下面,就以電池失效模式來探討設(shè)備條件、使用條件和維護條件對電池失效的影響及其應(yīng)對方法：

一、電池的失效模式及其原因

1、電池的正極板軟化

電池的正極板是由板柵和活性物質(zhì)組成的,其中活性物質(zhì)的有效成分就是氧化鉛。放電的時候氧化鉛轉(zhuǎn)為硫酸鉛,充電的時候硫酸鉛轉(zhuǎn)為氧化鉛.氧化鉛是由α氧化鉛和β氧化鉛組成的,在2種氧化鉛中以其中α氧化鉛荷電能力小但是體積大,比為β氧化鉛堅硬,主要起支撐作用;β氧化鉛恰好相反,荷電能力大但是體積小,比為β氧化鉛軟,主要起荷電作用。α氧化鉛是在堿性環(huán)境中生成的,在電池內(nèi)部一旦出現(xiàn)參與放電以后,在充電只能夠生產(chǎn)β氧化鉛。正極板的活性物質(zhì)是多孔結(jié)構(gòu)的,就與電解液——硫酸的接觸面積來說,多孔結(jié)構(gòu)是平面的數(shù)十倍。如果α氧化鉛參與放電以后,重新充電以后只能夠生成β氧化鉛,這樣就失去了支撐,不僅僅會產(chǎn)生正極板活性物質(zhì)脫落,而且脫落的活性物質(zhì)還會堵塞正極板的微孔,導(dǎo)致正極板參與反應(yīng)的真實面積下降,形成電池容量的下降。后備電源的電池使用年限要求比較嚴格,對電池的比容要求比較寬,因此后備電源使用的電池的后備電源的電池α氧化鉛和β氧化鉛比例比深循環(huán)的動力型電池大一些.為了減少α氧化鉛參與放電,一般控制放電深度僅僅為40%.隨著電池的使用時間的增加,電池的容量下降,新電池放電40%的電量,對于舊電池來說必然上超過40%的,所以舊電池就相當于放電深度深,電池的正極板軟化也會被加速.所以,電池的容量壽命曲線的后期下降速率遠遠高于中期.電池容量越小,放電深度越深,α氧化鉛損失也越多,正極板軟化也越嚴重,導(dǎo)致電池容量下降越快,形成了惡性循環(huán)。

這樣,電池的放電深度需要嚴格控制.實現(xiàn)這個控制的是靠基站的電源管理系統(tǒng)的國內(nèi)和設(shè)置。目前控制電池放電深度的主要標準還是一次放電量和放電電壓.這樣,盡可能避免在應(yīng)急的時候強制放電,而應(yīng)該按照放電量來增加電池的容量。

2、電池的正極板腐蝕

正極板的板柵中的鉛在充電過程中或被氧化為氧化鉛,并且不能夠再還原為鉛,形成正極板腐蝕。而氧化鉛的體積比鉛的體積大,形成體積線性增加變形,使正極板活性物質(zhì)與板柵脫離,導(dǎo)致正極板失效.而過充電會嚴重加速正極板腐蝕.我們一般以為不會產(chǎn)生過充電狀態(tài).實際上,基站的浮充電壓如果跟不上環(huán)境溫度的上升而進行下降的補償,過充電就產(chǎn)生了.如基站的空調(diào)不夠或者損壞,電池的過充電也會產(chǎn)生。這樣電池的正極板板柵在不同的使用條件下會有不同的腐蝕速度.這與電池的使用環(huán)境溫度關(guān)系密切。

3、消除硫化

消除電池硫化的方法有幾種方法,各有特點。

a.水療法

如果硫化不太嚴重,可以使用較稀的電解液,密度在1.100g/cm3以下,即向電池中加水稀釋電解液,以提高硫酸鉛的溶解度。并用20h率以下的電流,在液溫30℃~40℃的范圍內(nèi)較長時間充電,可能得以恢復(fù).如果電解液密度較高,則充電時只進行水分解,活性物質(zhì)難以恢復(fù).對于密封電池來說,水療法是無法進行的.另外,水療法的成本和使用工時都比較大.現(xiàn)在有了脈沖修復(fù)的方法,已經(jīng)很少見到水療法了。

