在高性價(jià)比的化學(xué)電源中,誕生了150多年的鉛酸蓄電池,在目前的應(yīng)用中占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位。但隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的加快,用戶和環(huán)境也對(duì)于鉛酸蓄電池的性能寄予了更多的期望(例如高能量密度、高可靠性、快速充電接受性能、高率放電性能、節(jié)能低碳、更低總擁有成本等),而傳統(tǒng)型的鉛酸蓄電池技術(shù)已經(jīng)逐漸在這些新的技術(shù)期待面前捉襟見肘;此外,傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池在制造之初,為了便于加工及提高機(jī)械強(qiáng)度,不得不在板柵中加入其它金屬形成合金結(jié)構(gòu),但是合金形成后,一方面固然增加了加工的便利性。但另一方面也導(dǎo)致電池極板在使用過程中腐蝕加快、電池的自放電率增大、使用過程中失水較快、內(nèi)阻變大等問題。基于以上需求和問題,不添加任何合金的純鉛薄極板(Thin Plate Pure Lead,TPPL)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

純鉛薄極板電池最初由美國Gates公司研發(fā)成功并申報(bào)了專利保護(hù),最早的研發(fā)方向是應(yīng)用于航空設(shè)備電源系統(tǒng)的卷繞式圓柱形電池,由于高純度的金屬鉛板柵(純度約99.99%)較軟,制造工藝難度非常大,該技術(shù)并未得到大面積推廣。由于純鉛技術(shù)的顯著優(yōu)勢(shì),后來部分國外廠家投入大量的精力,結(jié)合蓄電池領(lǐng)域應(yīng)用工況,進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的研發(fā)試制,同時(shí)也優(yōu)化了純鉛薄極板的電化學(xué)體系、提高充放電接受能力,通過特殊的生產(chǎn)工藝及采用全自動(dòng)化的工裝機(jī)器人生產(chǎn)出適宜于工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的板式(Plate)純鉛薄極板電池并成功的將其進(jìn)行商業(yè)化。

TPPL技術(shù)作為化學(xué)電源中的新型技術(shù),它既不同于傳統(tǒng)型鉛酸蓄電池的膠體(Gel)技術(shù),也不完全等同于普通型鉛酸蓄電池的AGM(AbsorbedGlassMat)技術(shù);純鉛薄極板技術(shù)從電池的基本材料(包括外殼)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電化學(xué)性能、制造工藝及質(zhì)量控制都與傳統(tǒng)產(chǎn)品有著極大的差別,體現(xiàn)了化學(xué)電源技術(shù)發(fā)展的最高水平。

　　1 純鉛薄極板技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

(1) 純鉛板柵

純鉛板柵通常采用高純度的原生態(tài)鉛再提純后經(jīng)碾壓、沖壓制成正負(fù)極板柵鉛帶,與傳統(tǒng)的重力澆鑄型鉛鈣錫合金板柵不同,純鉛板柵的晶格更為致密,即便在高溫環(huán)境之下也更耐腐蝕(見圖1);同時(shí)相比于合金板柵,其析氫過電位更高,更有效地減少蓄電池在充電過程中電解失水。

(2) 超薄型極板

相對(duì)于傳統(tǒng)的鉛鈣合金電池極板,純鉛薄極板電池極板厚度僅有1mm左右(見表1),在同等的空間內(nèi)可以放入更多的極板,提高了極板反應(yīng)接觸總面積(如圖2),從而使得純鉛電池在快速充電和高功率放電時(shí)性能表現(xiàn)極其優(yōu)異。

(3) 極板預(yù)防短路設(shè)計(jì)

由于純鉛薄極板電池極板非常薄,加之純度高,極板本身較軟,容易變形;純鉛薄極板采用了特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),極板表面增加耐酸、耐熱的防短路防脫落材料,一方面保證電解液中荷電離子的移動(dòng),另一方面有效避免了超薄型極板容易變形導(dǎo)致短路、充填進(jìn)板柵的活性物質(zhì)因大電流負(fù)載下崩脫等故障。

(4)高強(qiáng)度阻燃性外殼由于純鉛薄極板電池內(nèi)部極板片數(shù)較多,內(nèi)部群壓較高,加之純鉛薄極板電池工作壽命很長(zhǎng),普通型(或改性)的ABS、PP塑料外殼無法滿足極板壽命需求,所以純鉛薄極板電池均采用具有更高強(qiáng)度、無鹵素高阻燃性的改性PPO(ModifiedPoly-PhenyleneOxide)塑料作為外殼,以確保電池的外殼在整個(gè)電池正常壽命周期內(nèi),材料無降解、性能無衰減,且在使用中不產(chǎn)生變形。根據(jù)測(cè)試,采用改性PPO材料外殼制作的純鉛薄極板電池工作溫度范圍在-40～+65℃。

