鉛酸蓄電池鼓包原因及防治措施

常玉華 華 平 張麗娟

（1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河南 鄭州 450052；2.河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003）

1 鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)

閥控密封式鉛酸蓄電池的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。鉛酸蓄電池通常由多個(gè)單體電池串聯(lián)而成，單體電池由容器、正負(fù)極板、隔離板和電解液等主要部分組成（見圖2）［1］。

圖1 閥控鉛酸蓄電池的基本結(jié)構(gòu)

圖2 閥控鉛酸蓄電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.1.1 極板。極板采用柵架式結(jié)構(gòu)，其作用是支撐活性物質(zhì)和導(dǎo)電。正極板上的活性物質(zhì)是二氧化鉛（PbO2），呈棕紅色；負(fù)極板上的活性物質(zhì)是海綿狀的金屬鉛（Pb），呈深灰色。極板的活性物質(zhì)涂抹在鉛銻合金柵架上。為了增大蓄電池的容量，正、負(fù)極板交錯(cuò)重疊放在電池槽內(nèi)。

1.1.2 隔板。隔板是夾在正、負(fù)極板之間的絕緣板，其作用是防止正、負(fù)極板短路。隔板具有多孔性以使電解液通暢無(wú)阻，其有槽的一面對(duì)著正極板，以保持正極板周圍有充足的電解液。隔離板的種類主要有合成樹脂纖維隔板、玻璃纖維隔板等。

1.1.3 電解液。鉛酸蓄電池的電解液是由專用純硫酸（H2SO4）和蒸餾水（H2O）配制而成的。其作用是給正負(fù)電極之間流動(dòng)的離子創(chuàng)造一個(gè)液體環(huán)境，即充當(dāng)離子流動(dòng)的介質(zhì)作用。

1.1.4 殼體（電池槽）。殼體一般用硬橡膠或塑料等耐酸材料制成，殼體上裝有安全排氣閥，當(dāng)電池內(nèi)部壓力超過(guò)閾值時(shí)會(huì)自動(dòng)開啟，保證使用安全。

1.1.5 采用密封式閥控濾酸結(jié)構(gòu)，電解液不會(huì)泄漏，使酸霧不能逸出，達(dá)到安全目的。

1.2 鉛酸蓄電池的工作原理

鉛酸蓄電池的充、放電過(guò)程是靠正、負(fù)極板上的活性物質(zhì)和電解液之間的電化學(xué)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。充電過(guò)程是電池將外電路提供的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)；放電過(guò)程是電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茌敵觥?/p>

蓄電池按如下化學(xué)公式［2］進(jìn)行工作，完成電能與化學(xué)能的轉(zhuǎn)化。

負(fù)極反應(yīng)：

正極反應(yīng)：

PbO2+3H+++2e?PbSO4+2H2O

總反應(yīng)：

PbO2+Pb+2H2SO4?2PbSO4+2H2O

反應(yīng)方程式從左向右為放電過(guò)程，從右向左為充電過(guò)程。從方程中可以看出鉛酸電池的充放電反應(yīng)互為逆反應(yīng)，這樣鉛酸電池就成了可重復(fù)使用的蓄電池。

當(dāng)蓄電池進(jìn)行放電反應(yīng)時(shí)，電池的正、負(fù)極通過(guò)負(fù)載而聯(lián)結(jié)起來(lái)，在電解液中，則有正、負(fù)離子分別流向負(fù)、正電極，構(gòu)成了離子電流。由于電流的流通，在正負(fù)極板上引起一定的化學(xué)反應(yīng)，正負(fù)極板上的活性物質(zhì)PbO2和Pb都要轉(zhuǎn)為硫酸鉛，而電解液中的硫酸則要轉(zhuǎn)化生成水，硫酸的濃度不斷降低。蓄電池放電反應(yīng)后，正極和負(fù)極做功均生成硫酸鉛。

