淺談卷繞式鉛酸蓄電池

戴增實

（泉州市一鳴交通電器有限公司，福建 福州 362008）

前言

電池是一種把物質(zhì)的化學能源轉(zhuǎn)化為電能的設備，可以作為設備的動力能源，也可以作為設備的儲備能源。隨著科技的不斷進步發(fā)展，新興電子產(chǎn)品便如雨后春筍般相繼問世，使得電池的用途也變得越來越廣泛。

目前，市場上的電池種類較多，且形態(tài)也各有不同，為適應不同用途，其性能也大不相同。因此，電池的種類劃分方式很多，按電池所用正、負極材料的類型可分為鉛酸蓄電池、鎳鉻蓄電池、鋰離子電池；按其用途可分為電動車用蓄電池、汽車動力用蓄電池、通信及固定儲能用蓄電池；按使用電解液的類型可分為酸性電池、堿性電池和中性電池。鉛酸蓄電池電池正極材料主要為活性物質(zhì)二氧化鉛，負極活性物質(zhì)為金屬鉛，電解液為高濃度的硫酸溶液。鉛酸蓄電池可以分為兩大類，一類為注水式鉛酸蓄電池，另一類為閥控式鉛酸蓄電池。前者價格低廉，但需要經(jīng)常維護，補充電解液；后者通過安全控制閥自動調(diào)節(jié)密封電池體內(nèi)在充電或工作異常時產(chǎn)生的多余氣體，免維護，更符合電動汽車的要求[1]。卷繞式鉛酸蓄電池便屬于閥控式密封鉛酸蓄電池，是普通閥控式密封鉛酸蓄電池一種升級版本，可簡稱為卷繞式電池。

下面，我們就從卷繞式鉛酸蓄電池的結構、工作原理、優(yōu)點、技術難點等四個方面來對其逐一進行闡述。

1 卷繞式鉛酸蓄電池的結構

普通閥控式密封鉛酸蓄電池（平板電池） 由正、負極板，隔板，安全閥，電解液等組合而成。根據(jù)電池容量的不同，所使用的正負極板的片數(shù)也不同。普通閥控式密封鉛酸蓄電池（平板電池）的結構如圖1所示。平板電池極板采用涂漿式極板，活性物質(zhì)涂在特制的鉛鈣合金骨架上，正負極接線端子使用鉛合金，并采用全密封式結構。平板電池極板的生產(chǎn)，沖網(wǎng)工藝從沖網(wǎng)板柵、涂板開始就進行單片化的作業(yè)，固化、分板、配組、裝槽、焊接都是建立在單片的基礎上作業(yè)，而焊接后的極群，又成為一個集體組合。即走過了一個從分到和的過程，這個過程正是電池生產(chǎn)的核心部分，產(chǎn)品的質(zhì)量很大程度取決于此過程的制造質(zhì)量。電池蓋子上安裝有單向排氣用的安全閥，當電池內(nèi)部因發(fā)生化學反應時產(chǎn)生的氣體量超過一限定的壓力值時，安全閥便會自動打開，排出多余的氣體，當安全閥所受的內(nèi)外壓力恢復平衡，達到其正常值后，便會自動關閉閥門，防止了電池內(nèi)部的水分蒸發(fā)[2]。

圖1 板式電池的結構圖

卷繞式鉛酸蓄電池是一種性能良好，比能量高，安全可靠的鉛酸蓄電池。在西方少數(shù)發(fā)達國家常應用于軍事。該類電池在軍事測試中，即使被子彈擊穿后仍可以快速啟動配套的軍事裝備。卷繞式鉛酸蓄電池結構如圖2所示。卷繞式鉛酸蓄電池采用很薄（通常為1mm左右）、柔軟的鉛箔或沖成網(wǎng)眼的柵箔作為極板的基片（板柵），然后涂上鉛膏，形成正負極板。為克服機械強度減小的缺陷，將正極板、隔板、負極板交替疊放，并緊緊地卷繞成螺旋狀的卷，放入圓筒狀的電池槽中，并使用固態(tài)酸作為其電解液，電極板和固態(tài)酸捆綁并卷起來做成了獨特的螺旋式卷繞，進而制成電池單體為圓柱形的卷繞式鉛酸蓄電池。

圖2 卷繞式鉛酸蓄電池結構

2 工作原理

卷繞式鉛酸蓄電池的工作原理主要是放電時，將電池內(nèi)的化學能源轉(zhuǎn)化為電能供給外用設備，充電則相反，將電池的電能轉(zhuǎn)化為化學能源。具體工作原理如下：

