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阀控铅酸蓄电池的失效分析及预防修复

一、 概述

 

  近年来,随着制造工艺和技术的不断成熟和完善,在工业生产及信息化方面广泛应用的普通铅酸蓄电池已经逐步被维护量小、低污染、放电特性好的阀控铅酸蓄电池所全面取代,尤其是以维护量少而著称,因此也往往被叫做“免维护蓄电池”。但是近年来经过现场使用及对电池的失效成因分析发现:如果对阀控蓄电池完全不维护,阀控蓄电池会在寿命中期就会出现容量严重下降及渗液等不正常状态,甚至电池完全失效。因此,日常按时对蓄电池进行容量核对等检测工作,发现小问题后采取预防性修复蓄电池的方法,是能够实现直流系统的可靠供电并取得较好的使用效益的。
二、阀控铅酸蓄电池的失效成因
  根据对阀控蓄电池近些年使用分析,结合蓄电池电化学反应原理,总结出阀控蓄电池失效成因主要有以下五项:
1、热失控
  热失控是指蓄电池在恒压充电时充电电流和电池温度发生一种累积性的增强作用并逐步损坏。
  普通铅酸蓄电池由于在正负极板间充满了液体无间隙,所以在充电过程中正极产生的氧气不能到达负极从而负极未去极化较易产生氢气随同氧气逸出电池,失去水分。而对于阀控式铅酸电池来说,充电时内部产生的氧气流向负极,氧气在负极板处使活性物质海绵状铅氧化,并有效地补充了电解而失去的水。由于氧循环抑制了氢气的析出,而且氧气参与反应又生成水。这样虽然消除了爆炸性的气体混合物的排出问题,但是这种密封式使热扩散减少了一种重要途径,而只能通过电池壳壁的热传导作为放热的唯一途径。不能通过失水的方式散发热量,阀控铅酸蓄电池过充电过程中产生的热量多于富液型铅酸蓄电池。合理选择浮充电压是蓄电池长期使用的充电电压是影响电池寿命至关重要的因素,长期用较高的浮充电压对蓄电池充电会出现严重的容量下降进而导致热失控热失控,造成是蓄电池的外壳鼓包气体泄露,电池无容量完全失效。
  为了进一步降低热失控的危险性,浮充电压通常具体视不同的生产者和不同室温而定。各个电池厂家都会给出电池的浮充电压和温度补偿系数。
 
 
2、极板硫酸化
  1)、电池负极栅板的主要活性物质是海棉状铅,电池充电时负极栅板发生如下化学反应:
  PbSO4 + 2e = Pb + SO4
  正极上发生氧化反应
  PbSO4 + 2H2O = PbO2 + 4H++ SO4+ 2e
  放电过程发生的化学反应是这一反应的逆反应当阀控式密封铅酸蓄电池的荷电不足时在电池的正负极栅板上就有PbSO4 产生,PbSO4 长期存在会失去活性无法实现化学反应,这一现象称为活性物质的硫酸化,硫酸化使电池的活性物质减少降低电池的有效容量也影响电池的气体吸收能力,久之就会使电池失效。
为防止硫酸化的形成电池必须经常保持在充足电的状态
  2)、正极板腐蚀
  由于电池失水造成电解液比重增高过强的电解液酸性加剧正极板腐蚀防止极板腐蚀必须注意防止电池失水现象发生。
 
 
3、 电池的干涸
  阀控蓄电池在使用期间气体再复合机制的有效率不是100%,水被电解生成氢气和氧气的速度虽然低于相同大小的富液式电池的电解速率的2%,但水还是会逐渐失去。随之电解液的比重将会升高,根据测算,当比重由1.30增至1.36时,失水度约达到25%。电解液比重增高导致电池正极板的腐蚀,使电池的活性物质减少,从而使电池的容量降低而失效。
三、蓄电池预防性修复
  根据以上分析,电池一旦失效,目前无法补救,不仅严重影响直流系统可靠供电,在寿命期内电池报废更是带来了经济上损失。为了减少这样的后果,通过对蓄电池使用经验总结分析,在蓄电池使用过程中,加强对蓄电池的检测,比对检测数值,及时发现落后电池,对落后电池采取预防性修复方法,是目前实用性效果较好的一种措施。
  反应蓄电池运行工况的参数:
  开路电压——可以通过静止测量实现
  放电性能——可以通过定期容量考核发现。
  以上参数下降会直接反应出影响电池的性能下降,对于这种下降,通过及早发现,除了采取调整充电机输出参数、改善电池工作环境温度等措施以外,我们可以采取对性能明显下降的电池采取预防性修复措施:
1、蓄电池内部反应原理
  阀控蓄电池电解液中的PbSO4始终处于饱和状态,PbSO4是难溶物质,在电解液中硫酸铅的溶解与沉淀处于平衡状态,一般电池放电开始的硫酸密度为l.30g/cm3,质量百分浓度为39.1%,随着放电深度的增加,质量百分浓度下降到8.7%以下,密度为l.06g/cm3以下,有时甚至更低,接近中性。
电池放电反应为
  (+) PbO2 + 3H+ + HSO4 + 2e<═══> PbSO4 + 2H2
  (-)Pb + HSO4<═══>PbSO4 + H + 2e
  电池总反应:Pb + 2H+ + 2HSO4+ PbO2<═══>PbSO4+ 2H2O +PbSO4