進(jìn)行充電時(shí)，蓄電池正負(fù)極板上的化學(xué)反應(yīng)正好和放電時(shí)相反，硫酸鉛和水轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩岷投趸U，硫酸濃度不斷升高，從而完成電能與化學(xué)能的轉(zhuǎn)化。

2 鉛酸蓄電池鼓包原因分析

2.1 溫度影響

鉛酸蓄電池充電時(shí)如果體內(nèi)溫度過(guò)高，必然產(chǎn)生大量氣體，壓力急劇增加，致使電池發(fā)生鼓包。產(chǎn)生溫度過(guò)高的主要原因主要有。

2.1.1 過(guò)充電。實(shí)踐證明，過(guò)充電是影響蓄電池壽命的最主要原因。鉛酸蓄電池的充電過(guò)程本來(lái)就是一個(gè)放熱反應(yīng)，充電時(shí)電池的正極析氧，極板深處生成的氧氣從電極表面逸出，增大了殼體內(nèi)的壓力；當(dāng)出現(xiàn)過(guò)充電情況時(shí)，電解水反應(yīng)明顯加快，正極析出氧氣，負(fù)極析出氫氣，且氧氣量大于陰極的吸收能力，產(chǎn)生大量氣體，從而使電池內(nèi)壓增大。如果過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的充電，會(huì)讓氧氣和氫氣再次復(fù)合為水，這個(gè)反應(yīng)又是放熱反應(yīng)，使得蓄電池的溫度越來(lái)越高，浮充電流和析氣量增大，形成惡性循環(huán)。同時(shí)因水的電解，從而導(dǎo)致正極附近酸度增加，加速了板柵的腐蝕，造成失水、過(guò)充。

2.1.2 環(huán)境溫度。環(huán)境溫度的變化將會(huì)引起參加反應(yīng)的各參數(shù)的變化。如果環(huán)境溫度過(guò)高，電池充電量會(huì)加速增加，電池內(nèi)部溫度也隨之升高，從而使電池過(guò)熱，造成電池內(nèi)阻下降，充電電流進(jìn)一步增大；電流的增大又進(jìn)一步使電池內(nèi)部溫度升高，內(nèi)阻進(jìn)一步降低，從而形成惡性循環(huán)，使電池殼體嚴(yán)重變形、膨脹［3］。

2.1.3 失水。第一，失水使熱容減小。在蓄電池中水是最大的熱容，失水后蓄電池?zé)崛荽蟠鬁p小，產(chǎn)生的熱量使蓄電池溫度迅速升高。第二，失水使內(nèi)阻增大，電解液溫度升高。失水后蓄電池隔板發(fā)生收縮，使之與負(fù)極板的附著力變差，內(nèi)阻增大。同時(shí)失水使電解液黏度過(guò)大，也使內(nèi)阻增大［4］，放電中消耗在內(nèi)阻上的電壓降也就大，這將引起電解液溫度迅速升高，產(chǎn)生大量的氣體，使蓄電池內(nèi)部的氣體壓力增大。若此時(shí)蓄電池放電過(guò)度，引起電解液溫度升高得更快，氣體產(chǎn)生得也更多，使蓄電池內(nèi)部氣體壓力更大，極易導(dǎo)致蓄電池脹裂。第三，失水加速板柵的腐蝕，板柵的腐蝕又使之失水。

2.1.4 充電電流過(guò)大或充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。當(dāng)蓄電池充電電流過(guò)大或充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，電解液溫度會(huì)迅速升高，并產(chǎn)生大量的氣體，這些氣體將對(duì)極板上的活性物質(zhì)產(chǎn)生沖擊，使極板上的活性物質(zhì)松動(dòng)脫落，在蓄電池內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)氣體再結(jié)合，從而使蓄電池內(nèi)部壓力增大，使電池出現(xiàn)鼓包變形。

