閥控密封式鉛酸蓄電池(以下簡稱為閥控蓄電池)，具有體積小、使用安全性高、放電性能好、維護量小等特點，使其在很多應用領域迅速取代了傳統(tǒng)的防酸隔爆式蓄電池。閥控蓄電池的設計壽命一般大于5年，最長可以達到20年以上，但是由于其結構特點，閥控蓄電池的效率和壽命比傳統(tǒng)的防酸隔爆蓄電池更容易受環(huán)境的變化、使用條件等因素的影響。MICHAEL R.MOORE通過對超過7萬5千只閥控蓄電池近10年的研究表明，閥控蓄電池的實際使用壽命為4～8年，遠低于其10～20年的設計使用壽命。因此有必要從閥控蓄電池的原理出發(fā)，論述各種影響蓄電池容量和壽命的因素，以便可以對蓄電池進行更好地維護，延長其使用壽命，降低因蓄電池失效所帶來的安全風險。

　　l 閥控蓄電池發(fā)展

　　MF、SLA、VRLA都是國內外對閥控蓄電池陸續(xù)使用過的稱謂。MF(Maintenance—Free)是免維護蓄電池的簡稱;SLA(Sealed Lead—AcidBattery)是密封鉛酸蓄電池的簡稱;VRLA(ValveRegulated Lead—Acid Battery)直譯應為閥控式鉛酸蓄電池，在一些文獻中也采用了其直譯名稱，國標GBT 19638.2—2005固定型閥控密封式鉛酸蓄電池中譯為閥控密封式鉛酸蓄電池。這是閥控蓄電池的當今的名稱。從MF、SLA到VRLA，不僅是名稱的改變，也說明了閥控蓄電池的發(fā)展歷程。

　　早期的“免維護蓄電池”MF，是指蓄電池所用期不需加水、補酸。蓄電池免維護技術的應用可追溯到20世紀30年代。1935年美國為軍用的目的，首次將Pb—Ca合金柵應用于需要低自放電率(浮充)場合。70年代中期，美國的Gates公司推出了現(xiàn)代MF電池。80年代，由于先進的冶金、化工新技術引入電池行業(yè)中使MF電池更加完善，出現(xiàn)了SLA一密封鉛酸蓄電池的稱謂。SLA除了采用電池內部氣體復合技術外，還對電池結構進行了改進，采用單向氣閥，使電池達到密封。隨著排氣閥(安全閥)的日益完善，特別是有比較準確的開、閉閥壓力，閥成了氣體復合與防泄漏、密封的主要部件。因而稱為VRLA(ValVe Regulated Lead—Acid Battery)閥控密封式鉛酸蓄電池。

　　2 運行維護標準

　　閥控蓄電池的運行維護標準主要有IEEE標準、行業(yè)標準和企業(yè)標準。IEEE(電氣和電子工程師協(xié)會)1996年發(fā)布了IEEE標準1188一1996 IEEE推薦的對固定使用的閥控蓄電池的維護、試驗和更換標準，2005年對該標準進行了修訂后重新發(fā)布。修訂改動內容不多，主要對其中蓄電池核定性充放電周期、內阻(電導)測試等部分做了調整。我國2000年發(fā)布了電力行業(yè)標準，DL/T724—2000電力系統(tǒng)用蓄電池直流電源裝置運行與維護技術規(guī)程。國家電網(wǎng)公司2004年底發(fā)布了企業(yè)內部的《直流電源系統(tǒng)管理規(guī)范》，其中包含了對閥控蓄電池的運行維護的規(guī)定。

