張旭東，李亞輝，鄔會(huì)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(dá)國家及發(fā)達(dá)地區(qū)的后備電源配置已基本完成，正在向不發(fā)達(dá)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(jì)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?yàn)樵谪Q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(huì)產(chǎn)生懸空，不會(huì)對極柱孔形成破壞力。但是，高型電池立放時(shí)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(huì)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(jī)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(xiǎn)，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(jī)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(shí)就會(huì)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(fù)極板容量損失，正極板、負(fù)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(fù)極硫酸被消耗。這樣，正，負(fù)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(huì)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(dòng)到極板之間。充電期間，正負(fù)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(gè)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(gè)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(yàn)

實(shí)驗(yàn)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(shí)率容量和 30 min 恒功率容量進(jìn)行測試。10 小時(shí)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(shí)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(shí)間。從表 2 可以看出來，三種放置方式下電池的 10 小時(shí)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(jìn)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(gè)步驟進(jìn)行循環(huán)檢測，至容量衰減至額定容量的 80 % 時(shí)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(jìn)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(shí)，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(dāng)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(shí)，由于極板是水平放置，對最底層極板來講相當(dāng)于把整個(gè)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(shí)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(jìn)一步驗(yàn)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(dāng)循環(huán)進(jìn)行到第 15 次時(shí)，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(dāng)循環(huán)至 第 49 次時(shí)，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(shí)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(shí)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(jìn)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。