催化栓對(duì)VRLA電池高溫浮充性能的影響

劉桃松，黨志敏，顧越峰，謝云強(qiáng)

(浙江南都電源動(dòng)力股份有限公司，浙江 杭州 311305)

催化栓對(duì)VRLA電池高溫浮充性能的影響

劉桃松，黨志敏，顧越峰，謝云強(qiáng)

(浙江南都電源動(dòng)力股份有限公司，浙江 杭州 311305)

比較安裝和未安裝Pd-C催化栓的浮充型GFM-600閥控式鉛酸(VRLA)電池的高溫浮充性能。安裝催化栓后，電池的高溫(55 ℃)浮充(2.25 V/只)電流下降約50%，失水量減小約65%，壽命得到延長。

催化栓； 高溫浮充； 閥控式鉛酸(VRLA)電池

電信運(yùn)營商對(duì)基站的節(jié)能減排越來越重視，希望將閥控式鉛酸(VRLA)電池的使用溫度從25 ℃提高至35 ℃，或直接將電池組置于更高工作溫度的室外機(jī)柜中使用，因此要求VRLA電池在高溫環(huán)境下具有理想的浮充壽命。在25 ℃時(shí)，VRLA電池浮充正極產(chǎn)生的O2通過隔板中的縫隙擴(kuò)散到負(fù)極鉛表面，并與活性物質(zhì)鉛復(fù)合，在電池內(nèi)實(shí)現(xiàn)氧循環(huán)[1]，使電池的長期免維護(hù)使用成為可能。由Arrhenius方程可知，溫度每提高10 ℃，化學(xué)反應(yīng)速度就會(huì)加倍，電池內(nèi)部的氫氧析出過電位下降，析氣量增加，失水增加，易造成熱失控[2]。

運(yùn)用催化技術(shù)，可將VRLA電池內(nèi)未復(fù)合的O2和聚集的H2催化生成水[3]，返回到電池中，具有減少電池失水、減少氧復(fù)合及防止硫酸鹽化等優(yōu)點(diǎn)，使電池進(jìn)入良性循環(huán)[4]。

本文作者將GFM-600電池分為2組，一組電池安裝催化栓，另一組不安裝催化栓，研究催化栓對(duì)電池高溫(55 ℃)浮充(2.25 V/只)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)電池為本公司生產(chǎn)線上挑選的初期容量、質(zhì)量均相近的GFM-600電池。

實(shí)驗(yàn)用的催化栓為本公司自制，直接安裝在電池排氣閥下端[5]。催化栓以Pd作為催化劑，高比表面積的活性炭為載體；濾汽片將催化劑與電池內(nèi)部的液體隔開；H2、O2氣體按照設(shè)計(jì)的速度透過濾汽片，與催化劑表面接觸，被催化成水，以水蒸氣的形式透過濾汽片，返回到電池內(nèi)部。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

按IEC 60896第21部分《固定鉛酸電池閥控型測試方法》16.6節(jié)《電池高溫加速浮充電循環(huán)壽命耐久性試驗(yàn)》[6]的要求：3只電池串聯(lián)為一組，第1組每只電池安裝1個(gè)催化栓；第2組為對(duì)比電池。兩組電池同時(shí)置于55 ℃高溫箱內(nèi)，用CT2001B電池測試系統(tǒng)(武漢產(chǎn))對(duì)電池組進(jìn)行6.75 V(單體電壓為2.25 V)浮充，以42 d為1次循環(huán)，共進(jìn)行10次循環(huán)。實(shí)驗(yàn)過程中，記錄電池的浮充電流，計(jì)算每次循環(huán)的平均浮充電流。

兩組電池浮充電流穩(wěn)定后，用TT-J-30熱電偶(英國產(chǎn))和TC-08溫度記錄儀(英國產(chǎn))測量并記錄表面溫度，用自制Ag/Ag2SO4參比電極對(duì)電池的正、負(fù)極電位進(jìn)行測試。

每次循環(huán)結(jié)束后，將電池在25 ℃下靜置24 h，用電子秤對(duì)電池進(jìn)行稱重，計(jì)算不同循環(huán)次數(shù)后電池的失水量；之后，對(duì)電池進(jìn)行容量判定，測試條件：25 ℃下，以60 A(I10)恒流放電，終止電壓為5.40 V(單體電壓為1.80 V)。

