膠體電池和AGM電池對(duì)比分析

隨著太陽能的使用越來越廣泛，光伏離網(wǎng)系統(tǒng)里對(duì)儲(chǔ)備電源的使用要求也越來越高，目前在光伏運(yùn)用系統(tǒng)里膠體電池的運(yùn)用已成為主流?，F(xiàn)對(duì)膠體電池和AGM電池做出以下對(duì)比分析。

當(dāng)今閥控式密封鉛蓄電池(VRLA)有兩類，即分別采用玻璃纖維隔板(AGM)和硅凝膠(Gel)兩種不同方式來“固定”硫酸電解液。它們都是利用陰極吸收原理使電池得以密封的，但給陽極析出的氧到達(dá)陰極提供的通道是不同的，因而二種電池的性能各有千秋。

一、歷史的簡單回顧

鉛酸蓄電池從問世到如今，一直是軍用民用領(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)輸過程中會(huì)有酸液流出，充電時(shí)會(huì)有酸霧析出來，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，將電池“密封”起來，于是使用膠體電解液的鉛酸蓄電池應(yīng)運(yùn)而生。

初期的膠體鉛蓄電池使用的膠體電解液是由水玻璃制成的，然后直接加到干態(tài)鉛蓄電池中。這樣雖然達(dá)到了“固定”電解液或減少酸霧析出的目的，但卻使電池的容量較原來使用自由電解液時(shí)的電池容量要低20%左右，因而沒有被人們所接受。

我國在50年代也開展了初期膠體電池的研制工作，到60年代末也就基本上停止了。然而70年代后期至80年代，國內(nèi)又有一些非電池行業(yè)界的人利用媒體大肆鼓吹自己發(fā)明了固體電解質(zhì)的鉛蓄電池，宣稱使電池容量和壽命提高1倍。這種經(jīng)不起事實(shí)檢驗(yàn)的肥皂泡式的“發(fā)明創(chuàng)造”，不僅未能使鉛蓄電池性能有所提高，而且還敗壞了膠體蓄電池的名聲。

幾乎在研制膠體電池的同時(shí)，采用玻璃纖維隔膜的陰極吸收式密封鉛蓄電池卻誕生了，它不但使鉛蓄電池消除了酸霧，而且還表現(xiàn)出內(nèi)阻小、大電流放電特性好的優(yōu)點(diǎn)。因而在國民經(jīng)濟(jì)中，尤其是原來使用固定型鉛蓄電池的場合，得到了迅速的推廣和應(yīng)用，于是人們就把膠體鉛蓄電池拋在腦后了。

80年代，德國陽光公司的膠體密封鉛蓄電池產(chǎn)品進(jìn)入中國市場，多年來使用效果表明它的性能確實(shí)不同于以前的膠體鉛蓄電池。這就迫使人們要重新認(rèn)識(shí)膠體鉛蓄電池。

本文將根據(jù)近年來的兩種閥控式密封鉛蓄電池的研制、生產(chǎn)和使用效果對(duì)它們進(jìn)行比較，供選用電池的同事們作參考。

二、電池的工作原理

不論是采用玻璃纖維隔膜的閥控式密封鉛蓄電池(以下簡稱AGM密封鉛蓄電池)還是采用膠體電解液的閥控式密封鉛蓄電池(以下簡稱膠體密封鉛蓄電池)，它們都是利用陰極吸收原理使電池得以密封的。

電池充電時(shí)，正極會(huì)析出氧氣，負(fù)極會(huì)析出氫氣。正極析氧是在正極充電量達(dá)到70%時(shí)就開始了。析出的氧到達(dá)負(fù)極，跟負(fù)極起下述反應(yīng)，達(dá)到陰極吸收的目的。負(fù)極析氫則要在充電到90%時(shí)開始，再加上氧在負(fù)極上的還原作用及負(fù)極本身氫過電位的提高，從而避免了大量析氫反應(yīng)。

對(duì)AGM密封鉛蓄電池而言，AGM隔膜中雖然保持了電池的大部分電解液，但必須使10%的隔膜孔隙中不進(jìn)入電解液。正極生成的氧就是通過這部分孔隙到達(dá)負(fù)極而被負(fù)極吸收的。

對(duì)膠體密封鉛蓄電池而言，電池內(nèi)的硅凝膠是以SiQ質(zhì)點(diǎn)作為骨架構(gòu)成的三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，它將電解液包藏在里邊。電池灌注的硅溶膠變成凝膠后，骨架要進(jìn)一步收縮，使凝膠出現(xiàn)裂縫貫穿于正負(fù)極板之間，給正極析出的氧提供了到達(dá)負(fù)極的通道。

