下面,就以電池失效模式來探討設備條件、使用條件和維護條件對電池失效的影響及其應對方法：

一、電池的失效模式及其原因

1、電池的正極板軟化

電池的正極板是由板柵和活性物質組成的,其中活性物質的有效成分就是氧化鉛。放電的時候氧化鉛轉為硫酸鉛,充電的時候硫酸鉛轉為氧化鉛.氧化鉛是由α氧化鉛和β氧化鉛組成的,在2種氧化鉛中以其中α氧化鉛荷電能力小但是體積大,比為β氧化鉛堅硬,重要起支撐用途;β氧化鉛恰好相反,荷電能力大但是體積小,比為β氧化鉛軟,重要起荷電用途。α氧化鉛是在堿性環(huán)境中生成的,在電池內部一旦出現(xiàn)參與放電以后,在充電只能夠生產β氧化鉛。正極板的活性物質是多孔結構的,就與電解液——硫酸的接觸面積來說,多孔結構是平面的數十倍。假如α氧化鉛參與放電以后,重新充電以后只能夠生成β氧化鉛,這樣就失去了支撐,不僅僅會出現(xiàn)正極板活性物質脫落,而且脫落的活性物質還會堵塞正極板的微孔,導致正極板參與反應的真實面積下降,形成電池容量的下降。后備電源的電池使用年限要求比較嚴格,對電池的比容要求比較寬,因此后備電源使用的電池的后備電源的電池α氧化鉛和β氧化鉛比例比深循環(huán)的動力型電池大一些.為了減少α氧化鉛參與放電,一般控制放電深度僅僅為40%.隨著電池的使用時間的新增,電池的容量下降,新電池放電40%的電量,關于舊電池來說必然上超過40%的,所以舊電池就相當于放電深度深,電池的正極板軟化也會被加速.所以,電池的容量壽命曲線的后期下降速率遠遠高于中期.電池容量越小,放電深度越深,α氧化鉛損失也越多,正極板軟化也越嚴重,導致電池容量下降越快,形成了惡性循環(huán)。

這樣,電池的放電深度要嚴格控制.實現(xiàn)這個控制的是靠基站的電源管理系統(tǒng)的國內和設置。目前控制電池放電深度的重要標準還是一次放電量和放電電壓.這樣,盡可能防止在應急的時候強制放電,而應該按照放電量來新增電池的容量。

2、電池的正極板腐蝕

正極板的板柵中的鉛在充電過程中或被氧化為氧化鉛,并且不能夠再還原為鉛,形成正極板腐蝕。而氧化鉛的體積比鉛的體積大,形成體積線性新增變形,使正極板活性物質與板柵脫離,導致正極板失效.而過充電會嚴重加速正極板腐蝕.我們一般以為不會出現(xiàn)過充電狀態(tài).實際上,基站的浮充電壓假如跟不上環(huán)境溫度的上升而進行下降的補償,過充電就出現(xiàn)了.如基站的空調不夠或者損壞,電池的過充電也會出現(xiàn)。這樣電池的正極板板柵在不同的使用條件下會有不同的腐蝕速度.這與電池的使用環(huán)境溫度關系密切。

3、消除硫化

消除電池硫化的方法有幾種方法,各有特點。

a.水療法

假如硫化不太嚴重,可以使用較稀的電解液,密度在1.100g/cm3以下,即向電池中加水稀釋電解液,以提高硫酸鉛的溶解度。并用20h率以下的電流,在液溫30℃~40℃的范圍內較長時間充電,可能得以恢復.假如電解液密度較高,則充電時只進行水分解,活性物質難以恢復.關于密封電池來說,水療法是無法進行的.另外,水療法的成本和使用工時都比較大.現(xiàn)在有了脈沖修復的方法,已經很少見到水療法了。

b.化學處理方法

采用化學添加劑,在電池發(fā)生硫化的時候使用.這種方法對消除硫化是行之有效的,但是其副用途不可忽視.重要問題是會形成自放電明顯新增,所以一般的電池制造商都不敢使用。

