戴增實(shí)

（泉州市一鳴交通電器有限公司，福建 福州 362008）

前言

電池是一種把物質(zhì)的化學(xué)能源轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備，可以作為設(shè)備的動(dòng)力能源，也可以作為設(shè)備的儲(chǔ)備能源。隨著科技的不斷進(jìn)步發(fā)展，新興電子產(chǎn)品便如雨后春筍般相繼問世，使得電池的用途也變得越來越廣泛。

目前，市場上的電池種類較多，且形態(tài)也各有不同，為適應(yīng)不同用途，其性能也大不相同。因此，電池的種類劃分方式很多，按電池所用正、負(fù)極材料的類型可分為鉛酸蓄電池、鎳鉻蓄電池、鋰離子電池；按其用途可分為電動(dòng)車用蓄電池、汽車動(dòng)力用蓄電池、通信及固定儲(chǔ)能用蓄電池；按使用電解液的類型可分為酸性電池、堿性電池和中性電池。鉛酸蓄電池電池正極材料主要為活性物質(zhì)二氧化鉛，負(fù)極活性物質(zhì)為金屬鉛，電解液為高濃度的硫酸溶液。鉛酸蓄電池可以分為兩大類，一類為注水式鉛酸蓄電池，另一類為閥控式鉛酸蓄電池。前者價(jià)格低廉，但需要經(jīng)常維護(hù)，補(bǔ)充電解液；后者通過安全控制閥自動(dòng)調(diào)節(jié)密封電池體內(nèi)在充電或工作異常時(shí)產(chǎn)生的多余氣體，免維護(hù)，更符合電動(dòng)汽車的要求[1]。卷繞式鉛酸蓄電池便屬于閥控式密封鉛酸蓄電池，是普通閥控式密封鉛酸蓄電池一種升級(jí)版本，可簡稱為卷繞式電池。

下面，我們就從卷繞式鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)、工作原理、優(yōu)點(diǎn)、技術(shù)難點(diǎn)等四個(gè)方面來對(duì)其逐一進(jìn)行闡述。

1 卷繞式鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)

普通閥控式密封鉛酸蓄電池（平板電池） 由正、負(fù)極板，隔板，安全閥，電解液等組合而成。根據(jù)電池容量的不同，所使用的正負(fù)極板的片數(shù)也不同。普通閥控式密封鉛酸蓄電池（平板電池）的結(jié)構(gòu)如圖1所示。平板電池極板采用涂漿式極板，活性物質(zhì)涂在特制的鉛鈣合金骨架上，正負(fù)極接線端子使用鉛合金，并采用全密封式結(jié)構(gòu)。平板電池極板的生產(chǎn)，沖網(wǎng)工藝從沖網(wǎng)板柵、涂板開始就進(jìn)行單片化的作業(yè)，固化、分板、配組、裝槽、焊接都是建立在單片的基礎(chǔ)上作業(yè)，而焊接后的極群，又成為一個(gè)集體組合。即走過了一個(gè)從分到和的過程，這個(gè)過程正是電池生產(chǎn)的核心部分，產(chǎn)品的質(zhì)量很大程度取決于此過程的制造質(zhì)量。電池蓋子上安裝有單向排氣用的安全閥，當(dāng)電池內(nèi)部因發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的氣體量超過一限定的壓力值時(shí)，安全閥便會(huì)自動(dòng)打開，排出多余的氣體，當(dāng)安全閥所受的內(nèi)外壓力恢復(fù)平衡，達(dá)到其正常值后，便會(huì)自動(dòng)關(guān)閉閥門，防止了電池內(nèi)部的水分蒸發(fā)[2]。