　　3 原理、結構及其特點

　　1)閥控蓄電池的結構和原理

　　閥控蓄電池由極板、隔板、防爆帽、外殼等部分組成，采用全密封、貧液式結構和陰極吸附式原理，在電池內部通過實現(xiàn)氧氣與氫氣的再化合，達到全密封的效果。閥控蓄電池按固定硫酸電解液的方式不同而分為兩類，即采用超細玻璃纖維隔板(AGM)來吸附電解液的吸液式電池和采用硅凝膠電解質(GEL)的膠體電池。這兩類閥控蓄電池都是利用陰極吸收原理使電池得以密封的。所謂陰極吸收是讓電池的負極比正極有多余的容量。當蓄電池充電時，正極會析出氧氣，負極會析出氫氣，正極析氧是在正極充電量達到70%時就開始了，負極析氫則要在充電到90%時方開始，析出的氧到達負極，跟負極起下述反應:2Pb O2=2PbO;2PbO 2H2SO4=2PbSO4 2H2O。通過這兩個反應，達到陰極吸收的目的。再加上氧在負極上的還原作用及負極本身氫過電位的提高，從而避免了大量析氫反應。AGM密封鉛蓄電池使用純的硫酸水溶液作電解液，隔膜保持有10%的孔隙不被電解液占有，正極生成的氧就是通過這部分孔隙到達負極而被負極吸收的。Gel膠體密封鉛蓄電池內的硅凝膠的電解液是由硅溶膠和硫酸配成的，電池灌注的硅溶膠變成凝膠后，骨架要進一步收縮，使凝膠出現(xiàn)裂縫貫穿于正負極板之間，給正極析出的氧提供了到達負極的通道。兩種閥控蓄電池遵循相同的氧循環(huán)機理，所不同的僅是為氧達到負極建立通道的方式不同。

　　2)閥控蓄電池的特點

　　與防酸隔爆式蓄電池相比，閥控蓄電池有以下特點:

　　(1)固定的電解液，增進氧氣從正極向負極的擴散。

　　(2)內部密封結構和自動開關的安全閥。蓄電池在內部壓力下工作，以促進氧氣的再化合。蓄電池內部壓力增加到一定程度時，安全閥自動打開排氣;而當氣壓將低到規(guī)定限度以下時，安全閥自動關閉。

　　(3)改進的板柵材料。閥控蓄電池的正極板用高純度的鉛銻合金制成，負極板用高純度的鉛鈣合金支撐，這樣的結構可減少電腐蝕的程度

　　(4)較堅硬的外殼。由于閥控蓄電池的外殼要承受一定的內部壓力，故外殼采用高強度耐壓防爆的材料制成，使得外殼更加堅固耐用。

　　(5)不需加水、補酸。閥控蓄電池的閥控密封結構和內部的氧循環(huán)機制使得其電解液損失小，在使用期間無需加水、補酸。

　　(6)安裝占用空間小，可分層安裝在電池架上或電池屏內。

　　(7)對環(huán)境污染小。運行期間酸霧和可燃氣體逸出少。

　　(8)對使用環(huán)境要求較高，受環(huán)境溫度影響大。

　　4 失效的機制

　　閥控蓄電池是一個復雜的電化學體系，其性能和壽命取決于制備電極的材料、工藝、活性物質的組成和結構、電池運行狀態(tài)和條件等。它的失效因素主要有如下幾種。

　　1)正極板的腐蝕

　　對浮充電使用的電池，板柵腐蝕是限定電池壽命的重要因素。在電池過充電狀態(tài)下，正負極板上反應如下:

　　閥控密封式鉛酸蓄電池的原理及其運行維護

　　可見，負極產(chǎn)生水，降低了酸度，而正極反應產(chǎn)生H ，加速了正極板柵的腐蝕。閥控蓄電池中的電解液固定，在浮充過程中由于氧復合的作用，其浮充電流高于流動電解液的蓄電池，同時正極的電位也比流動電解液蓄電池中高。因此對閥控蓄電池來說其板柵腐蝕的問題尤為重要。

　　2)水損失

　　閥控蓄電池在使用期間氧復合機制的效率不是100%，由于再化合反應不完全及板柵腐蝕引起水的損失，當每次充電時，由于產(chǎn)生氣體的速率大于氣體再化合速率，導致一部分氣體逸出，造成水的損失。閥控蓄電池因為其電解液不可補充，所以失水也是其特有的失效原因之一。

　　3)枝狀結晶生成

　　閥控蓄電池由于電解液不流動所以不易產(chǎn)生枝狀晶體。但當閥控蓄電池處于過放電狀態(tài)，或長期以放電狀態(tài)放置時，枝狀晶體穿透隔膜的現(xiàn)象仍會發(fā)生。在這種情況下，負極pH值增加，極板上生成可溶性鉛顆粒，促進板狀結晶生成穿透隔膜造成極間短路，使電池失效。這種失效電池的電壓為零。