2.1 鉛酸蓄電池放電過程的電化反應

卷繞式鉛酸蓄電池放電時，在蓄電池的電位差作用下，負極板上的電子經(jīng)負載進入正極板形成電流。同時在電池內(nèi)部進行化學反應。負極板上每個鉛原子放出兩個電子，正極板的鉛離子得到來自負極的兩個電子后，變成二價鉛離子與電解液中的硫酸根離子反應，在極板上生成難溶的硫酸鉛。正極板水解出的氧離子與電解液中的氫離子反應，形成穩(wěn)定物質(zhì)水。電解液中存在的硫酸根離子和氫離子在電力場的作用下分別移向電池的正負極，在電池內(nèi)部形成電流，整個回路形成，蓄電池向外持續(xù)放電。放電時硫酸濃度不斷下降，正負極上的硫酸鉛增加，電池內(nèi)阻增大（硫酸鉛不導電），電解液濃度下降，電池電動勢降低。

2.2 鉛酸蓄電池充電過程的電化反應

卷繞式鉛酸蓄電池充電時，在外接直流電源的作用下，正、負極板在放電后生成的物質(zhì)將恢復成原來的活性物質(zhì)，并把外界的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能儲存起來。在正極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被分解為二價鉛離子和硫酸根負離子。由于外電源不斷從正極吸取電子，則正極板四周游離的二價鉛離子不斷放出兩個電子來補充，變成四價鉛離子，并與水繼續(xù)反應，并在正極極板上生成二氧化鉛。在負極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被分解為二價鉛離子和硫酸根負離子，由于負極不斷從外電源獲得電子，負極板四周游離的二價鉛離子被中和為鉛，并以絨狀鉛附在負極板上。電解液中，正極不斷產(chǎn)生游離的氫離子和硫酸根離子，負極不斷產(chǎn)生硫酸根離子，在電場的作用下，氫離子向負極移動，硫酸根離子向正極移動，形成電流。充電后期，在外電流的作用下，溶液中還會發(fā)生水的電解反應。

3 優(yōu)點

與普通閥控式密封鉛酸蓄電池（平板電池）相比，卷繞式鉛酸蓄電池采用了純鉛或鉛錫合金作為板柵材料，較柔軟，利于卷繞，且比普通鉛酸電池一般采用鉛銻合金或鉛鈣合金更耐腐蝕。使用的極板很薄，每片極板有多個極耳，電極比表面積大，電流分布均勻，有利于提高活性物質(zhì)利用率，且大電流充放電性能好。電極設計成卷繞結構，裝配壓力大，是AGM閥控式鉛酸蓄電池的兩倍，消除了電極上活性物質(zhì)的脫落現(xiàn)象，同時解決了電解液分層的問題。槽為圓柱形，電池的開閥壓力大，正負極板間距小，有利于提高密封反應效率，失水速度小，且有優(yōu)良的耐過充性能[3]。上述特殊的工藝手段和先進的制造技術，使得其性能以下諸多優(yōu)點[2]：

（1）卓越的高低溫性能

卷繞式鉛酸蓄電池擁有比普通電池高 2～3倍的電極表面積，極大的降低了內(nèi)阻，使電池在低溫下也能進行正常充電，且低溫下沒有液態(tài)酸可以冰凍，因此也不存在輸出電流隨溫度降低急劇減小的問題。高溫下，冷軋純鉛板的高耐腐蝕性，以及圓柱形結構和高達50Kpa的開閥壓力可以避免嚴重失水和膨脹變形，確保電池有很長的使用壽命。根據(jù)美國SAE檢測標準，卷繞電池可在-55～75℃范圍內(nèi)安全快速啟動和牽引汽車，而普通鉛酸電池的工作范圍在-5～40℃，由此可見，相對我國南方炎熱天氣和北方寒冷氣候，使用卷繞電池可以更加安全可靠。

（2）大電流放電能力兙俥

卷繞式鉛酸蓄電池由于釆用薄板技術，電極表面積大，因而具有高倍率放電能力，最高放電電流可達到 18CA，同種規(guī)格的卷繞式鉛酸蓄電池與普通鉛酸電池相比，卷繞式鉛酸蓄電池啟動功率要比普通電池高出4倍左右。

（3）安全系數(shù)極高

由于采用貧液設計，無游離電解液，電解液全部吸附在AGM隔板上，成為“固體電池”，因而在充放電、儲存過程中可以任意方向放置，不用擔心漏液問題。卷繞式鉛酸蓄電池結構緊密、完全密封，不會產(chǎn)生任何有害氣體，正因為具備如此之高的安全系數(shù)，因此可以在有人居住的封閉空間內(nèi)使用。