圖1 板式電池的結(jié)構(gòu)圖

卷繞式鉛酸蓄電池是一種性能良好，比能量高，安全可靠的鉛酸蓄電池。在西方少數(shù)發(fā)達(dá)國家常應(yīng)用于軍事。該類電池在軍事測試中，即使被子彈擊穿后仍可以快速啟動(dòng)配套的軍事裝備。卷繞式鉛酸蓄電池結(jié)構(gòu)如圖2所示。卷繞式鉛酸蓄電池采用很?。ㄍǔ?mm左右）、柔軟的鉛箔或沖成網(wǎng)眼的柵箔作為極板的基片（板柵），然后涂上鉛膏，形成正負(fù)極板。為克服機(jī)械強(qiáng)度減小的缺陷，將正極板、隔板、負(fù)極板交替疊放，并緊緊地卷繞成螺旋狀的卷，放入圓筒狀的電池槽中，并使用固態(tài)酸作為其電解液，電極板和固態(tài)酸捆綁并卷起來做成了獨(dú)特的螺旋式卷繞，進(jìn)而制成電池單體為圓柱形的卷繞式鉛酸蓄電池。

圖2 卷繞式鉛酸蓄電池結(jié)構(gòu)

2 工作原理

卷繞式鉛酸蓄電池的工作原理主要是放電時(shí)，將電池內(nèi)的化學(xué)能源轉(zhuǎn)化為電能供給外用設(shè)備，充電則相反，將電池的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能源。具體工作原理如下：

2.1 鉛酸蓄電池放電過程的電化反應(yīng)

卷繞式鉛酸蓄電池放電時(shí)，在蓄電池的電位差作用下，負(fù)極板上的電子經(jīng)負(fù)載進(jìn)入正極板形成電流。同時(shí)在電池內(nèi)部進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。負(fù)極板上每個(gè)鉛原子放出兩個(gè)電子，正極板的鉛離子得到來自負(fù)極的兩個(gè)電子后，變成二價(jià)鉛離子與電解液中的硫酸根離子反應(yīng)，在極板上生成難溶的硫酸鉛。正極板水解出的氧離子與電解液中的氫離子反應(yīng)，形成穩(wěn)定物質(zhì)水。電解液中存在的硫酸根離子和氫離子在電力場的作用下分別移向電池的正負(fù)極，在電池內(nèi)部形成電流，整個(gè)回路形成，蓄電池向外持續(xù)放電。放電時(shí)硫酸濃度不斷下降，正負(fù)極上的硫酸鉛增加，電池內(nèi)阻增大（硫酸鉛不導(dǎo)電），電解液濃度下降，電池電動(dòng)勢降低。

2.2 鉛酸蓄電池充電過程的電化反應(yīng)

卷繞式鉛酸蓄電池充電時(shí)，在外接直流電源的作用下，正、負(fù)極板在放電后生成的物質(zhì)將恢復(fù)成原來的活性物質(zhì)，并把外界的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲(chǔ)存起來。在正極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被分解為二價(jià)鉛離子和硫酸根負(fù)離子。由于外電源不斷從正極吸取電子，則正極板四周游離的二價(jià)鉛離子不斷放出兩個(gè)電子來補(bǔ)充，變成四價(jià)鉛離子，并與水繼續(xù)反應(yīng)，并在正極極板上生成二氧化鉛。在負(fù)極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被分解為二價(jià)鉛離子和硫酸根負(fù)離子，由于負(fù)極不斷從外電源獲得電子，負(fù)極板四周游離的二價(jià)鉛離子被中和為鉛，并以絨狀鉛附在負(fù)極板上。電解液中，正極不斷產(chǎn)生游離的氫離子和硫酸根離子，負(fù)極不斷產(chǎn)生硫酸根離子，在電場的作用下，氫離子向負(fù)極移動(dòng)，硫酸根離子向正極移動(dòng)，形成電流。充電后期，在外電流的作用下，溶液中還會(huì)發(fā)生水的電解反應(yīng)。

3 優(yōu)點(diǎn)

與普通閥控式密封鉛酸蓄電池（平板電池）相比，卷繞式鉛酸蓄電池采用了純鉛或鉛錫合金作為板柵材料，較柔軟，利于卷繞，且比普通鉛酸電池一般采用鉛銻合金或鉛鈣合金更耐腐蝕。使用的極板很薄，每片極板有多個(gè)極耳，電極比表面積大，電流分布均勻，有利于提高活性物質(zhì)利用率，且大電流充放電性能好。電極設(shè)計(jì)成卷繞結(jié)構(gòu)，裝配壓力大，是AGM閥控式鉛酸蓄電池的兩倍，消除了電極上活性物質(zhì)的脫落現(xiàn)象，同時(shí)解決了電解液分層的問題。槽為圓柱形，電池的開閥壓力大，正負(fù)極板間距小，有利于提高密封反應(yīng)效率，失水速度小，且有優(yōu)良的耐過充性能[3]。上述特殊的工藝手段和先進(jìn)的制造技術(shù)，使得其性能以下諸多優(yōu)點(diǎn)[2]：

