浅析胶体铅酸动力电池结构及胶体电解质优缺点
发布时间:2018-11-30 15:33:00
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浅析胶体铅酸动力电池的结构及胶体电解质优缺点


1.胶体铅酸动力电池特性


铅酸动力电池从问世到如今,一直是军用、民用领域中使用最广泛的化学电源。由于它使用硫酸电解液,运输过程中会有酸液流出,充电时会有酸雾析出来,对环境和设备造成损害,人们就试图将电解液“固定”起来,将铅酸动力电池“密封”起来,于是使用胶体电解液的铅酸动力电池应运而生。胶体铅酸动力电池简单的说就是使用胶体电解液的铅酸动力电池,胶体铅酸动力电池属于铅酸动力电池的一种,其最简单的做法是在硫酸中添加胶凝剂,使硫酸电解液变为胶态。


胶体铅酸动力电池与普通铅酸动力电池的区别不仅在于电解液改为胶凝状,而进一步发展至电解质基础结构的电化学特性研究,以及在板栅和活性物质中的应用推广。例如采用非凝固态的水性胶体铅酸动力电池,从电化学分类和特性看同属胶体铅酸动力电池。又如在板栅中使用高分子材料,俗称陶瓷板栅,是胶体铅酸动力电池的特点。近期已有实验室在极板配方中添加一种靶向偶联剂,大大提高了极板活性物质的反应利用率。


胶体的质量和灌装工艺对胶体铅酸动力电池的质量有重要的影响,而胶体铅酸动力电池的设计、制造工艺和应用条件(尤其是充放电工艺)都制约着胶体铅酸动力电池的性能。胶体的特性必须和蓄电池的结构及使用条件相互适用。阀控密封铅酸动力电池的结构和使用条件有利于胶体的稳定,胶体的特性使阀控密封铅酸动力电池的性能更加完美。现代优良的胶体铅酸动力电池都是基于阀控密封铅酸动力电池工艺生产的,而用普通铅酸动力电池半成品不经改动制成的胶体铅酸动力电池也是近来颇有争议的问题。


胶体灌装、凝胶稳定性和确保胶体铅酸动力电池容量是胶体铅酸动力电池的三项关键技术,德国阳光公司生产的胶体铅酸动力电池的胶体粘度很低,用常压自然法灌装胶体铅酸动力电池。即使大型胶体铅酸动力电池也像灌注稀硫酸一样灌注满。胶体在铅酸动力电池中充分凝胶,在极群内外上下都呈均匀的糊状凝胶,在胶体铅酸动力电池的整个寿命期间,完全没有液化现象,这是我国生产的胶体铅酸动力电池很难做到的。


阳光公司的技术是世界最先进的,其Dryfit系列胶体铅酸动力电池安全可靠,寿命长,是世界上最优良的胶体铅酸动力电池。但是,阳光公司生产的胶体铅酸动力电池的比能量和大电流放电不及采用超细玻璃纤维隔膜阀控密封铅酸动力电池电池。另外,阳光公司的极板化成工艺复杂,生产周期长,有些型号的胶体铅酸动力电池需经10次充放电循环才出厂,降低了生产效率,增大了产品成本,不利于大规模的产品开发和市场竞争。


2.胶体铅酸动力电池的结构


阀控密封铅酸动力电池通过两种方式来固定电解液,一种是采用超细玻璃纤维隔膜来固定电解液,另外一种为胶体结构,即通过胶体来固定电解液。美国的C&D技术公司则将两种方式结合起来固定电解液,称为复合技术。在胶体铅酸动力电池的定义中,只提到电解液为凝胶状(比较直观的认识为果冻状),没有对隔板的使用做出规定,所以只要使用凝胶来固定电解液的蓄电池就可称为胶体铅酸动力电池。


不管使用液态二氧化硅和气相二氧化硅,其成胶的原理是相同的,它们之间存在粒径和纯度的差异,所以加入蓄电池后,对蓄电池的性能有比较大的影响。凝胶的强度与二氧化硅的含量和酸的含量成正比,强度越大,其水化和破裂的可能性越小。


铅酸动力电池的内阻与胶体中的二氧化硅的含量成正比,所以胶体铅酸动力电池的高倍率(3C以上)放电特性比相同结构的AGM-VRLA蓄电池差,但额定容量比相同结构的AGM-VRLA蓄电池大5~10%。使用PVC-SiO2或者酚醛树酯等专用隔板的胶体铅酸动力电池,由于二氧化硅含量的关系,使其额定容量比AGM-VRLA蓄电池小一些。如使用PVC或PE做隔板,二氧化硅的含量要相当高才能形成稳定的胶体。用复合技术生产的胶体铅酸动力电池,其浮充寿命为相同结构的AGM-VRLA蓄电池的1.5~2倍,循环能力可以提高20%。


国际上生产铅酸动力电池的大公司几乎都生产胶体铅酸动力电池,如:德国的阳光、哈根,美国的DEKA,Trojan,Exide,SEC等,但日本的YUASA不生产胶体铅酸动力电池,但其UXL系列蓄电池中有胶体成分,其主要作用是为了减轻电解液的分层现象。在应用方面主要在太阳能、风力发电、动力蓄电池等方面,其市场比较大,价格比AGM-VRLA蓄电池高20%左右。