由此看出，兩種電池的密封工作原理是相同的，其區(qū)別就在于電解液的“固定”方式和提供氧氣到達(dá)負(fù)極通道的方式有所不同。

三、 電池結(jié)構(gòu)和工藝上的主要差異

AGM密封鉛蓄電池使用純的硫酸水溶液作電解液，其密度為1.29—1.3lg/cm3。除了極板內(nèi)部吸有一部分電解液外，其大部分存在于玻璃纖維膜之中。為了給正極析出的氧提供向負(fù)極的通道，必須使隔膜保持有10%的孔隙不被電解液占有，即貧液式設(shè)計(jì)。為了使極板充分接觸電解液，極群采用緊裝配的方式。

另外，為了保證電池有足夠的壽命，極板應(yīng)設(shè)計(jì)得較厚，正板柵合金采用Pb’-q2w-Srr--A1四元合金。

膠體密封鉛蓄電池的電解液是由硅溶膠和硫酸配成的，硫酸溶液的濃度比AGM式電池要低，通常為1.26～1.28g/cm3。電解液的量比AGM式電池要多20%，跟富液式電池相當(dāng)。這種電解質(zhì)以膠體狀態(tài)存在，充滿在隔膜中及正負(fù)極之間，硫酸電解液由凝膠包圍著，不會(huì)流出電池。

由于這種電池采用的是富液式非緊裝配結(jié)構(gòu)，正極板柵材料可以采用低銻合金，也可以采用管狀電池正極板。同時(shí)，為了提高電池容量而又不減少電池壽命，極板可以做得薄一些。電池槽內(nèi)部空間也可以擴(kuò)大一些。

四、電池放電容量

初期的膠體蓄電池的放電容量只有富液式電池的80%左右，這是由于使用性能較差的膠體電解液直接灌人未加改動(dòng)的富液式電池之中，電池的內(nèi)阻較大，電解質(zhì)中離子遷移困難引起的。

近來的研究工作表明，改進(jìn)膠體電解液配方，控制膠粒大小，摻人親水性高分子添加劑，降低膠液濃度提高滲透性和對(duì)極板的親合力，采用真空灌裝工藝，用復(fù)合隔板或AGM隔板取代橡膠隔板，提高電池吸液性;取消電池的沉淀槽，適度增大極板面積活性物質(zhì)的含量，結(jié)果可使膠體密封電池的放電容量達(dá)到或接近開口式鉛蓄電池的水平。

AGM式密封鉛蓄電池電解液量少，極板的厚度較厚，活性物質(zhì)利用率低于開口式電池，因而電池的放電容量比開口式電池要低10%左右。與當(dāng)今的膠體密封電池相比，其放電容量要小一些。

五、 電池內(nèi)阻及大電流放電能力

鉛蓄電池的內(nèi)阻是由歐姆內(nèi)阻、濃差極化內(nèi)阻、電化學(xué)極化內(nèi)阻組成的。前者包括極板、鉛零件、電解液、隔極電阻。AGM密封鉛蓄電池所用的玻璃纖維隔板具有90%的孔率，硫酸吸附其內(nèi)，且電池采用緊裝配形式，離子在隔板內(nèi)擴(kuò)散和電遷移受到的阻礙很小，所以AGM密封鉛蓄電池具有低內(nèi)阻特性，大電流快速放電能力很強(qiáng)。

膠體密封鉛蓄電池的電解液是硅凝膠，雖然離子在凝膠中的擴(kuò)散速度接近在水溶液中的擴(kuò)散速度，但離子的遷移和擴(kuò)散要受到凝膠結(jié)構(gòu)的影響，離子在凝膠中擴(kuò)散的途徑越彎曲，結(jié)構(gòu)中孔隙越狹窄，所受到的阻礙也越大。因而膠體密封鉛蓄電池內(nèi)阻要比AGM密封鉛蓄電池要大。

然而試驗(yàn)結(jié)果表明膠體密封鉛蓄電池的大電流放電性能仍然很好，完全滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)密封電池大電流放電性能的要求。這可能是由于多孔電極內(nèi)部及極板附近液層中的酸和其他有關(guān)離子的濃度在大電流放電時(shí)起到關(guān)鍵性的作用。

六、熱失控

熱失控指的是：電池在充電后期(或浮充狀態(tài))由于沒有及時(shí)調(diào)整充電電壓，使電池的充電電流和溫度發(fā)生一種累積性的相互增強(qiáng)作用，此時(shí)電池的溫度急劇上升，從而導(dǎo)致電池槽膨脹變形，失水速度加大，甚至電池?fù)p壞。

上述現(xiàn)象是AGM密封鉛蓄電池在使用不當(dāng)時(shí)而出現(xiàn)的一種具有很大破壞性的現(xiàn)象。這是由于AGM密封鉛蓄電池采用了貧液式緊裝配設(shè)計(jì)，隔板中必須保持10%的孔隙不準(zhǔn)電解液進(jìn)入，因而電池內(nèi)部的導(dǎo)熱性差，熱容量小。充電時(shí)正極產(chǎn)生的氧到達(dá)負(fù)極和負(fù)極鉛反應(yīng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，如不及時(shí)導(dǎo)走，則會(huì)使電池溫度升高;如若沒有及時(shí)降低充電電壓，則充電電流就會(huì)加大，析氧速度增大，又反過來使電池溫度升高。如此惡性循環(huán)下去，就會(huì)引起熱失控現(xiàn)象。

