淺析鉛酸蓄電池在航標(biāo)中的應(yīng)用

(交通運輸部東海航海保障中心福州航標(biāo)處 福建 福州 350000)

一、引言

鉛酸蓄電池是世界上各類電池中產(chǎn)量最大、用途最廣的一種電池，早在上個世紀80年代，鉛酸蓄電池就已經(jīng)應(yīng)用于航標(biāo)事業(yè)中。同時，在科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，目前，浮動與固定航標(biāo)中已廣泛應(yīng)用閥控式密封鉛酸蓄電池。但是閥控式密封鉛酸蓄電池的較短使用壽命使其在航標(biāo)領(lǐng)域的應(yīng)用大打折扣，也帶來一定的隱患。通常情況下，閥控式密封鉛酸蓄電池在相對惡劣的工作環(huán)境下僅有3年左右的使用壽命，達不到廠家規(guī)定的10年使用壽命的標(biāo)準(zhǔn)。航標(biāo)用鉛酸蓄電池過低的使用壽命導(dǎo)致航標(biāo)能源系統(tǒng)可靠性降低，航標(biāo)日常維護費用增加。資料數(shù)據(jù)表明，閥控式密封鉛酸蓄電池的使用壽命與正確的使用維護方法密切相關(guān)。

二、閥控式鉛酸蓄電池介紹

(一)閥控式鉛酸蓄電池簡介。閥控式鉛酸蓄電池的英文名稱為Valve Regulated Lead Battery(簡稱 VRLA電池)，其基本特點是使用期間不用加酸加水維護，電池為密封結(jié)構(gòu)，不會漏酸，也不會排酸霧，電池蓋子上設(shè)有單向排氣閥(也叫安全閥)，該閥的作用是當(dāng)電池內(nèi)部氣體量超過一定值(通常用氣壓值表示)，即當(dāng)電池內(nèi)部 氣壓升高到一定值時，排氣閥自動打開，排出氣體，然后自動關(guān)閥，防止空 氣進入電池內(nèi)部。

(二)閥控式鉛酸蓄電池的工作原理及特點。VRLA電池進行釋放化學(xué)能時， 此時多孔狀活性物質(zhì)PbO2與稀硫酸H2SO4電解液組成氧化型半電池，稱為氧化型電極(進行還原反應(yīng))。而電池中絨狀鉛(海綿狀鉛)與稀硫酸H2SO4電解液組成還原型半電池，稱為還原電極(進行氧化反應(yīng))。電池反應(yīng)結(jié)果正極和負極活性物質(zhì)都變成PbSO4。電池中部分硫酸電解液將變成水H2O。由于PbSO4粒子體積大而將PbO2和絨狀鉛中小孔逐漸被堵住，當(dāng)大部分小孔被堵塞后，電池便不能繼續(xù)進行電化反應(yīng)，稱為放電終了。

在蓄電池吸收外電源直流電能的充電過程中，此時正極PbSO4物質(zhì)與稀硫酸H2SO4電解液組成還原型半電池， 而負極PbSO4物質(zhì)與稀硫酸H2SO4電解液組成氧化型半電池。電池反應(yīng)結(jié)果，負極PbSO4物質(zhì)逐漸氧化成多孔隙的海綿狀鉛； 正極PbSO4物質(zhì)逐漸變成多孔隙PbO2。鉛酸蓄電池中電解液中的水分將逐漸減少，而硫酸分子將逐漸增多，即提高了電解液密度。鉛酸蓄電池開路電壓為2.06V/單體， 以正常電流放電時電壓逐漸降低，至終了電壓不應(yīng)低于1.70-1.80V/單體。

綜上所述， 電池釋放化學(xué)能的歷程是電化學(xué)能轉(zhuǎn)變電能的過程， 反之電池吸收外電源電能歷程是電能轉(zhuǎn)變化學(xué)能的過程。

閥控式鉛酸蓄電池主要由外殼、隔板、匯流排、安全閥、正負極板、硫酸電解液、極柱端子等組成。閥控式鉛酸蓄電池的正極活性物質(zhì)為二氧化鉛(PbO2)，負極活性物質(zhì)為海綿狀鉛(Pb)，電解液為硫酸(H2SO4)，電極反應(yīng)方程式如下：

(三)影響鉛酸蓄電池的因素。蓄電池制造商提供的蓄電池設(shè)計壽命均為特定條件下的理論值，不能等同實際使用壽命。實際使用壽命與使用條件密切相關(guān)，與設(shè)計壽命存在一定差異，甚至相差甚遠。以下就影響蓄電池的幾大因素進行分析。

