張旭東，李亞輝，鄔會杰，古利偉，王麗齋，劉建樓，王亞輝

（風(fēng)帆有限責(zé)任公司，河北 保定 071057）

0 引言

鉛酸蓄電池作為系統(tǒng)后備電源，是保證通信、電力、銀行等系統(tǒng)安全的必不可少的組成部分。經(jīng)過多年的發(fā)展，發(fā)達國家及發(fā)達地區(qū)的后備電源配置已基本完成，正在向不發(fā)達地區(qū)發(fā)展。由于這些地區(qū)的供電條件較差，如無電力供應(yīng)或停電頻繁，鉛酸蓄電池經(jīng)常處于循環(huán)使用狀態(tài)。

就蓄電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計和生產(chǎn)方式而言，閥控式鉛酸蓄電池應(yīng)以立放為佳，即保持豎直狀態(tài)。因為在豎直狀態(tài)下極柱、匯流排和極群呈自然受力方式，所以極群的上部不會產(chǎn)生懸空，不會對極柱孔形成破壞力。但是，高型電池立放時所形成的內(nèi)部電解液分層既不利于電池的放電性能，又會縮短電池的使用壽命。相對來說，矮型電池由于電解液分層程度較小，宜采用立式放置。圖 1 為某一款 12 V 50 Ah 蓄電池在三種放置方式下的示意圖。在本文中，我們分別稱這三種放置方式為極板立放、極板側(cè)放、極板平放。對于一些數(shù)據(jù)中心機房，臥式放置蓄電池一方面便于安裝者操作，降低安裝風(fēng)險，另一方面可以節(jié)約場地空間和安裝架成本（如圖 2所示）。

圖1 極板立放、側(cè)放、平放

圖2 蘇州某數(shù)據(jù)中心機房安裝效果圖

1 電池壽命失效分析

普通鉛酸蓄電池循環(huán)壽命降低的原因之一是電池內(nèi)部電解液分層，也就是電池頂部和電池底部的電解液濃度不一致。如果出現(xiàn)電解液分層，那么在電池多次充放電使用時就會對電池造成一系列的不利影響，如充電接受能力變差，正極板、負極板容量損失，正極板、負極板上的活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)損壞等。

巴普洛夫提到，蓄電池放電期間，在正極和負極硫酸被消耗。這樣，正，負極板表面附近形成了低密度的電解液層。這些低密度的電解液層會上升。蓄電池槽中電解液的濃度較高，促使更重（密度更大）的硫酸電解液向下流動到極板之間。充電期間，正負極板內(nèi)部生成了硫酸。這些硫酸的流向與充電期間的流向相反。這樣，電池內(nèi)部形成了兩個不同濃度的電解液硫酸層，即高濃度的底層和低濃度的上層。這種垂直分布的硫酸濃度梯度，被稱為“電解液分層”[1]。圖 3 為蓄電池放電和充電期間引起酸分層反應(yīng)和電解液流向示意圖。

圖3 酸分層反應(yīng)和電解液流向示意圖

硫酸電解液分層現(xiàn)象使得電池下部硫酸濃度更高，而上部更低。電池在放電過程中，極板下部放電量更大，充電接受能力差，則放電深度更深，不利于循環(huán)壽命；而在電池上部，放電深度較淺，充電接受能力更好[2]。

從極板的上、中、下三個部位取樣，檢測熟極板的 PbO2和 PbSO4含量。表 1 中結(jié)果表明，極板下部 α-PbO2含量低于上、中部，而 β-PbO2和PbSO4的含量高于上、中部。這說明在蓄電池充放電過程中，極板下部由于 α-PbO2含量低而加劇放電，使極板各部分承擔(dān)的放電量不一樣，以至于長期循環(huán)造成電池壽命衰減。

表1 熟極板 PbO2 和 PbSO4 含量 %

2 試驗

實驗中環(huán)境溫度為 25 ℃ ± 5 ℃。所采用的電池為同一批次 12 V 50 Ah 的閥控式鉛酸蓄電池。其所用極板高 145 mm，寬 114 mm，即高寬比為1.28∶1。隔板壓縮比為 22 %，隔板的電解液飽和度較高，但電池仍保持貧液狀態(tài)。

