閥控鉛酸蓄電池補加水的維護工藝研究

王吉校，段萬普

（1．中國人民解放軍72749部隊，河南 鄭州450016；2．河南千熙新能源科技有限公司，河南 鄭州450000）

現(xiàn)行通信用閥控鉛酸蓄電池的維護，不允許對蓄電池加水，這種規(guī)定人為的縮短了電池的使用壽命。

1 閥控鉛酸蓄電池不能加水的由來

閥控鉛酸蓄電池采用半密封結構，用單向閥控制電池排氣，對充電電壓限制嚴格，生產初期出廠的小型閥控鉛酸蓄電池，在合理使用條件下使用，不需用戶補加水。當時閥控鉛酸蓄電池的使用壽命與開口電池相比，要延長一些，而且不需補加水，電池價格較低，更新費用不大，所以用戶就接受了這個規(guī)定。

隨著閥控鉛酸蓄電池的容量越做越大，蓄電池生產企業(yè)提倡的這種規(guī)定隨之延續(xù)到大容量蓄電池中。由于閥控鉛酸蓄電池的注液量嚴格，人們對電池氧吸收條件有些誤解，認為加液量多負極就會失去氧吸收能力，電池用戶也沒有補加水的專用設備和技術，所以蓄電池生產企業(yè)不約而同的都規(guī)定閥控鉛酸蓄電池不能加水；而且當時的電池結構也無法進行加水操作。這種規(guī)定一方面使用戶“省事了”，另一方面也避免了不合理的補水操作造成的電池失效，所以這種規(guī)定被電池供需雙方都接受了。

2 補加水維護工藝的發(fā)展

閥控鉛酸蓄電池在鐵路機車上被廣泛采用之前，曾在武漢和長春兩地做了對比試驗。當時廠家介紹的都是“免維護”概念。同一廠家、同一規(guī)格的電池，在長春使用幾乎沒有故障，但在武漢使用卻故障頻發(fā)。

在這種情況下，蓄電池生產企業(yè)開始對失效電池維護，其中最主要的手段就是補加水。由于電池設計時沒有考慮補加水的工藝需要，當時注液口用膠永久性粘接，是不能打開的，于是有的廠家就用手電鉆打孔，注液后再膠封，補加水有效地恢復了電池的結構容量，排除了電池的故障。隨后在鐵道部的機車蓄電池維護工藝中，明確提出補加水的技術要求。執(zhí)行的效果是把蓄電池實際壽命延長了一倍。

由于現(xiàn)實維護中需要給閥控鉛酸蓄電池補加水，所以就對蓄電池的加液口提出可反復開啟的技術要求，現(xiàn)在多數(shù)企業(yè)的閥控鉛酸蓄電池的加水口內部采用圖1所示的結構，外部的結構采用圖2的方式。這種結構，用扳手可以方便的開啟和關閉注液口，而且不降低閥控鉛酸蓄電池的密封性。

事實上，電池使用中的失水是必然的，溫度越高，失水速度越快。通常所說的溫度上升10℃，電池壽命縮短一半，主要是因為溫升加速了失水所致。在對河南和四川的300個基站使用了4年的蓄電池進行的補水實驗中統(tǒng)計，平均每個500 Ah的電池補水800 mL才達到出廠的水平。從平頂山市基站的統(tǒng)計數(shù)據顯示，補加水基本符合100 mL／3年·100 Ah的規(guī)律。

圖1 密封蓄電池注液口基本結構

圖2 加水帽的外部樣式

理論計算表明［1］：由于缺水，補水前電解液密度由1．30會濃縮到1．37g／cm3，電池反電勢會上升到2．22 V。在控制柜上輸出的浮充電壓不變的情況下，電池得到的有效充電電壓就降低了，這就為電池的硫化準備了技術條件。但在實際維護中沒有測量到這樣高的電動勢，是由于部分硫酸已被轉換成硫酸鉛消耗掉的緣故。

