基于降低成本的铅酸蓄电池生产工艺改进对电池维护的影
（注：本文载于2009年中文核心期刊《蓄电池》第四期，并在2009年7月内刊《艾默生产品维护技术》第6期发表。）
基于降低成本的铅酸蓄电池生产工艺改进对电池维护的影响
Influence on VRLA Battery Maintenance Led by
Production Process Improvement Based on Cost Reduction
Zhang Yihui, Emerson Network Power Co.,
Ltd (Post Code: 518067)
摘要：生产工艺是影响铅酸蓄电池质量和性能的关键因素，成本压力下的生产工艺改进改变了蓄电池内部微观结构，直接影响蓄电池的使用特性。为了达到规范约定的电池使用寿命，需要修正直流开关电源缺省电池管理参数，并尽量避免深放电。
Abstract: Production process is the key factor of VRLA battery
quality and performance. Production process improvement changes the
battery interior micro-structure and affects the battery
characteristics directly. In order to regulate the battery service
life, the default battery management parameters need to be changed
and avoid deep discharging.
关键词：生产工艺、电池寿命、化成、酸密度、电池管理参数
Keyword: Production process, Battery life, Formation, Acid
density, Battery management parameter
设备集中采购是电信运营商应对激烈市场竞争降低成本的必然选择，电池厂家为了能在集中采购招标项目中赢得标的，降低报价是优先选择。为了保持合理的利润空间，各大蓄电池厂家展开了一系列降低生产成本的工艺改进，对蓄电池产品性能产生或正或负的影响。经过生产工艺改进后生产的铅酸蓄电池产品虽然仍能达到规范规定的寿命和容量，但对蓄电池的维护提出了新的要求。
二、铅酸蓄电池生产工艺流程
铅酸蓄电池的生产流程如下：
图1：铅酸蓄电池生产工艺流程示意图
铅酸蓄电池材料成本构成中，最主要的是铅材料成本。一定容量的蓄电池，活性铅的重量是固定的。通过极板化成，铅膏生成活性物质，因此化成是铅酸蓄电池生产的关键工艺。在铅粉质量保证的情况下，化成工艺直接决定极板活性物质的组成。
二、电池关键指标
按照各运营商的《通信电源、空调配套维护技术指标及测试方法》，蓄电池主要指标如下：
1、充电电压：按厂家要求，浮充电压一般为2.23~2.28V/格，均充电压2.30~2.35V/格。
2、均匀性：电池经过充电、浮充一段时间（三个月）以后，其每组电池中各单体电池的端电压应不超出平均值0.05V。
3、放电率与容量：在规定的时间内，以10小时率放电电流的倍数计算，放电到规定的终止电压为止所能放出的安时数。如10小时率放电至1.8V/格，应能放电10小时。
4、蓄电池的寿命：阀控式铅蓄电池在全浮充状态下正常运行，2V系列使用寿命不低于8年，6V和12V系列使用寿命不低于6年。
此外，各运营商《通信电源维护规程》对铅酸蓄电池维护要求做了详细规定，但与《通信电源、空调配套维护技术指标及测试方法》一样，没有对电池循环寿命提出要求，未明确电池充放电管理和维护的不同对实际使用寿命的影响。
三、生产工艺对电池性能的影响
在产品能达到上述规范要求的基础上，为了降低生产成本，生产厂家对蓄电池生产不断进行工艺改进。改进的结果对电池质量产生或正或负的影响，本文仅讨论一般会被认为具有负面影响的几项工艺改进：
1、降低极板厚度