　　4)負極板硫酸鹽化

　　負極在電池充、放電中的反應:

　　放電過程Pb H2SO4—2e-→PbSO4 2H

　　充電過程Pb 1/2O2 H2SO4→PbSO4 H2O

　　由于白化合反應的發(fā)生，無論電池處于充電或放電狀態(tài)，負板總有硫酸鉛存在，使負極長期處于非完全充電狀態(tài)，形成不可逆硫酸鉛，使電池容量減少，導致電池失效。閥控蓄電池比防酸隔爆蓄電池更易出現(xiàn)負極的硫酸化。這是由于:①實現(xiàn)氧循環(huán)而造成的負極板較低的電位;②固定的電解液造成的電解質的分層。

　　5)熱失控

　　熱失控是閥控蓄電池所特有的一種失效模式熱，它與閉合氧循環(huán)的機理有關。水分解為氫氣和氧氣的過程會產(chǎn)生熱量，每18克水分解產(chǎn)生210.6千焦的熱量。常規(guī)蓄電池在充電時，除了活性物質的再生外，還有電解質中的水電解生成氫氣和氧氣。氣體從電池內析出的過程中帶走了水電解所產(chǎn)生的熱量。閥控蓄電池在充電時內部產(chǎn)生的氧氣流向負極，氧氣在負極板使活性物質海棉狀鉛氧化，并有效地補充了電解而失去的水。這樣，雖然消除了爆炸性混合氣體排出的問題，但這種密封結構使得熱擴散減少了一種重要途徑，散熱只能通過電池殼壁的熱傳導進行。

　　當VRLA電池工作在浮充或完全再化合模式的過充狀態(tài)時，沒有純化學反應，幾乎所有過充的能量都轉化成熱能。如果系統(tǒng)周圍環(huán)境能將產(chǎn)生的熱散發(fā)并達到平衡，那么就沒有熱失控問題。當再化合反應熱量升高率超過了散熱率，電池的溫度就會升高并且需要更大的電流來維持浮充電壓。而額外的電流又引起更多的化合反應和熱量產(chǎn)生，從而進一上使電流溫度升高，并如此往復。這種純效應加速電池干涸和內部壓力的升高，嚴重時會造成電池熔化或爆炸起火。熱失控的潛在問題會由于環(huán)境溫度的升高、單體或充電系統(tǒng)的故障而進一步惡化。因此電池安裝時良好的通風和合適的環(huán)境溫度很重要。為降低發(fā)生熱失控的風險，充電裝置的浮充電壓應根據(jù)蓄電池的環(huán)境溫度進行溫度補償。

　　5 影響壽命的主要因素

　　有些用戶認為閥控蓄電池是免維護電池，廠家也有類似的誤導宣傳。閥控蓄電池特有的氧復合機理和閥控密封的結構，雖然在一定程度上減少了它的維護工作量，但使得其比防酸隔爆蓄電池在可靠性和魯棒性上有所下降，更容易受環(huán)境的變化、使用條件等因素的影響。過充、過放、滲液、環(huán)境溫度過高、浮充電壓過高等因素對閥控蓄電池的健康影響更大。

　　1)環(huán)境溫度

　　環(huán)境溫度過高對閥控蓄電池使用壽命的影響很大。溫度升高時，蓄電池的極板腐蝕將加劇，同時將消耗更多的水，從而使電池壽命縮短。閥控蓄電在使用中對溫度有一定要求。典型的閥控蓄電池高于25℃時，每升高6～9℃，電池壽命縮短一半。因此，其浮充電壓應根據(jù)溫度進行補償，一般為2～4 mV/℃，而現(xiàn)有很多充電機沒有此功能。為達到閥控蓄電池的最佳使用壽命，應盡可能創(chuàng)造恒溫下的使用環(huán)境，同時保持蓄電池良好的通風和散熱條件。具體來說，安放蓄電池的房間應有空調設備。蓄電池擺放要留有適當?shù)拈g距，改善電池與環(huán)境媒介的熱交換。電池間保持不小于15mm的間隙，電池與上層隔板間有不小于150mm的間距的“通風道”來降低溫升。

