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阀控式密封铅蓄电池的常见失效模式

日期: 2020-05-07 11:12
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       阀控式密封铅蓄电池与普通铅酸蓄电池相比,其设计寿命长( 15~ 20年)、使用维护相对简单,但其实际的使用寿命远低于设计寿命,有的只能使用2 ~ 3年甚至更短。导致阀控式密封铅蓄电池的寿命如此之短的原因有以下几个方面: 一是产品质量,问题二是阀控式密封铅蓄电池的特殊结构所决定;三是使用维护方法不当。由于上述原因导致阀控式密封铅蓄电池的失效模式比普通铅蓄电池的失效模式要多,其常见的失效模式有硫化、失水正负板栅腐蚀、内部短路、热失控、早期容量损失和负极汇流排的腐蚀等。

       硫化

       铅蓄电池的正负极板上部分活性物质逐渐变成颗粒粗大的硫酸铅结晶,在充电时不能转变成二氧化铅和海绵状铅的可逆反应的现象,叫做极板的硫酸盐化,简称硫化。

       铅蓄电池在正常使用的情况下,极板上的活性物质在放电后大部分都变成松软细小的硫酸铅结晶,这些小晶体均匀地分布在多孔性的活性物质中,在充电时很容易与电解液接触起作用,并恢复成原来的活性物质:二氧化铅和海绵状铅。

       如果让铅蓄电池长期处于放电状态,极板上松软细小的硫酸铅晶体便逐渐变成坚硬粗大的硫酸铅晶体,这样的晶体由于体积大且导电性差,因而会堵塞极板活性物质的微孔,使电解液的渗透扩散作用受阻,并使电池的内阻增加。在充电时,这种粗而硬的硫酸铅不易转变成二氧化铅和海绵状铅,结果使极板上的活性物质减少,容量降低,严重时使极板失去可逆作用而损坏,使电池的使用寿命缩短。

       (1)硫化的现象

       ①放电时的现象

       a.容量下降:硫化电池的活性物质已变成颗粒粗大的晶体,不能恢复成充电态的二氧化铅和海绵状铅,因此容量比正常时的容量要低得多,放电时其容量比正常电池先放完。

       b.端电压低:电池的端电压与电解液的密度有关,而硫化电池的电解液密度偏低,甚至在充电过程中也得不到回升,因此端电压也相应偏低。

       c.电解液密度低:硫化是发生在电池长期处于放电状态或充电不足的情况下,因此会使电解液的密度越来越低。

       对于普通铅蓄电池来说,上述现象都能观察到,但阀控式密封铅蓄电池是密封结构,只能观察到前两个现象。

       ②充电时的现象

       a.端电压.上升快:因硫化电池的内阻较大,所以恒流充电时电池的端电压.上升速度比正常电池要快。而阀控式密封铅蓄电池采用的充电方法是限流恒压法,因此阀控式密封铅蓄电池充电的第一个阶段会很快结束。

       b.过早分解水:因充电时端电压上升很快,很快就会达到水的分解电压2.3V。如果是普通铅蓄电池,就会出现冒气现象。而阀控式密封铅蓄电池的密封结构,使其不能观察到分解水的现象,而且限流恒压法所恒定的电压是在2.3V左右,不会有大量的水发生分解,但因电池硫化后不易充进电,使第二阶段恒压充电的电流几乎全部用于水的分解。

       c.电解液密度上升慢:铅蓄电池的充电反应会释放出硫酸,但硫化电池不能发生正常的充电反应,因此电解液密度也就上升缓慢甚至不上升。

       ③内阻的变化硫化电 池内阻增加的主要原因是:粗大的PbSO4颗粒堵塞微孔弓|起较大的浓差极化,使电池的极化内阻增大。当电池的硫化比较严重,造成电池容量损失达50%以上时,就会弓|起电池内阻的快速增加。

       ④极板的颜色和状态硫化生 成的硫酸铅呈白色坚硬的颗粒状, 其体积较铅大,所以使电池负极板的表面较粗糙,严重时极板表面呈现凹凸不平的现象。因为硫化主要发生在负极板.上,所以在普通铅蓄电池中,可通过观察负极板的颜色来发现,即负极板呈灰白色,严重时表面有白色斑点。而阀控式密封铅蓄电池只有通过对电池进行解剖才能发现。

       (2)硫化的原因

       引起阀控式密封铅蓄电池极板硫化的原因很多,但都直接或间接地与电池长期处于放电或欠充电状态有关。归纳起来有以下几种。

       ①长期处于放电状态这是 直接导致电池硫化的原因。其他许多原因(如第⑧~⑪条)间接引起电池硫化,也就是通过使电池放电,并使电池得不到及时充电而长期处于放电状态而引|起的。