极板包括板栅和附着在板栅上的活性物质组成。板栅起支持作用，材料为铅合金，如铅钙合金等。板栅上涂有铅膏，通过化成成为活性物质，活性物质一般为极板厚度的32%左右。在满足机械强度的条件下，可以采用轻型板栅材料，降低极板厚度。由于给定放电容量的蓄电池不能减少活性物质重量，因此增加活性物质比例就相当于降低板栅厚度，一些厂家出厂的蓄电池中，极板活性物质比例提高到45%。
例如，原来工艺下，极板厚度为3.6mm，相当于板栅厚度2.4mm，活性物质1.2mm；采用轻型薄板栅后，极板厚度降为2.8mm，节约23%的铅投入，如图2所示。
在蓄电池不断进行充放电过程中，板栅逐渐腐蚀。极板越薄，循环寿命越短。根据实验，在酸密度为1.27的条件下，极板厚度为3.6的蓄电池100%DOD循环寿命可达850次，极板厚度为2.7的蓄电池100%DOD循环寿命仅为450次，但都超过了循环寿命300次的要求[1]。
2、提高酸密度
电信机房普遍使用的AGM电池为贫液式铅酸蓄电池，由于硫酸将参与化学反应，故一定容量的蓄电池，硫酸含量不可减少，而水不参与放电反应，可以适当减少水量。水量减少后，酸密度提升，电池体积缩小，重量降低，可以降低电池壳体用料成本、内部连接条成本、运输成本。酸密度提高以后，极板上单位面积活性物质可以接触的硫酸增加，蓄电池初始容量和大电流放电能力得以提升。传统工艺生产的AGM电池酸密度为1.28g/cm3，不少厂家将之提高到1.36g/cm3，如图3所示。
25℃时，铅酸蓄电池开口电压为酸密度+0.85。酸密度提高后，蓄电池开口电压提高，相应地，需要更高的浮充电压，否则，浮充电流偏小，不足以补偿自放电损失，长期欠压浮充导致电池容量损失甚至失效。
适当增加正极板厚度，降低电解液密度，选择最佳的恒流限压充电的限压值能够提高电池的循环寿命[1]。在不提高浮充电压的条件下，电解液密度升高将缩短电池循环寿命。
3、提高化成初始酸密度
改变阀控式铅酸蓄电池极板化成电解液浓度，用不同浓度电解液生产的极板装配电池，通过实验发现化成电解液的浓度从1.075g/ml升高到1.120g/ml时，电池的放电时间从610min上升到655min，循环寿命没有明显的降低[3]。
当化成时初始酸密度提高后，化成后正极板二氧化铅中二氧化铅减少，β二氧化铅增加。由于α和β二氧化铅好比枝和叶的关系，β二氧化铅决定蓄电池容量，因此采用提高化成初始酸密度的方法，可以提高电池的初始容量。相应地，当生产特定容量的电池时，就可以减少铅的用量，减少的正是α二氧化铅，图4为帮助理解这一关系的示意图。
由于起支撑作用的α二氧化铅减少，在深循环过程中，α二氧化铅参与放电反应，充电还原后成为β二氧化铅，使正极板软化，缩短电池循环寿命。因此，采用此工艺生产的蓄电池，不宜过多深循环，一般放电深度不要超过40%。
4、降低化成温度
用较小电流和在40℃左右化成，对蓄电池的循环寿命更有利；在25℃时化成，蓄电池容量较高[4]。事实上，对化成温度的控制，与对化成初始酸密度类似，也是影响了正极板α和β二氧化铅含量，从而对蓄电池循环寿命产生影响。在产品验收普遍验证电池容量而非循环寿命的因素影响下，采用较低的化成温度以提高电池容量是可以理解的。
5、内化成与外化成
电池生产过程中的化成工艺是关键工艺。化成有两种方法：
内化成：将生板装配好后进行化成，化成完毕就是成品电池。由于有些极板的质量问题在生板阶段不易发现，如极板的弯曲、脱皮、掉粉、疏松、负极板出现铁锈斑等，因此内化成对质量控制要求高。
外化成：先将生板统一化成，再将化成好的熟板装配成电池。外化成工艺多了两道选品工序，一是化成时可以把发现有问题而漏检的生极板剔出；二是化成好后再逐片检验剔出熟极板中的不合格品。
对大型阀控铅酸蓄电池极板的内外化成工艺进行比较，二者在化成质量上并无明显的差别，但在生产过程中的质量控制方面，外化成能及时发现质量问题[2]。由于外化成需要较多的一次性厂房及设备的投资，不少厂家选择内化成工艺以降低成本投入，出厂的电池个体差异较外化成的电池大，自放电程度不同，容易出现落后电池。长期浮充时，自放电大的电池积累越来越多的硫酸铅，硫酸铅的微溶特性将产生重结晶现象，重结晶的硫酸铅不易还原，造成容量损失而落后。
