就以電池失效模式來(lái)探討設備條件、使用條件和維護條件對電池失效的影響及其應對方法：

一、電池的失效模式及其原因

1、電池的正極板軟化

電池的正極板是由板柵和活性物質(zhì)組成的,其中活性物質(zhì)的有效成分就是氧化鉛。放電的時(shí)候氧化鉛轉為硫酸鉛,充電的時(shí)候硫酸鉛轉為氧化鉛.氧化鉛是由α氧化鉛和β氧化鉛組成的,在2種氧化鉛中以其中α氧化鉛荷電能力小但是體積大,比為β氧化鉛堅硬,主要起支撐作用;β氧化鉛恰好相反,荷電能力大但是體積小,比為β氧化鉛軟,主要起荷電作用。α氧化鉛是在堿性環(huán)境中生成的,在電池內部一旦出現參與放電以后,在充電只能夠生產(chǎn)β氧化鉛。正極板的活性物質(zhì)是多孔結構的,就與電解液——硫酸的接觸面積來(lái)說(shuō),多孔結構是平面的數十倍。如果α氧化鉛參與放電以后,重新充電以后只能夠生成β氧化鉛,這樣就失去了支撐,不僅僅會(huì )產(chǎn)生正極板活性物質(zhì)脫落,而且脫落的活性物質(zhì)還會(huì )堵塞正極板的微孔,導致正極板參與反應的真實(shí)面積下降,形成電池容量的下降。后備電源的電池使用年限要求比較嚴格,對電池的比容要求比較寬,因此后備電源使用的電池的后備電源的電池α氧化鉛和β氧化鉛比例比深循環(huán)的動(dòng)力型電池大一些.為了減少α氧化鉛參與放電,一般控制放電深度僅僅為40%.隨著(zhù)電池的使用時(shí)間的增加,電池的容量下降,新電池放電40%的電量,對于舊電池來(lái)說(shuō)必然上超過(guò)40%的,所以舊電池就相當于放電深度深,電池的正極板軟化也會(huì )被加速.所以,電池的容量壽命曲線(xiàn)的后期下降速率遠遠高于中期.電池容量越小,放電深度越深,α氧化鉛損失也越多,正極板軟化也越嚴重,導致電池容量下降越快,形成了惡性循環(huán)。

這樣,電池的放電深度需要嚴格控制.實(shí)現這個(gè)控制的是靠基站的電源管理系統的國內和設置。目前控制電池放電深度的主要標準還是一次放電量和放電電壓.這樣,盡可能避免在應急的時(shí)候強制放電,而應該按照放電量來(lái)增加電池的容量。

2、電池的正極板腐蝕

正極板的板柵中的鉛在充電過(guò)程中或被氧化為氧化鉛,并且不能夠再還原為鉛,形成正極板腐蝕。而氧化鉛的體積比鉛的體積大,形成體積線(xiàn)性增加變形,使正極板活性物質(zhì)與板柵脫離,導致正極板失效.而過(guò)充電會(huì )嚴重加速正極板腐蝕.我們一般以為不會(huì )產(chǎn)生過(guò)充電狀態(tài).實(shí)際上,基站的浮充電壓如果跟不上環(huán)境溫度的上升而進(jìn)行下降的補償,過(guò)充電就產(chǎn)生了.如基站的空調不夠或者損壞,電池的過(guò)充電也會(huì )產(chǎn)生。這樣電池的正極板板柵在不同的使用條件下會(huì )有不同的腐蝕速度.這與電池的使用環(huán)境溫度關(guān)系密切。

3、消除硫化

消除電池硫化的方法有幾種方法,各有特點(diǎn)。

a. 水療法

如果硫化不太嚴重,可以使用較稀的電解液,密度在1.100g/cm3以下,即向電池中加水稀釋電解液,以提高硫酸鉛的溶解度。并用20h率以下的電流,在液溫30℃~40℃的范圍內較長(cháng)時(shí)間充電,可能得以恢復.如果電解液密度較高,則充電時(shí)只進(jìn)行水分解,活性物質(zhì)難以恢復.對于密封電池來(lái)說(shuō),水療法是無(wú)法進(jìn)行的.另外,水療法的成本和使用工時(shí)都比較大.現在有了脈沖修復的方法,已經(jīng)很少見(jiàn)到水療法了。

b. 化學(xué)處理方法

采用化學(xué)添加劑,在電池發(fā)生硫化的時(shí)候使用.這種方法對消除硫化是行之有效的,但是其副作用不可忽視.主要問(wèn)題是會(huì )形成自放電明顯增加,所以一般的電池制造商都不敢使用。

