淺析膠體鉛酸動力電池結構及膠體電解質優(yōu)缺點

1.膠體鉛酸動力電池特性

鉛酸動力電池從問世到如今，一直是特種、民用領域中使用最廣泛的化學電源。由于它使用硫酸電解液，運輸過程中會有酸液流出，充電時會有酸霧析出來，對環(huán)境和設備造成損害，人們就試圖將電解液“固定”起來，將鉛酸動力電池“密封”起來，于是使用膠體電解液的鉛酸動力電池應運而生。膠體鉛酸動力電池簡單的說就是使用膠體電解液的鉛酸動力電池，膠體鉛酸動力電池屬于鉛酸動力電池的一種，其最簡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)。

膠體鉛酸動力電池與普通鉛酸動力電池的區(qū)別不僅在于電解液改為膠凝狀，而進一步發(fā)展至電解質基礎結構的電化學特性研究，以及在板柵和活性物質中的應用推廣。例如采用非凝固態(tài)的水性膠體鉛酸動力電池，從電化學分類和特性看同屬膠體鉛酸動力電池。又如在板柵中使用高分子材料，俗稱陶瓷板柵，是膠體鉛酸動力電池的特點。近期已有實驗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的反應利用率。

膠體的質量和灌裝工藝對膠體鉛酸動力電池的質量有重要的影響，而膠體鉛酸動力電池的設計、制造工藝和應用條件（尤其是充放電工藝）都制約著膠體鉛酸動力電池的性能。膠體的特性必須和蓄電池的結構及使用條件相互適用。閥控密封鉛酸動力電池的結構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力電池的性能更加完美。現(xiàn)代優(yōu)良的膠體鉛酸動力電池都是基于閥控密封鉛酸動力電池工藝生產(chǎn)的，而用普通鉛酸動力電池半成品不經(jīng)改動制成的膠體鉛酸動力電池也是近來頗有爭議的問題。

膠體灌裝、凝膠穩(wěn)定性和確保膠體鉛酸動力電池容量是膠體鉛酸動力電池的三項關鍵技術，德國陽光公司生產(chǎn)的膠體鉛酸動力電池的膠體粘度很低，用常壓自然法灌裝膠體鉛酸動力電池。即使大型膠體鉛酸動力電池也像灌注稀硫酸一樣灌注滿。膠體在鉛酸動力電池中充分凝膠，在極群內外上下都呈均勻的糊狀凝膠，在膠體鉛酸動力電池的整個壽命期間，完全沒有液化現(xiàn)象，這是我國生產(chǎn)的膠體鉛酸動力電池很難做到的。

陽光公司的技術是世界最先進的，其Dryfit系列膠體鉛酸動力電池安全可靠，壽命長，是世界上最優(yōu)良的膠體鉛酸動力電池。但是，陽光公司生產(chǎn)的膠體鉛酸動力電池的比能量和大電流放電不及采用超細玻璃纖維隔膜閥控密封鉛酸動力電池電池。另外，陽光公司的極板化成工藝復雜，生產(chǎn)周期長，有些型號的膠體鉛酸動力電池需經(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)品開發(fā)和市場競爭。

2.膠體鉛酸動力電池的結構

閥控密封鉛酸動力電池通過兩種方式來固定電解液，一種是采用超細玻璃纖維隔膜來固定電解液，另外一種為膠體結構，即通過膠體來固定電解液。美國的C&D技術公司則將兩種方式結合起來固定電解液，稱為復合技術。在膠體鉛酸動力電池的定義中，只提到電解液為凝膠狀(比較直觀的認識為果凍狀)，沒有對隔板的使用做出規(guī)定，所以只要使用凝膠來固定電解液的蓄電池就可稱為膠體鉛酸動力電池。

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，對蓄電池的性能有比較大的影響。凝膠的強度與二氧化硅的含量和酸的含量成正比，強度越大，其水化和破裂的可能性越小。

鉛酸動力電池的內阻與膠體中的二氧化硅的含量成正比，所以膠體鉛酸動力電池的高倍率(3C以上)放電特性比相同結構的AGM-VRLA蓄電池差，但額定容量比相同結構的AGM-VRLA蓄電池大5～10%。使用PVC-SiO2或者酚醛樹酯等專用隔板的膠體鉛酸動力電池，由于二氧化硅含量的關系，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高才能形成穩(wěn)定的膠體。用復合技術生產(chǎn)的膠體鉛酸動力電池，其浮充壽命為相同結構的AGM-VRLA蓄電池的1.5～2倍，循環(huán)能力可以提高20%。

