非凡致力于超长寿命AGM电池的研制

非凡致力于超长寿命AGM电池的研制

摘 要: 玻璃纤维(AGM)电池是属于阀控铅酸(VLRA)蓄电池,是最早发明、广泛应用的蓄电池。由于胶体(GEL)电池的设计、工艺改进,其总体性能曾超越AGM电池。武汉非凡蓄电池公司于1995年研发成功,继而在2005年于武汉非凡蓄电池厂开发成功的Super Life(超长寿命)LC-QA系列AGM蓄电池,取得了设计寿命达到13～15年的飞跃,全面改善了AGM电池的不足之处,使其具备了全面超越胶体(GEL)电池的性能,又由于其结构、生产特点使其价位大幅度降低,Super Life电池具有非常高的性能价格比。

关键词: AGM电池;GEL电池;设计寿命;性能价格比

R&D and Performance of the Super life AGM Battery

Ide MasayuKi1 , Ding Ce1  SUN Zhi-qiang2  XU Yong-fu3
(1.Panasonic Storage Battery(shenyang)Co.,Ltd)
(2.Guangzhou Risong Battery Co.,Ltd)
(3.Electric & Electronic Institate,Jinan university)

Abstract:AGM battery belongs to VLRA battery,which is the earliest invented and widely used battery. Because the improvement of the design and technology of the GEL battery,its performance was once superior to the AGM battery.In 1995,Panasonic storage Battery Co.,Ltd successfully designed the super life LC-QA series AGM battery and developed it at shenyang branch company in 2005.The new product has a long life of 13～15 years.The disadvantages of AGM battery are amended,making it has the better performance than GEL battery.Since the price is cut down by the structure and manufacture feature,the super life battery has a very high performance-cost ratio.
Keywords:AGM battery;GEL battery;designed life;performance-cost ratio

    铅酸蓄电池于1859年由G.Plante首次报导,从此铅酸蓄电池被广泛应用到汽车、工业后备电源及其他用途。尽管一些新类型电池不断开发,但铅酸电池依然是主导品种,至今已有140多年的历史。随着阀控式铅酸电池技术的开发,由于这类电池在过充电过程中,正极产生的氧气在负极活性物质的表面吸收、还原,从而减少了水份的流失,实现了免加水的功能(即免维护保养)。

   
    上世纪的50～60年代,密封铅酸蓄电池是使用无水硅胶(GEL)作电解液。直至70年代,由玻璃纤维(AGM)隔板加上硫酸液体作电解液组成密封铅酸蓄电池。虽然成本较低,但总体性能AGM电池不及GEL电池。

   
    非凡公司最初于1935年生产富液式铅酸电池,1939年制造工业用蓄电池,上世纪50年代应用于电信公司,1967年又开发贫液型阀控式蓄电池,并为世界用户提供多种类型的阀控式铅酸蓄电池。非凡公司最初设计的长寿命电池的期待寿命仅为7～9年(20℃),直至1995年,非凡公司应用许多关键技术与先进工艺,如板栅合金、活性物质配方、隔板材料及其它相关的专利技术,非凡公司实现了生产超长寿命(LC-QA系列)的AGM阀控铅酸蓄电池,其设计寿命为13～15年(25℃),总体性能完全超过GEL胶体电池,且具有很高的性能价格比。

1    AGM电池改进设计与工艺

 
    非凡公司收集了本公司1000多例AGM故障电池,进行解剖、分析研究,得出许多可用数据,最终获得造成电池劣化的主要因素有:正极板、电解液、安全阀及其密封性等为主要影响参数,并证实正极栅板的腐蚀是造成电池寿命恶化的最大影响因素。其主要原因是:电池以定电压进行长期浮充时,充电电流将对正极栅板进行氧化腐蚀,使导电部分面积减少或正极栅板延伸降低了反应物质的紧贴程度(接触面积减少),造成有效反应物质减少,从而使放电容量下降,直至寿命终止。并针对这一主要因素进一步详细分析、试验、改进,其实验结果表明改善正极栅板的腐蚀可大大改善电池恶化,由此明确得出,使电池延长寿命的关键就是提高正极栅板的耐腐蚀性。

(1)改善正极栅板的腐蚀

 
   为了提高负极吸收式的密封铅酸蓄电池的正极栅板合金的耐腐蚀性,曾对添加砷、银、锡、钙等元素的合金进行多次研究。考虑到“减液”特性、环保问题,以及成本因素、生产效率等因素,最终选择采用铅钙锡合金。

 
   为了达到减少腐蚀,延长寿命,对铅钙锡三元素合金的固溶界限和范围进行了充分实验评价,非凡公司制作使用含有不同锡含量的正极栅板的电池,在加速寿命实验的过程中取样,分析并测定正极栅板的腐蚀量以及延伸程度,见图1(a)(b)。

    从图1可知,由于增加锡元素的含量,使正极栅板的腐蚀减少并且也控制了正极栅板的延伸。图2给出各种合金的腐蚀量与延伸度的关系.