c.大電流充電

若認為吸附是造成硫酸鹽化的原因,則可以用高電流密度充電(達100mA./cm2)。在這樣的電流密度下,負極可以達到很負的電勢值,這時遠離零電荷點,使φ-φ(0)<0,改變了電極表面帶電的符號,表面活性物質會發(fā)生脫附,特別是對陰離子型的表面活性物質,這種有害的表面活性物質從電極表面上脫附以后,就可以使充電順利進行.目前國內幾乎沒有人使用這種方法處理不可逆硫酸鹽化,可能出于以下考慮:高電流密度下極化和歐姆壓降新增,這部分能量轉化為熱,使蓄電池內部溫度升高,同時又有大量的氣體析出,尤其是正極大量氣析出氣體,其沖刷用途易使活性物質脫落。

d.脈沖修復

按照原子物理學和固體物理學的原理,硫離子具有5個不同的能級狀態(tài),通常處于亞穩(wěn)定能級狀態(tài)的離子趨向與遷落到最穩(wěn)定的共價鍵能級而存在。在最低能級(即共價鍵能級狀態(tài)),硫離子包含8個原子的環(huán)形分子形式存在,這8個原子的環(huán)形分子模式是一種穩(wěn)定的組合,難以被打碎,形成電池的不可逆硫酸鹽化——硫化。多次發(fā)生這樣的情況,就形成了一層類似與絕緣層相同的硫酸鉛結晶。

要打碎這些硫酸鹽層的束縛,就要提升原子的能級到一定的程度,這時候在外層原子加帶的電子被激活到下一個更高的能帶,使原子之間解除束縛。每一個特定的能級都有唯一的諧振頻率,必須供應給一些能量,才能夠使得被激活的分子遷移到更高的能級狀態(tài),太低得能量無法達到躍遷所要的能量要求,但是,過高的能量會使已經脫離了束縛而躍遷的原子處于不穩(wěn)定狀態(tài),又回落到原來的能級。這樣,必須通過多次諧振,使得其中一次脫離了束縛,達到最活躍的能級狀態(tài)而又沒有回落的原來的能級,這樣,就轉化為溶解于電解液的自由離子,而參與電化學反應。

很高的電壓可以實現(xiàn),就是大電流高電壓充電的方法,諧振也可以實現(xiàn),就是脈沖諧波諧振的方法。

從固體物理上來講,任何絕緣層在足夠高的電壓下都可以擊穿。一旦絕緣層被擊穿,粗大的硫酸鉛就會呈現(xiàn)導電狀態(tài)。假如對高電阻率的絕緣施加瞬間的高電壓,也可以擊穿大的硫酸鉛結晶.假如這個高電壓足夠短,并且進行限流,在打穿絕緣層的條件下,充電電流不大,也不至于形成大量析氣.電池析氣量強正相有關充電電流和充電時間,假如脈沖寬度足夠短,占空比足夠大,就可以在保證擊穿粗大硫酸鉛結晶的條件下,同時發(fā)生的微充電來不及形成析氣.這樣,實現(xiàn)了脈沖消除硫化。

實現(xiàn)脈沖消除硫化和抑制電池硫化的方法,一般可以采用脈沖保護器和修復儀來處理.一般使用2類修復方法.其一為在線修復,把可以出現(xiàn)脈沖源的保護器并聯(lián)在電池的正負極柱上,使用電池或者充電器的電源或者使用外來的市電,就會有脈沖輸出到電池上面.這種修復方式所要的能源很少,比較慢,但是由于常年并聯(lián)在電池極柱2端,慢也沒有關系.關于沒有硫化的電池,可以抑制電池的硫化。

其二為離線式的,可以出現(xiàn)快速的脈沖,脈沖電流相比較較大,出現(xiàn)脈沖的頻率比較高,脈沖占空比比較大.一些產品還具有自動控制.這種修復儀重要是用來修復已經硫化的電池。