　　2)過度充電

　　提升浮充電壓，或環(huán)境溫度升高，使充入電流陡升，氣體再化合效率隨充電電流增大而變小，如圖1所示，在0.05C時復合率為90%，當電流在0.1C時，氣體再化合效率近似為零。由于過充電將使產(chǎn)生的氣體不可能完全被再化合，從而引起電池內部壓力增加，當?shù)竭_一定壓力時，安全閥打開，氫氣和氧氣逸出，同時帶出酸霧，消耗了有限的電解液，導致電池容量下降或早期失效。其次，在長期過充電狀態(tài)下，H 增加，從而導致正極附近酸度增加，板柵腐蝕加速，使板柵變薄，加速電池的腐蝕，使電池容量降低，從而影響蓄電池的壽命。為避免產(chǎn)生多余的氣體，閥控蓄電池對充電機穩(wěn)壓、限流精度提出了較高的要求。

　　閥控密封式鉛酸蓄電池的原理及其運行維護

　　3)過度放電或小電流放電

　　蓄電池過度放電主要發(fā)生在交流電源停電后，蓄電池長時間為負載供電。當蓄電池被過度放電時，會在電池的陰極造成“硫酸鹽化”。因硫酸鉛是一種絕緣體，它的形成必將對蓄電池的充、放電性能產(chǎn)生很大的負面影響。在陰極上形成的硫酸鹽越多，蓄電池的內阻越大，電池的充、放電性能就越差，蓄電池的使用壽命就越短。小電流放電條件下形成的硫酸鉛，要氧化還原是十分困難的，若硫酸鉛晶體長期得不到清理，必然會影響蓄電池的容量和使用壽命。由第4節(jié)可知，過度放電或小電流放電對閥控蓄電池的影響比對常規(guī)蓄電池的影響更大。因此在直流系統(tǒng)交流電源失去后，要嚴密監(jiān)視蓄電池的電壓和電流，防止閥控蓄電池過度放電。為避免小電流放電，閥控蓄電池不應長期退出系統(tǒng)運行。

　　6 運行維護

　　1)核對性充放電

　　核對性充放電能最直接地反映蓄電池的健康狀態(tài)，需要定期進行。

　　對于閥控蓄電池核對性充放電的周期，不同規(guī)程的規(guī)定也不完全相同。IEEE標準1188—2005(IEEE推薦的對固定使用的閥控蓄電池的維護、試驗和更換標準)規(guī)定“閥控蓄電池的核對性充放電周期不大于2年，當達到85%的設計壽命或容量小于90%后每年進行一次容量測試”。DL/17724—2000(電力系統(tǒng)用蓄電池直流電源裝置運行與維護技術規(guī)程)和國家電網(wǎng)公司《直流電源系統(tǒng)管理規(guī)范》規(guī)定“新電池安裝后每2～3年進行一次核對性試驗，運行6年以后的，應每年進行一次”。從筆者對3 000余只閥控蓄電池近8年運行數(shù)據(jù)來看，4年以后容量不滿足要求比率較高，發(fā)生故障的蓄電池中運行4年以上的占80.3%。因此，建議4年內每2年進行一次核對性充放電，4年后每年進行一次核對性充放電;容量小于90%且大于等于80%的蓄電池組應每年進行一次核對性充放電;容量小于80%的蓄電池組應盡快更換，在更換前應將核對性充放電周期縮短為3個月至半年。

　　2)內阻測試

　　蓄電池的內阻是反映運行中蓄電池健康狀態(tài)(SOH)的一項重要的參數(shù)，內阻值如明顯的變化，表明單體電池的性能也發(fā)生明顯的變化。在運行中應定期進行測試，測試周期為一季度到一年。不同的內阻儀器測試的結果偏差較大，且同一蓄電池內阻進行縱向比較才與SOH有較高的相關性。因此，蓄電池投運6個月性能穩(wěn)定后應用內阻測試儀記錄蓄電池內阻的原始值作為基準值。在以后的運行中定期測量蓄電池的內阻并與值相比較。當內阻值與基準值偏差超過30%時就要引起注意，應采用容量測試等更精確的措施來確定蓄電池的SOH。