6、正极板加红丹
通过正极铅膏内加10%的Pb3O4（红丹），可以缩短化成时间，并使化成过程中产生更多的β二氧化铅，从而提高铅酸蓄电池前期容量。由于化成过程需要三充两放，不但电能消耗巨大，还需要更多的厂房面积放置正在进行化成的电池。缩短化成时间能提高生产效率，也是某些产家节约成本的改进措施。
由于红丹使电池化成过程中生成更多的β二氧化铅，正极板较软，会严重影响电池使用寿命。
7、采用高隔板饱和度
隔板饱和度指酸液在玻璃纤维（AGM）隔板中的饱和程度，图5为其示意图。
当隔板饱和度为100%时，可以最大化地利用极板活性物质，降低材料成本，但在充电过程中，由于正极析出的氧气只能通过液体里面及极板上部空间到达负极进行氧复合，气复合速度慢，气体相对易溢出，同时负极板去极化程度不明显，充电过程中电池电势逐步回升，充电电流下降快，电池容易出现欠充电。
当AGM隔板不完全饱和时，在充电后期仍有气体通道，氧复合对负极板产生去极化作用，使电源充电电压与电池电势差减小趋势减缓，充电电流下降速度趋缓，保障电池充足电。
隔板饱和程度太低时，不能充分利用极板活性物质，提升了材料成本。当饱和度过高时，由于电池的正极活性物质充电不足，导致电池循环寿命较短。将AGM隔板饱和度控制在92%~96%之间，会提高电池的循环寿命[5]。
四、电池管理参数的调整
正是由于以上所述的工艺改进，使电池的特性发生一些变化，如果仍然使用传统的电池管理参数，可能与实际使用的电池特性不符，影响电池使用寿命，难以达到蓄电池寿命要求。需要调整的电池管理参数有：
1、浮充电压：
一般地，直流开关电源浮充电压缺省设置为2.23V/格。由于酸密度的普遍提高，浮充电压必须相应提高。具体调整时，应严格按电池厂家提供的参数设置，如果没有温度自动补偿功能，应根据温度调整浮充电压值。全部统一设置或按电源缺省设置都是不合适的。
早期直流开关电源出厂时，浮充电压缺省设置多为53.5V，由于电池酸密度的提高，缺省浮充电压不能更好地补偿电池自放电损失，导致电池长期欠充电而损失容量和使用寿命。
2、均充电压：
均充电压值应严格按照电池厂家提供的参数设置。一般地，均充电压不应大于2.35V/格，超过该电压后，正极板大量析氧，氧复合量增加很快，导致电池发热严重，甚至造成大量失水或热失控。
3、温度补偿系数：
有温度补偿时，应按电池厂家提供的参数设置。由于酸密度提高，电池性能对失水更敏感。当前正在推行空调节能工作，机房温度普遍提高，应特别防止环境温度高时浮充电压过高。
4、定时均充周期：
电池自放电得到完全补偿时，提升电压进行均充，电池除产生“电解水产生氢气和氧气-氢气和氧气复合放热”外，不会有还原硫酸铅的行为。由于AGM电池氧气复合率为99%左右，均充导致电池失水，也会缩短电池使用寿命。
电池一致性好时，各电池单体自放电差不多，浮充电流与自放电电流相等，合适的浮充电压将可能使所有电池单体自放电得到补偿，因此对于一致性好的蓄电池，应加长定时均充周期甚至不进行定时均充。
电池单体个体差异性大时（如内化成电池，或本身质量差异大），自放电率相差也较大。浮充一段时间后，自放电电流大的电池生成较多硫酸铅，需要尽早消除。定期均充是消除硫酸铅的有效办法，需要缩短定时均充周期。电池经过多次均充后，虽然落后电池电能得到补充，但好电池却因多次均充失水，隔板饱和度降低，电池容量下降。因此，个体差异性大的电池组，电池性能有向差电池看齐的趋势，保障差电池不进一步恶化是非常重要的。
五、优化的蓄电池维护策略
1、检查充电电压
检查均浮充电压时，不能只看电源监控模块的显示值，而应使用万用表测量，因为显示的电压值有一定的误差。此外，还可以通过远程监控手段，在浮充电压异常时产生告警，提示维护人员即时维护[6]。
电池使用过程中可能因为失水而使酸密度提高。浮充电压与酸密度有关，而开口电压也与酸密度有关，可通过测量电池开口电压近似估算电池实际酸密度，从而判断浮充电压是否需要调整。
2、控制放电深度
