提高潛艇鉛酸蓄電池壽命技術途徑的研究

朱運裕

(海軍駐武漢712所軍事代表室, 武漢 430064)

1 引言

鉛酸蓄電池自1859年由PLante用腐蝕的鉛箔形成活性物質，首次實現了實用的鉛酸蓄電池之后，已有150年歷史。在此期間盡管新體系電池不斷出現，如鐵-鎳蓄電池、鎘-鎳蓄電池、鋅-銀蓄電池、鋰電池等；但時至今日，在動力電池領域鉛酸蓄電池仍然占據主導地位，這主要由于它具有如下優點[1]：

(1)電壓高

除鋰電池外鉛酸蓄電池的電壓最高為 2.0 V；堿性蓄電池為1.2 V；鋅-銀蓄電池為1.65 V：

(2)高倍率放電性能好

鉛酸蓄電池能以3～10倍率電流放電，滿足于用電設備不同工況的起動要求：

(3)成本低

鉛酸蓄電池的制造成本低價格僅為鎘-鎳蓄電池的1/3～1/5左右。

(4)安全性高

鉛酸蓄電池由于能量密度相對較低，不存在像鋰電池由于種種原因可能發生的燃燒、起火、爆炸，僅有電池析氫一項存在安全性影響，經過近百年來努力，人們已經找到了可靠的解決辦法。

然而鉛酸蓄電池又有某些難以克服的缺點:如壽命短，鉛酸蓄電池的壽命僅僅是鋰電池的一半：比能低。由于鉛密度大的固有缺陷，其比能量低，一般為20～40 Wh/kg，而鋰電池可達80～100 Wh/ kg。

2 國內外常規潛艇動力電池的現狀

目前國內鉛酸蓄電池由GJB 1722A-2003 潛艇用鉛酸蓄電池規范可知有六個型號分別是QT-60S、QT-60Sd、QT-72sa、QT-98s、QT-105s、QT-53s，國內潛艇用鉛酸蓄電池存在以下不足：

2.1 電池型號[2]多

鉛酸蓄電池有 QT-60S、QT-60Sd、QTG-72Sa、QT-53S、QT-105S、QT-98S六個型號，分屬三個外形尺寸、五個密度指標、四個重量要求，鉛酸蓄電池的型號幾乎覆蓋半個世紀，既有早期產品，又有當今世界上較為先進的電池產品，電池型號多既有好處，但給電池的保障工作帶來許多難題。

2.2 電池的比能差異大

早期的電池重量比能僅為24.63 Wh/kg，后期的電池重量比能已達到 40 Wh/kg從比能上可以出差異在一倍左右。

2.3 電池的容量差異大

早期的電池容量為6000 Ah/h，現在的動力電池小時容量為10500 Ah/h，容量幾乎增加50%。而且電解液密度又不相同，電解液密度的范圍從1.270～1.320都有產品。

2.4 電池的壽命差異大

電池的壽命短的僅有2年，長的為5年，而且僅有QTG-72Sa一型電池壽命為5年，在壽命指標方面和國外產品存在一定的差距。

對國外鉛酸蓄電池的相關情況介紹并不太多，由于美國潛艇以核動力為主，所以鉛酸蓄電池的容量和壽命對其沒有影響，而俄羅斯等歐洲國家既有核動力又有常規動力潛艇，努力方向不盡相同。從俄羅斯的出口的基諾級的潛艇電池情況分析，俄羅斯電池還是比較重視提高鉛酸蓄電池技術水平的研究工作，在提高鉛酸蓄電池的容量和壽命方面做了大量的研究工作，早期出口的產品電池壽命一般為二年左右，而后期出口的產品電池壽命均提高到四年左右。其它歐洲國家并沒有將集中力放在提高鉛酸蓄電池的容量和壽命方面，而是將力量投身于新體系電池和AIP系統的研制方面，如德國的214潛艇裝備了燃料電池，瑞典的則采用了斯特林機提高常規動力潛艇的續航力，以彌補鉛酸蓄電池的容量和壽命的不足。