對閥控鉛酸蓄電池的補水，早在2000年在鐵路運輸?shù)臋C車部門就普遍采納，2004年形成工藝規(guī)程標準。對在用的閥控鉛酸蓄電池及時補水，不但保障了蓄電池運行的質量，而且在南方地區(qū)的實際應用中確實把機車用蓄電池實際使用壽命由原來的2年延長到5年左右。但在通信部門，由于管理人員認識上的不到位，目前在維護規(guī)程上依然不允許補水，造成了不必要的損失。

蓄電池及時補加水，可在較大程度上避免電池的非使用性損壞；補加水后，電池的內阻會普遍下降，容量得到提升。根據多年的實驗發(fā)現(xiàn)，蓄電池在加水后容量提升的連續(xù)時間大約持續(xù)3個月左右，3個月后經加水蓄電池的容量會趨于穩(wěn)定。

3 補加水維護工藝的理論依據

關于補加水后電解液處于富液狀態(tài)，會不會造成閥控鉛酸蓄電池氧吸收失效的問題，這里做個說明。閥控鉛酸蓄電池在生產初期，電池都是按照“貧液”結構制造，理由是在正負極板間的隔板中，需要保持液相、固相、氣相三相共存的狀態(tài)，這樣正極板上產生的氣態(tài)氧才能擴散到負極，被負極吸收，最后轉化成固體硫酸鉛中的氧，實現(xiàn)氧元素的內部循環(huán)，也就是通常所說的負極吸收原理。

在使用中，閥控鉛酸蓄電池突出的問題就是“嬌氣”，少量失水，電池容量便明顯下降，這就會給用戶和生產企業(yè)帶來巨大的損失。為了減少這種損失，生產企業(yè)就逐步加大電解液的數(shù)量，采取這項措施后，其效果非常明顯，于是，蓄電池生產企業(yè)就把這項技術作為正式生產工藝采用，故閥控鉛酸蓄電池電池出廠時已經基本達到富液狀態(tài)。

那么為什么富液結構的蓄電池仍有“氧吸收能力”？

原因是電池正負極板的間距約2～3 mm，而極板的寬和高都大于100 mm。在電池組裝時，通常采用20kg／dm2的預緊力壓縮極群。在緊裝配的條件下，正極板上產生的“氧”，不可能立即以氣體方式排出，其產生的壓力向四周傳遞相同的力，如圖3所示。由于正負極的間距遠小于極板的高度和寬度，所以在氣體逸出極板前仍然會在負極板被吸收，實現(xiàn)閥控鉛酸蓄電池的氧吸收。這種情況已經在電池生產企業(yè)成為共識，打開新購買的閥控鉛酸蓄電池的加水口，就可看到液面位置，這是很容易驗證的。

圖3 極板間氣體的擴散

另外，用實驗也可驗證這一理論。先給閥控鉛酸蓄電池補加一些水，補加量以達到液面可見為度。把閥控鉛酸蓄電池的浮充電壓以緩慢速度逐步提高，就會看到電池內的液面逐步上升，但并沒有氣體逸出，這就說明一旦氣體產生，在富液的條件下，也會在正負極間建立傳輸通道。

補加水電池處于富液狀態(tài)后，由于隔板中的氣體通道減少，氧氣的擴散速度會低于貧液式電池，電池析氣量會有所上升。但由于水在鉛鈣合金上的分解電壓是2．45 V，在臺站工作條件下，電池不處在這個電壓條件下，所以這項指標的降低對使用并無大礙，但用戶卻得到了富液狀態(tài)帶來的增加設備可靠性的好處。

市場上現(xiàn)在依然有注液口采用粘封結構的電池，這類產品是為適應“一次性”使用要求的市場銷售行為所制造的，若考慮延長使用壽命的要求，就不宜采用這種結構的電池。

美國GNB的電池20世紀90年代在歐洲使用時（1995年），由于容量衰減就曾進行了補水。但是遭到歐盟的投訴（當時GNB承諾免維護20年）。實際上GNB的AGM電池從第3年開始就出現(xiàn)了容量衰減，不得不花錢雇人補水。

