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探討膠體鉛酸動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及膠體電解質(zhì)優(yōu)缺點(diǎn)

鉅大鋰電  |  點(diǎn)擊量:0  |  2021年05月18日  

1.膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池特性


鉛酸動(dòng)力鋰電池從問(wèn)世到如今,一直是特種、民用領(lǐng)域中使用最廣泛的化學(xué)電源。由于它使用硫酸電解液,運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)有酸液流出,充電時(shí)會(huì)有酸霧析出來(lái),對(duì)環(huán)境和設(shè)備造成損害,人們就試圖將電解液固定起來(lái),將鉛酸動(dòng)力鋰電池密封起來(lái),于是使用膠體電解液的鉛酸動(dòng)力鋰電池應(yīng)運(yùn)而生。膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池簡(jiǎn)單的說(shuō)就是使用膠體電解液的鉛酸動(dòng)力鋰電池,膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池屬于鉛酸動(dòng)力鋰電池的一種,其最簡(jiǎn)單的做法是在硫酸中添加膠凝劑,使硫酸電解液變?yōu)槟z態(tài)。


膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池與普通鉛酸動(dòng)力鋰電池的差別不僅在于電解液改為膠凝狀,而進(jìn)一步發(fā)展至電解質(zhì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的電化學(xué)特性研究,以及在板柵和活性物質(zhì)中的應(yīng)用推廣。例如采用非凝固態(tài)的水性膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池,從電化學(xué)分類和特性看同屬膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池。又如在板柵中使用高分子材料,俗稱陶瓷板柵,是膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池的特點(diǎn)。近期已有實(shí)驗(yàn)室在極板配方中添加一種靶向偶聯(lián)劑,大大提高了極板活性物質(zhì)的反應(yīng)利用率。


膠體的質(zhì)量和灌裝工藝對(duì)膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池的質(zhì)量有重要的影響,而膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池的設(shè)計(jì)、制造工藝和應(yīng)用條件(尤其是充放電工藝)都制約著膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池的性能。膠體的特性必須和蓄電池的結(jié)構(gòu)及使用條件相互適用。閥控密封鉛酸動(dòng)力鋰電池的結(jié)構(gòu)和使用條件有利于膠體的穩(wěn)定,膠體的特性使閥控密封鉛酸動(dòng)力鋰電池的性能更加完美。現(xiàn)代優(yōu)良的膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池都是基于閥控密封鉛酸動(dòng)力鋰電池工藝生產(chǎn)的,而用普通鉛酸動(dòng)力鋰電池半成品不經(jīng)改動(dòng)制成的膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池也是近來(lái)頗有爭(zhēng)議的問(wèn)題。


膠體灌裝、凝膠穩(wěn)定性和確保膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池容量是膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池的三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),德國(guó)陽(yáng)光公司生產(chǎn)的膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池的膠體粘度很低,用常壓自然法灌裝膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池。即使大型膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池也像灌注稀硫酸相同灌注滿。膠體在鉛酸動(dòng)力鋰電池中充分凝膠,在極群內(nèi)外上下都呈均勻的糊狀凝膠,在膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池的整個(gè)壽命期間,完全沒(méi)有液化現(xiàn)象,這是我國(guó)生產(chǎn)的膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池很難做到的。


陽(yáng)光公司的技術(shù)是世界最先進(jìn)的,其Dryfit系列膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池安全可靠,壽命長(zhǎng),是世界上最優(yōu)良的膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池。但是,陽(yáng)光公司生產(chǎn)的膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池的比能量和大電流放電不及采用超細(xì)玻璃纖維隔膜閥控密封鉛酸動(dòng)力鋰電池電池。另外,陽(yáng)光公司的極板化成工藝復(fù)雜,生產(chǎn)周期長(zhǎng),有些型號(hào)的膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池需經(jīng)10次充放電循環(huán)才出廠,降低了生產(chǎn)效率,增大了產(chǎn)品成本,不利于大規(guī)模的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。


2.膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池的結(jié)構(gòu)


閥控密封鉛酸動(dòng)力鋰電池通過(guò)兩種方式來(lái)固定電解液,一種是采用超細(xì)玻璃纖維隔膜來(lái)固定電解液,另外一種為膠體結(jié)構(gòu),即通過(guò)膠體來(lái)固定電解液。美國(guó)的C&D技術(shù)公司則將兩種方式結(jié)合起來(lái)固定電解液,稱為復(fù)合技術(shù)。在膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池的含義中,只提到電解液為凝膠狀(比較直觀的認(rèn)識(shí)為果凍狀),沒(méi)有對(duì)隔板的使用做出規(guī)定,所以只要使用凝膠來(lái)固定電解液的蓄電池就可稱為膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池。