放电深度超过40%时，α二氧化铅就会明显参与反应，还原后成为β二氧化铅。α二氧化铅减少后，正极板软化，电池寿命将缩短。由于成本压力下的不少电池厂家通过化成工艺改进，已经减少了α二氧化铅的含量，因此要严格减少深放电的次数，一般不进行100%DOD放电试验，并在停电后及时发电，使电池放电深度小于40%。
3、正确配置容量
目前局站普遍采用大容量电池，保障停电后能支持足够长的时间。相对于大容量电池来说，负载电流属小电流放电，长延时工作意味着电池小电流深度放电。小电流深放电时，α二氧化铅损失更严重，电池寿命显著缩短。因此，不应小马拉大车，电池容量配置应适度，维护措施以及时发电为佳。
4、定期检查电池
定期检查电池单体电压、电导（或内阻）均衡性，根据均衡性调整定期均充周期，均衡度越高，定期均充周期越长。
&成本改进是设备提供商的必然选择，蓄电池厂家基于成本考虑的工艺改进对蓄电池性能产生多方面影响，在建设和维护通信动力系统时，应考虑这些影响因素，优先选用品牌企业蓄电池产品和直流开关电源，设置个性化的电池管理参数，改变传统的维护模式，通过精细化维护管理延长铅酸蓄电池生命周期，提高运力运维效益。
参考文献：
1、闫新华、刘金刚、钟细进，提高铅酸蓄电池循环寿命的研究[J]，《蓄电池》，2006年第3期，第112页
2、胡耀东，对大型阀控铅酸蓄电池极板两种化成工艺的讨论[J]，《蓄电池》，2001年01期，第21页
3、王常波、孟令辉、赵辉、曹勇，化成电解液浓度对VRLA电池容量的影响[J]，《电池》，2008年38卷第03期，第181页
4、柴树松、黄连清，铅酸蓄电池极板化成行为的研究[J]，《电池》，2004年第34卷第06期，第424页
5、包有富，AGM隔板饱和度对VRLA电池循环寿命的影响[J]，《电池》，2007年第37卷第04期，第284页
6、章异辉，基于现有监控系统的蓄电池精确监控与故障预测方法[J]，《通信电源技术》2008年第2期，第84-86页
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以上网友发言只代表其个人观点，不代表新浪网的观点或立场。化学电池是一类重要的能源，按工作性质可分为：一次电池（例如干电池）和二次电池（可充电电池，例如铅酸蓄电池）．（1）铅酸蓄电池放电时的能量转化形式是（选填字母）．A．电能转化成化学能&&&&&&&&&&&&&&&&&B．化学能转化成电能（2）铅酸蓄电池厂生产电池用的是质量分数为28%的稀硫酸．若要把100g质量分数为98%的浓硫酸稀释成28%的稀硫酸，需要水的体积是mL．稀释浓硫酸时，一定要（选填字母），并不断搅拌．A．把浓硫酸沿器壁慢慢注入水中&&&&&&&B．把水沿器壁慢慢注入浓硫酸中（3）使用铅酸蓄电池的电动车与使用汽油燃料的轻便摩托车相比，电动车不会产生等有害气体，但废弃电池对土壤和水体的污染是不容忽视的．（4）废旧干电池中许多物质是可以回收利用的．某种型号干电池的剖面如右图所示，现对该干电池内的填充物（MnO2、C、可溶性糊状物和水）进行探究．①取填充物溶于水，过滤、洗涤、干燥，得到黑色不溶物．再经过处理，即可得到纯净的MnO2．②取步骤①中过滤得到的滤液，分为两份，一份加入烧碱溶液，加热产生一种刺激性气味的气体，该气体的水溶液pH＞7，且常用作化肥，则该气体的化学式为；另一份加入AgNO3溶液，产生白色沉淀，滴加稀硝酸沉淀不溶解，则可推知糊状物的化学式为．
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这个可以从原电池反应知道：,在原电池中,铅作为负极,发生氧化反应,自然要失去电子,失电子后变成Pb2+会进入溶液中,与SO42-结合成PbSO4沉淀.而作正极的PbO2得电子,+4价的Pb得电子,也转化为Pb2+,与SO42-结合成PbSO4沉淀.通过原电池反应可以知道,4个H+是和PbO2中的O结合成水.在溶液中,氧离子是不能独立存在的,必须与水结合成OH-.就如碱性氢氧燃料电池的正极反应：O2+4e-+2H2O=4OH-.
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