       ②长期充电不足未得 到充电的那部分活性物质,因长期处于放电状态而硫化。如果浮充电压过低或温度下降时,没有提高阀控式密封铅蓄电池的浮充电压,即会造成电池长期处于充电不足状态,从而使电池产生硫化故障。

       ③经常过量放电或小电流深放电这会使极板深处的活性物质转变成硫酸铅,它们必须经过过量充电才能得到恢复,否则因得不到及时恢复而发生硫化。

       ④放电后未及时充电铅蓄电池要求在放电后24 h内及时进行充电,否则会发生硫化而不能在规定时间内充足电。

       ⑤未及时进行均衡充电铅蓄电池组在使用过程中会出现不均衡现象,其原因是电池已出现了轻微的硫化,必须进行均衡充电以消除硫化,否则硫化会越来越严重。

       ⑥储存期间未定期进行充电维护铅蓄电池在储存期间会因自放电而失去容量,要求定期进行充电维护,否则会使电池长时间处于放电状态。

       ⑦电解液量减少对于 普通铅蓄电池来说是电解液液面降低,使极板.上部暴露在空气中;对于阀控式密封铅蓄电池来说,是失水导致隔膜中电解液的饱和度降低,使极板不能有效地与电解液接触,活性物质因不能参与反应而发生硫化。

       ⑧内部短路短路部分的活性物质因不能发生充电反应而长期处于放电状态。

       ⑨自放电严重自放电 会使恢复的铅或二氧化铅很快又变成放电态的硫酸铅,如果自放电严重,也就充不进电。

       ⑩电解液密度过高密 度过高,使电池自放电速度加快,且容易在极板内层形成颗粒粗大的晶体。另外,密度过高,还会造成放电时误以为电量充足而过量放电,而充电时误以为电池已到了充电终期而实际充电不足,最终引|起硫化。

       ⑪温度过高温度过高 ,会使电池自放电的速度加快,且容易在极板内层形成颗粒粗大的晶体。

       (3)硫化的处理

       ①过量充电法当铅蓄电池的硫化程度轻微时,可用过量充电法,即用专门的充放电仪单独对硫化电池进行较长时间的过量充电。

       ②反复充放电法当铅 蓄电池的硫化程度较严重,用过量充电法不能恢复时,可用反复充放电法。如果有阀控式密封铅蓄电池专用的修复落后电池的充放电仪,可直接用它进行反复的充放电处理。实际上,硫化比较严重的阀控式密封铅蓄电池往往都伴随有失水现象,所以,如果容量恢复的效果不好,则可设法打开电池,补加适量的纯水,再处理硫化故障。如果没有专门的充放电仪,则可打开电池补加适量纯水后, 用处理普通铅蓄电池硫化的方法进行处理。

       ③脉冲充电法用脉冲 充电法处理硫化是近年来兴起的容量恢复技术,这种方法必须用专门的脉冲充电仪器来进行。利用这种仪器进行修复的方法分为在线和离线两种。

       ●在线修复:把能产生脉冲源的保护器并联在电池的正负极柱,上,接上电源就会有脉冲输出到电池。这种修复方式的特点是所需要的能源比较少,可以常年并联在电池两端,但修复速度比较慢。这种方法不仅可对硫化电池进行修复处理,而且对于正常电池可以起到抑制硫化的作用。

       ●离线修复:修复仪可产生快速脉冲,脉冲电流相对比较大,产生脉冲的频率比较高,主要是用来修复已经硫化的电池。

       失水

       失水是指电池内的电解液由于氧复合效率低于100 %和水的蒸发等因素导致水的逸出而引起电池内水量的减少,并进而造成电池放电性能大幅下降的现象。研究表明,当电池内水损失达到3.5ml/ ( A.h )时,电池的放电容量将低于额定容量的75% ;当水损失达到25%时,电池就会失效。大部分阀控式密封铅蓄电池容量下降的原因都是由于电池失水造成的。一旦电池失水,就会引|起电池正负极板跟隔膜脱离接触或供酸量不足,造成电池因活性物质无法参与电化学反应而放不出电来。

       ( 1 )失水的现象 阀控式密封铅蓄电池发生失水后,因为其密封和贫电解液结构,所以不能像普通铅蓄电池(容器是透明的)那样,直接用肉眼观察到水的损失。

       ①内阻的变化当电池失水比较严重 ,造成电池容量损失达50%以上时,就会引|起电池内阻的快速增加。

       ②放电时的现象

       放电时的现象与硫化现象基本相同,即电池的容量和端电压都出现下降。这是因为失水后使部分极板不能与电解液有效地接触,也就失去了部分容量,放电电压也因此而下降。

       ③充电时的现象

       电池失水后因为失去了部分容量,使充电的第一阶段较快结束,即表现为电池充不进电。

       由此可见,电池发生失水后表现出来的现象与硫化现象基本相同。事实上这两种故障之间有联系,即硫化会加快水的损失,失水必然伴随有硫化的发生。在通常情况下,只要平时按照有关规程进行维护,出现硫化故障的可能性很小,但长时间的正常运行会使水分逐渐减少,因此, 一旦出现容量下降,并充不进电,则基本上可判断电池内部失水过多。