2.1.5 極板發(fā)生硫化。極板發(fā)生硫化的蓄電池在充電過(guò)程中，單格電壓及電解液溫度將迅速升高，氣泡產(chǎn)生較早、反應(yīng)劇烈，電池內(nèi)部產(chǎn)生大量氣體，引起蓄電池鼓脹。

2.1.6 負(fù)載連續(xù)啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。蓄電池要在很短的時(shí)間內(nèi)向負(fù)載提供很大的電流，必然引起蓄電池內(nèi)部劇烈的化學(xué)反應(yīng)，若蓄電池極板伴有輕度的硫化現(xiàn)象時(shí)，則必然導(dǎo)致電解液溫度驟升，產(chǎn)生大量的氣體。當(dāng)啟動(dòng)連續(xù)使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則會(huì)加劇氣體的產(chǎn)生，增大了蓄電池脹裂的可能。

2.2 極化現(xiàn)象

極化現(xiàn)象就是蓄電池在充放電過(guò)程中，外電流通過(guò)電極時(shí)，電極電勢(shì)偏離平衡值的現(xiàn)象。極化反應(yīng)使電解液中的水加速電解，產(chǎn)生大量氣體，這些氣體不僅會(huì)增加蓄電池的充電時(shí)間，還對(duì)電池的極板有嚴(yán)重的腐蝕作用，導(dǎo)致電池失水、過(guò)充，勢(shì)必造成電池鼓脹變形。電解液中水電解過(guò)程伴隨著大量的熱量產(chǎn)生，促使電解液的溫度不斷升高。高溫下的大量氣體，必然會(huì)引起蓄電池鼓脹［5］。實(shí)踐證明，充電電流愈大，極化現(xiàn)象愈嚴(yán)重。

3 鉛酸蓄電池鼓包防治措施

3.1 選擇好的充電裝置與方法

3.1.1 選用好的充電裝置。蓄電池在使用過(guò)程中的優(yōu)劣完全取決于對(duì)其充電的充電裝置，所以要選擇好的充電裝置，對(duì)充電裝置要經(jīng)常檢查，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)檢修或更換，避免造成蓄電池鼓脹。

3.1.2 選擇好的充電方法。蓄電池充電過(guò)程中，不可避免地會(huì)發(fā)生極化、溫升等不良反應(yīng)，充電過(guò)程中必須對(duì)這些現(xiàn)象加以注意；若充電方法不當(dāng)會(huì)使這些現(xiàn)象更加嚴(yán)重，因此需要采用適當(dāng)?shù)某潆姺椒▽?duì)蓄電池進(jìn)行充電，以防止蓄電池鼓包，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。

3.2 控制好溫度

3.2.1 選擇好的充電環(huán)境。鉛酸蓄電池的充電過(guò)程是一個(gè)放熱反應(yīng)。所以充電環(huán)境一定要通風(fēng)良好，保證每個(gè)串聯(lián)的單體電池的電解液高度達(dá)到指定刻度。

3.2.2 控制好充電溫度。在整個(gè)充電過(guò)程中，應(yīng)確保蓄電池溫度不超過(guò)45℃。如果蓄電池溫度過(guò)高，應(yīng)采取外部降溫或減小充電電流的方法降低溫度。

3.3 控制好充電電流、電壓與時(shí)間

3.3.1 控制好充電電流。電流過(guò)大容易導(dǎo)致蓄電池鼓脹，所以充電時(shí)，一定要避免電流過(guò)大。對(duì)已裝在車輛上的蓄電池，一定要調(diào)整好發(fā)電機(jī)的額定電壓；對(duì)在充電間充電的蓄電池，則一定要把握好充電電流。電池放電電流流經(jīng)內(nèi)阻時(shí)產(chǎn)生的熱量會(huì)引起溫度上升，所以放電電流也不宜過(guò)大。