在国内的大企业中,有双登、深圳雄韬等公司生产胶体铅酸动力电池,双登的GFM系列采用管式极板,一般采用PVC-SiO2隔板和酚醛树脂隔板。广东番禺恒达蓄电池总厂的课题组经过三年的研究,开发了二种胶体铅酸动力电池,一种采用AGM隔板,其技术与C&D技术公司的技术一样,另一种采用PVC-SiO2隔板,同DEKA的产品一样。


胶体铅酸动力电池是对液态电解质的铅酸动力电池的改进,用胶体电解液代换液态电解液,在安全性、蓄电量、放电性能和使用寿命等方面较铅酸动力电池有所改善。胶体铅酸动力电池采用凝胶状电解质,内部无游离液体存在,在同等体积下电解质容量大,热容量大,热消散能力强,能避免AGM-VRLA蓄电池易产生热失控现象。胶体铅酸动力电池电解质的浓度低,对极板的腐蚀作用弱;浓度均匀,不存在电解液分层现象。


胶体铅酸动力电池具有使用性能稳定,可靠性高,使用寿命长,对环境温度的适应能力(高、低温)强,承受长时间放电能力、循环放电能力、深度放电及大电流放电能力强,有过充电及过放电自我保护等优点。


胶体铅酸动力电池在使用初期无法进行氧循环是因为胶体把正、负极板都包围起来了,正极板上面产生的氧气无法扩散到负极板,无法实现与负极板上的活性物质铅还原,氧气只能由排气阀排出,与富液式铅酸动力电池一致。


在胶体铅酸动力电池使用一段时间后,胶体开始干裂和收缩,产生裂缝,氧气通过裂缝直接到负极板进行氧循环。排气阀就不再经常开启,胶体铅酸动力电池进入密封工作,失水很少。胶体电解液中加有胶体稳定剂和增容剂,有些胶体配方中还加有延缓胶体凝固的延缓剂,以便于胶体的加注。胶体铅酸动力电池电解液的固定方式采用气体二氧化硅及多种添加剂,注入时为液态,可充满蓄电池内的所有空间。


3.胶体电解质的优缺点


胶体电解质和普通液态电解质相比具有如下优点:

1)硫酸被胶体均匀地固化分布,无浓度层化问题,胶体铅酸动力电池可竖直或水平任意放置。超纯材料和胶体保证了胶体铅酸动力电池在正常环境下浮充使用寿命达10年以上。可以明显延长蓄电池的使用寿命。根据有关文献,可以延长蓄电池寿命2~3倍。

2)免维护性能好。由于采用胶体电解质,胶体铅酸动力电池的自放电性能得到明显改善,在同样的硫酸纯度和水质情况下,胶体铅酸动力电池的存放时间可以延长2倍以上。可储存两年无需充电即可使用,2V系列静置两个月容量仍保存99.9%以上。

3)胶体铅酸动力电池在严重缺电的情况下,抗硫化性能明显。

4)充放电无记忆效应(N次数),在严重放电情况下的恢复能力强,反弹容量大,恢复时间短,在放完电数分钟后仍能应急使用。

5)胶体铅酸动力电池充电接受能力强,纳米胶体和特殊合金保证了蓄电池良好的充电接受能力,抗过充能力强,具有比较好的深循环能力,有着很好的过充和过放能力。经多次反复深放电至0V仍能正常恢复,下限保护可降低至1.75V/单格,这对深循环蓄电池十分重要。

6)胶体铅酸动力电池的后期放电性能得到明显改善。

7)胶体铅酸动力电池不会出现漏液、渗酸等现象,逸气量小,对环境危害很小。

8)低温特性好。普通铅酸动力电池在低于0℃的环境下使用容量骤降,而胶体铅酸动力电池适用于多种恶劣环境。在-40℃~+70℃环境都可正常使用。在-20℃环境下,仍可以释放额定容量的80%以上。


虽然胶体电解质具有以上诸多优点,但是也有一定的缺陷,具体表现在以下方面:

1)胶体电解质相对于普通电解液来说加注比较困难,这一点需要通过改变胶体配方、加注缓凝剂来改变。

2)如果在胶体的配制过程中,生产工艺不合理或控制不好,胶体铅酸动力电池的初容量会比较小。

3)胶体铅酸动力电池早期排气带出的胶粒是含酸的,胶粒容易贴附在蓄电池的外壳上,所以,反映出蓄电池假漏酸现象。

4)氧循环虽然抑制了失水,但氧循环产生热量,使蓄电池内部温升较高。


经验表明,胶体铅酸动力电池要在极板生产、胶体电解质配方、灌装方法、充电工艺等方面制定一套完善的工艺流程,以保证胶体铅酸动力电池性能的更好发挥。


4.结 语


胶体铅酸动力电池为密封结构、电解液凝胶、无渗漏、充放电时无酸雾、无污染,是国家大力推广应用的环保产品。胶体铅酸动力电池最重要的特点为:放电曲线平直,拐点高,比能量特别是比功率要比普通铅酸动力电池高20%以上,寿命一般也比普通铅酸动力电池长一倍左右,充电接收能力强;自放电小,耐存放;过放电恢复性能好,大电流放电容量比普通铅酸动力电池增加30%以上;低温性能好,高温特性稳定,满足65℃甚至更高的温度环境的使用要求;循环使用寿命长,可达到800~1500充放电次,单位容量工业成本低于普通铅酸动力电池,经济效益高。


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