（1）卓越的高低溫性能

卷繞式鉛酸蓄電池?fù)碛斜绕胀姵馗?2～3倍的電極表面積，極大的降低了內(nèi)阻，使電池在低溫下也能進(jìn)行正常充電，且低溫下沒有液態(tài)酸可以冰凍，因此也不存在輸出電流隨溫度降低急劇減小的問題。高溫下，冷軋純鉛板的高耐腐蝕性，以及圓柱形結(jié)構(gòu)和高達(dá)50Kpa的開閥壓力可以避免嚴(yán)重失水和膨脹變形，確保電池有很長的使用壽命。根據(jù)美國SAE檢測標(biāo)準(zhǔn)，卷繞電池可在-55～75℃范圍內(nèi)安全快速啟動(dòng)和牽引汽車，而普通鉛酸電池的工作范圍在-5～40℃，由此可見，相對(duì)我國南方炎熱天氣和北方寒冷氣候，使用卷繞電池可以更加安全可靠。

（2）大電流放電能力兙俥

卷繞式鉛酸蓄電池由于釆用薄板技術(shù)，電極表面積大，因而具有高倍率放電能力，最高放電電流可達(dá)到 18CA，同種規(guī)格的卷繞式鉛酸蓄電池與普通鉛酸電池相比，卷繞式鉛酸蓄電池啟動(dòng)功率要比普通電池高出4倍左右。

（3）安全系數(shù)極高

由于采用貧液設(shè)計(jì)，無游離電解液，電解液全部吸附在AGM隔板上，成為“固體電池”，因而在充放電、儲(chǔ)存過程中可以任意方向放置，不用擔(dān)心漏液問題。卷繞式鉛酸蓄電池結(jié)構(gòu)緊密、完全密封，不會(huì)產(chǎn)生任何有害氣體，正因?yàn)榫邆淙绱酥叩陌踩禂?shù)，因此可以在有人居住的封閉空間內(nèi)使用。

（4）快速充電性能

普通電池內(nèi)阻較高，充電時(shí)一部分充電電流轉(zhuǎn)化為熱能散失，且充電時(shí)間一般在6小時(shí)以上，而卷繞電池由于采用了超薄的卷繞式極板，電極表面積是普通鉛酸蓄電池的 2～3倍，所以其內(nèi)阻極低，因此基本可將充電電流全部接受，最大充電電流可達(dá)到6CA，一般充電時(shí)間在1個(gè)小時(shí)即可滿充。由于板柵采用純鉛制作，副反應(yīng)極低，因而可實(shí)現(xiàn)小電流充電，作太陽能儲(chǔ)備電源時(shí)，陰雨天也可以達(dá)到90%以上的充電效率。

（5） 超長的使用壽命

由于卷繞式鉛酸蓄電池采用了薄板技術(shù)，活性鉛表面積非常大，故其放電后的恢復(fù)能力也極強(qiáng)，C/5放電速率下，100%DOD可以達(dá)到350～400次，一般設(shè)計(jì)浮充壽命可以達(dá)到10年，在太陽能領(lǐng)域設(shè)計(jì)壽命10年。根據(jù)美國SAE標(biāo)準(zhǔn)，在J240測試中，卷繞式鉛酸蓄電池啟動(dòng)次數(shù)在15000次以上，相比普通電池的2000～4000次，卷繞式鉛酸蓄電池更顯勁量十足的王者風(fēng)范。

