導(dǎo)致鉛酸蓄電池熱失效的原因有很多種,失效模式主要分為:干涸失效模式、容量過早損失的失效模式、熱失控的失效模式、負(fù)極不可逆硫酸鹽化、板柵腐蝕與伸長等。
一、干涸失效模式
從閥控鉛酸蓄電池中排出氫氣、氧氣、水蒸氣、酸霧,都是電池失水的方式和干涸的原因。干涸造成電池失效這一因素是閥控鉛酸蓄電池所特有的。失水的原因有四:①氣體再化合的效率低;②從電池殼體中滲出水;③板柵腐蝕消耗水;④自放電損失水。
?。ㄒ唬怏w再化合效率
氣體再化合效率與選擇浮充電壓關(guān)系很大。電壓選擇過低,雖然氧氣析出少,復(fù)合效率高,但個別電池會由于長期充電不足造成負(fù)極鹽化而失效,使電池壽命縮短。浮充電壓選擇過高,氣體析出量增加,氣體再化合效率低,雖避免了負(fù)極失效,但安全閥頻繁開啟,失水多,正極板柵也有腐蝕。影響電池壽命。
(二)從殼體材料滲透水分
各種電池殼體材料的有關(guān)性能見下表。從表中數(shù)據(jù)看出,ABS材料的水蒸氣滲透率較大,但強(qiáng)度好。電池殼體的滲透率,除取決于殼體材料種類、性質(zhì)外,還與其壁厚、殼體內(nèi)外間水蒸氣壓差有關(guān)。
(三)板柵腐蝕
板柵腐蝕也會造成水分的消耗,其反應(yīng)為:
Pb + 2H2O → PbO2 + 4H+ + 4e-
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正極自放電析出的氧氣可以在負(fù)極再化合而不至于失水,但負(fù)極析出的氫不能在正極復(fù)合,會在電池累積,從安全閥排出而失水,尤其是電池在較高溫度下貯存時,自放電加速。
二、容量過早損失的失效模式
在閥控鉛酸蓄電池中使用了低銻或無銻的板柵合金,早期容量損失常容易在如下條件發(fā)生:
?、俨贿m宜的循環(huán)條件,諸如連續(xù)高速率放電、深放電、充電開始時低的電流密度;
?、谌狈μ厥馓砑觿┤鏢b、Sn、H3PO4;
?、鄣退俾史烹姇r高的活性物質(zhì)利用率、電解液高度過剩、極板過薄等;
?、芑钚晕镔|(zhì)視密度過低,裝配壓力過低等。
三、熱失控的失效模式
大多數(shù)電池體系都存在發(fā)熱問題,在閥控鉛酸蓄電池中可能性更大,這是由于:氧再化合過程使電池內(nèi)產(chǎn)生更多的熱量;排出的氣體量小,減少了熱的消散;
若閥控鉛酸蓄電池工作環(huán)境溫度過高,或充電設(shè)備電壓失控,則電池充電量會增加過快,電池內(nèi)部溫度隨之增加,電池散熱不佳,從而產(chǎn)生過熱,電池內(nèi)阻下降,充電電流又進(jìn)一步升高,內(nèi)阻進(jìn)一步降低。如此反復(fù)形成惡性循環(huán),直到熱失控使電池殼體嚴(yán)重變形、漲裂。為杜絕熱失控的發(fā)生,要采用相應(yīng)的措施:
?、俪潆娫O(shè)備應(yīng)有溫度補(bǔ)償功能或限流;
②嚴(yán)格控制安全閥質(zhì)量,以使電池內(nèi)部氣體正常排出;
?、坌铍姵匾O(shè)置在通風(fēng)良好的位置,并控制電池溫度。
四、負(fù)極不可逆硫酸鹽化
在正常條件下,鉛蓄電池在放電時形成硫酸鉛結(jié)晶,在充電時能較容易地還原為鉛。如果電池的使用和維護(hù)不當(dāng),例如經(jīng)常處于充電不足或過放電,負(fù)極就會逐漸形成一種粗大堅硬的硫酸鉛,它幾乎不溶解,用常規(guī)方法充電很難使它轉(zhuǎn)化為活性物質(zhì),從而減少了電池容量,甚至成為蓄電池壽命終止的原因,這種現(xiàn)象稱為極板的不可逆硫酸鹽化。
為了防止負(fù)極發(fā)生不可逆硫酸鹽化,必須對蓄電池及時充電,不可過放電。
五、板柵腐蝕與伸長
