淺談鉛酸蓄電池的失效及修復(fù)

龐立江，孟立輝

（石家莊理工職業(yè)學(xué)院，河北石家莊 050228）

淺談鉛酸蓄電池的失效及修復(fù)

龐立江，孟立輝

（石家莊理工職業(yè)學(xué)院，河北石家莊 050228）

本文介紹了鉛酸蓄電池的優(yōu)缺點、工作原理、失效形式及失效修復(fù)的有效方法。通過化學(xué)法對失效的鉛酸蓄電池進(jìn)行有效修復(fù)，恢復(fù)了電池容量，延長了電池的使用壽命，大大提高了能源的利用效率。

電池活化劑；硫化；正極軟化

引言

人們在選購電動自行車時往往關(guān)注外觀，工藝及電動車本身的性能，其實最關(guān)鍵的是電動車的電池。我國電動自行車主要采用鉛酸蓄電池，目前市場上電池品牌很多，質(zhì)量和性能都有所不同，作為不太熟悉電池原理的使用者，由于日常使用中過充、過放、不及時維護(hù)、強(qiáng)烈振動等不當(dāng)措施，常會在無意中損耗電池的性能。從維護(hù)角度講，若使用后不及時充電，或停放幾天再充電，或每次沒有充足電，則電池壽命將會大為縮短。由于鉛酸電池本身的弱點及人為的使用、維護(hù)不當(dāng)，使用中常會出現(xiàn)容量下降的問題。

近年來對于可充電的二次電池已研制了好幾種，如鎳氫電池、鋰電池、鎳鎘電池、電容電池等，不過技術(shù)成熟，價格便宜的仍是鉛酸蓄電池，因而鉛酸蓄電池仍被國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域普遍采用。

1 鉛酸蓄電池的優(yōu)缺點

鉛酸蓄電池已有100多年的歷史，也是目前電動自行車的主導(dǎo)電源，它的主要優(yōu)點是價格低，放電倍率可達(dá)3～5倍率（倍率指電池放電時的放電電流數(shù)值是額定容量的倍數(shù)，如0.1c （0.1是倍率，c是容量，單位是安時），對于120AH電池，放電電流為0.1×120=2A，另外鉛酸電池使用溫度為-40℃～+60℃，電能效率為60%，無記憶效應(yīng)。[1]

鉛酸蓄電池缺點：比能量低（35wh/kg），(鋰電池為150wh/kg)，與其它同等體積電池相比，其重量大，使用壽命短，一般電動自行車使用前半年電量充足，后半年電池容量大大衰減，一年就得更新了，理論上是300次充放電循環(huán)。電池內(nèi)電解液易分離，易發(fā)生熱失控，導(dǎo)致電池變形，鉛酸蓄電池自放電損失每天1%～2%，即一個月一個12V-100AH的電池電能容量將損失一半，同時報廢的鉛酸蓄電池對土壤污染嚴(yán)重。

2 鉛酸蓄電池的工作原理

電池充電是將電能變成化學(xué)能，放電是將化學(xué)能變成電能。鉛酸蓄電池負(fù)極板為純鉛，正極板為二氧化鉛，正負(fù)極板相間配對，中間有防止短路的隔板（隔板可使電解液通過），每對為一個電池單元，其電壓為2V，電動自行車一塊電池6個單元為12V，三個大電池串聯(lián)為36V，或四個串聯(lián)為48V，當(dāng)然作為車用動力電池，從工藝上做了許多改進(jìn)，使比能量提高，壽命增加，鉛酸蓄電池的電解液是純凈硫酸與蒸餾水的混合溶液，相對密度為1.29g/ml～1.30g/ml，其充放電化學(xué)方程式為：

電池放電使正負(fù)極都變成了硫酸鉛，硫酸濃度變低，而充電后，正負(fù)極板又都還原為原來的物質(zhì)。硫酸濃度增加，若放電后不及時充電或電池長期處于充電不足的狀態(tài)下工作，則極板會嚴(yán)重硫化，使活性降低，容量下降。

3 鉛酸蓄電池的失效及修復(fù)

用戶騎行中若電量不足、車速減慢，用戶誤認(rèn)為電動車已設(shè)置欠壓保護(hù)，此時用戶通常不關(guān)掉開關(guān)，仍繼續(xù)行駛，或者松開手把后，用腳蹬幾圈，電壓又恢復(fù)至33V～34V，此時用戶一扭調(diào)速手把，電動車瞬間產(chǎn)生大電流沖擊使車前行。然而此時產(chǎn)生的是虛電壓，反復(fù)幾次電池電壓會下降至單個10V以下，電池就嚴(yán)重?fù)p壞了。對于已損壞的電池能否修復(fù)呢?或者一個容量降低的電池如何延長其使用壽命呢？這是廣大用戶十分關(guān)注的問題。