1.環(huán)境溫度。同容量系列電池，以相同放電速率，在一定環(huán)境溫度范圍放電時，使用容量隨溫度升高而增加，隨溫度降低而減小。在環(huán)境溫度10～45℃范圍內(nèi)，鉛蓄電池容量隨溫度升高而增加，如閥控密封鉛蓄電池在40℃下放電電量，比在25℃下放電的電量大10%左右，但是，超過一定溫度范圍，則相反，如在環(huán)境溫度45～50℃條件下放電，則電池容量明顯減小。低溫(<5℃)時，電池容量隨溫度降低而減小，電解液溫度降低時，其粘度增大，離子運動受到較大阻力，擴散能力降低；在低溫下電解液的電阻也增大，電化學(xué)的反應(yīng)阻力增加，結(jié)果導(dǎo)致蓄電池容量下降。其次低溫還會導(dǎo)致負極活性物質(zhì)利用率下降，影響蓄電池容量，如電池在-10℃環(huán)境溫度環(huán)境溫度下放電時，負極板容量僅達35%額定容量。

2.過度充電。通常環(huán)境溫度為25℃時，浮充電壓在2.23～2.25V/單體為合理的范圍，相當(dāng)于12V航標(biāo)用蓄電池充電電壓為13.38～13.5V。若蓄電池充電電壓超過13.5V(25℃)，則蓄電池內(nèi)短時間產(chǎn)生的大量氣體來不及被負極吸收，壓力超過某個值時，單向排氣閥便將其排出，導(dǎo)致蓄電池損失氣體，容量降低。若蓄電池采用14.1V(25℃)充電電壓連續(xù)充電4個月后，就會出現(xiàn)熱失控，導(dǎo)致容量下降，蓄電池外殼鼓包、漏氣，最后只能報廢。

3.過度放電。蓄電池浮充電壓低于13.38V時，浮充電壓過低，而蓄電池長期為負載供電。此時蓄電池正極PbO2氧化反應(yīng)能夠完成，但是負極不能完成氧復(fù)合，Pb還原的不夠徹底，氧復(fù)合效率降低導(dǎo)致PbSO4長時間累積形成不可逆的晶體，負極逐漸鈍化，蓄電池的內(nèi)阻增大，電池的充、放電性能變差，最終導(dǎo)致蓄電池容量大幅衰減。若某航標(biāo)充電電壓長期低于12V，最后電量逐漸降低，不能給負載供電。

三、航標(biāo)用閥控式鉛酸蓄電池的使用維護建議

(一)測量浮充電壓。浮充電壓對蓄電池的壽命具有相當(dāng)重要的影響。在航標(biāo)能源系統(tǒng)中，一般通過太陽能電池板對蓄電池進行全浮充方式充電，因此浮充電壓是蓄電池長期使用的充電電壓。浮充電壓過高或過低都會影響蓄電池的壽命，從而導(dǎo)致航標(biāo)能源系統(tǒng)穩(wěn)定性的下降。目前航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)中只對蓄電池的終端電壓設(shè)置了報警界限，而對影響蓄電池工作穩(wěn)定性的浮充電壓(充電電壓)并未給予足夠關(guān)注。當(dāng)蓄電池浮充電壓長期處于不合理的范圍而導(dǎo)致航標(biāo)能源系統(tǒng)效用降低，甚至失效時，亡羊補牢為時已晚。因此筆者建議對太陽能電池板的浮充電壓通過遙測遙控加以監(jiān)控，每日網(wǎng)上航標(biāo)巡檢中密切監(jiān)視浮充電壓，認真記錄航標(biāo)蓄電池的相關(guān)參數(shù)，重點是充電電壓與環(huán)境溫度，通過記錄的數(shù)據(jù)來了解航標(biāo)蓄電池的使用情況。一旦發(fā)現(xiàn)蓄電池充電電壓超過合理范圍，應(yīng)將其列入觀察名單，找出原因并及時處理。

(二)均衡充電。均衡充電是指對長期擱置和長期浮充電的蓄電池進行補充電。均衡充電應(yīng)在合理的VRLA 蓄電池的充電電壓和環(huán)境溫度下進行：(1)將充電電壓調(diào)到2.33/單體(25℃)，充電30H；(2)將充電電壓調(diào)到2.35V/單體(25℃)，充電20H；以上是VRLA蓄電池均衡充電的兩種方法，通常情況下選擇第一種方法為最佳。從上述方法中可以發(fā)現(xiàn)，25℃的環(huán)境溫度是非常重要的參數(shù)，在均衡充電過程中要引起極大的重視并自覺遵守。從理論上來講，蓄電池的最佳使用溫度應(yīng)是15～25℃，因而盡量選擇在涼爽的春秋季節(jié)對蓄電池均衡充電，以延長蓄電池使用壽命。

四、結(jié)束語

鉛酸蓄電池以其優(yōu)越的特性在航標(biāo)生產(chǎn)過程中得到廣泛的應(yīng)用， 在很大程度上提高了航標(biāo)的性能和可靠性。但是，由于環(huán)境因素以及一些人為操作的疏忽往往使蓄電池壽命降低，不能完全盡其用，加強日常維護和注意事項，才能穩(wěn)定、高效、可靠，使其最大程度得滿足航標(biāo)日常生產(chǎn)需求。