铅酸蓄电池极板硫化与失效原因分析与名词解释.doc

铅酸蓄电池极板硫化与失效原因分析
铅酸蓄电池已发明有一百多年了，一百多年铅酸蓄电池有着极大的发展与应用。目前市场上应用的铅酸蓄电池有：普通、密封、免维护式等，由于铅酸蓄电池经济实用等优点，至今仍在大量广泛应用，占市场量的70%以上，各行各业都在应用。但由于铅酸蓄电池的特性、结构、材料、生产环境、工艺及使用保养维护等因素，据有关资料统计，铅酸蓄电池过早失效而报废的现象，75%以上都是由于铅酸蓄电池极板上形成不可逆硫酸铅盐铅化、自放电、活性物质失效及脱落的原因，而这三大难题一直是困挠铅酸蓄电池行业难于攻克的顽症，至今还没有解决这三大难题的绝对好办法。如普通铅酸蓄电池设计寿命为2-3年，而往往实际使用只一年我时间或更短时间，免维护铅酸蓄电池设计寿命为7-15年，有的制造出来由于贮存时间过长，未经使用就已失效报废，远远短于预期使用寿命，导致能源的浪费及应用的经济效益。
一、铅酸蓄电池的基本结构及特性
铅酸蓄电池主要壳体、正负极板、隔板，电解液在电场作用下将电能转变为化学电能贮存，又将化学电能转为直流电能，并可反复进行数次充放电循环的一种装置，电化学反应式为：

上式可知铅酸蓄电池是一个复杂的电化学反应体系，铅酸蓄电池性能寿命长短取决于制造正负极板的材料，工艺环境、活性物质纯度组合构成及使用环境和维护等有很重要的影响。
二、铅酸蓄电池正负极板（电极）中活性物质与容量重要关系。
1、由于铅酸蓄电池容量的多少与正负极板中能参加电化学反应的活性物质的数量面积有重要关系，这里所讲活性物质量指的是能参加可逆性电化学反应的真实表面积，而不是几何尺寸的计算面积。当铅酸蓄电池加入电解液后，正负极板都在电解液（硫酸）的浸泡之中，一部分电解液中的硫酸被正负极板吸收，正负极板表面全是硫酸铅。
    而正负极板在电场的作用下，正极板的表面形成致密的二氧化铅，而负极板的表面形成致密的纯铅，其正极板形成的二氧化铅越致密铅酸蓄电池容量就越大。因此，在常规的充放电过程中，正负极板在充电时得到二氧化铅和纯铅，放电后正负极板形成硫酸铅，其活性物质应是迸性的，可相互换置的离子结构的活性物质才对电化学反应有效。
    按规定规格标准生产制造的任何一种额定容量的铅酸蓄电池，在常充电下其铅酸蓄电池的容量应在额定容量的95%以下，说明其铅酸蓄电池不合标准，其原因有制造材料、生产工艺、环境、产品贮存时间过长其活性物质老化失效等原因。
三、极板酸化，自放电、活性物质脱落与铅酸蓄电池失效。
1、极板硫化：所谓硫化是指正负极板上形成不可逆硫酸铅盐化组成一层白色粗粒结晶的硫酸铅而言。这种结晶体很难在正常的充电时消除，硫化的形成程度与铅酸蓄电池容量有很大的关系，硫化越严重，电容量越少，直至报废，极板硫化的因素很多，主要是铅酸蓄电池贮存时间过长，因为极板在化成处理时活性物质表面存在硫酸，导致活性物质表面的硫酸铅老化后失去电离的作用。铅酸蓄电池带电搁置时处于放电状态，放电后未及时给电池充电，电解液密度过高或不纯，都会使正负极板中活性物质的表面形成不可硫化。所以，硫化是导致极板活性物质失效报废的主要原因。
2、自放电，是指铅酸蓄电池内电自行消耗，一般认为每昼夜容量下降不大于2%，就认为正常，因铅酸蓄电池本身有自放电缺点，如果每昼夜容量下降大于2%时，那就是有故障了，自放电原因主要有：生产制造中材料不纯（如含锑过高或其它有害杂质），电解液中含有害杂质（铁、锰、砷、铜等离子），正负极板硫化后极隔板孔隙堵塞，导致铅酸蓄电池内阻消耗增大，都有导致铅酸蓄电池产生自放电的原因，所以，要求电解液必须是专用硫酸，水必须是蒸馏水或去离子水。
3、极板活性物质脱落
规范的使用铅酸蓄电池，正负极板中的活性物质是不易脱落的。正极板活性物质的脱落主要是电不足或低温时大电流放电，而负极板活性物质的脱落主要是过充电或充电电流过大，过充电会引起水的电解产生大量的氢气和氧气，当氢气向孔隙冲出时，会使活性物质脱落，铅酸蓄电池在颠震的环境使用也会加速活性物质的脱落。所以，要求铅酸蓄电池在使用中一定要避免过充过放电发生。
