第２３卷第５期 ２０１０年９月 机电产品开发与刨薪 Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｖｏ１．２３。ＮＯ．５ Ｓｅｐ．，２０１０ 文章编号：１００２—６６７３（２０１０）０５—０６０—０３ 铅酸蓄电池使用寿命影响因素与电池失效原因 张红润 ，李军鸿 （１．平顶山工业职业技术学院，河南平顶山４６７０００；２．中平能化集团朝川矿，河南平顶山４６７５２２） 摘 要：铅酸蓄电池以其高的性价比而得到广泛应用。本文综述了铅酸蓄电池使用寿命主要影响因素，分 析了铅酸蓄电池常见的几种失效原因。提出了一些延长铅酸蓄电池寿命的相应措施。 关键词：铅酸蓄电池；寿命；失效 中图分类号：ＴＮ８６ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：ｌＯ．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—６６７３．２０１０．０５．０２３ Ｉｎｆｌｕｅｎｔｉａｌ Ｆａｃｔｏｒｓ ｆｏｒ Ｌｅａｄ—ａｃｉｄ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｌｉｆｅ ａｎｄ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｆａｉｌｕｒｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ＺＨＡＮＧ Ｈｏｎｇ－Ｒｕｎ ，Ｌ１ Ｊｕｎ一 ｎ （１．Ｐｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ＣｏＵｅｇｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｐｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎ Ｈｅｎａｎ ４６７００１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｈａｏｃｈｕａｎ Ｍｉｎｅ ｏｆ Ｚｈｏｎｇ Ｐｉｎｇ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｇｒｏｕｐ，Ｐｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎ Ｈｅｎａｎ ４６７５２２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｌｅａｄ—ａｃｉｄ ｂａｔｔｅｒｙ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｉｔｓ ｈｉｇｈ ｃｏｓｔ ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｍａｋｅｓ ａｎ ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｎ ｉｎｆｌｕｅｎｔｉｌ ｆａｃｔｏｒｓａ ｆｏｒ ｌｅａｄ—ａｃｉｄ ｂａｔｔｅｒｙ ｆｉｆｅ，ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｓ ｓｅｖｅｒａｌ ｒｅａｓｏｎｓ ｏｆ ｂａｔｔｅｒｙ ｆａｉｌｕｒｅ，ａｎｄ ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｔｏ ｅｘｔｅｎｄ ｂａｔｔｅｒｙ ｈｆｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄ：ｌｅａｄ—ａｃｉｄ ｂａｔｔｅｒｙ；ｌｉｆｅ；ｂａｔｔｅｒｙ ｆａｉｌｕｒｅ Ｏ引言 铅酸蓄电池自１８５９年发明以来。至今已有１５０年 的历史。