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膠體電池和AGM電池對比分析

文章來源:admin2015-04-25 18:28:54

隨著太陽能的使用越來越廣泛,光伏離網系統里對儲備電源的使用要求也越來越高,目前在光伏運用系統里膠體電池的運用已成為主流。現對膠體電池和AGM電池做出以下對比分析。
當今閥控式密封鉛蓄電池(VRLA)有兩類,即分別采用玻璃纖維隔板(AGM)和硅凝膠(Gel)兩種不同方式來“固定”硫酸電解液。它們都是利用陰極吸收原理使電池得以密封的,但給陽極析出的氧到達陰極提供的通道是不同的,因而二種電池的性能各有千秋。
一、歷史的簡單回顧
鉛酸蓄電池從問世到如今,一直是軍用民用領域中使用最廣泛的化學電源。由于它使用硫酸電解液,運輸過程中會有酸液流出,充電時會有酸霧析出來,對環境和設備造成損害,人們就試圖將電解液“固定”起來,將電池“密封”起來,于是使用膠體電解液的鉛酸蓄電池應運而生。
初期的膠體鉛蓄電池使用的膠體電解液是由水玻璃制成的,然后直接加到干態鉛蓄電池中。這樣雖然達到了“固定”電解液或減少酸霧析出的目的,但卻使電池的容量較原來使用自由電解液時的電池容量要低20%左右,因而沒有被人們所接受。
我國在50年代也開展了初期膠體電池的研制工作,到60年代末也就基本上停止了。然而70年代后期至80年代,國內又有一些非電池行業界的人利用媒體大肆鼓吹自己發明了固體電解質的鉛蓄電池,宣稱使電池容量和壽命提高1倍。這種經不起事實檢驗的肥皂泡式的“發明創造”,不僅未能使鉛蓄電池性能有所提高,而且還敗壞了膠體蓄電池的名聲。
幾乎在研制膠體電池的同時,采用玻璃纖維隔膜的陰極吸收式密封鉛蓄電池卻誕生了,它不但使鉛蓄電池消除了酸霧,而且還表現出內阻小、大電流放電特性好的優點。因而在國民經濟中,尤其是原來使用固定型鉛蓄電池的場合,得到了迅速的推廣和應用,于是人們就把膠體鉛蓄電池拋在腦后了。
80年代,德國陽光公司的膠體密封鉛蓄電池產品進入中國市場,多年來使用效果表明它的性能確實不同于以前的膠體鉛蓄電池。這就迫使人們要重新認識膠體鉛蓄電池。
本文將根據近年來的兩種閥控式密封鉛蓄電池的研制、生產和使用效果對它們進行比較,供選用電池的同事們作參考。
二、電池的工作原理
不論是采用玻璃纖維隔膜的閥控式密封鉛蓄電池(以下簡稱AGM密封鉛蓄電池)還是采用膠體電解液的閥控式密封鉛蓄電池(以下簡稱膠體密封鉛蓄電池),它們都是利用陰極吸收原理使電池得以密封的。
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。析出的氧到達負極,跟負極起下述反應,達到陰極吸收的目的。負極析氫則要在充電到90%時開始,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。
對AGM密封鉛蓄電池而言,AGM隔膜中雖然保持了電池的大部分電解液,但必須使10%的隔膜孔隙中不進入電解液。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。
對膠體密封鉛蓄電池而言,電池內的硅凝膠是以SiQ質點作為骨架構成的三維多孔網狀結構,它將電解液包藏在里邊。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。