國際上生產(chǎn)鉛酸動力電池的大公司幾乎都生產(chǎn)膠體鉛酸動力電池，如：德國的陽光、哈根，美國的DEKA，Trojan，Exide，SEC等，但日本的YUASA不生產(chǎn)膠體鉛酸動力電池，但其UXL系列蓄電池中有膠體成分，其主要作用是為了減輕電解液的分層現(xiàn)象。在應用方面主要在太陽能、風力發(fā)電、動力蓄電池等方面，其市場比較大，價格比AGM-VRLA蓄電池高20%左右。

在國內的大企業(yè)中，有雙登、深圳雄韜等公司生產(chǎn)膠體鉛酸動力電池，雙登的GFM系列采用管式極板，一般采用PVC-SiO2隔板和酚醛樹脂隔板。廣東番禺恒達蓄電池總廠的課題組經(jīng)過三年的研究，開發(fā)了二種膠體鉛酸動力電池，一種采用AGM隔板，其技術與C&D技術公司的技術一樣，另一種采用PVC-SiO2隔板，同DEKA的產(chǎn)品一樣。

膠體鉛酸動力電池是對液態(tài)電解質的鉛酸動力電池的改進，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力電池有所改善。膠體鉛酸動力電池采用凝膠狀電解質，內部無游離液體存在，在同等體積下電解質容量大，熱容量大，熱消散能力強，能避免AGM-VRLA蓄電池易產(chǎn)生熱失控現(xiàn)象。膠體鉛酸動力電池電解質的濃度低，對極板的腐蝕作用弱；濃度均勻，不存在電解液分層現(xiàn)象。

膠體鉛酸動力電池具有使用性能穩(wěn)定，可靠性高，使用壽命長，對環(huán)境溫度的適應能力（高、低溫）強，承受長時間放電能力、循環(huán)放電能力、深度放電及大電流放電能力強，有過充電及過放電自我保護等優(yōu)點。

膠體鉛酸動力電池在使用初期無法進行氧循環(huán)是因為膠體把正、負極板都包圍起來了，正極板上面產(chǎn)生的氧氣無法擴散到負極板，無法實現(xiàn)與負極板上的活性物質鉛還原，氧氣只能由排氣閥排出，與富液式鉛酸動力電池一致。

在膠體鉛酸動力電池使用一段時間后，膠體開始干裂和收縮，產(chǎn)生裂縫，氧氣通過裂縫直接到負極板進行氧循環(huán)。排氣閥就不再經(jīng)常開啟，膠體鉛酸動力電池進入密封工作，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。膠體鉛酸動力電池電解液的固定方式采用氣體二氧化硅及多種添加劑，注入時為液態(tài)，可充滿蓄電池內的所有空間。

3.膠體電解質的優(yōu)缺點

膠體電解質和普通液態(tài)電解質相比具有如下優(yōu)點：

1）硫酸被膠體均勻地固化分布，無濃度層化問題，膠體鉛酸動力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力電池在正常環(huán)境下浮充使用壽命達10年以上。可以明顯延長蓄電池的使用壽命。根據(jù)有關文獻，可以延長蓄電池壽命2～3倍。

2）免維護性能好。由于采用膠體電解質，膠體鉛酸動力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情況下，膠體鉛酸動力電池的存放時間可以延長2倍以上。可儲存兩年無需充電即可使用，2V系列靜置兩個月容量仍保存99.9%以上。

3）膠體鉛酸動力電池在嚴重缺電的情況下，抗硫化性能明顯。

4）充放電無記憶效應（N次數(shù)），在嚴重放電情況下的恢復能力強，反彈容量大，恢復時間短，在放完電數(shù)分鐘后仍能應急使用。

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

6）膠體鉛酸動力電池的后期放電性能得到明顯改善。

7）膠體鉛酸動力電池不會出現(xiàn)漏液、滲酸等現(xiàn)象，逸氣量小，對環(huán)境危害很小。

8）低溫特性好。普通鉛酸動力電池在低于0℃的環(huán)境下使用容量驟降，而膠體鉛酸動力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。

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

1）膠體電解質相對于普通電解液來說加注比較困難，這一點需要通過改變膠體配方、加注緩凝劑來改變。

2）如果在膠體的配制過程中，生產(chǎn)工藝不合理或控制不好，膠體鉛酸動力電池的初容量會比較小。

3）膠體鉛酸動力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)產(chǎn)生熱量，使蓄電池內部溫升較高。

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

4.結語

膠體鉛酸動力電池為密封結構、電解液凝膠、無滲漏、充放電時無酸霧、無污染，是國家大力推廣應用的環(huán)保產(chǎn)品。膠體鉛酸動力電池最重要的特點為：放電曲線平直，拐點高，比能量特別是比功率要比普通鉛酸動力電池高20%以上，壽命一般也比普通鉛酸動力電池長一倍左右，充電接收能力強；自放電小，耐存放；過放電恢復性能好，大電流放電容量比普通鉛酸動力電池增加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，可達到800～1500充放電次，單位容量工業(yè)成本低于普通鉛酸動力電池，經(jīng)濟效益高。