在鉛酸蓄電池中,正極板柵比負(fù)極板柵厚,原因之一是在充電時,特別是在過充電時,正極板柵要遭到腐蝕,逐漸被氧化成二氧化鉛而失去板柵的作用,為補(bǔ)償其腐蝕量必須加粗加厚正極板柵。
所以在實際運(yùn)行過程中,一定要根據(jù)環(huán)境溫度選擇合適的浮充電壓,浮充電壓過高,除引起水損失加速外,也引起正極板柵腐蝕加速。當(dāng)合金板柵發(fā)生腐蝕時,產(chǎn)生應(yīng)力,致使極板變形、伸長,從而使極板邊緣間或極板與匯流排頂部短路;而且閥控鉛酸蓄電池的壽命取決于正極板壽命,其設(shè)計壽命是按正極板柵合金的腐蝕速率進(jìn)行計算的,正極板柵被腐蝕的越多,電池的剩余容量就越少;電池壽命就越短。
鉛酸蓄電池的容量大小,存在多少,決定電池的工作時間及壽命,鉛蓄電池容量隨放電倍率增大而降低,在談到容量時,必須指明放電的時率或倍率。電池容量隨放電時率或倍率不同而不同。
一、放電率對電池容量的影響
鉛蓄電池容量隨放電倍率增大而降低,在談到容量時,必須指明放電的時率或倍率。電池容量隨放電時率或倍率不同而不同。
?。ㄒ唬┤萘颗c放電時率的關(guān)系
對于一給定電池,在不同時率下放電,將有不同的容量,下表為華達(dá)GFM1000電池在常溫下不同放電時率放電時的額定容量。
(二)高倍率放電時容量下降的原因
放電倍率越高,放電電流密度越大,電流在電極上分布越不均勻,電流優(yōu)先分布在離主體電解液最近的表面上,從而在電極的最外表面優(yōu)先生成PbSO4。PbSO4的體積比PbO2和Pb大,于是放電產(chǎn)物硫酸鉛堵塞多孔電極的孔口,電解液則不能充分供應(yīng)電極內(nèi)部反應(yīng)的需要,電極內(nèi)部物質(zhì)不能得到充分利用,因而高倍率放電時容量降低。
?。ㄈ┓烹婋娏髋c電極作用深度關(guān)系
在大電流放電時,活性物質(zhì)沿厚度方向的作用深度有限,電流越大其作用深度越小,活性物質(zhì)被利用的程度越低,電池給出的容量也就越小。電極在低電流密度下放電,i≤100A/m2時,活性物質(zhì)的作用深度為3×10-3m—5×10-3m,這時多孔電極內(nèi)部表面可充分利用。而當(dāng)電極在高電流密度下放電,i≥200A/m2時,活性物質(zhì)的作用深度急劇下降,約為0.12×10-3m,活性物質(zhì)深處很少利用,這時擴(kuò)散已成為限制容量的決定因素。
在大電流放電時,由于極化和內(nèi)阻的存在,電池的端電壓低,電壓降損失增加,使電池端電壓下降快,也影響容量。
二、溫度對電池容量的影響
環(huán)境溫度對電池的容量影響較大,隨著環(huán)境溫度的降低,容量減小。環(huán)境溫度變化1℃時的電池容量變化稱為容量的溫度系數(shù)。
根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn),如環(huán)境溫度不是25℃,則需將實測容量按以下公式換算成25℃基準(zhǔn)溫度時的實際容量Ce,其值應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)。
Ce=Ct/【1+K(t-25℃)】
公式中:t是放電時的環(huán)境溫度
K是溫度系數(shù),10hr的容量實驗時K=0.006/℃,3hr的容量實驗時K=0.008/℃,1hr的容量實驗時K=0.01/℃
三、閥控鉛酸蓄電池容量的計算
閥控鉛酸蓄電池的實際容量與放電制度(放電率、溫度、終止電壓)和電池的結(jié)構(gòu)有關(guān)。如果電池是以恒定電流放電,放電至規(guī)定的終止電壓,電池的實際容量Ct=放電電流I×放電時間t,單位是Ah。