3.3.2 控制好充電電壓。1967年，馬斯在研究中注意到放氣現(xiàn)象的重要性，并開始將這種現(xiàn)象應(yīng)用于充電過(guò)程中蓄電池端電壓的控制［6］。充電電壓不能過(guò)高，也不能過(guò)低，過(guò)高容易使電池的性能受到影響，造成電溶液的損失和電池內(nèi)壓的升高；過(guò)低則導(dǎo)致充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，甚至充不進(jìn)電。

3.3.3 控制好充電時(shí)間。盡量控制好充電時(shí)間，不讓充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，防止過(guò)充導(dǎo)致蓄電池鼓脹。

4 防止過(guò)度充放電

4.1 防止過(guò)度充電。過(guò)充會(huì)使電池內(nèi)部溫升過(guò)大、析氣率上升，導(dǎo)致蓄電池鼓包、正極板損壞，從而影響電池的穩(wěn)定性及壽命，所以充電時(shí)一定要避免發(fā)生過(guò)充電現(xiàn)象。

4.2 防止過(guò)度放電。放電深度越大，電池放出的電量就越多，電池可接受的充電電流就越小，這將減慢電池的充電速度。為避免蓄電池過(guò)度放電，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，盡量避免長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)啟動(dòng)，特別是在低溫條件下時(shí)，更不能連續(xù)啟動(dòng)。

5 防止自放電現(xiàn)象

蓄電池在平時(shí)的開路過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)自放電現(xiàn)象。根據(jù)測(cè)試，蓄電池每天將放出大概1%的電量，如果外界溫度較高，這一比例還將升高。自放電會(huì)損失水，造成負(fù)極板硫化、電池內(nèi)阻增大、容量降低。所以，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間存放不使用的蓄電池，應(yīng)定期對(duì)其進(jìn)行保養(yǎng)和充電。

6 排除電極板硫化

平時(shí)應(yīng)經(jīng)常檢查蓄電池是否有硫化現(xiàn)象，及時(shí)排除蓄電池電極板硫化，防止電解液溫度迅速升高，使電池內(nèi)部產(chǎn)生大量氣體，從而避免引起蓄電池鼓脹。

7 消除極化現(xiàn)象

極化反應(yīng)在充電過(guò)程中是不可避免的。鉛酸蓄電池去極化應(yīng)當(dāng)在整個(gè)充電過(guò)程中適時(shí)地采取去極化措施，始終不使極化過(guò)分嚴(yán)重。在大電流充電一段時(shí)間后，可以使用短時(shí)間的小電流來(lái)緩解極化，如充電一段時(shí)間后，暫停充電，等待極化現(xiàn)象的消失，轉(zhuǎn)到再次充電。

隨著電子設(shè)備的飛速發(fā)展，對(duì)密封鉛酸蓄電池的要求日益提高。但目前鉛酸蓄電池在性能和經(jīng)濟(jì)上還不能完全滿足其需要，對(duì)于提高蓄電池的性能，防止鼓包，還要進(jìn)行不斷的努力。鉛酸蓄電池改進(jìn)的目標(biāo)是提高性能和壽命、降低成本，因此，要選擇最佳充放電方式，增強(qiáng)免維護(hù)性能及確保安全性和可靠性。

［1］劉超.HEV車載鉛酸蓄電池快速充電系統(tǒng)研究［D］.黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

［2］胡信國(guó).動(dòng)力電池技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［3］魏曉斌，張磊，謝楠.閥控式鉛酸蓄電池提前失效原因分析及對(duì)策［J］.通信電源技術(shù)，2009（2）：54-56.

［4］王見成.電動(dòng)車用蓄電池故障及解決辦法［J］.電動(dòng)自行車，2008（6）：47-48.

［5］李俊.蓄電池快速充電技術(shù)研究［D］.四川：西南交通大學(xué)，2009.

［6］張艷莉，費(fèi)萬(wàn)民.大功率蓄電池智能充電機(jī)控制器的研制［J］.華北電力技術(shù)，2001（5）：41-43.