3 提高潛艇鉛酸蓄電池壽命的技術途徑

提高潛艇鉛酸蓄電池壽命的技術途徑較多，目前的研究成果有以下四個方面：

3.1 采用低銻合金的板柵，能提高電池壽命

從設計來看，導致電池壽命不長的原因有三個：

⑴ 板柵腐蝕斷裂；

⑵ 正極活性物質脫落；

⑶ 后期析氫量較大。

用鉛銻合金制造板柵是鉛酸電池發展史上的一個重大技術突破，連續使用了一個世紀，它有很多優點，如板柵制造過程中不易變形，制造出的板柵較少出現氣孔縮孔，但存在的缺點是明顯的。

我國的QT-60S、QT-60Sd、QTG-72Sa電池的板柵均為鉛銻合金，用鉛銻合金制成的正板柵，在工作期間，尤其在充電時銻將會從正極板柵中溶解到溶液中，同時沉積到負極活性物質上，隨著充放電次數的增加，負極活性物質上所積累的銻含量增加， 而 H+離子與銻放電具有較低的過電位，因此銻存在會使蓄電池在充電后期，特別是過充電時析氫量增加，耗水量增加，自放電加速，電池壽命變短。

解決上述缺陷的方法是采用低銻合金制造板柵，用多元合金代替原來的鉛銻合金，多元合金為鉛、銻、錫、銀、硒、砷等，經過試驗證明，板柵的耐腐蝕性能大大提高，壽命終止時，板柵仍完好。而且析氫量已經大大降低，其電池壽命終止時析氫量僅為25.0 ml/ min。

綜上所述，采用多元合金取代原先沿用的鉛銻合金，能提高電池壽命。

3.2 采取防短路措施

最新研究成果表明，鉛絨短路是影響電池壽命的原因之一，特別對于板狀電池，在電池使用一段時間后，板身處會慢慢累積鉛絨，采用護套和護袋是延長壽命有效手段，實驗證明采用上述兩項措施后，由鉛絨短路所引起的容量下降和壽命縮短的情況得到解決。應用述措施時要注意護袋的孔率必須滿足充放電過程中離子的遷移要求。

3.3 嚴格烘干工藝，能提高電池壽命

導致電池壽命不高的原因之一是正極活性物質軟化脫落，而電池生產過程中對活性物質與板柵結合的程度影響最關鍵的工序就是烘干過程。QT-105S鉛酸蓄電池研制過程中首批試生產電池的臺架壽命僅為98周期，遠低于指標要求的原因之一就是未能按烘干工藝對生極板進行烘干，使正極鉛膏和板柵結合力不強，從而導致正極板的活性物質出現軟化脫落。因此制定適宜烘干要求，并嚴格執行烘干工藝，能確保鉛膏和板柵結合力，提高電池壽命的指標。

3.4 使用防鈍化劑能延長電池壽命

使用正常的鉛酸蓄電池在放電時形成硫酸鉛結晶，在充電時能夠比較容易還原為鉛。如果電池的使用和維護不善，如經常充電不足或放電時，負極上就會逐漸形成一種粗大的硫酸鉛，它引起了蓄電池容量下降，充電時析氫增加，電池壽命縮短，采用的添加劑技術能使硫酸鉛重新活化，提高鉛酸蓄電池的壽命指標。

4 結束語

綜上所述, 盡管鉛酸蓄電池已經經歷了 150年的發展歷程，許多方面已經達到了極限的，但大量的研究結果表明采取有效的方法和技術措施仍舊能提高鉛酸蓄電池的容量和壽命，本文所介紹的方法已經成功的得到了應用，效果顯著。

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[1]朱松然. 鉛酸蓄電池技術［M］(2版). 北京：機械工業出版社， 2002.

[2]戴維·林登. 電池手冊［M］.2版. 北京：化學工業出版社， 2007.