對(duì)于開口式鉛蓄電池而言，由于不存在陰極吸收氧氣現(xiàn)象，再加上其電解液量比較大，電池散熱容易，熱容量也大，當(dāng)然不會(huì)出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象。膠體密封鉛蓄電池的電解液量用得和開口式鉛蓄電池相當(dāng)，極群周圍及與槽體之間充滿凝膠電解質(zhì)，有較大的熱容量和散熱性，不會(huì)產(chǎn)生熱量積累現(xiàn)象。

德國陽光公司的膠體密封鉛蓄電池進(jìn)入中國市場已有十余年，幾家代理商均說沒有聽到用戶反映電池有熱失控現(xiàn)象。

七、使用壽命

影響閥控式密封鉛蓄電池使用壽命的因素很多，既有電池設(shè)計(jì)和制造方面的因素，又有用戶使用和維護(hù)條件方面的因素。就前者而言，正極板柵耐腐蝕性能和電池的水損耗速度乃是兩個(gè)最主要的因素。由于正板柵的厚度加大，采用Pb—Ca—Sn--Al四元耐蝕合金，則根據(jù)板柵腐蝕速度推算，電池的使用壽命可達(dá)10～15年。然而從電池使用結(jié)果來看，水損耗速度卻成為影響密封電池使用壽命的最關(guān)鍵性因素。

對(duì)于AGM密封鉛蓄電池而言，由于采用貧液式設(shè)計(jì)，電池容量對(duì)電解液量極為敏感。電池失水10%，容量將降低20%;損失25%水份，電池壽命結(jié)束。然而膠體密封鉛蓄電池采用了富液式設(shè)計(jì)，電解液密度比AGM密封鉛蓄電池低，降低了板柵合金腐蝕速度;電解液量也比后者多15%～20%，對(duì)失水的敏感性較低。這些措施均有利于延長電池使用壽命。根據(jù)德國陽光公司提供的資料，膠體電解液所含的水量足以使電池運(yùn)行12～14年。電池投入運(yùn)行的第一年，水損耗4%—5%，隨后逐年減少，4年之后總的水耗損只有2%。OP2V型密封電池在2.27V/單體條件下浮充運(yùn)行10年后，其容量還有90%。從國內(nèi)一些郵電通信部門的反映來看，雖然陽光公司的膠體密封鉛蓄電池售價(jià)較高，但其使用壽命卻長于國產(chǎn)的AGM密封鉛蓄電池。

八、氧氣復(fù)合效率

復(fù)合效率是指充電時(shí)正極產(chǎn)生的氧氣被負(fù)極吸收復(fù)合的比率。充電電流、電池溫度、負(fù)極特性和氧氣到達(dá)負(fù)極的速度等因素，均會(huì)影響密封電池的氣體復(fù)合效率。

根據(jù)德國陽光公司提供的膠體密封鉛蓄電池產(chǎn)品說明書介紹，膠體密封鉛蓄電池產(chǎn)品使用初期，氧復(fù)合效率較低，但運(yùn)行數(shù)月之后，復(fù)合效率可達(dá)95%以上。這種現(xiàn)象也可以從電池的失水速度得到驗(yàn)證，膠體密封鉛蓄電池運(yùn)行第一年失水速度較大，達(dá)到4%～5%，以后逐漸減少。造成上述特性的主要原因，看來膠體電解質(zhì)在形成初期，內(nèi)部沒有或極少有裂縫，沒有給正極析出的氧提供足夠的通道。隨著膠體的逐漸收縮，則會(huì)形成越來越多的通道，那么氧氣的復(fù)合效率必然逐漸提高，水損耗也必然減少。

AGM式密封鉛蓄電池隔膜中有不飽和空隙，提供了大量的氧氣通道，因而其氧氣復(fù)合效率很高，新電池可以達(dá)到98%以上。

九、選用貨真價(jià)實(shí)的膠體密封鉛蓄電池

以上談及的膠體密封鉛蓄電池的一些特性，乃是當(dāng)今國內(nèi)外新一代膠體密封鉛蓄電池才具有的性質(zhì)。這種電池使用的膠體電解質(zhì)在性能上有別于早期膠體電池使用的膠體電解質(zhì)，后者是用普通水玻璃制成的，或由一般市售的硅溶膠配成的。此外，新一代膠體密封鉛蓄電池的結(jié)構(gòu)和選材上也不同于一般的鉛蓄電池。

從目前的國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展水平來看，做一個(gè)膠體鉛蓄電池是不難的，然而要做一個(gè)好的膠體密封鉛蓄電池卻是不容易的，其中的技術(shù)訣竅是任何廠家都不愿透露的。用戶在選用膠體密封鉛蓄電池時(shí)，務(wù)必小心從事。