由此看出,兩種電池的密封工作原理是相同的,其區別就在于電解液的“固定”方式和提供氧氣到達負極通道的方式有所不同。
三、 電池結構和工藝上的主要差異
AGM密封鉛蓄電池使用純的硫酸水溶液作電解液,其密度為1.29—1.3lg/cm3。除了極板內部吸有一部分電解液外,其大部分存在于玻璃纖維膜之中。為了給正極析出的氧提供向負極的通道,必須使隔膜保持有10%的孔隙不被電解液占有,即貧液式設計。為了使極板充分接觸電解液,極群采用緊裝配的方式。
另外,為了保證電池有足夠的壽命,極板應設計得較厚,正板柵合金采用Pb’-q2w-Srr--A1四元合金。
膠體密封鉛蓄電池的電解液是由硅溶膠和硫酸配成的,硫酸溶液的濃度比AGM式電池要低,通常為1.26~1.28g/cm3。電解液的量比AGM式電池要多20%,跟富液式電池相當。這種電解質以膠體狀態存在,充滿在隔膜中及正負極之間,硫酸電解液由凝膠包圍著,不會流出電池。
由于這種電池采用的是富液式非緊裝配結構,正極板柵材料可以采用低銻合金,也可以采用管狀電池正極板。同時,為了提高電池容量而又不減少電池壽命,極板可以做得薄一些。電池槽內部空間也可以擴大一些。
四、電池放電容量
初期的膠體蓄電池的放電容量只有富液式電池的80%左右,這是由于使用性能較差的膠體電解液直接灌人未加改動的富液式電池之中,電池的內阻較大,電解質中離子遷移困難引起的。
近來的研究工作表明,改進膠體電解液配方,控制膠粒大小,摻人親水性高分子添加劑,降低膠液濃度提高滲透性和對極板的親合力,采用真空灌裝工藝,用復合隔板或AGM隔板取代橡膠隔板,提高電池吸液性;取消電池的沉淀槽,適度增大極板面積活性物質的含量,結果可使膠體密封電池的放電容量達到或接近開口式鉛蓄電池的水平。
AGM式密封鉛蓄電池電解液量少,極板的厚度較厚,活性物質利用率低于開口式電池,因而電池的放電容量比開口式電池要低10%左右。與當今的膠體密封電池相比,其放電容量要小一些。
五、 電池內阻及大電流放電能力
鉛蓄電池的內阻是由歐姆內阻、濃差極化內阻、電化學極化內阻組成的。前者包括極板、鉛零件、電解液、隔極電阻。AGM密封鉛蓄電池所用的玻璃纖維隔板具有90%的孔率,硫酸吸附其內,且電池采用緊裝配形式,離子在隔板內擴散和電遷移受到的阻礙很小,所以AGM密封鉛蓄電池具有低內阻特性,大電流快速放電能力很強。
膠體密封鉛蓄電池的電解液是硅凝膠,雖然離子在凝膠中的擴散速度接近在水溶液中的擴散速度,但離子的遷移和擴散要受到凝膠結構的影響,離子在凝膠中擴散的途徑越彎曲,結構中孔隙越狹窄,所受到的阻礙也越大。因而膠體密封鉛蓄電池內阻要比AGM密封鉛蓄電池要大。
然而試驗結果表明膠體密封鉛蓄電池的大電流放電性能仍然很好,完全滿足有關標準中對密封電池大電流放電性能的要求。這可能是由于多孔電極內部及極板附近液層中的酸和其他有關離子的濃度在大電流放電時起到關鍵性的作用。
六、熱失控
熱失控指的是:電池在充電后期(或浮充狀態)由于沒有及時調整充電電壓,使電池的充電電流和溫度發生一種累積性的相互增強作用,此時電池的溫度急劇上升,從而導致電池槽膨脹變形,失水速度加大,甚至電池損壞。
上述現象是AGM密封鉛蓄電池在使用不當時而出現的一種具有很大破壞性的現象。這是由于AGM密封鉛蓄電池采用了貧液式緊裝配設計,隔板中必須保持10%的孔隙不準電解液進入,因而電池內部的導熱性差,熱容量小。充電時正極產生的氧到達負極和負極鉛反應時會產生熱量,如不及時導走,則會使電池溫度升高;如若沒有及時降低充電電壓,則充電電流就會加大,析氧速度增大,又反過來使電池溫度升高。如此惡性循環下去,就會引起熱失控現象。