2.1 初期容量檢測

選取 3 只完全充電，開路電壓、重量、內(nèi)阻一致性較好的 12 V 50 Ah 電池，分別對極板立放、極板平放、極板側(cè)放三種放置方式下的初期 10 小時率容量和 30 min 恒功率容量進行測試。10 小時率容量檢測方法是，以恒電流 5 A 放電至 10.80 V 終止，記錄放電時間。30 min 恒功率容量檢測方法是，在恒功率 534 W 下放電至 10.20 V 終止，記錄放電時間。從表 2 可以看出來，三種放置方式下電池的 10 小時率容量和 30 min 恒功率容量相差不大。

表2 不同放置方式下 2 V 500 Ah 電池測試結(jié)果

2.2 100 % DOD 壽命檢測

選取 3 只 12 V 50 Ah 電池，按圖 4 所示放置方式進行 100 % DOD 壽命檢測，得到圖 5 所示壽命曲線。具體檢測方法如下：以恒電流 5 A 放電至10.8 V 終止；再在恒電壓 14.4 V 下，限流 5 A 充電24 h；重復(fù)以上兩個步驟進行循環(huán)檢測，至容量衰減至額定容量的 80 % 時視為壽命終止。

圖4 極板立放、側(cè)放、平放下壽命檢測

圖5 三種放置方式下的壽命曲線

對于 12 V 50 Ah 電池而言，極板側(cè)放條件下的循環(huán)壽命性能要優(yōu)于極板立放條件下的。分析原因可能是，在極板立放狀態(tài)下，伴隨著循環(huán)的進行，蓄電池內(nèi)電解液在極群內(nèi)部極板方向出現(xiàn)了分層，所以部分極板反應(yīng)不充分，以致電池放電容量不足，最終導(dǎo)致電池壽命終止。相反，極板側(cè)放狀態(tài)則削弱了這一因素的影響。同時，極板側(cè)放狀態(tài)下，極板高寬比減小，使得電流分布更為均勻。適當減小板柵的高寬比不僅有助于降低板柵的歐姆壓降，提高鉛酸電池的放電端電壓，而且有助于電流分布的均勻化，從而更充分地利用活性物質(zhì)[3]。另外，極板平放的狀態(tài)下電池的循環(huán)壽命得到大幅度提升。究其原因，邸雙喜曾提出，電池在極板平放條件下循環(huán)時，由于極板是水平放置，對最底層極板來講相當于把整個電池中除自身重量之外的其他極板重量、電解液重量和隔板重量附加在上面，從而提高了裝配壓力。以此類推，其他極板也有相應(yīng)地附加力的作用，提高了裝配壓力，同時也有效地防止了電解液在多次循環(huán)過程中的分層現(xiàn)象，有利于電池循環(huán)性能的提高[4]。

2.3 單只電池在改變放置方式后的壽命變化

為了進一步驗證極板側(cè)放和極板平放兩種方式對于電池循環(huán)壽命的影響，選擇 2 只 12 V 50 Ah 電池，按照極板立放方式做 100 % DOD 壽命檢測。當循環(huán)進行到第 15 次時，分別將 2 只電池的放置方式改為極板側(cè)放和極板平放。當循環(huán)至 第 49 次時，觀察 2 只電池的壽命曲線走勢。從圖 6 可以明顯的看出，前 15 次循環(huán)時曲線趨勢基本一致向下，但在第 15 次循環(huán)完之后，曲線均呈現(xiàn)上升趨勢，且后期一段時間內(nèi)出現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，整體上循環(huán)壽命有所增加。這說明，在極板側(cè)放和極板平放狀態(tài)下，蓄電池的循環(huán)壽命均優(yōu)于在極板立放狀態(tài)下的，也就是說改變蓄電池的放置方式后，壽命循環(huán)性能得到了大幅度提升。

圖6 改變放置方式后的循環(huán)壽命曲線

3 結(jié)論

通過對極板立放、極板側(cè)放、極板平放 3 種不同放置方式下 12 V 50 Ah 電池的性能測試可以得出以下結(jié)論：（1）在 3 種放置方式下電池的容量均合格，而且相差不大，基本保持一致。（2）極板側(cè)放和極板平放的放置方式均能大幅度改善電池100 % DOD 循環(huán)性能。（3）為節(jié)約成本和安裝空間，選擇對蓄電池進行臥式安裝，從使用用途的角度出發(fā)，對于蓄電池是沒有影響的。