（4）快速充電性能

普通電池內(nèi)阻較高，充電時一部分充電電流轉(zhuǎn)化為熱能散失，且充電時間一般在6小時以上，而卷繞電池由于采用了超薄的卷繞式極板，電極表面積是普通鉛酸蓄電池的 2～3倍，所以其內(nèi)阻極低，因此基本可將充電電流全部接受，最大充電電流可達到6CA，一般充電時間在1個小時即可滿充。由于板柵采用純鉛制作，副反應極低，因而可實現(xiàn)小電流充電，作太陽能儲備電源時，陰雨天也可以達到90%以上的充電效率。

（5） 超長的使用壽命

由于卷繞式鉛酸蓄電池采用了薄板技術，活性鉛表面積非常大，故其放電后的恢復能力也極強，C/5放電速率下，100%DOD可以達到350～400次，一般設計浮充壽命可以達到10年，在太陽能領域設計壽命10年。根據(jù)美國SAE標準，在J240測試中，卷繞式鉛酸蓄電池啟動次數(shù)在15000次以上，相比普通電池的2000～4000次，卷繞式鉛酸蓄電池更顯勁量十足的王者風范。

（6）優(yōu)異的抗震性

普通電池極板是懸掛在電解液中，震動中鉛膏易脫落。而卷繞式鉛酸蓄電池采用的是螺旋卷繞技術，裝配壓力高，且酸為固態(tài)酸，故抗震性能特別優(yōu)越。根據(jù)美國SAE標準，卷繞電池能耐4g震動12小時以及6g震動4小時后一點也不損傷。普通電磁最多能耐4g震動4小時以及6g震動1小時。顛簸和震動是導致蓄電池失效的主要原因之一。和常規(guī)蓄電池不一樣，卷繞式鉛酸蓄電池的儲電介質(zhì)為“固體”材料，另外采用了獨特的“螺旋卷繞”技術來固定蓄電池內(nèi)的組件，這是卷繞電池抗震抗摔性能比傳統(tǒng)蓄電池高15倍的關鍵。在高強度震動測試環(huán)境下，卷繞電池的失效極限為9000小時，好一點的傳統(tǒng)蓄電池在連續(xù)震動1950小時后就會失效，而普通的傳統(tǒng)蓄電池不到300小時就完全失效。

4 技術難點

卷繞式鉛酸蓄電池雖然具有上述許多優(yōu)點，并且有廣泛的應用市場，但其生產(chǎn)和制造還存在一些待解決的技術難點。比如：卷繞式蓄電池極耳的設計。通常極耳的位置是根據(jù)極板的厚度、隔板的厚度、隔板的壓縮比、極群卷繞的壓力等因素設計確定的，隨著卷繞的進行，極耳間的距離也在加大，也就是說在平面上極耳的間距是不等距的。這就出現(xiàn)了一個問題，卷繞過程中，極板的拉長會使極耳的位置偏移。極板越薄，拉長的長度越大；拉力越大拉長的長度越大。極耳的設計是按正負板、隔板厚度均勻一致設計的，但實際上，正負板、隔板厚度的誤差是存在的，有時還較大。卷繞過程中，極耳就無法完全到達指定的位置。極板上下側(cè)的涂膏很難做到一致，薄厚不均也會產(chǎn)生極耳的偏移。還有，卷繞式蓄電池是高功率電池，新“啟-停”功能汽車首選的技術與產(chǎn)品，解決電池的“動態(tài)充電接受能力”是開發(fā)新型“啟-?！彪姵匾鉀Q關鍵技術問題。再有，如何提高卷繞式蓄電池的溫度特性，需研發(fā)新型耐高溫板柵合金，可提高電池在高溫下的使用壽命，并開發(fā)出新型高效低溫啟動電極活性物質(zhì)添加劑，進而提高低溫和超低溫下的電池啟動性能等技術難點。

5 結語

卷繞式鉛酸蓄電池擁有使用環(huán)境溫度范圍廣、安全系數(shù)高、使用壽命長、抗震性強等優(yōu)點，適用于環(huán)境惡劣，并可廣泛運用于軍事裝備、儀器醫(yī)療設備、新能源汽車、太陽能儲能、以及通信領域中。若解決了其生產(chǎn)和制造存在的技術難點，定會為鉛酸蓄電池的發(fā)展帶來了新的希望，是鉛酸蓄電池行業(yè)發(fā)展的新路標。

[1] 王剛.電力廢棄物資源化及無害化應用技術叢書 動力鋰電池梯次利用與回收處理.2015.

[2] 馮鈞.卷繞式電池在通信領域的應用探索.2015年中國通信能源會議論文集2015.

[3] 柴樹松.鉛酸蓄電池制造技術(2)[B]2017.