10次循環(huán)結(jié)束后取出催化栓，在背部中間打一個(gè)Ф=0.5 mm的孔，將熱電偶插入催化栓內(nèi)部中心位置，用耐高溫硅膠密封催化栓與熱電偶之間的縫隙。新的催化栓按同樣的方法安裝熱電偶后，與試驗(yàn)后的催化栓放置在同一個(gè)容器中，向容器內(nèi)通入過量的混合氣體[v(H2)∶v(O2)=2∶1]，進(jìn)行滿負(fù)荷催化反應(yīng)。用溫度記錄儀測量并記錄內(nèi)部的溫度，比較催化栓的活性。

2 結(jié)果與討論

2.1 電池高溫浮充失水

電池經(jīng)過10次循環(huán)實(shí)驗(yàn)，每次循環(huán)后對(duì)電池進(jìn)行稱重，失水量如圖1所示。

圖1 電池浮充電失水曲線

從圖1可知，安裝催化栓的電池累計(jì)失水151 g，對(duì)比電池累計(jì)失水366 g。在每次循環(huán)后，安裝催化栓的電池失水比對(duì)比電池平均減少65%。電池安裝催化栓后，直接將部分H2和O2催化生成水后返回電池內(nèi)部，使電池的失水減少，同時(shí)降低了電池內(nèi)部壓力，減少了開閥次數(shù)，也減少了失水。

2.2 電池正、負(fù)極電位

電池浮充電流穩(wěn)定后的正、負(fù)極電位見表1。

表1 正、負(fù)極電位

從表1可知，安裝催化栓的電池，正、負(fù)極電位比對(duì)比電池平均低0.052 V。催化栓將部分H2和O2氣體催化生成水，減少了O2在負(fù)極的復(fù)合，負(fù)極電位向負(fù)向偏移，在浮充電壓不變的情況下，正極電位與負(fù)極電位一起，向負(fù)向偏移。

2.3 電池表面溫度

浮充電流穩(wěn)定后電池的表面溫度見圖2。

圖2 電池表面溫度曲線

從圖2可知，安裝催化栓電池的表面溫度比對(duì)比電池低1.0～1.5 ℃。安裝催化栓后，正極電位下降、析氧減少，負(fù)極氧復(fù)合也減少，導(dǎo)致溫度下降。

2.4 電池高溫浮充電流

記錄電池每次循環(huán)的浮充電流，結(jié)果見圖3。

圖3 浮充電流曲線

從圖3可知，安裝催化栓的電池，浮充電流穩(wěn)定在1.2 A左右，而對(duì)比電池的浮充電流穩(wěn)定在2.4 A左右，安裝催化栓后，可降低浮充電流約50%。

安裝催化栓后，正、負(fù)極電位向負(fù)向偏移，正極氧析出減少、正極的腐蝕減少；負(fù)極氧復(fù)合減少、氫析出略有增加。

i浮=iO2析+i腐=iO2還+iH2析

(1)

式(1)中：i浮為電池浮充電流，iO2析為正極氧析出電流，i腐為正極板柵合金腐蝕電流，iO2還為負(fù)極氧還原電流，iH2析為負(fù)極析氫電流。由式(1)可知[7]：電池在浮充狀態(tài)時(shí)，活性物質(zhì)轉(zhuǎn)化基本完成，充入的電流i浮主要用于內(nèi)部的副反應(yīng)，即正極為iO2析、i腐，負(fù)極為iO2還、iH2析。安裝催化栓后，O2析出減少，即iO2析減小；正極板腐蝕減少，即i腐減小，因此浮充電流i浮減小；同理，安裝催化栓后，負(fù)極氧復(fù)合減少，即iO2減小，析氫速度略微增加，即iH2析略微增加，因此i浮減少。綜上所述，安裝催化栓后，浮充電流減小。

安裝催化栓可減少失水、減少負(fù)極氧復(fù)合、降低電池溫度，并防止電池發(fā)生熱失控，有利于降低浮充電流，使電池處于良性循環(huán)狀態(tài)。

2.5 電池高溫浮充壽命

統(tǒng)計(jì)電池每次循環(huán)后的容量(即時(shí)間)，結(jié)果見圖4。

圖4 電池放電時(shí)間曲線

從圖4可知，在相同的放電電流下，安裝催化栓的電池的放電時(shí)間長于對(duì)比電池。安裝催化栓后，失水減少、浮充電流下降，導(dǎo)致電池的容量衰減變慢。