由于其可以大电流放电、有较高的可逆性、电 确保电池的使用寿命，影响电池使用寿命的因素： （１）电池设计、制造工艺。铅酸蓄电池的结构设计、正 负极板结构和材料、正负极板活性物质、隔板材料、电解 液密度等是影响铅酸蓄电池使用寿命的内在因素。 （２）充电过程。不当充电是使电池短命的最重要原 因，恰当的充电对于得到最优化的寿命至关重要。好在 动势较高、原材料来源丰富、制造工艺简便、价格便宜 及高的性价比等特点，广泛用作启动型铅酸蓄电池、固 定型铅酸蓄电池、动力型铅酸蓄电池、铁路用铅酸蓄电 池、贮能用铅酸蓄电池等，铅酸蓄电池至今仍是二次电 池中应用最多、最广泛一类电池，它占据了二次电源市 场７５％的份额［１１。铅酸蓄电池几乎在任何应用中都是最 便宜的蓄电池。探讨铅酸蓄电池使用寿命影响因素与电 铅酸蓄电池固有的物理化学特征使充电控制非常简单。 目前常用的充电方法有：恒电流；恒电流，多步递减电 流；恒电压；先恒流后恒压：先恒压后恒流；开始和最 后恒流，中间恒压；渐减电流充电；脉冲充电；快速充 电等。要根据电池类型、电池设计、使用环境、允许的 池失效的原因，采用相应措施，延长电池寿命，对于节 约资源和降低生产成本都大有裨益。 充电时间、充电的电池组（数）和充电设备等选择合适 的充电方法。电池被充电时，如果以高充电率充电，电 池电压会达到很高的值，导致过充电和析气。故当电池 １铅酸蓄电池使用寿命影响因素 铅酸蓄电池使用寿命和维护成本是关系到电池的性 接近满荷电时，充电电流应该减小到合理的值。 （３）过放电。虽然有些大容量电池能放出大于额定 容量的电量，但仍应避免其过放电。当电池电压降到低 能稳定和使用成本的关键，优良的设计和正确的维护可 收稿日期：２０１０—０７—１４ 于特定值将会使电解液密度降到很低的水平，这种很低 的电解液密度对于电池的多孔结构有害。电池寿命是电 池放电深度的反比例直线函数［１ｌ。 （４）放电电流密度。随着放电电流密度增加，电 作者简介：张红润（１９６８－），女，河南正阳人，副教授。主 要研究方向：电化学；李军鸿（１９６８－），男，河南鲁山人， 高级工程师。主要研究方向：矿山机电技术。 ・产品与市场・ 池的寿命降低。因为大电流密度会促使正极ＰｂＯ 松散 ｌ 架的腐蚀降到最低，降低维修成本，延长电池寿命。落 脱落。 持一定的水平非常重要，因为电解液不仅用来导电，而 低于极板的水平，裸露出来的极板区域就不再具有电化 学活性，也会造成电池中局部热量的聚集，导致极板变 到电池上的灰尘，要及时用风吹掉或用刷子刷掉，以免 Ｉ水或苏打水溶液（４Ｋｇ水溶解１Ｋｇ苏打）清洗，苏打水 （５）电解液水平和电解液的密度。电池中电解液维 『 被潮气润湿而变成导体。溢到电池表面的电解液可用热 且能将产生的热量从极板转移出来。如果电解液的水平 ｌ 洗过的区域应用水彻底冲洗干净。 ｌ ２铅酸蓄电池失效的模式 铅酸蓄电池在使用初期，随着使用时间的增加，其 形，活性物质脱落等，从而降低电池寿命。正常使用条 】 件下，由于蒸发和充电时电解液中水分解为氢气和氧气 ｌ 放电容量也增加，逐渐达到最大值；然后，随着放电次 而造成水的损失。但除非在特别炎热和干旱条件下，否 ｌ 数的增加，放电容量减少。电池在达到规定的使用期限 则如此损失的水只占很小的一部分。尽管如此，定期检 ： 时，对容量有一定的要求。牵引电池的容量不得低于 查水损耗仍非常重要，补水是铅酸蓄电池主要维护成 Ｊ ８０％；对于启动电池，应不低于７０％。电动助力车电池 本。加入水后，必须检查电解液的密度，以确保电解液 Ｉ 标准规定也为７０％ｍ。 密度处于正常范围内。同时应避免加入过多的水，电解 ｌ 液水平过高会使电解液易于溢出而腐蚀托盘、造成地面 短路和电池容量损失等。 一 由于极板的种类、制造条件、使用方法有差异。导 致蓄电池失效的原因各异。归纳起来，铅酸蓄电池的失 Ｊ效有下述几种情况。 对于开口的铅酸蓄电池．要定期检查电解液的密 ｌ（１）正极板的腐蚀变型。目前生产上使用的合金有 度，并调整到规定值。 ：三类：传统的铅锑合金、低锑或超低锑合金、铅钙系 （６）极板和电解液添加剂。铅酸蓄电池正极活性物 Ｉ 列。由合金铸成的正极板栅，在蓄电池充电过程中会被 质是ＰｂＯ 、负极活性物质是Ｐ｝】，为了提高正、负极活 ｌ 氧化成硫酸铅和二氧化铅，最后导致丧失支撑活性物质 性物质利用率，提高铅酸蓄电池性能，改变析氢、析氧 ｌ的作用而使电池失效；或者由于二氧化铅腐蚀层的形 过电位等，通常在正、负极板中加入一些添加剂。电解 成，使铅合金产生应力、板栅长大变形，这种变形超过 。液的有效成分是Ｈ２ｓ０ ，有些添加剂也会提高电解液的 ｌ ４％时将使极板整体遭到破坏，活性物质与板栅接触不 导电能力、改变板栅的循环寿命、提高氧的析出电位或 Ｊ良而脱落，或形成短路。 降低氢的析出电位、改变电池的自放电能力等。添加剂 ｌ （２）正极板活性物质脱落、软化。除板栅长大引起 种类不同。功能各异．有些添加剂在改变电池性能的同 ・活性物质脱落之外，随着充放电反复进行，二氧化铅颗 时，会直接或间接对电池寿命产生影响。 ｌ粒之间的结合也松弛，软化，从板栅上脱落下来，导致 （７）温度。铅酸蓄电池的寿命随温度升高而延长。 Ｊ蓄电池失效。 ５０。Ｃ以上的高温会因负极硫化容量损失而降低了寿命。 ！ （３）不可逆硫酸盐化。蓄电池过放电并且长期在放 因为温度的升高，会使板栅的腐蚀速率、金属零部件 ： 电状态下贮存时，其负极将形成一种粗大的、难以接受 的溶解速率和自放电速率都随之增大。温度升高，电 Ｉ 充电的硫酸铅结晶，此现象称为不可逆硫酸盐化。轻微 池的析气电势降低，电解反应会消耗更多的充电电流。 Ｊ 的不可逆硫酸盐化，尚可用一些方法使它恢复，严重时， 高温环境下循环使用的电池需充入更多的电量以抵消 一则电极失效，充不进电。 （４）容量过早的损失。当低锑或铅钙为板栅合金 放出的容量和自放电损失。在浮充电条件下，温度的 ｌ 升高，浮充电电流增加，会造成电池寿命缩短。生产时 『时，在蓄电池使用初期（大约２０个循环）出现容量突 在负极中使用更多的膨胀剂等方法有助于提高电池在 Ｉ 然下降的现象，使电池失效。 高温下的性能。 一（５）热失效。对于少维护电池，要求充电电压不超 （８）电池平衡。循环使用过程中，由很多单体电池 『过单格２．４Ｖ。在实际使用中，调压装置可能失控，充电 串联而成的电池组中的电池之间可能由于各种原因变得 Ｉ 电压过高，从而充电电流过大，产生的热将使电池电解 不平衡，电池组中存在性能差的电池限制了整组电池的 ０ 液温度升高，导致电池内阻下降；内阻的下降又加强了 充放电，影响了整组电池的性能。限制电池与电池组中 ：充电电流。电池的温升和电流过大互相加强．使电池变 其它电池相比具有更高的过充电，更多的水损耗，甚至 ｌ 形、开裂而失效。使用时应对充电电压过高、电池发热的 严重时在使用中形成反电池，会严重影响电池组的使用 『现象予以注意。铅酸蓄电池的失效通常是许多因素综合 寿命。均衡充电有利于电池组中的电池平衡。 作用的结果。 （９）整洁度。保持电池清洁能将端子连接处、电池 （下转第６３页） ６１ ・产品与市场・ 为方便人员操作，在斜巷的上边和下边都安装控制 按钮，使人员能在下边开动，来到上边后停止绞车，做 （３）安装托绳辊，把上、下托绳辊插入钢管内，用 螺栓固定。在制造托绳辊时，辊轴要适当长些，在插入 到上边和下边都能开动和停止。 经计算。用ＪＤ一１１．４调度绞车加上聚氨脂绳衬厚 度，本助行器的速度为０．６３ｍ／ｓ左右，人们的步行速度 钢管内的部分上多钻几个定位孔，安装时先用最尾端的 孔固定安装，以后如巷道变形，侧帮向巷道中心挤压． 可以把托绳辊向里再移动一孑Ｌ，这样仍能保持上、下托 绳辊成一条直线。 完全能跟上，综合以上设计原理及结构情况．其结构如 图１所示。此助行器共需以下设备及部件：①ＪＤ一１１．４ 调度绞车一 （４）固定绞车和涨紧尾架。绞车和涨紧尾架地基用 混凝土浇注，利用预埋螺栓固定，固定时绞车固定在坡 上平台即可，涨紧尾架最好固定到坡上。