  从反应式中可以看出,硫酸不仅传导电流,而且参与电化学反应,放电时硫酸不断减少,生成PbSO4↓和水。
  蓄电池放电后,如果没有及时地充电或没有充满电,放电产生的硫酸铅就会结晶转化成不可逆的硫酸铅晶体,导致极板硫化,电池落后。
2、蓄电池的预防性修复
  
蓄电池充电反应为
 
  (+)2H2O → O2 + 4H+ + 4e
  (--) 2H+ + 2e H2
  蓄电池的充放电过程是将脉冲充电分成一个或几个阶段,严格按照蓄电池充电特性曲线进行自动充电,设计的充电模式是“恒流→(均充稳雁值)定压减流_(自动判别转为)恒流放电”三波段式使电解液降温等。这种方法比较理想,可以消除硫化。
  对蓄电池进行脉冲充电和恒流放电反复循环,将其内部的硫酸铅晶体激活,提高硫酸密度和质量百分浓度,随着活化修复的加深,使电池硫酸密度达到1.3g/cm3,质量百分浓度达到39.l%,电解液中硫酸铅的溶解与沉淀处于平衡状态:
  PbSO4 = Pb2+ + SO42
  在溶液中遵守溶度各规则,即
  (Pb2+ )*(SO42)=K K=2.20*10e-8

  蓄电池完全被修复,蓄电池使用寿命被延长一到两个周期。
3、电池活化修复
    并不是所有的落后电池都可以修复的,导致蓄电池落后的因素很多,大体分7种,即极板膨胀、极板腐蚀、极板钝化、有效物质脱落、电解液干涸、极板短路、极板硫化。前4种是不可修复的,后3种足可修复的。其中极板硫化导致蓄电池落后因素占的比例最大,高达90%。所以,对于容量为额定容量的40%~80%落后电池修复的成功率比较高,经试验表明,可修复率高达95%以上;而对于容量为额定容量的40%以下落后电池修复的成功率相对较低.
4 对蓄电池活化修复的充电设置
     蓄电池活化需要反复地允放电,对于一些落后电池进行充电时,有时充不进去,于是,通过提高充电电压的方法进行充电,认为充电电压越高越好,越高越能修复电池。这是一种错误的理解。这是由于水分解反应为2H2O=O2↑+4H++4e-    (3)
    如果把电压没置过太高,就会对蓄电池过充,其结果可能为以下2种情况。
    1)内部氧复合反应不能及时地将氧气复合掉,就会造成大量的氧气,氢气从排气阀放出(甚至可能造成蓄电池爆炸),使容量下降。
    2)正极的反应为PbSo4+2H2O=Pb02+3H++HS04-+2e。在蓄电池的阳极,铅合金和活性的二氧化铅直接接触,而且同时浸在硫酸溶液中,各自与硫酸溶液都建立不同的平衡的电极电位。在对蓄电池充电的状态下.正极由于析氧反应.水被消耗,H+增加,从而导致正极附近的酸度增大,加速腐蚀极板,甚至造成极板严重腐蚀,而使电池报废,本来可修复的电池变成了无法修复的电池。为此,建议均充时电压一般不超过2.35V
四、 结语
    
阀控铅酸蓄电池的充放电是一个复杂的电化学反应,引起蓄电池失效的原因很多,了解阀控铅酸蓄电池的工作原理和失效成因,科学合理地对阀控铅酸蓄电池进行预防性修复在安全生产和经济效益上有很重要的意义
 
合作媒体:中国电力通信网 作者:王勇 卢慧 郑州供电公司

 

 
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