2.6 催化栓壽命

經(jīng)過10次循環(huán)實(shí)驗(yàn)后，催化栓在滿負(fù)荷工作條件下的活性對(duì)比見圖5。

圖5 催化栓滿負(fù)荷工作溫度曲線

從圖5可知，用過的催化栓內(nèi)部溫度在短時(shí)間內(nèi)升高，但經(jīng)過24 h連續(xù)工作后，內(nèi)部溫度略低于新的催化栓，說明催化栓未出現(xiàn)明顯的毒化、老化等失效現(xiàn)象。

3 結(jié)論

在高溫環(huán)境下，VRLA電池浮充電流大、失水快、浮充壽命短，電池甚至?xí)袩崾Э氐娘L(fēng)險(xiǎn)，難以達(dá)到技術(shù)要求和客戶指標(biāo)。電池中安裝的催化栓，能將內(nèi)部的部分H2、O2催化生成水再返回電池內(nèi)部，可減少電池失水，降低電池內(nèi)部溫度，防止熱失控，減緩電池容量衰減，延長電池壽命，特別是延長了電池在高溫環(huán)境下的使用壽命。

[1] HUA Shou-nan(華壽南)，ZHU Jiao-wei(朱教偉)，WANG Ping(王平). VRLA電池的AGM隔板和氧傳輸[J]. Battery Bimonthly(電池)，2005，35(2)：141-143.

[2] ZHU Quan-yin(朱全印). VRLA電池早期失效的研究與改進(jìn)[J]. Battery Bimonthly(電池)，2005，35(4)：308-309.

[3] LI Shu-jun(李樹俊). 內(nèi)催化VRLA 電池用催化劑選擇的探討[A]. The 8th China Electro Technical Society Academic Con-ference(中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)第八屆學(xué)術(shù)會(huì)議論文集)[C]. Beijing(北京)，2004. 239-240.

[4] MISRA S S，NOVESKE T M，MRAZ S L，etal. The role of recombination catalysts in VRLA cells[J]. J Power Sources，2001，95：162-173.

[5] LIU Tao-song(劉桃松)，WU Xian-zhang(吳賢章)，CHEN Jian(陳建)，etal. 一種鉛酸蓄電池用的安全催化閥[P]. CN：ZL201210321438，2015-04-01.

[6] IEC 60892-2004，International Electro Technical Commission International Standard[S].

[7] BERNDT D，TANG Jin(唐槿). 免維護(hù)鉛酸蓄電池[M]. Beijing(北京)：Science and Technology of China Press(中國科學(xué)技術(shù)出版社)，2001. 312-316.

Effect of catalytic plug on high-temperature performance of VRLA battery under floating-charge duty

LIU Tao-song，DANG Zhi-min，GU Yue-feng，XIE Yun-qiang

(NaradaPowerSourceCo.，Ltd.，Hangzhou，Zhejiang311305，China)

The high-temperature floating-charge performance of floating-charge type GFM-600 valve regulated lead-acid(VRLA)batteries with or without Pd-C catalytic plugs was compared. By using catalytic plugs，the high-temperature(55 ℃)floating charge(2.25 V/cell)current was decreased by about 50%，the water loss was reduced by about 65%，the cycle life was prolonged.

catalytic plug； high-temperature floating charge； valve regulated lead-acid(VRLA)battery

劉桃松(1982-)，男，四川人，浙江南都電源動(dòng)力股份有限公司材料研究室主任，工程師，研究方向：鉛酸蓄電池新材料、新工藝和新技術(shù)，本文聯(lián)系人；

TM912.1

A

1001-1579(2016)06-0332-03

2016-06-08

黨志敏(1984-)，女，湖南人，浙江南都電源動(dòng)力股份有限公司材料工程師，研究方向：鉛酸蓄電池新材料、新工藝和新技術(shù)；

顧越峰(1984-)，男，遼寧人，浙江南都電源動(dòng)力股份有限公司海外及EPC工程事業(yè)部副總經(jīng)理，工程師，研究方向：新能源電池；

謝云強(qiáng)(1982-)，男，浙江人，浙江南都電源動(dòng)力股份有限公司儲(chǔ)能事業(yè)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主管，工程師，研究方向：新結(jié)構(gòu)、新工藝開發(fā)。