       (2)失冰的原因

       ①气体复合不完全在正常状态下 ,阀控式密封铅蓄电池的气体复合效率也不可能达到100%,通常只有97% ~ 98% ,即在正极产生的氧气大约有2% ~ 3%不能被负极吸收,并从电池内部逸出。氧气是充电时分解水形成的,氧气的逸出就相当于水的逸出。2% ~ 3%的氧气虽然不多,但长期积累就会弓|起电池严重失水。

       ②正极板栅腐蚀正极板栅腐 蚀要消耗水。

       ③自放电正极 自放电析出的氧气可以在负极被吸收,负极自放电析出的氢气却不能在正极被吸收,只能通过安全阀逸出而导致电池失水。当环境温度较高时,电池的自放电加速,因此而引起的失水会增多。

       ④安全阀开阀压力过低电池安全阀的开阀压力设计不合理,当开阀压力过低时,将使安全阀频繁开启,加速水的损失速度。

       ⑤经常均衡充电在均衡充电时 ,由于提高了充电电压,使析氧量增大,电池内部的压力也增大,一部分氧来不及复合就通过安全阀逸出电池。

       ⑥电池密封不严相当于 安全阀的开阀压力过低,引起失水的原因也与之相同。

       ⑦浮充电压控制不严通信用阀控式密封铅蓄电池的工作方式是全浮充运行,其浮充电压有一定的范围要求,而且必须进行温度补偿,其值的选择对电池寿命影响极大。浮充电压过高或浮充电压没有随温度的上升而相应调低,就会使电池失水速度加快。

       ⑧环境温度过高环境温度高的直接影响就是引起电池内水的蒸发,当水蒸气压力达到安全阀的开阀压力时,水就会通过安全阀逸出。所以阀控式密封铅蓄电池的环境温度要求很严,应控制在( 20+5 )℃。

       ( 3 )减少电池失水的措施

       ①正确选择和及时调整浮充电压浮充电压过高,则电池的电解水反应加剧,析气速度加快,其失水量必然增大;浮充电压过低,虽然可降低电池内的失水速度,但容易弓|起极板硫酸盐化。因此必须根据电源系统负荷电流大小、停电频次、电池温度和电池组新旧程度及时调整浮充电压。

       ②保持合适的环境温度尽可能使环境温度保持在( 20+5 ) °C范围内,以保持电池内部温度不超过30°C ,机房内的环境温度不得超过35°C。

       ③定期检测电池的内阻(或电导)虽然用电导仪测量电池的电导可以判断电池的质量状态,但是当电池组的容量在额定容量的50%以上时,测得的电导值几乎没有变化,只是在容量低于额定容量的50%时,电池的电导值才会迅速下降。因此,当蓄电池组中各单体电池的容量均大于80%的额定容量时,就不能用电导(或内阻)来估算电池容量和预测电池的使用寿命。然而对同一-电池而言 ,一旦发现内阻异常增大,则很可能是失水所致。

       ( 4 )失水的处理失水的处理流程为:打开电池盖-→补加纯水-→处理硫化故障- +将电池密封。

       ①适当补加纯水当阀控式密封铅蓄电池发生失水故障后,可设法补加纯水。具体方法如下。

       ●打开电池盖:因为阀控式密封铅蓄电池不是全密封的电池,都留有排气通道,所以电池盖与电池槽之间通常只是部分粘接在- -起 ,即留有缝隙用于排气。只要找到粘接位置,用适当的工具即可打开电池盖。

       ●补加适量的纯水:给电池补加纯水时要注意适量,因为阀控式密封铅蓄电池是贫液式电池,加水过多会堵塞气体通道,影响氧气的复合效率。不过氧复合效率低,会使过量的水被不断消耗,并最终使电池成为贫液状态。但是,如果加水量太多,造成电解液成流动状态,则会使侧立安置的电池发生漏液现象。

       ②处理硫化故障

       由于失水电池都伴随有硫化故障,所以补加适量纯水后,必须按照处理硫化故障的方法消除硫化。电池容量恢复后,用粘接剂将电池密封好。密封时要注意在电池盖和电池槽之间留出一定的排气缝隙。

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