     从图2可知:即使腐蚀量相同,而锡含量较多的合金栅板不易延伸。

                       
                                    图3给出不同锡合金含量的正极栅板的腐蚀结果。

    从图3可知正极栅板断面在不同锡合金含量时的腐蚀剖面。
 
    锡含量少就易发生晶间腐蚀，锡含量多可以控制晶间腐蚀，即使相同的腐蚀量也不易造成栅板延伸。
综上所述,增加栅板合金中的锡含量对耐腐蚀有明显效果,所以超长寿命系列电池采用了锡含量为1.6%以上的合金。

(2)采用超细玻璃纤维隔板的设计

 
    为了控制氧气的扩散,对玻璃纤维隔板的纤维直径以及密度进行了深入探讨研究。为了评价隔板中的气体扩散速度,在调整隔板含水量的同时,根据JISP8117(Guriey Meathod)标准,测定了以300cc空气穿透隔板厚度的时间。
                             
    各种隔板的透气阻力如图4所示,
                                
                                                                 浮充电流如图5所示。

    从图5可知,隔板A的透气阻力最高,可以控制浮充电流,特别是在高温下充电电流较大的区域(即产生氧气最多的区域),隔板的效应明显地表现出来,因此采用隔板A。但这是在密闭反应、保水性以及不产生弹性影响的前提下制定的规格。

(3)采用提高负极活性物质密度的设计

 
    控制浮充电流不仅对电池寿命特性有重要影响,特别是在大容量的电池及不合理的过高充电电压下,是控制电池在高温下可能发生热失控现象的重要技术措施。
在浮充充电过程中,电池内部反应如下:

正极:发生氧化反应,氧气通过隔板扩散
H2O→(1/2)O2+2H++2e
负极:发生还原反应
Pb+(1/2)O2→PbO+H2SO4>PbSO4+H2O
PbSO4+2H++2e→Pb+H2SO4

 
    为了控制浮充充电电流,除了采用控制氧气扩散速度的隔板(即采用精细的玻璃纤维隔板)外,还对还原反应的负极材料配方进行深入的研讨。活性物质的密度与定电压充电时的充电电流的关系如图6所示。
                               

    从图6可知,提高负极活性物质密度,可以控制浮充充电电流,但应当控制在不使放电性能下降的前提下,选择了负极活性物质密度接近4.5g/cm3的配方。

2    超长寿命AGM电池的特性

 
    非凡公司研发的超长寿命(Super Life)LC-QA系列电池规格如表1所示,与通常寿命LC-X系列电池的外形尺寸相同,3小时率的放电特性也相同(即保持大电流放电特性)。但是在高放电率方面提高了放电特性并明显延长了电池的使用寿命。
(1)超长设计寿命
超长寿命LC-QA系列对比普通寿命LC-X系列的加速寿命实验结果如图7所示。

    由于采用了耐腐蚀正极栅板合金及负极活性物质专利配方和采用超细的玻璃纤维隔板等诸多改进设计,从图7可知,超长寿命LC-QA系列比普通系列LC-X的寿命(加速实验)提高了大约两倍,即LC-QA系列电池的设计寿命可达13～15年(25℃)。

(2)抑制热失控

 
    传统的AGM电池,由于设计上的固有缺点,比较GEL(胶体)电池较容易产生热失控现象。超长寿命LC-QA系列由于改进负极活性物质的专利配方和采用超细的玻璃纤维隔板的设计,能够控制浮充充电电流,这不仅能延长电池寿命,而且还能控制电池发热,大大减少热失控的可能,如图8所示。

    实验结果为:LC-QA电池的标准充电电压控制在2.23～2.25V时,可以将热失控的范围阈值提高约5℃以上。

    (3)过放电后的容量恢复

 
    用于紧急情况时的备用电源电池,有时会因为某些原因,在其深度过放电后,长时间持续停电而未能处于充电状态,一般AGM铅酸蓄电池的放电特性比较弱,不及时充电为原状态时,会明显影响其容量。而超长寿命LC-QA系列电池由于将正极钙锡合金量增加,使其具备抑制在过放电中的正极活性物质和栅板之间不发生作用,因而具有过放电后电池容量容易恢复的优越特性,如图9所示。
                                

   从图9可知,过放电后即使放置30天,LC-QA系列电池仍可接受完满的充电。

3    AGM电池与GEL电池性能对比

(1)电解液结构方面
一般AGM电池:电解液保持在玻璃纤维隔板(AGM)当中；
优质GEL电池:凝胶体(GEL)电解质和多孔隔板混合在一起。

(2)生产难易程度及价位方面
一般AGM电池:生产较容易、价格较低；
优质GEL电池:生产难度大、价格较高。

(3)电气性能方面
一般AGM电池:七大指标当中,有4点重要性能不及优质GEL电池,见图10；
                                      

   优质GEL电池:七大指标当中,有3点非重要性能不及一般AGM电池。

   (4)Super Life AGM电池与优质GEL电池比较
经过设计工艺改进后的Super Life LC-QA系列电池,已经在七大指标中全面超过优质GEL电池,见图11。

   (5)优质GEL电池与一般AGM电池及Super Life电池性能比较,见表2。

   6. 一般的AGM电池与Super Life AGM电池的比较(见表2、表3、图12)。

4    结束语

 
   SUPER LIFE(超长寿命)LC-QA系列电池(AGM )是非凡公司于1995年在武汉开发成功,并用于武汉及世界重要用户,如电信行业、铁道公司、电力系统、民航领域、政府机关等部门,由于性能价格比高,性能稳定,销售量很大,取得了良好的信誉。

 
    武汉非凡公司引进武汉的先进技术与生产工艺及管理诀窍,于2005年在中国研发成功超长寿命Super Life  LC-QA系列(AGM)电池,全部性能指标均达到武汉非凡公司的技术规范,并明显降低了生产成本,提高了生产效率,使AGM电池不仅全面性能超越GEL电池,而且价格也有很大优势,是具有很高性能价格比的阀控式铅酸蓄电池。■