4、电池的失效报废
是指新铅酸蓄电池未使用就失效报废了，原因在于：铅酸蓄电池制造材料中的活性物质组合不合理；极板在化学处理时未达到充放标准；极板贮存环境不良或存放时间过长，密封受损，长期处于空气的氧化之中，致使极板活性物质被老化；在使用过程中维护不当，某一单体长时间处于去电状态，大电流放电时去电单体出现反极电压后，仍未及时给蓄电池维护：如调整电解液密度，加蒸馏水，给蓄电池补充电，导致该单体不可逆硫化而失效。在铅酸蓄电池的使用过程中，往往是夏季未及时给蓄电池加水，气温高蒸发快导致电解液不足或干枯，使极板露出电解面后受空气而氧化氢脆导致极板硫化而坏死。所以，铅酸蓄电池的损失是夏季时期，动力是在夏季时气温高易起动，对铅酸蓄电池容量要求高，可是铅酸蓄电池在夏季时极板活性物质局部面积形成硫化，冬季时要求铅酸蓄电池大电流供电已不可能。如果起动或牵引用铅酸蓄电池经充电额容量的70%时，只有报废，更换新的蓄电池了。
    总而言之：铅酸蓄电池失效报废，除一部分因机械部件损坏而报废外，而绝大部分铅酸蓄电池的失效都是属于极板活性物质表面形成不可逆硫化后而失效报废的。因此，铅酸蓄电池极板不可逆硫化的难题，仍然是蓄电池领域广大行业人员不断追求待攻克的课题。
主要名词术语
1 蓄电池 (Secondary) cell or battery 能将所获得的电能以化学能的形式贮存并将化学能转为电能的一种电化学装置。
2 单体蓄电池(Secondary)cell ；(Rechargeable)cell 由电极和电解质组成，构成蓄电池组的基本单元。
3 蓄电池组 (Secondary) battery ；(Rechargeable) battery ；Storage battery 用电气方式连接起来的用作能源的两个或者多个单体蓄电池。
4 铅酸蓄电池 Lead-acid battery 电极主要由铅制成，电解液是硫酸溶液的一种蓄电池。
5 碱性蓄电池 Alkaline Secondary battery 电解液是碱性溶液的一种蓄电池。
6 铁镍蓄电池 Nickel-iron battery 正极活性物质主要由镍制成，负极活性物质由铁制成的一种碱性蓄电池。
7 镍镉蓄电池 Nickel-cadmium battery 正极活性物质由镍制成，负极活性物质由镉制成的一种碱性蓄电池。
8 镍氢蓄电池 Nickel- M etal H ydride battery 正极活性物质主要由镍制成，负极活性物质主要由贮氢合金制成的一种碱性蓄电池。
9 锌银蓄电池 Silver-zinc secondary battery 正极活性物质由银制成，负极主要由锌制成的一种碱性蓄电池。
10 充电 Charge (of a battery) 蓄电池从外电路接受电能，并转换为化学能的工作过程。
11 放电 Discharge 蓄电池将化学能转换为电能，并向外电路输出电流的工作过程。
12 开路电压Open circuit voltage ；Off-load voltage 开路时，蓄电池正、负极间的电位差。
13 标称电压 Nominal voltage 用来识别蓄电池类型的适当的电压近似值。
14 整体蓄电池 Monoblock battery 多个极群组装在一个多格蓄电池壳中的一种蓄电池。
15 排气式蓄电池 开口式蓄电池 Open cell 蓄电池盖上有孔可装有排气装置，允许气体产物逸出的一种蓄电池。
16 无泄露蓄电池 Unravel cell 任何地方都不会泄露电解质的蓄电池。注：某些排气式蓄电池设计成无泄露的，但充电时可能有漏夜现象。
17 密封蓄电池 Sealed cell 当蓄电池在规定的设计范围内工作时保持密封状态，但当内部压力超过预定值时，允许气体通过一个可复位或不可复位的压力释放装置逸出。注： 1. 可以通过在蓄电池内部的部分或全部气体再复合来实现密封。2. 这种蓄电池是免维护的，通常可在任何地方工作，不用添加电解液。
