄電池容量試驗結(jié)果

樣品電池5時率放電實際放出容量達到要求值的113%，結(jié)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(jié)果

蓄電池壽命試驗達到825周次，壽命曲線見圖2。

4 結(jié)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(shù)。在電極設(shè)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(zhì)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(zhì)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(tǒng)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(jié)構(gòu)設(shè)計。合金材料和正板柵結(jié)構(gòu)設(shè)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(nèi)阻、減少內(nèi)部損耗，大幅度提高比能，使得蓄電池可以采用容量冗余設(shè)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(tǒng)：冷卻水從發(fā)熱量最大的部件內(nèi)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(yōu)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(shù)攻關(guān)，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。