b.化學(xué)處理方法

采用化學(xué)添加劑,在電池發(fā)生硫化的時候使用.這種方法對消除硫化是行之有效的,但是其副作用不可忽視.主要問題是會形成自放電明顯增加,所以一般的電池制造商都不敢使用。

c.大電流充電

若認為吸附是造成硫酸鹽化的原因,則可以用高電流密度充電(達100mA./cm2)。在這樣的電流密度下,負極可以達到很負的電勢值,這時遠離零電荷點,使φ-φ(0)<0,改變了電極表面帶電的符號,表面活性物質(zhì)會發(fā)生脫附,特別是對陰離子型的表面活性物質(zhì),這種有害的表面活性物質(zhì)從電極表面上脫附以后,就可以使充電順利進行.目前國內(nèi)幾乎沒有人使用這種方法處理不可逆硫酸鹽化,可能出于以下考慮:高電流密度下極化和歐姆壓降增加,這部分能量轉(zhuǎn)化為熱,使蓄電池內(nèi)部溫度升高,同時又有大量的氣體析出,尤其是正極大量氣析出氣體,其沖刷作用易使活性物質(zhì)脫落。d.脈沖修復(fù)

按照原子物理學(xué)和固體物理學(xué)的原理,硫離子具有5個不同的能級狀態(tài),通常處于亞穩(wěn)定能級狀態(tài)的離子趨向與遷落到最穩(wěn)定的共價鍵能級而存在。在最低能級(即共價鍵能級狀態(tài)),硫離子包含8個原子的環(huán)形分子形式存在,這8個原子的環(huán)形分子模式是一種穩(wěn)定的組合,難以被打碎,形成電池的不可逆硫酸鹽化——硫化。多次發(fā)生這樣的情況,就形成了一層類似與絕緣層一樣的硫酸鉛結(jié)晶。

要打碎這些硫酸鹽層的束縛,就要提升原子的能級到一定的程度,這時候在外層原子加帶的電子被激活到下一個更高的能帶,使原子之間解除束縛。每一個特定的能級都有唯一的諧振頻率,必須提供給一些能量,才能夠使得被激活的分子遷移到更高的能級狀態(tài),太低得能量無法達到躍遷所需要的能量要求,但是,過高的能量會使已經(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。這樣,必須通過多次諧振,使得其中一次脫離了束縛,達到最活躍的能級狀態(tài)而又沒有回落的原來的能級,這樣,就轉(zhuǎn)化為溶解于電解液的自由離子,而參與電化學(xué)反應(yīng)。

很高的電壓可以實現(xiàn),就是大電流高電壓充電的方法,諧振也可以實現(xiàn),就是脈沖諧波諧振的方法。

從固體物理上來講,任何絕緣層在足夠高的電壓下都可以擊穿。一旦絕緣層被擊穿,粗大的硫酸鉛就會呈現(xiàn)導(dǎo)電狀態(tài)。如果對高電阻率的絕緣施加瞬間的高電壓,也可以擊穿大的硫酸鉛結(jié)晶.如果這個高電壓足夠短,并且進行限流,在打穿絕緣層的條件下,充電電流不大,也不至于形成大量析氣.電池析氣量強正相關(guān)于充電電流和充電時間,如果脈沖寬度足夠短,占空比足夠大,就可以在保證擊穿粗大硫酸鉛結(jié)晶的條件下,同時發(fā)生的微充電來不及形成析氣.這樣,實現(xiàn)了脈沖消除硫化。

實現(xiàn)脈沖消除硫化和抑制電池硫化的方法,一般可以采用脈沖保護器和修復(fù)儀來處理.一般使用2類修復(fù)方法.其一為在線修復(fù),把可以產(chǎn)生脈沖源的保護器并聯(lián)在電池的正負極柱上,使用電池或者充電器的電源或者使用外來的市電,就會有脈沖輸出到電池上面.這種修復(fù)方式所需要的能源很少,比較慢,但是由于常年并聯(lián)在電池極柱2端,慢也沒有關(guān)系.對于沒有硫化的電池,可以抑制電池的硫化。

其二為離線式的,可以產(chǎn)生快速的脈沖,脈沖電流相對比較大,產(chǎn)生脈沖的頻率比較高,脈沖占空比比較大.一些產(chǎn)品還具有自動控制.這種修復(fù)儀主要是用來修復(fù)已經(jīng)硫化的電池。