3.1 鉛酸蓄電池常見的失效形式

按電動車電池國家標(biāo)準(zhǔn)（JB/T10262-2001）規(guī)定，容量低于標(biāo)稱容量70%為失效電池。電動車電池失效的形式主要有：失水、硫化、陽極軟化。一般電動車新電池使用6個月開始失水，8個月開始硫化，10個月陽極板軟化，深度腐蝕。蓄電池失效的原因各異，分析鉛酸蓄電池常見的失效形式，可以為失效電池進(jìn)行有效修復(fù)提供依據(jù)。

3.1.1 失水

由于電池制造的不一致性，串聯(lián)使用時，經(jīng)過若干次充放電循環(huán)后，容量端電壓及內(nèi)阻相對變差的電池成為落后電池，充電時按正常情況給串聯(lián)電池充電，致使有的過充、有的欠充，在充電容量達(dá)到80%左右時，正極板折出氧氣，氧氣通過隔板中的孔，到達(dá)負(fù)極，在負(fù)極板上進(jìn)行氧復(fù)合反應(yīng)，產(chǎn)生熱量。當(dāng)充電容量達(dá)到90%時，氧氣發(fā)生速度增大，負(fù)極開始產(chǎn)生氫氣。另一方面當(dāng)充電電壓高于規(guī)定值時，使電池析氣量增加。大量氣體的增加使安全閥打開，氣體溢出，表現(xiàn)為失水，失水后電池內(nèi)阻增大，充放電過程中發(fā)熱量增大，溫度升高，當(dāng)電池盒內(nèi)溫度＞80℃時，產(chǎn)生“熱失控”導(dǎo)致電池?zé)嶙冃巍?/p>

3.1.2 硫化

鉛酸蓄電池在正常使用條件下，放電后正負(fù)極板上硫酸鉛是松軟的活性小結(jié)晶物質(zhì)，充電時又很容易還原成二氧化鉛和海綿狀的鉛。如果電池過放電或不及時充電，負(fù)極板上的松軟物質(zhì)變?yōu)閳杂差w粒粗大的白色硫酸鉛晶體，體積膨脹，活性物質(zhì)的微孔被堵塞，使電解液帶電離子難以通過微孔深入物質(zhì)內(nèi)進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，在極板表面形成硬的厚膜，增加了電阻，這時極板成為不可逆變的物質(zhì)，稱為硫化。極板硫化后，容量大幅度下降，表現(xiàn)為電池充電時很快達(dá)到終止電壓上限，放電時又很快達(dá)到終止電壓下限，即“一充就滿，一放就完”。

3.1.3 陽極軟化

軟化原因：（1）上坡時啟動，大電流放電，超載運(yùn)行。（2）深度放電。（3）大電流充電，充電器不匹配。正極板是氧化鋁，又分為α－PbO2和β－PbO2，α－PbO2相當(dāng)于樹枝，β－PbO2相當(dāng)于樹葉，它依附在α－PbO2骨架上，正常情況下，僅β－PbO2參加化學(xué)反應(yīng)，深度放電時，α－PbO2也參加反應(yīng)，形成硫酸鉛，這樣α－PbO2會大量減少，樹枝的支持作用破壞，活性物質(zhì)脫落，這就是正極板軟化，出現(xiàn)軟化后多孔結(jié)構(gòu)被破壞，降低了參與化學(xué)反應(yīng)的面積，電池容量下降。[2]

3.2 失效的鉛酸蓄電池的修復(fù)方法

鉛酸蓄電池電性能失效的常見修復(fù)方法可分為化學(xué)法和物理法，兩種修復(fù)效果都很好，既經(jīng)濟(jì)節(jié)約又綠色環(huán)保。本文主要介紹化學(xué)法修復(fù)電性能失效的鉛酸蓄電池。

3.2.1 納米碳溶膠蓄電池活化劑的活化機(jī)理

電池由于長期擱置不用，或長期欠充電會導(dǎo)致活性物質(zhì)主要是負(fù)極活性物質(zhì)的硫化失效，容量衰減，內(nèi)阻變大，充電困難，通過激活的方式可重新使用，這個過程叫活化。當(dāng)把納米碳溶膠電池活化劑加入到電性能失效的鉛酸蓄電池內(nèi)部后，在電場作用下活化劑中的炭顆粒均勻的吸附在極板表面，并進(jìn)一步滲透到電極內(nèi)部，形成保護(hù)膜。可防止極板活性物質(zhì)脫落和極板硫化，并使鈍化的硫酸鹽物質(zhì)恢復(fù)活性，并崩解不可逆硫酸鹽結(jié)晶，打通隔膜離子通道，激化電池活性物質(zhì)，降低了電池內(nèi)阻，增加了電極導(dǎo)電性，電極結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到了提高。同時納米碳和電解液中的水分子兩者間的水合作用形成C-H鏈，故能減少電池析氫量，減少電池失水，提高電荷保持能力，電池在充放電時，電能與化學(xué)能之間轉(zhuǎn)換得到改進(jìn)，提高了充放電效率，電池容量得到恢復(fù)，同時使鉛酸蓄電池的各項性能指標(biāo)大幅度提高。[3]