固定时应注意 涨紧尾架上的上绳轮和下绳轮要等高于或低于中间的上 托绳辊和下托绳辊，以免飘绳。 部；②绞车卷 筒用的聚氨脂 绳衬一套；③ ＱＢＺ一８０真空 图１斜巷助行器的结构示意图 Ｆｉｇ．１ Ｉｎｃｌｉｎｅｄ ｗａｌｋｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ （５）以上工作做好后，应先穿绳，钢丝绳使用旧绳 即可，因旧绳无油避免打滑，只要绳无断丝即可使用。 钢丝绳依次从绞车卷筒、上托绳辊、涨紧装置、下托绳 辊，最后回到绞车卷筒，形成封闭环。钢丝绳接头的插 开关一台；④ 根据巷道长度 所需的上、下 托绳辊若干；⑤适当长度的ｑ５１２．５ｍｍ的钢丝绳；⑥双 联操作按钮两个；⑦固定托绳辊的钢管若干个。 接长度按照煤矿有关规定执行，接绳时先把涨紧尾架上 的调节丝杠调到最小，拉紧钢丝绳开始编接．插接位置 应无外露绳头，无毛刺，表面接合良好。运转一段时间 后再调节丝杠，涨紧钢丝绳。 ２该装置安装方法及使用注意事项 （１）利用红外线指向仪在巷道侧帮上标记，标出上 下托绳辊的位置，上托绳辊按５ｍ一个．下托绳辊按 ｌＯｒｅ一个，所有的上托绳辊应成一条直线．直线的方向 与斜巷的角度一致（下托绳辊同样道理），上托绳辊距 （６）人行台阶的宽度最少不能小于６００ｍｍ，每阶台 阶的高度以人员步行合适为准。 ３结束语 自主设计制造的斜巷助行器安装使用后．较好的适 底板的竖直高度按１．１ｍ，下托绳辊高度与底板的竖直距 离为０．５ｍ。 应了井下运输条件，运转效果非常好。一方面方便了井 下的作业人员通行，较好的解决了困扰井下矿工的交通 问题，减少了体力消耗，创造了极大的社会效益。另一 方面也为煤业公司的安全生产创造了良好的条件，确保 了安全高效的生产：同时也减少了公司增加一套专门运 （２）根据标记用风钻在巷道侧帮上打中３８ｍｍ、深 ｌＯ００ｍｍ的固定眼，利用锚杆凝固剂把 ３４ｒａｍ的钢管 固定在侧帮上，钢管露出侧帮ｌＯＯｍｍ即可，如侧帮凸 凹不平不在一条直线上，则按侧帮最鼓处为准，其余钢 管以此处为基准形成一条直线．打眼及安装钢管时应严 格要求上、下钢管必须在一条直线上，特别是钢管头， 输工作人员的设备，为企业节约了几十万的资金。 参考文献： ［１］于励民，仵自连．矿山固定设备选型使用手册［Ｍ］．北京：煤炭工业 出版社．２００８． ［２］王志甫．矿山固定机械与运输设备［Ｍ］．徐州：中国矿业大学出版 社．２００５． 不但上下位置在一直线上，而且左右位置也应在一条直 线上，钢管必须垂直于侧帮（如侧帮不是竖直的，则钢 管按平行于底板安装），以便于钢丝绳全部放在托绳辊 上，保证工人在使用过程中的人身安全。 （上接第６１页） 京：化学工业出版社．２００７． ３结束语 研究铅酸蓄电池使用寿命影响因素与铅酸蓄电池失 效的原因，可以在铅酸蓄电池的作用过程中有针对性地 进行防范，采用相应措施，尽可能延长铅酸蓄电池使用 寿命，以达到节约资源和降低生产成本的目的。 参考文献： ［１］【美】戴维－林登，托马斯Ｂ．雷迪；汪继强，等（译）．电池手册［Ｍ］．北 ［２］贾梦秋，杨文胜．应用电化学［Ｍ］．北京：高等教育出版社．２００４． ［３】刘广林．铅酸蓄电池工艺学概论『Ｍ１．北京：机械工业出版社，２００８． 【４】彭澎．长寿命铅酸蓄电池研究【Ｄ】．华中科技大学，２００５． ［５］Ｖｉｌｌａｒｄ ＴＡ．Ａｎ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｅｔｔｅｒｙ．ＵＳＡ，Ｐａｔ，１，４３２，５０８，１９２０． ［６］桂长清，等．动力电池［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００９． 【７】朱松然．铅蓄电池技术［Ｍ】．北京：机械工业出版社，２００２． 【８］闫新华．影响铅酸蓄电池容量的因素ｆＪ］．ＵＰＳ应用，２００４，３． 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