18 干式荷电蓄电池 Dry charged battery 无电解液贮存的蓄电池，其极板是干的，且处于荷电状态。
19 活性物质Active material 当蓄电池放电时通过化学反应产生电能，而在充电时又恢复为原组分的极板物质。
20 极板 Plate (of a battery)由活性质和支撑用的导体(必要时)组成有电极。
21 正极板 Positive plate 放电期间构成阴极而在充电期间构成阳极的—种极板。
22 负极板 Negative plate 放电期间构成阳极而在充电期间构成阴极的一种极板。
23 极板群 极板组 Plate group 具有相同极性的极板连接而成的组件。
24 隔板 Separator (of a battery) 放在蓄电池正负极板之间，允许离子穿过的电绝缘材料构件，它能完全或部分地阻挡活性物质的混合。
25 极群组 组合极板组 Plate pack 由隔板和正，负极板组组成的部件。
26 端子：极柱 Terminal (of a battery) 蓄电池与外部导体连接的部件。
27 电解质：电解液 Electrolyte 含有移动离子并起离子导电作用的液相或固相物质。
28 蓄电池壳：蓄电池槽 Container 容纳蓄电池极群组和电解质而不受电解质腐蚀的容器。
29 容量 (Battery) capacity 在规定的条件下，完全充电的蓄电池能够提供的电量，通常用安时(Ah)表示。注：这一电量的国际单位为库仑(1c=lA*s)。但在实际使用时，蓄电池容量通常用A.h表示。
30 放电率 Discharge rate 蓄电池放电时用安培表示的电流。
31 终止电压Final voltage Cut—off voltage 认为放电终止时的规定电压。
32 初始电压 Initial voltage 电路闭合后，初始瞬间极化效应达到稳定时刻的负载电压。
33 标称容量 Nominal capacity 用来鉴别蓄电池适当的近似的安时电量。
34 额定容量 Rated capacity 在规定的条件下，蓄电池完全充电后所能提供的由制造厂标明的安时电量。
35 自放电 Self-discharge 当蓄电池不与外电路连接时，由于蓄电池内自发反应而引起的化学能损失。
36 起动能力 Starting capability 蓄电池在规定的条件下给发动机起动电机提供电能的能力。
37 充电接受能力 Charge acceptance 蓄电池在规定的条件下接受充电的能力。
38 荷电保护能力 Charge retention 蓄电池在规定的条件下开路时保持荷电的能力。
39 热失控 Thermal runaway 在恒压充电期间发生的一种临界状态。此时，蓄电池的电流及温度发生一种累积的互相增强的作用，并逐渐增强导致蓄电池的损坏。
40 过充电 Overcharge 宪全充电后仍延续的充电。
41 恒流充电 Constant current charge 电流维持在恒定值的充电。
42 恒压充电 Constant voltage charge 蓄电池端子间的电压维持在恒定值的充电。
43 改进的恒压充电 Modified constant voltage charge 采用限制电流的恒压电源充电的一种方式。
44 急充电 Boost charge 通常是以高倍率短时间的一种部分充电。
45 均衡充电 Equalizing charge 为确保蓄电池组中的所有单体蓄电池完全充电的一种延续充电。
46 涓流充电 Trickle charge 为补偿自放电，使蓄电池保持在近似完全充电状态的连续小电流充电。
5、铅的主要合金
    常用铅合金主要有：铅锑合金、铅低锑合金、铅锑镉合金、铅钙合金等。