（6）優(yōu)異的抗震性

普通電池極板是懸掛在電解液中，震動(dòng)中鉛膏易脫落。而卷繞式鉛酸蓄電池采用的是螺旋卷繞技術(shù)，裝配壓力高，且酸為固態(tài)酸，故抗震性能特別優(yōu)越。根據(jù)美國SAE標(biāo)準(zhǔn)，卷繞電池能耐4g震動(dòng)12小時(shí)以及6g震動(dòng)4小時(shí)后一點(diǎn)也不損傷。普通電磁最多能耐4g震動(dòng)4小時(shí)以及6g震動(dòng)1小時(shí)。顛簸和震動(dòng)是導(dǎo)致蓄電池失效的主要原因之一。和常規(guī)蓄電池不一樣，卷繞式鉛酸蓄電池的儲(chǔ)電介質(zhì)為“固體”材料，另外采用了獨(dú)特的“螺旋卷繞”技術(shù)來固定蓄電池內(nèi)的組件，這是卷繞電池抗震抗摔性能比傳統(tǒng)蓄電池高15倍的關(guān)鍵。在高強(qiáng)度震動(dòng)測試環(huán)境下，卷繞電池的失效極限為9000小時(shí)，好一點(diǎn)的傳統(tǒng)蓄電池在連續(xù)震動(dòng)1950小時(shí)后就會(huì)失效，而普通的傳統(tǒng)蓄電池不到300小時(shí)就完全失效。

4 技術(shù)難點(diǎn)

卷繞式鉛酸蓄電池雖然具有上述許多優(yōu)點(diǎn)，并且有廣泛的應(yīng)用市場，但其生產(chǎn)和制造還存在一些待解決的技術(shù)難點(diǎn)。比如：卷繞式蓄電池極耳的設(shè)計(jì)。通常極耳的位置是根據(jù)極板的厚度、隔板的厚度、隔板的壓縮比、極群卷繞的壓力等因素設(shè)計(jì)確定的，隨著卷繞的進(jìn)行，極耳間的距離也在加大，也就是說在平面上極耳的間距是不等距的。這就出現(xiàn)了一個(gè)問題，卷繞過程中，極板的拉長會(huì)使極耳的位置偏移。極板越薄，拉長的長度越大；拉力越大拉長的長度越大。極耳的設(shè)計(jì)是按正負(fù)板、隔板厚度均勻一致設(shè)計(jì)的，但實(shí)際上，正負(fù)板、隔板厚度的誤差是存在的，有時(shí)還較大。卷繞過程中，極耳就無法完全到達(dá)指定的位置。極板上下側(cè)的涂膏很難做到一致，薄厚不均也會(huì)產(chǎn)生極耳的偏移。還有，卷繞式蓄電池是高功率電池，新“啟-停”功能汽車首選的技術(shù)與產(chǎn)品，解決電池的“動(dòng)態(tài)充電接受能力”是開發(fā)新型“啟-?！彪姵匾鉀Q關(guān)鍵技術(shù)問題。再有，如何提高卷繞式蓄電池的溫度特性，需研發(fā)新型耐高溫板柵合金，可提高電池在高溫下的使用壽命，并開發(fā)出新型高效低溫啟動(dòng)電極活性物質(zhì)添加劑，進(jìn)而提高低溫和超低溫下的電池啟動(dòng)性能等技術(shù)難點(diǎn)。

5 結(jié)語

卷繞式鉛酸蓄電池?fù)碛惺褂铆h(huán)境溫度范圍廣、安全系數(shù)高、使用壽命長、抗震性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于環(huán)境惡劣，并可廣泛運(yùn)用于軍事裝備、儀器醫(yī)療設(shè)備、新能源汽車、太陽能儲(chǔ)能、以及通信領(lǐng)域中。若解決了其生產(chǎn)和制造存在的技術(shù)難點(diǎn)，定會(huì)為鉛酸蓄電池的發(fā)展帶來了新的希望，是鉛酸蓄電池行業(yè)發(fā)展的新路標(biāo)。

[1] 王剛.電力廢棄物資源化及無害化應(yīng)用技術(shù)叢書 動(dòng)力鋰電池梯次利用與回收處理.2015.

[2] 馮鈞.卷繞式電池在通信領(lǐng)域的應(yīng)用探索.2015年中國通信能源會(huì)議論文集2015.

[3] 柴樹松.鉛酸蓄電池制造技術(shù)(2)[B]2017.