c. 大電流充電

若認為吸附是造成硫酸鹽化的原因,則可以用高電流密度充電(達100mA./cm2)。在這樣的電流密度下,負極可以達到很負的電勢值,這時(shí)遠離零電荷點(diǎn),使φ-φ(0)<0,改變了電極表面帶電的符號,表面活性物質(zhì)會(huì )發(fā)生脫附,特別是對陰離子型的表面活性物質(zhì),這種有害的表面活性物質(zhì)從電極表面上脫附以后,就可以使充電順利進(jìn)行.目前國內幾乎沒(méi)有人使用這種方法處理不可逆硫酸鹽化,可能出于以下考慮:高電流密度下極化和歐姆壓降增加,這部分能量轉化為熱,使蓄電池內部溫度升高,同時(shí)又有大量的氣體析出,尤其是正極大量氣析出氣體,其沖刷作用易使活性物質(zhì)脫落。d. 脈沖修復

按照原子物理學(xué)和固體物理學(xué)的原理,硫離子具有5個(gè)不同的能級狀態(tài),通常處于亞穩定能級狀態(tài)的離子趨向與遷落到最穩定的共價(jià)鍵能級而存在。在最低能級(即共價(jià)鍵能級狀態(tài)),硫離子包含8個(gè)原子的環(huán)形分子形式存在,這8個(gè)原子的環(huán)形分子模式是一種穩定的組合,難以被打碎,形成電池的不可逆硫酸鹽化——硫化。多次發(fā)生這樣的情況,就形成了一層類(lèi)似與絕緣層一樣的硫酸鉛結晶。

要打碎這些硫酸鹽層的束縛,就要提升原子的能級到一定的程度,這時(shí)候在外層原子加帶的電子被激活到下一個(gè)更高的能帶,使原子之間解除束縛。每一個(gè)特定的能級都有唯一的諧振頻率,必須提供給一些能量,才能夠使得被激活的分子遷移到更高的能級狀態(tài),太低得能量無(wú)法達到躍遷所需要的能量要求,但是,過(guò)高的能量會(huì )使已經(jīng)脫離了束縛而躍遷的原子處于不穩定狀態(tài),又回落到原來(lái)的能級。這樣,必須通過(guò)多次諧振,使得其中一次脫離了束縛,達到最活躍的能級狀態(tài)而又沒(méi)有回落的原來(lái)的能級,這樣,就轉化為溶解于電解液的自由離子,而參與電化學(xué)反應。

很高的電壓可以實(shí)現,就是大電流高電壓充電的方法,諧振也可以實(shí)現,就是脈沖諧波諧振的方法。

從固體物理上來(lái)講,任何絕緣層在足夠高的電壓下都可以擊穿。一旦絕緣層被擊穿,粗大的硫酸鉛就會(huì )呈現導電狀態(tài)。如果對高電阻率的絕緣施加瞬間的高電壓,也可以擊穿大的硫酸鉛結晶.如果這個(gè)高電壓足夠短,并且進(jìn)行限流,在打穿絕緣層的條件下,充電電流不大,也不至于形成大量析氣.電池析氣量強正相關(guān)于充電電流和充電時(shí)間,如果脈沖寬度足夠短,占空比足夠大,就可以在保證擊穿粗大硫酸鉛結晶的條件下,同時(shí)發(fā)生的微充電來(lái)不及形成析氣.這樣,實(shí)現了脈沖消除硫化。

實(shí)現脈沖消除硫化和抑制電池硫化的方法,一般可以采用脈沖保護器和修復儀來(lái)處理.一般使用2類(lèi)修復方法.其一為在線(xiàn)修復,把可以產(chǎn)生脈沖源的保護器并聯(lián)在電池的正負極柱上,使用電池或者充電器的電源或者使用外來(lái)的市電,就會(huì )有脈沖輸出到電池上面.這種修復方式所需要的能源很少,比較慢,但是由于常年并聯(lián)在電池極柱2端,慢也沒(méi)有關(guān)系.對于沒(méi)有硫化的電池,可以抑制電池的硫化。

其二：為離線(xiàn)式的,可以產(chǎn)生快速的脈沖,脈沖電流相對比較大,產(chǎn)生脈沖的頻率比較高,脈沖占空比比較大.一些產(chǎn)品還具有自動(dòng)控制.這種修復儀主要是用來(lái)修復已經(jīng)硫化的電池。