對于開口式鉛蓄電池而言,由于不存在陰極吸收氧氣現象,再加上其電解液量比較大,電池散熱容易,熱容量也大,當然不會出現熱失控現象。膠體密封鉛蓄電池的電解液量用得和開口式鉛蓄電池相當,極群周圍及與槽體之間充滿凝膠電解質,有較大的熱容量和散熱性,不會產生熱量積累現象。
德國陽光公司的膠體密封鉛蓄電池進入中國市場已有十余年,幾家代理商均說沒有聽到用戶反映電池有熱失控現象。
七、使用壽命
影響閥控式密封鉛蓄電池使用壽命的因素很多,既有電池設計和制造方面的因素,又有用戶使用和維護條件方面的因素。就前者而言,正極板柵耐腐蝕性能和電池的水損耗速度乃是兩個最主要的因素。由于正板柵的厚度加大,采用Pb—Ca—Sn--Al四元耐蝕合金,則根據板柵腐蝕速度推算,電池的使用壽命可達10~15年。然而從電池使用結果來看,水損耗速度卻成為影響密封電池使用壽命的最關鍵性因素。
對于AGM密封鉛蓄電池而言,由于采用貧液式設計,電池容量對電解液量極為敏感。電池失水10%,容量將降低20%;損失25%水份,電池壽命結束。然而膠體密封鉛蓄電池采用了富液式設計,電解液密度比AGM密封鉛蓄電池低,降低了板柵合金腐蝕速度;電解液量也比后者多15%~20%,對失水的敏感性較低。這些措施均有利于延長電池使用壽命。根據德國陽光公司提供的資料,膠體電解液所含的水量足以使電池運行12~14年。電池投入運行的第一年,水損耗4%—5%,隨后逐年減少,4年之后總的水耗損只有2%。OP2V型密封電池在2.27V/單體條件下浮充運行10年后,其容量還有90%。從國內一些郵電通信部門的反映來看,雖然陽光公司的膠體密封鉛蓄電池售價較高,但其使用壽命卻長于國產的AGM密封鉛蓄電池。
八、氧氣復合效率
復合效率是指充電時正極產生的氧氣被負極吸收復合的比率。充電電流、電池溫度、負極特性和氧氣到達負極的速度等因素,均會影響密封電池的氣體復合效率。
根據德國陽光公司提供的膠體密封鉛蓄電池產品說明書介紹,膠體密封鉛蓄電池產品使用初期,氧復合效率較低,但運行數月之后,復合效率可達95%以上。這種現象也可以從電池的失水速度得到驗證,膠體密封鉛蓄電池運行第一年失水速度較大,達到4%~5%,以后逐漸減少。造成上述特性的主要原因,看來膠體電解質在形成初期,內部沒有或極少有裂縫,沒有給正極析出的氧提供足夠的通道。隨著膠體的逐漸收縮,則會形成越來越多的通道,那么氧氣的復合效率必然逐漸提高,水損耗也必然減少。
AGM式密封鉛蓄電池隔膜中有不飽和空隙,提供了大量的氧氣通道,因而其氧氣復合效率很高,新電池可以達到98%以上。
九、選用貨真價實的膠體密封鉛蓄電池
以上談及的膠體密封鉛蓄電池的一些特性,乃是當今國內外新一代膠體密封鉛蓄電池才具有的性質。這種電池使用的膠體電解質在性能上有別于早期膠體電池使用的膠體電解質,后者是用普通水玻璃制成的,或由一般市售的硅溶膠配成的。此外,新一代膠體密封鉛蓄電池的結構和選材上也不同于一般的鉛蓄電池。
從目前的國內外技術發展水平來看,做一個膠體鉛蓄電池是不難的,然而要做一個好的膠體密封鉛蓄電池卻是不容易的,其中的技術訣竅是任何廠家都不愿透露的。用戶在選用膠體密封鉛蓄電池時,務必小心從事。
 
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