王少龍

摘 要：近年來隨著業(yè)務(wù)現(xiàn)代化建設(shè)步伐的不斷加快，野外自動(dòng)工作站點(diǎn)大量布局建設(shè)，站點(diǎn)自動(dòng)化設(shè)備集成度不斷提高，為保持各項(xiàng)觀測要素?cái)?shù)據(jù)時(shí)間空間連續(xù)性探測，對(duì)儀器設(shè)備的平穩(wěn)無故障運(yùn)行提出了更高的要求。文章就儀器設(shè)備供電電源-鉛酸電池硫化現(xiàn)象進(jìn)行分析研究及其可處理方法。故障現(xiàn)象：工作站點(diǎn)經(jīng)常性白天觀測數(shù)據(jù)正常，一到夜間就無數(shù)據(jù)，電池極柱的腐蝕現(xiàn)象，尤其是陰極柱的腐蝕現(xiàn)象普遍發(fā)生。針對(duì)鉛酸電池硫化現(xiàn)象，通過理論研究和實(shí)用操作相結(jié)合，對(duì)鉛酸電池硫化問題進(jìn)行詳細(xì)分析闡述，從而得出合理性的處理方法。

關(guān)鍵詞：鉛酸電池；硫化；脈沖充電

1 故障現(xiàn)象初步分析

經(jīng)初步判斷：在排除供電模塊故障后，分析為電池容量不足原因?qū)е隆?/p>

鉛酸電池相較其他種類電池而言，由于其電池內(nèi)阻小、電壓穩(wěn)定，而且結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格較低，所以得到廣泛采用。

電池容量不足原因分析：需從電池內(nèi)部構(gòu)造及其發(fā)電機(jī)理方面入手分析。

1.1 電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)：蓄電池極板分為正極板和負(fù)極板兩種。蓄電池的充電過程是極板上的活性物質(zhì)與電解液稀硫酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的，將其化學(xué)能轉(zhuǎn)為電能。正極板上的活性物質(zhì)為深棕色的二氧化鉛（PbO2），負(fù)極板上的活性物質(zhì)是海綿狀、青灰色的純鉛（Pb）。

正負(fù)極板的活性物質(zhì)分別填充在鉛銻合金或鉛鈣合金鑄成的柵架上，將多片正負(fù)極板并聯(lián)，組成正負(fù)極板組，安裝時(shí)將正、負(fù)極板相互嵌合，中間插入隔板后裝入蓄電池單格內(nèi)便形成單格電池。

當(dāng)極板浸入電解液時(shí)，在負(fù)極板，有少量鉛融入電解液生成Pb2+，從而在負(fù)極板上留下兩個(gè)電子，使負(fù)極板帶電，此時(shí)負(fù)極板有0.1V的負(fù)電位。在正極板處，少量PbO2融入電解液，與水反應(yīng)生成Pb（OH）4再分離成四價(jià)鉛離子和氫氧根離子，一部分Pb4+沉附在正極板上，極板呈現(xiàn)出正電位約2.0V。因此，當(dāng)外路未接通時(shí)，蓄電池單格電池的靜止電動(dòng)勢為2.1V。將單格電池串聯(lián)即可得所需各類型鉛酸電池，一般串聯(lián)為6V、12V廣泛使用。

其充放電反應(yīng)方程：Pb+PbO2+2H2SO4 2H2O+2PbSO4

放電時(shí)，Pb為負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，電極方程式為Pb+SO42--2e-=PbSO4；PbO2為正極，發(fā)生還原反應(yīng)，電極方程式為PbO2+4H++SO42-+2e-=2H2O+PbSO4。電解液中存在的硫酸根離子SO42和H+離子在電場力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)H2SO4濃度不斷下降，正負(fù)極板上的PbSO4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)式降低。在蓄電池剛放電結(jié)束時(shí)，正負(fù)極活性物質(zhì)轉(zhuǎn)化成的硫酸鉛（PbSO4）是一種結(jié)構(gòu)疏松、晶體細(xì)密的結(jié)晶物，活性程度非常高。

充電時(shí)，陰極發(fā)生的反應(yīng)是PbSO4+2e-=Pb+SO42-，陽極反應(yīng)為 PbSO4-2e-+2H2O=PbO2+SO42-+4H+，在外界充電電流的作用下正負(fù)極疏松細(xì)密的硫酸鉛會(huì)重新變成二氧化鉛和金屬鉛。

1.2 電池硫化現(xiàn)象分析

在極板上生成白色堅(jiān)硬的硫酸鹽結(jié)晶，充電時(shí)有非常難以轉(zhuǎn)化為活性物質(zhì)的硫酸鉛，這就是硫酸鉛鹽化，簡稱“硫化”。放電結(jié)束時(shí)形成的結(jié)構(gòu)疏松、晶體細(xì)密的硫酸鉛，在過放電或者長期放置時(shí)，硫酸鉛微粒在電解液中呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，這些硫酸鉛在溫度低時(shí)重新結(jié)晶，出于多晶體系傾向與減少表面自由能的原因，硫酸鉛的重結(jié)晶使晶體變大。這種硫酸鉛的導(dǎo)電性不良、電阻大、溶解度和溶解速度又很小，充電時(shí)恢復(fù)困難。因而成為容量降低和壽命縮短的原因。輕微的電池硫化，會(huì)降低電池的容量，電池內(nèi)阻增加，嚴(yán)重時(shí)則電極失效。充不進(jìn)電。因此硫化現(xiàn)象最明顯的外特征是電池容量下降，內(nèi)阻增加。