3.2.2 納米碳溶膠蓄電池活化劑的使用方法

（1）先將電池單體放電至電池終止電壓；（2）撬下電池面蓋，用力擰開排氣閥；（3）用注射器注入納米碳溶膠蓄電池活化劑。對于失水嚴(yán)重的電池加入納米碳溶膠蓄電池活化劑之前還要先加入濃度為5%~10%的稀硫酸電解液，補(bǔ)加的電解液量應(yīng)控制在上下液面線之間偏上線的位置。（4）加入納米碳溶膠蓄電池活化劑后搖動均勻，然后旋入排氣閥，蓋上電池面蓋，在面蓋邊緣涂上膠水，放置30分鐘~60分鐘，立即對修復(fù)舊電池以大電流充電（大電流指大于正常充電電流50%左右的電流）以便使納米石墨在電場作用下盡快吸附到電極里面，大約充進(jìn)40%左右電量，再進(jìn)行正常充電，充電后再放電一次，即可正常使用，一般對于剩余容量30%的電池可恢復(fù)到容量90%以上，若達(dá)不到上述要求，可重復(fù)進(jìn)行七到十次充放電的操作。[3]

3.2.3 納米碳溶膠蓄電池活化劑的使用效果

納米碳溶膠蓄電池活化劑的使用效果為：（1）新鉛酸蓄電池容量可增加10%-20%。（2）延長電池壽命1倍以上。（3）提高電池充放電接受能力達(dá)到15C（國標(biāo)3C，C表示電池容量，表示電池以一定的電流放電至規(guī)定的電壓值時，電流與所放電時間的乘積I*T=C，單位安時）。（4）節(jié)省50%的充電時間。（5）28天達(dá)到100%的電荷保持能力。（6）低溫啟動能力可達(dá)-50℃。

應(yīng)用實例如下：

河南省開封市有家電動車維修部曾做過1次試驗，將1個使用了兩年的舊電池，（在充滿電狀態(tài)下只能行駛5km~7km）充入納米碳溶膠活化劑，該舊電池驅(qū)動電動自行車行駛了96分鐘。

經(jīng)河南省電源中心檢測一個已充放電550次的電池，經(jīng)使用納米碳溶膠蓄電池活化劑后又用了4年，且符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

某機(jī)務(wù)段一輛內(nèi)燃機(jī)車的起動電池，NG462型鉛酸蓄電池未加入活化劑前電容量為178AH，向3個NG462型鉛酸蓄電池每個單體內(nèi)注入200毫升納米碳溶膠活化劑后，經(jīng)三次充放電，容量恢復(fù)到267AH，相當(dāng)于電池容量增加了百分之五十。

3.2.4 納米碳溶膠鉛蓄電池活化劑的適用范圍

對于冬天電動車?yán)m(xù)航乏力，行駛里程逐漸減少。電池極板硫化，造成充電不足，電池容量嚴(yán)重下滑，板極活性物質(zhì)松弛、脫落，達(dá)不到額定容量，6個月至8個月后缺水、硫化、軟化等故障，使用納米碳溶膠蓄電池活化劑均可得到解決。

4 結(jié)論

鉛酸蓄電池修復(fù)技術(shù)是有價值并值得推廣應(yīng)用的新技術(shù)，它克服了鉛酸蓄電池的使用缺點，節(jié)省了使用者購置新電池的經(jīng)費(fèi)支出，延長了電池的使用期限，同時增強(qiáng)新電池動力。納米碳溶膠蓄電池活化劑解決了電動車行駛路程短、修復(fù)麻煩及更換新電池價格高等問題，納米碳溶膠蓄電池活化劑使用方便，人人會操作，深受廣大工薪階層的青睞。同時，由于電池壽命延長，從而減少了因生產(chǎn)鉛酸蓄電池造成的環(huán)境污染，體現(xiàn)了對建設(shè)環(huán)保型社會的理解和貫徹。開發(fā)和應(yīng)用鉛酸蓄電池修復(fù)技術(shù)大有可為。

[1]崔萬安.電動自行車［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006

[2]張?zhí)煨?電動自行車電器原理與維修［M］.成都:成都電子科技大學(xué)出版社,2009

[3]肖永清.汽車蓄電池的使用與維修［M］.北京:中國電力出版社,2005

TM912.1

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JL01-0229（2015）02-0022-03

2015-03-06

責(zé)任編輯：李明亮

校對：栗笑彥

龐立江（1941-），男，漢族，天津市人，汽車工程學(xué)院教師，正高級工程師，主要從事摩托車和電動車的研究及機(jī)電專業(yè)教學(xué)。