鉛酸蓄電池失效原因分析及監測方案的設想

侯俊舟

（遼寧建筑職業學院，遼寧 遼陽111000）

目前鉛酸蓄電池在汽車、通訊、廣電、IT、電力、鐵路、航空、港口、軍事、金融、能源等領域得到了廣泛應用。但是鉛酸蓄電池若使用維護不當易造成失效報廢。文中分析了蓄電池失效的原因，提出了鉛酸蓄電池微電腦監測方案設想。

1 鉛酸蓄電池的結構原理

1.1 鉛酸蓄電池的基本結構

鉛酸電池是將化學能轉變為電能的設備。鉛酸蓄電池的結構原理基本相同，常由電池槽、正極板、負極板、隔板、鏈條、極樁和電解液等組成。

鉛酸蓄電池的重要電能轉換部件是正、負極板及電解液，其他部件如電池槽、隔板鏈條、極柱等為附屬設備。電池槽是用來盛裝電解液和正負極板的部件，通常由耐腐蝕的硬質塑料壓鑄而成，其內部結構分為三單格和六單格兩種形式。三單格式用來裝配端電壓為6 V直流電壓的蓄電池，六單格式用來裝配端電壓為12 V直流電壓的蓄電池。

蓄電池的正、負極板是由金屬骨架與活性物質共同構成，且正、負極板的金屬骨架采用同一種材料。為確保鉛酸蓄電池極板骨架具有足夠的剛度和強度，并具有較強的抗氧化能力，通常正、負極板金屬骨架的材料采用鉛銻合金。骨架的外框為矩形，框內設有數條縱橫交錯的金屬網格。

鉛酸蓄電池正、負極板表面涂有活性物質。其中正極板活性物質涂抹于正極板骨架上，是由海綿狀二氧化鉛（PbO2）與稀硫酸作為主要原料配置成的鉛膏，化成后顏色為深棕色。而負極板的主活性物質是由海綿狀純鉛（Pb）與稀硫酸作為主要原料配置成的鉛膏，顏色為深灰色。

蓄電池隔板用來隔開蓄電池的正負極板，以防止正負極板短路。極板上還均勻分布許多網狀孔，以保證電解液相互滲透。蓄電池的隔板材料通常用塑料和玻璃纖維等制成，既保證絕緣又保證不被硫酸腐蝕。

蓄電池的電解液是由純凈的蒸餾水和硫酸配制而成。溫度為20℃時，在我國南方地區電解液比重γ為1.20～1.25 g／cm3，北方地區其比重γ為1.28～1.30 g／cm3。

1.2 鉛酸蓄電池的工作原理

鉛酸蓄電池的充、放電過程，實質上就是電能與化學能的相互轉換過程。蓄電池充電時，在外電場的作用下正、負極板中的硫酸析出進入電解液，使電解液中的硫酸濃度增高。同時正極板演變為二氧化鉛，負極板變為純鉛。充電過程化學反應方程式如式（1）。

理論上放電過程與充電過程是完全可逆的，其化學反應方程式如式（2）。

2 鉛酸蓄電池失效的原因

蓄電池的使用實踐證明，由于蓄電池的生產、儲存、運輸、初充電和使用等因素，蓄電池的使用容量總比其標稱容量要小，甚至小很多。影響蓄電池容量的因素主要有如下方面。

2.1 蓄電池生產工藝對蓄電池容量的影響

蓄電池在生產過程中，其正極板的化成條件對蓄電池容量會產生影響。由于正極板化成條件的不同，正極板上的二氧化鉛通常以兩種形式存在，一種是α－PbO2，一種是β－PbO2。這兩種二氧化鉛在放電容量上存在著很大的差異。通常α－PbO2放電容量只有β－PbO2的60%左右。只有在多次充放電循環中，一部分α－PbO2才有可能逐步轉化為β－PbO2。由此可見，α－PbO2初含量越高，則蓄電池初始容量越低。正極板的α－PbO2初含量主要取決于化成條件，即化成液密度和溫度。化成液密度越大溫度越高，則生成α－PbO2就越少；反之，生成的α－PbO2就越多。