1.3 極柱腐蝕現(xiàn)象分析

鉛酸電池在充電過程中，浮充電壓如果偏高，則容易發(fā)生水解反應(yīng)：

水解反應(yīng)方程 2H2O 2H2↑+O2↑

正極H2O 1/2O2↑+2H++2e 陰極2H++2e H2↑

產(chǎn)生的氣體易使電池內(nèi)部壓力增大，同時(shí)充電過程中電池溫度升高。壓力增大容易導(dǎo)致電池氣密性變差，溫度升高易導(dǎo)致酸性氣體逸出。通常酸能夠吸收空氣中的水分，酸濃度越高對(duì)水分的吸收性越強(qiáng)，雖然充電時(shí)熱空氣對(duì)酸液有干燥作用，但是一遇到潮濕空氣，便易在極柱表面形成酸液，因此會(huì)出現(xiàn)極柱的腐蝕現(xiàn)象。

1.4 硫化現(xiàn)象及極柱腐蝕解決辦法

依照原子物理學(xué)和固體物理學(xué)的原理，硫離子具有5個(gè)不同的能級(jí)狀態(tài)，通常處于亞穩(wěn)定能及狀態(tài)的離子趨向于遷落到最穩(wěn)定的共價(jià)鍵能級(jí)而存在。在最低能級(jí)（即共價(jià)鍵能級(jí)狀態(tài)），硫以包含8個(gè)原子的環(huán)形分子形式存在，這8個(gè)原子的環(huán)形分子模式是一種穩(wěn)定的組合，難以被打碎，形成電池的不可抑硫酸鹽化-硫化。多次發(fā)生這樣的情況，就形成了一層類似絕緣層一樣的硫酸鹽結(jié)晶。要打碎這些硫酸鹽層的束縛，就要提升原子的能級(jí)到一定的程度，這時(shí)候在外層原子加帶的電子被激活到下一個(gè)更高的能帶，使原子之間解除束縛，每一個(gè)特定的能級(jí)都有唯一的諧振頻率，必須提供一些能量，才能夠使得被激活的分子遷移到更高能級(jí)狀態(tài)，太低的能量無法達(dá)到躍遷所需要的能量要求，但是太高的能量會(huì)使已經(jīng)脫離了束縛而躍遷的原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，又回落到原來的能級(jí)。這樣，必須通過多次諧振，使得其中一次脫離了束縛，達(dá)到最活躍的能級(jí)狀態(tài)而又沒有回落到原來的能級(jí)。諧振可以實(shí)現(xiàn)，這就是脈沖諧波諧振的方法來消除硫化。

脈沖充電方式首先是用脈沖電流對(duì)電池充電，然后讓電池停充一段時(shí)間，再用脈沖電流充電，再停充一段時(shí)間，如此循環(huán)。間歇期內(nèi)使蓄電池經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時(shí)間重新化合而被吸收掉，使?jié)獠顦O化和歐姆極化自然而然的得到消除，從而減輕了蓄電池的內(nèi)壓，避免電池溫度過高，減少析出氣體，弱化極柱腐蝕現(xiàn)象。同時(shí)間歇式脈沖使蓄電池有充分的反應(yīng)時(shí)間，提高了蓄電池的充電電流接受率，保持電池容量在較高水平，降低電池硫化發(fā)生率。

2 具體應(yīng)用方法

2.1 針對(duì)野外自動(dòng)工作站點(diǎn)

首先，合理調(diào)整太陽能板向陽方位，最大限度的接收太陽光，保證電池的自然充電時(shí)間，避免因人為安裝原因?qū)е码姵責(zé)o法有效充電，造成電池過放電，出現(xiàn)硫化現(xiàn)象，降低電池壽命，損壞電池。其次，在太陽能板和鉛酸蓄電池之間加載脈沖充電模塊，降低電池硫化現(xiàn)現(xiàn)象的發(fā)生，減少析氣率，有效防止極柱腐蝕，保持電池容量，延長電池使用壽命。然后，用凡士林將極柱表面進(jìn)行防護(hù)，進(jìn)一步延緩極柱腐蝕的發(fā)生。最后，采集箱體和電源箱體內(nèi)放置干燥劑，保持箱內(nèi)空氣濕度在合理水平，避免儀器設(shè)備因受潮而腐蝕損壞，延長儀器使用壽命和平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)間。

2.2 關(guān)于已更換故障電池的批次處理

可將未達(dá)到正常使用壽命的故障鉛酸蓄電池，并聯(lián)起來，通過大電流脈沖發(fā)生器，進(jìn)行脈沖充電-放電-充電-放電，循環(huán)進(jìn)行，不斷消除電池內(nèi)部的輕硫化現(xiàn)象，激活活性物質(zhì)，恢復(fù)電池容量，從而優(yōu)化儀器設(shè)備使用效率，節(jié)約公共資源。

3 結(jié)束語

通過對(duì)鉛酸電池的分析研究，從電池的結(jié)構(gòu)組成及其發(fā)電機(jī)理著手，對(duì)電池故障具有較深的理論認(rèn)識(shí)，提出合理化的處理方法，針對(duì)目前大量運(yùn)行的野外自動(dòng)工作站點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用適用性。

參考文獻(xiàn)

[1]賈英江，王立冬，王維斌.鉛酸蓄電池充電方法初探[J].電源技術(shù)，2001（01）.

[2]李俄收，吳文民.鉛酸蓄電池的充電方法與充電工藝[J].電源技術(shù)，2004（05）.

[3]余峰，張志華，何俊.鉛酸蓄電池脈沖充電技術(shù)研究[J].船電技術(shù)，2010（06）.