不管使用液態(tài)二氧化硅和氣相二氧化硅,其成膠的原理是相同的,它們之間存在粒徑和純度的差異,所以加入蓄電池后,對(duì)蓄電池的性能有比較大的影響。凝膠的強(qiáng)度與二氧化硅的含量和酸的含量成正比,強(qiáng)度越大,其水化和破裂的可能性越小。


鉛酸動(dòng)力鋰電池的內(nèi)阻與膠體中的二氧化硅的含量成正比,所以膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池的高倍率(3C以上)放電特性比相同結(jié)構(gòu)的AGM-VRLA蓄電池差,但額定容量比相同結(jié)構(gòu)的AGM-VRLA蓄電池大5~10%。使用PVC-SiO2或者酚醛樹(shù)酯等專用隔板的膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池,由于二氧化硅含量的關(guān)系,使其額定容量比AGM-VRLA蓄電池小一些。如使用PVC或PE做隔板,二氧化硅的含量要相當(dāng)高才能形成穩(wěn)定的膠體。用復(fù)合技術(shù)生產(chǎn)的膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池,其浮充壽命為相同結(jié)構(gòu)的AGM-VRLA蓄電池的1.5~2倍,循環(huán)能力可以提高20%。


國(guó)際上生產(chǎn)鉛酸動(dòng)力鋰電池的大公司幾乎都生產(chǎn)膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池,如:德國(guó)的陽(yáng)光、哈根,美國(guó)的DEKA,Trojan,Exide,SEC等,但日本的YUASA不生產(chǎn)膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池,但其UXL系列蓄電池中有膠體成分,其重要用途是為了減輕電解液的分層現(xiàn)象。在應(yīng)用方面重要在太陽(yáng)能、風(fēng)力發(fā)電、動(dòng)力蓄電池等方面,其市場(chǎng)比較大,價(jià)格比AGM-VRLA蓄電池高20%左右。


在國(guó)內(nèi)的大公司中,有雙登、深圳雄韜等公司生產(chǎn)膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池,雙登的GFM系列采用管式極板,一般采用PVC-SiO2隔板和酚醛樹(shù)脂隔板。廣東番禺恒達(dá)蓄電池總廠的課題組經(jīng)過(guò)三年的研究,開(kāi)發(fā)了二種膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池,一種采用AGM隔板,其技術(shù)與C&D技術(shù)公司的技術(shù)相同,另一種采用PVC-SiO2隔板,同DEKA的產(chǎn)品相同。


膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池是對(duì)液態(tài)電解質(zhì)的鉛酸動(dòng)力鋰電池的改進(jìn),用膠體電解液代換液態(tài)電解液,在安全性、蓄電量、放電性能和使用壽命等方面較鉛酸動(dòng)力鋰電池有所改善。膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池采用凝膠狀電解質(zhì),內(nèi)部無(wú)游離液體存在,在同等體積下電解質(zhì)容量大,熱容量大,熱消散能力強(qiáng),能防止AGM-VRLA蓄電池易出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象。膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池電解質(zhì)的濃度低,對(duì)極板的腐蝕用途弱;濃度均勻,不存在電解液分層現(xiàn)象。


膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池具有使用性能穩(wěn)定,可靠性高,使用壽命長(zhǎng),對(duì)環(huán)境溫度的適應(yīng)能力(高、低溫)強(qiáng),承受長(zhǎng)時(shí)間放電能力、循環(huán)放電能力、深度放電及大電流放電能力強(qiáng),有過(guò)充電及過(guò)放電自我保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。


膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池在使用初期無(wú)法進(jìn)行氧循環(huán)是因?yàn)槟z體把正、負(fù)極板都包圍起來(lái)了,正極板上面出現(xiàn)的氧氣無(wú)法擴(kuò)散到負(fù)極板,無(wú)法實(shí)現(xiàn)與負(fù)極板上的活性物質(zhì)鉛還原,氧氣只能由排氣閥排出,與富液式鉛酸動(dòng)力鋰電池一致。


在膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池使用一段時(shí)間后,膠體開(kāi)始干裂和收縮,出現(xiàn)裂縫,氧氣通過(guò)裂縫直接到負(fù)極板進(jìn)行氧循環(huán)。排氣閥就不再經(jīng)常開(kāi)啟,膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池進(jìn)入密封工作,失水很少。膠體電解液中加有膠體穩(wěn)定劑和增容劑,有些膠體配方中還加有延緩膠體凝固的延緩劑,以便于膠體的加注。膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池電解液的固定方式采用氣體二氧化硅及多種添加劑,注入時(shí)為液態(tài),可充滿蓄電池內(nèi)的所有空間。