4 補加水維護工藝造成電池損壞的原因

在實際操作中，發(fā)生不少加水前尚可使用，加水后蓄電池反倒完全失效的情況，造成這種情況的原因主要包括以下三個方面。

4．1 加水前極板已經發(fā)生了硫化損壞

在補加水前，由于長期缺水，極板已經發(fā)生深度硫化，隔板上已經有大量脫落物，硫化程度越深，脫落量越多；同時由于電解液的液面下降，脫落物質呈“干態(tài)”存在，沒有導電離子的參與，即使電池處于充電態(tài)，充電反應也不會在這里發(fā)生。脫落的活性物質，是以硫酸鉛的形式存在的。硫酸鉛是絕緣的，在正負極間不會造成短路；補加水后，電解液的液面上升，脫落的物質處在電解液的包圍中，在充電除硫化作用下，硫酸鉛就會轉化成鉛（如圖4所示），于是不導電的物質變成了導電的物質，短路就開始了。在免維護狀態(tài)下使用幾年的電池，容易發(fā)生這樣的損壞。

圖4 蓄電池補加水后的微短路

這樣就容易給人一種錯覺，認為補加水造成電池的損壞。事實上，造成這種損壞的真正原因并不是補加水造成的，而恰恰是由于沒有及時補加水造成的。

4．2 補加水后電池不在充電態(tài)［3］

電池補加水，必須在充電狀態(tài)下進行［2］。補加的水要與電池內的電解液混合均勻，需要十幾天的時間，如果不在充電態(tài)，由于水的密度小于電解液的密度，水會長期漂浮在電解液的上面，于是在極板上，下部的電液密度就大于上部的密度，下部的電壓高于上部的電壓，如圖5所示。電池的自放電就會在一夜之間把蓄電池的保有容量降到“0”，只要及時充電，容量仍然可以恢復，不至于造成電池損壞。需要說明的是蓄電池在臺站工作條件下補加水，電池組始終處于浮充狀態(tài)，就不存在這種工作狀況。

圖5 電解液密度差造成自放電

4．3 補水量超限［4］

補水量不當會造成電池損壞，例如，補水量如果超過圖6的位置，電池很快就會失效。這是因為對于6 V、12 V的連體電池，液面一旦超過穿壁焊的孔位，由于孔的密封不易保障，就會造成兩個電池共槽，導致電池失效。對2 V的單體電池，一旦液面超過極耳高度，往往由于匯流排和極耳的材料不同，兩種材料構成微電池，造成極耳根部腐蝕斷裂。

圖6 電池補加水的限制位置

實際工作證實：在一個地區(qū)補加水，雖然補水量隨蓄電池生產企業(yè)、海拔、負載大小等因素而異，但總有一個統(tǒng)計規(guī)律可循，補加水基本符合100 mL／3年·100 Ah的規(guī)律，而實際操作中，加水至極板沒入液面即可（即加水至可見）。

5 關于水的質量要求

補加水的質量，用電導儀檢測大于500 k或小于2個西門子即可，這個純凈度就是蒸餾水的純凈度，用離子交換柱制備的純水可以達到這個要求。

市售的飲用純凈水，合格的標準是10個西門子，一般都達不到這個要求。但是制備飲用水的設備，在離子再生后的開始階段，是可以達到蓄電池用水標準的，即便如此，一般也不能采用飲用純凈水。

6 結 論

通過多年的閥控鉛酸蓄電池維護實際證明，采取補加水的維護工藝，可有效延長電池的使用壽命。但是對閥控鉛酸蓄電池的補加水，有嚴格工藝要求，不能違反相關的要求，否則不但達不到目的，還有可能造成蓄電池損壞。

［1］ 管從勝，杜愛玲，楊玉國．高能化學電源 ［M］．北京：化學工業(yè)出版社，2005．

［2］ 王秋虹．化學電源 ［M］．重慶：重慶通信學院出版社，1998．

［3］ 王吉校，錢希森．閥控鉛酸蓄電池容量測試技術研究 ［J］．蓄電池，2007，06：57－59．

［4］ 段萬普．蓄電池使用技術 ［M］．昆明：云南科技出版社，2003．