下面,就以电池失效模式来探讨设备条件、使用条件和维护条件对电池失效的影响及其应对方法：
一、电池的失效模式及其原因
1、电池的正极板软化
电池的正极板是由板栅和活性物质组成的,其中活性物质的有效成分就是氧化铅。放电的时候氧化铅转为硫酸铅,充电的时候硫酸铅转为氧化铅.氧化铅是由α氧化铅和β氧化铅组成的,在2种氧化铅中以其中α氧化铅荷电能力小但是体积大,比为β氧化铅坚硬,重要起支撑用途;β氧化铅恰好相反,荷电能力大但是体积小,比为β氧化铅软,重要起荷电用途。α氧化铅是在碱性环境中生成的,在电池内部一旦出现参与放电以后,在充电只能够生产β氧化铅。正极板的活性物质是多孔结构的,就与电解液——硫酸的接触面积来说,多孔结构是平面的数十倍。假如α氧化铅参与放电以后,重新充电以后只能够生成β氧化铅,这样就失去了支撑,不仅仅会出现正极板活性物质脱落,而且脱落的活性物质还会堵塞正极板的微孔,导致正极板参与反应的真实面积下降,形成电池容量的下降。后备电源的电池使用年限要求比较严格,对电池的比容要求比较宽,因此后备电源使用的电池的后备电源的电池α氧化铅和β氧化铅比例比深循环的动力型电池大一些.为了减少α氧化铅参与放电,一般控制放电深度仅仅为40%.随着电池的使用时间的新增,电池的容量下降,新电池放电40%的电量,关于旧电池来说必然上超过40%的,所以旧电池就相当于放电深度深,电池的正极板软化也会被加速.所以,电池的容量寿命曲线的后期下降速率远远高于中期.电池容量越小,放电深度越深,α氧化铅损失也越多,正极板软化也越严重,导致电池容量下降越快,形成了恶性循环。
这样,电池的放电深度要严格控制.实现这个控制的是靠基站的电源管理系统的国内和设置。目前控制电池放电深度的重要标准还是一次放电量和放电电压.这样,尽可能防止在应急的时候强制放电,而应该按照放电量来新增电池的容量。
2、电池的正极板腐蚀
正极板的板栅中的铅在充电过程中或被氧化为氧化铅,并且不能够再还原为铅,形成正极板腐蚀。而氧化铅的体积比铅的体积大,形成体积线性新增变形,使正极板活性物质与板栅脱离,导致正极板失效.而过充电会严重加速正极板腐蚀.我们一般以为不会出现过充电状态.实际上,基站的浮充电压假如跟不上环境温度的上升而进行下降的补偿,过充电就出现了.如基站的空调不够或者损坏,电池的过充电也会出现。这样电池的正极板板栅在不同的使用条件下会有不同的腐蚀速度.这与电池的使用环境温度关系密切。
3、消除硫化
消除电池硫化的方法有几种方法,各有特点。
a.水疗法
假如硫化不太严重,可以使用较稀的电解液,密度在1.100g/cm3以下,即向电池中加水稀释电解液,以提高硫酸铅的溶解度。并用20h率以下的电流,在液温30℃~40℃的范围内较长时间充电,可能得以恢复.假如电解液密度较高,则充电时只进行水分解,活性物质难以恢复.关于密封电池来说,水疗法是无法进行的.另外,水疗法的成本和使用工时都比较大.现在有了脉冲修复的方法,已经很少见到水疗法了。
b.化学处理方法
采用化学添加剂,在电池发生硫化的时候使用.这种方法对消除硫化是行之有效的,但是其副用途不可忽视.重要问题是会形成自放电明显新增,所以一般的电池制造商都不敢使用。
c.大电流充电
若认为吸附是造成硫酸盐化的原因,则可以用高电流密度充电(达100mA./cm2)。在这样的电流密度下,负极可以达到很负的电势值,这时远离零电荷点,使φ-φ(0)<0,改变了电极表面带电的符号,表面活性物质会发生脱附,特别是对阴离子型的表面活性物质,这种有害的表面活性物质从电极表面上脱附以后,就可以使充电顺利进行.目前国内几乎没有人使用这种方法处理不可逆硫酸盐化,可能出于以下考虑:高电流密度下极化和欧姆压降新增,这部分能量转化为热,使蓄电池内部温度升高,同时又有大量的气体析出,尤其是正极大量气析出气体,其冲刷用途易使活性物质脱落。
d.脉冲修复
按照原子物理学和固体物理学的原理,硫离子具有5个不同的能级状态,通常处于亚稳定能级状态的离子趋向与迁落到最稳定的共价键能级而存在。在最低能级(即共价键能级状态),硫离子包含8个原子的环形分子形式存在,这8个原子的环形分子模式是一种稳定的组合,难以被打碎,形成电池的不可逆硫酸盐化——硫化。多次发生这样的情况,就形成了一层类似与绝缘层相同的硫酸铅结晶。
要打碎这些硫酸盐层的束缚,就要提升原子的能级到一定的程度,这时候在外层原子加带的电子被激活到下一个更高的能带,使原子之间解除束缚。每一个特定的能级都有唯一的谐振频率,必须供应给一些能量,才能够使得被激活的分子迁移到更高的能级状态,太低得能量无法达到跃迁所要的能量要求,但是,过高的能量会使已经脱离了束缚而跃迁的原子处于不稳定状态,又回落到原来的能级。这样,必须通过多次谐振,使得其中一次脱离了束缚,达到最活跃的能级状态而又没有回落的原来的能级,这样,就转化为溶解于电解液的自由离子,而参与电化学反应。
很高的电压可以实现,就是大电流高电压充电的方法,谐振也可以实现,就是脉冲谐波谐振的方法。
从固体物理上来讲,任何绝缘层在足够高的电压下都可以击穿。一旦绝缘层被击穿,粗大的硫酸铅就会呈现导电状态。假如对高电阻率的绝缘施加瞬间的高电压,也可以击穿大的硫酸铅结晶.假如这个高电压足够短,并且进行限流,在打穿绝缘层的条件下,充电电流不大,也不至于形成大量析气.电池析气量强正相有关充电电流和充电时间,假如脉冲宽度足够短,占空比足够大,就可以在保证击穿粗大硫酸铅结晶的条件下,同时发生的微充电来不及形成析气.这样,实现了脉冲消除硫化。
实现脉冲消除硫化和抑制电池硫化的方法,一般可以采用脉冲保护器和修复仪来处理.一般使用2类修复方法.其一为在线修复,把可以出现脉冲源的保护器并联在电池的正负极柱上,使用电池或者充电器的电源或者使用外来的市电,就会有脉冲输出到电池上面.这种修复方式所要的能源很少,比较慢,但是由于常年并联在电池极柱2端,慢也没有关系.关于没有硫化的电池,可以抑制电池的硫化。
其二为离线式的,可以出现快速的脉冲,脉冲电流相比较较大,出现脉冲的频率比较高,脉冲占空比比较大.一些产品还具有自动控制.这种修复仪重要是用来修复已经硫化的电池。
