纯铅薄极板蓄电池的特点及应用
在高性价比的化学电源中,诞生了150多年的铅酸蓄电池,在目前的应用中占据优势地位。但随着全球工业化进程的加快,用户和环境也对于铅酸蓄电池的性能寄予了更多的期望(例如高能量密度、高可靠性、快速充电接受性能、高率放电性能、节能低碳、更低总拥有成本等),而传统型的铅酸蓄电池技术已经逐渐在这些新的技术期待面前捉襟见肘;此外,传统的铅酸蓄电池在制造之初,为了便于加工及提高机械强度,不得不在板栅中加入其它金属形成合金结构,但是合金形成后,一方面固然增加了加工的便利性。但另一方面也导致电池极板在使用过程中腐蚀加快、电池的自放电率增大、使用过程中失水较快、内阻变大等问题。基于以上需求和问题,不添加任何合金的纯铅薄极板(Thin Plate Pure Lead,TPPL)技术应运而生。
纯铅薄极板电池最初由美国Gates公司研发成功并申报了专利保护,最早的研发方向是应用于航空设备电源系统的卷绕式圆柱形电池,由于高纯度的金属铅板栅(纯度约99.99%)较软,制造工艺难度非常大,该技术并未得到大面积推广。由于纯铅技术的显著优势,后来部分国外厂家投入大量的精力,结合蓄电池领域应用工况,进行了长时间的研发试制,同时也优化了纯铅薄极板的电化学体系、提高充放电接受能力,通过特殊的生产工艺及采用全自动化的工装机器人生产出适宜于工业领域应用的板式(Plate)纯铅薄极板电池并成功的将其进行商业化。
TPPL技术作为化学电源中的新型技术,它既不同于传统型铅酸蓄电池的胶体(Gel)技术,也不完全等同于普通型铅酸蓄电池的AGM(AbsorbedGlassMat)技术;纯铅薄极板技术从电池的基本材料(包括外壳)、结构设计、电化学性能、制造工艺及质量控制都与传统产品有着极大的差别,体现了化学电源技术发展的最高水平。
1 纯铅薄极板技术的优势
(1) 纯铅板栅
纯铅板栅通常采用高纯度的原生态铅再提纯后经碾压、冲压制成正负极板栅铅带,与传统的重力浇铸型铅钙锡合金板栅不同,纯铅板栅的晶格更为致密,即便在高温环境之下也更耐腐蚀(见图1);同时相比于合金板栅,其析氢过电位更高,更有效地减少蓄电池在充电过程中电解失水。
(2) 超薄型极板
相对于传统的铅钙合金电池极板,纯铅薄极板电池极板厚度仅有1mm左右(见表1),在同等的空间内可以放入更多的极板,提高了极板反应接触总面积(如图2),从而使得纯铅电池在快速充电和高功率放电时性能表现极其优异。
(3) 极板预防短路设计
由于纯铅薄极板电池极板非常薄,加之纯度高,极板本身较软,容易变形;纯铅薄极板采用了特殊结构设计,极板表面增加耐酸、耐热的防短路防脱落材料,一方面保证电解液中荷电离子的移动,另一方面有效避免了超薄型极板容易变形导致短路、充填进板栅的活性物质因大电流负载下崩脱等故障。
(4)高强度阻燃性外壳由于纯铅薄极板电池内部极板片数较多,内部群压较高,加之纯铅薄极板电池工作寿命很长,普通型(或改性)的ABS、PP塑料外壳无法满足极板寿命需求,所以纯铅薄极板电池均采用具有更高强度、无卤素高阻燃性的改性PPO(ModifiedPoly-PhenyleneOxide)塑料作为外壳,以确保电池的外壳在整个电池正常寿命周期内,材料无降解、性能无衰减,且在使用中不产生变形。根据测试,采用改性PPO材料外壳制作的纯铅薄极板电池工作温度范围在-40～+65℃。
在同等的壁厚、气压、面积等条件下,各外壳材料的特性见表2。
(5)自放电率更低
由于纯铅薄极板电池内部采用高纯度的材料,与合金板栅的电池容易出现的内阻大、每3～6个月需要进行充电等要求不同,在常温状态下,纯铅薄极板电池可以静置两年以上(见图3)。
(6)大电流充放电接受性与传统性蓄电池相比,纯铅薄极板电池极板数量更多、反应面积更大、内阻较小,可以接受高达10C10的充电电流。对于完全放电的电池,当采用1C10的充电限流值时,在2h内可以将电池100%充满;即使采用电信行业常用的0.25C10的限流值,100%充满电的时间也在6h以内,充电时间不到传统阀控式铅酸电池的三分之一(见图4)。
(7)卓越的高、低温性能
纯铅薄极板电池拥有比普通电池更大的极板比表面积,极大地降低了内阻,使电池在低温下也能进行正常充电。由于其贫液式设计,低温下没有液态酸的冰冻,因此也不产生输出电流随温度降低而急剧减小的问题;在高温下,冷轧纯铅板的高耐腐蚀性和超高的充电接受性,确保电池有很长的使用寿命(见图5)。
作为先进技术所代表的电池产品,纯铅薄极板电池以其传统型电池不具备的优点,对于传统型铅酸电池所面临的在高温环境下的使用寿命短、均一性差和快速充放电、浮充、循环使用同时兼顾等问题提出了有效的解决方案,所以在对于可靠度要求较高(例如军工、航天、地铁、石化、银行等)的领域,纯铅薄极板电池得以大量应用。
根据调查,在北美Switch数据中心、Latisys数据中心、DigitalRealityTrust数据中心、Facebook数据中心、香港机场、香港地铁、广州地铁等用户中,均有大量的纯铅薄极板电池在投入使用,经过长时间跟踪测试发现,纯铅薄极板电池均一性好、使用温度范围宽、支持间歇式充电、无一例发现有电池变形、漏液等明显的制造瑕疵,用户普遍评价较好。表3为广东某地铁随机抽查数据(12V100Ah)。
2 纯铅薄极板技术的不足
虽然纯铅薄极板电池有着众多传统型化学电源不可比拟的优势,但其技术也存在一些难点,例如原材料提纯要求较高、生产主要依赖自动化设备、工艺难度较大等等,导致其技术让制造企业无法快速掌握。
3 结束语
随着社会发展,各行各业细分市场越来越具体,对于电源系统(供电系统)的可靠性、安全性和稳定性要求越来越高,蓄电池的重要性显得尤为重要。在极其常见的UPS应用的工况下,绝大多数蓄电池都是短时间大电流(功率)放电、浅循环的负载模式,传统型阀控式密封铅酸蓄电池和其它的化学电源由于产品特性、安全性、维护量大等原因不能完全符合并满足需要,而针对于UPS电源系统应用研发的纯铅薄极板电池以其高功率、超长的浮充寿命、快速充放电、使用温度范围宽、均一性好等优点,为对电源有高可靠需求的领域,提供了完美有效的解决方案;预计在不久的将来,可以取代相当大的一部分传统型及不适宜UPS应用的产品,在电源供应领域大放异彩。