2.2 蓄電池活性物質含量對蓄電池放電容量的影響

放電時，負極板反應生成的硫酸鉛容易在海綿鉛表面形成鈍化層，致使硫酸電解液擴散受阻，大大降低了負極板利用率。若在負極板中加入少量的腐殖酸、木素等膨脹劑，可以延緩或阻止鈍化層的形成，從而增加放電容量。

2.3 自放電

不合格的電解液中含有鐵、錳、硝酸銀等，這些物質與電解液一起侵蝕隔板和電池槽生成有機物等雜質。這些新生成的有機物雜質將與極板上的活性物質共同形成局部電池，產生局部電流，致使正負極板上活性物質反應生成硫酸鉛，導致蓄電池容量下降。這種現象還與極板中銻含量有關，極板中銻的含量越多，溫度愈高，愈能加速自放電。

2.4 板極中心距

在其它因素不變的情況下，極板中心距越遠，蓄電池的容量越小。因此，在其它因素不變的情況下，應盡量減小隔板的厚度，以有效地減小極板中心距離。

2.5 使用因素對鉛酸蓄電池容量的影響

鉛酸蓄電池在使用過程中，必須保持在較短時間內充放電相對平衡。如果蓄電池長期處于深度虧電狀態，其正、負極板上的海綿鉛將形成粗晶粒的鉛結晶，導致充電時不能參與化學反應，致使蓄電池的有效容量下降。

鉛酸蓄電池超過規定時間大電流放電是造成早期失效的最普遍原因。某些用電設備超過蓄電池允許輸出的最大電流的限制，長時間大電流用電，造成極板過熱彎曲，致使極板上活性物質過早嚴重脫落。蓄電池的這種損壞形式不但致使蓄電池容量大大下降，還會因脫落的活性物質沉淀在正、負極板的下方，造成正、負極板短路，加速徹底失效。

此外，蓄電池電解液比重配比不當、工作溫度、振動等均會導致蓄電池容量的下降。

3 鉛酸蓄電池微電腦監測方案的設想

筆者依多年經驗得知，鉛酸蓄電池徹底喪失工作能力是有前兆的，主要體現在內阻隨時間推移逐漸攀升、充電時電壓偏高、充電終止端電壓下降快、帶電時間短。大電流放電時，較正常工作的電池端電壓下降快、工作溫度高等。

鑒于上述鉛酸蓄電池種種損壞的跡象，根據鉛酸蓄電池的工作原理，筆者設想一種微電腦鉛酸蓄電池工作狀態監測系統，它可以非常準確地向蓄電池的使用者作出工作狀態的預報，設置緊急報警，避免因蓄電池損壞造成巨大損失。

3.1 蓄電池溫度監測法

給蓄電池組中的每一塊電池均貼上溫度傳感器，同時在蓄電池工作空間再設置一個環境溫度傳感器。將采集到的溫度信號通過專用的模數轉換卡變成數字量送入計算機。通過嚴格標定后，讓計算機進行各種比較，預報各單體電池的工作溫度，以此作為判定蓄電池工作狀態的依據。

3.2 各單體電池在線工作電壓增量比較法

為蓄電池組中的每一塊單體電池裝蓄電池工作電壓增量傳感器。并把蓄電池端電壓增量信號通過專用的模數轉換卡送入計算機。端電壓超出正常值者，即為快要失效的電池。

3.3 電解液酸度實時監測法

把蓄電池組中的每一塊單體電池裝蓄電池電解液酸度傳感器。并把蓄電池電解液酸度降低信號通過專用的模數轉換卡送入計算機。電解液酸度降低超出正常值者即為快要失效的電池。

以上三種監測方法可通過計算機進行綜合分析，準確判定蓄電池的工作狀態，進而做出準確失效預報。