3.膠體電解質(zhì)的優(yōu)缺點(diǎn)


膠體電解質(zhì)和普通液態(tài)電解質(zhì)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):


1)硫酸被膠體均勻地固化分布,無(wú)濃度層化問(wèn)題,膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池可豎直或水平任意放置。超純材料和膠體保證了膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池在正常環(huán)境下浮充使用壽命達(dá)10年以上。可以明顯延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn),可以延長(zhǎng)蓄電池壽命2~3倍。


2)免維護(hù)性能好。由于采用膠體電解質(zhì),膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池的自放電性能得到明顯改善,在同樣的硫酸純度和水質(zhì)情況下,膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池的存放時(shí)間可以延長(zhǎng)2倍以上。可儲(chǔ)存兩年無(wú)需充電即可使用,2V系列靜置兩個(gè)月容量仍保存99.9%以上。


3)膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池在嚴(yán)重缺電的情況下,抗硫化性能明顯。


4)充放電無(wú)記憶效應(yīng)(N次數(shù)),在嚴(yán)重放電情況下的恢復(fù)能力強(qiáng),反彈容量大,恢復(fù)時(shí)間短,在放完電數(shù)分鐘后仍能應(yīng)急使用。


5)膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池充電接受能力強(qiáng),納米膠體和特殊合金保證了蓄電池良好的充電接受能力,抗過(guò)充能力強(qiáng),具有比較好的深循環(huán)能力,有著很好的過(guò)充和過(guò)放能力。經(jīng)多次反復(fù)深放電至0V仍能正常恢復(fù),下限保護(hù)可降低至1.75V/單格,這對(duì)深循環(huán)蓄電池十分重要。


6)膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池的后期放電性能得到明顯改善。


7)膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池不會(huì)出現(xiàn)漏液、滲酸等現(xiàn)象,逸氣量小,對(duì)環(huán)境危害很小。


8)低溫特性好。普通鉛酸動(dòng)力鋰電池在低于0℃的環(huán)境下使用容量驟降,而膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池適用于多種惡劣環(huán)境。在-40℃~+70℃環(huán)境都可正常使用。在-20℃環(huán)境下,仍可以釋放額定容量的80%以上。


雖然膠體電解質(zhì)具有以上諸多優(yōu)點(diǎn),但是也有一定的缺陷,具體表現(xiàn)在以下方面:


1)膠體電解質(zhì)相關(guān)于普通電解液來(lái)說(shuō)加注比較困難,這一點(diǎn)要通過(guò)改變膠體配方、加注緩凝劑來(lái)改變。


2)假如在膠體的配制過(guò)程中,生產(chǎn)工藝不合理或控制不好,膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池的初容量會(huì)比較小。


3)膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池早期排氣帶出的膠粒是含酸的,膠粒容易貼附在蓄電池的外殼上,所以,反映出蓄電池假漏酸現(xiàn)象。


4)氧循環(huán)雖然抑制了失水,但氧循環(huán)出現(xiàn)熱量,使蓄電池內(nèi)部溫升較高。


相關(guān)經(jīng)驗(yàn)表明,膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池要在極板生產(chǎn)、膠體電解質(zhì)配方、灌裝方法、充電工藝等方面制定一套完善的工藝流程,以保證膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池性能的更好發(fā)揮。


4.結(jié)語(yǔ)


膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池為密封結(jié)構(gòu)、電解液凝膠、無(wú)滲漏、充放電時(shí)無(wú)酸霧、無(wú)污染,是國(guó)家大力推廣應(yīng)用的環(huán)保產(chǎn)品。膠體鉛酸動(dòng)力鋰電池最重要的特點(diǎn)為:放電曲線平直,拐點(diǎn)高,比能量特別是比功率要比普通鉛酸動(dòng)力鋰電池高20%以上,壽命一般也比普通鉛酸動(dòng)力鋰電池長(zhǎng)一倍左右,充電接收能力強(qiáng);自放電小,耐存放;過(guò)放電恢復(fù)性能好,大電流放電容量比普通鉛酸動(dòng)力鋰電池新增30%以上;低溫性能好,高溫特性穩(wěn)定,滿足65℃甚至更高的溫度環(huán)境的使用要求;循環(huán)使用壽命長(zhǎng),可達(dá)到800~1500充放電次,單位容量工業(yè)成本低于普通鉛酸動(dòng)力鋰電池,經(jīng)濟(jì)效益高。


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