在同等的壁厚、氣壓、面積等條件下,各外殼材料的特性見表2。

(5)自放電率更低

由于純鉛薄極板電池內(nèi)部采用高純度的材料,與合金板柵的電池容易出現(xiàn)的內(nèi)阻大、每3～6個(gè)月需要進(jìn)行充電等要求不同,在常溫狀態(tài)下,純鉛薄極板電池可以靜置兩年以上(見圖3)。

(6)大電流充放電接受性與傳統(tǒng)性蓄電池相比,純鉛薄極板電池極板數(shù)量更多、反應(yīng)面積更大、內(nèi)阻較小,可以接受高達(dá)10C10的充電電流。對(duì)于完全放電的電池,當(dāng)采用1C10的充電限流值時(shí),在2h內(nèi)可以將電池100%充滿;即使采用電信行業(yè)常用的0.25C10的限流值,100%充滿電的時(shí)間也在6h以內(nèi),充電時(shí)間不到傳統(tǒng)閥控式鉛酸電池的三分之一(見圖4)。

(7)卓越的高、低溫性能

純鉛薄極板電池?fù)碛斜绕胀姵馗蟮臉O板比表面積,極大地降低了內(nèi)阻,使電池在低溫下也能進(jìn)行正常充電。由于其貧液式設(shè)計(jì),低溫下沒有液態(tài)酸的冰凍,因此也不產(chǎn)生輸出電流隨溫度降低而急劇減小的問題;在高溫下,冷軋純鉛板的高耐腐蝕性和超高的充電接受性,確保電池有很長(zhǎng)的使用壽命(見圖5)。

作為先進(jìn)技術(shù)所代表的電池產(chǎn)品,純鉛薄極板電池以其傳統(tǒng)型電池不具備的優(yōu)點(diǎn),對(duì)于傳統(tǒng)型鉛酸電池所面臨的在高溫環(huán)境下的使用壽命短、均一性差和快速充放電、浮充、循環(huán)使用同時(shí)兼顧等問題提出了有效的解決方案,所以在對(duì)于可靠度要求較高(例如軍工、航天、地鐵、石化、銀行等)的領(lǐng)域,純鉛薄極板電池得以大量應(yīng)用。

根據(jù)調(diào)查,在北美Switch數(shù)據(jù)中心、Latisys數(shù)據(jù)中心、DigitalRealityTrust數(shù)據(jù)中心、Facebook數(shù)據(jù)中心、香港機(jī)場(chǎng)、香港地鐵、廣州地鐵等用戶中,均有大量的純鉛薄極板電池在投入使用,經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間跟蹤測(cè)試發(fā)現(xiàn),純鉛薄極板電池均一性好、使用溫度范圍寬、支持間歇式充電、無一例發(fā)現(xiàn)有電池變形、漏液等明顯的制造瑕疵,用戶普遍評(píng)價(jià)較好。表3為廣東某地鐵隨機(jī)抽查數(shù)據(jù)(12V100Ah)。

2 純鉛薄極板技術(shù)的不足

雖然純鉛薄極板電池有著眾多傳統(tǒng)型化學(xué)電源不可比擬的優(yōu)勢(shì),但其技術(shù)也存在一些難點(diǎn),例如原材料提純要求較高、生產(chǎn)主要依賴自動(dòng)化設(shè)備、工藝難度較大等等,導(dǎo)致其技術(shù)讓制造企業(yè)無法快速掌握。

　　3 結(jié)束語

隨著社會(huì)發(fā)展,各行各業(yè)細(xì)分市場(chǎng)越來越具體,對(duì)于電源系統(tǒng)(供電系統(tǒng))的可靠性、安全性和穩(wěn)定性要求越來越高,蓄電池的重要性顯得尤為重要。在極其常見的UPS應(yīng)用的工況下,絕大多數(shù)蓄電池都是短時(shí)間大電流(功率)放電、淺循環(huán)的負(fù)載模式,傳統(tǒng)型閥控式密封鉛酸蓄電池和其它的化學(xué)電源由于產(chǎn)品特性、安全性、維護(hù)量大等原因不能完全符合并滿足需要,而針對(duì)于UPS電源系統(tǒng)應(yīng)用研發(fā)的純鉛薄極板電池以其高功率、超長(zhǎng)的浮充壽命、快速充放電、使用溫度范圍寬、均一性好等優(yōu)點(diǎn),為對(duì)電源有高可靠需求的領(lǐng)域,提供了完美有效的解決方案;預(yù)計(jì)在不久的將來,可以取代相當(dāng)大的一部分傳統(tǒng)型及不適宜UPS應(yīng)用的產(chǎn)品,在電源供應(yīng)領(lǐng)域大放異彩。

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　　作者簡(jiǎn)介

甘銳,廣州地鐵集團(tuán)有軌電車公司,通信工程師。

劉解平,Northstar(北極星)Battery,銷售經(jīng)理(中國區(qū))。

編輯：Harris

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