蓄电池选型介绍及释氢分析

1、单击此处编辑副标题单击此处编辑副标题电气设计研究部电气设计研究部2012年年9月月一、蓄电池的定义和分类二、蓄电池的种类三、阀控铅酸蓄电池四、镍镉蓄电池五、释氢分析六、总结和问题原电池原电池( (一次电池一次电池) )：放电一次，不可再充电；：放电一次，不可再充电；蓄电池蓄电池( (二次电池二次电池) )：放电后可以再次充电恢复电能储存；：放电后可以再次充电恢复电能储存；按应用分类按应用分类 作为能量储存装置，需要时，将储存的能量提供给负载。如作作为能量储存装置，需要时，将储存的能量提供给负载。如作为应急电源系统和备用电源，作为动力回收系统或电力系统负荷调为应急电源系统和备用电源，作为动力回收

2、系统或电力系统负荷调节系统；节系统； 作为便携式用电设备、电动工具和电动车辆的能量源。作为便携式用电设备、电动工具和电动车辆的能量源。 铅酸电池；铅酸电池； 富液式：开口式、固定式、占地面积大、溢出酸雾、定期加水、富液式：开口式、固定式、占地面积大、溢出酸雾、定期加水、低温性能差；寿命长；低温性能差；寿命长；( (近期出现富液式近期出现富液式+ +水份重组阀类型水份重组阀类型) ) 阀控式阀控式(VRLA)(VRLA)：便携式或固定式；分为贫液式、胶体式；：便携式或固定式；分为贫液式、胶体式； VRLAVRLA电池主要用途是备用电源；但存在如下问题：电池主要用途是备用电源；但存在如下问题： 负

3、极自放电大，导致低荷电状态和容量严重降低；负极自放电大，导致低荷电状态和容量严重降低； 热失控，及环境温度敏感及充电敏感；热失控，及环境温度敏感及充电敏感； 因此：因此： 在低功率在低功率UPSUPS应用中，由铅酸电池到镍镉电池的转换是一种设计应用中，由铅酸电池到镍镉电池的转换是一种设计和应用的趋势。和应用的趋势。 碱性蓄电池碱性蓄电池 铁镍蓄电池，车辆用，已逐步淘汰；铁镍蓄电池，车辆用，已逐步淘汰； 氧化银蓄电池，军事及空间应用，成本很高；氧化银蓄电池，军事及空间应用，成本很高； 锌镍蓄电池，轻便车辆用，循环寿命较低；锌镍蓄电池，轻便车辆用，循环寿命较低； 氢电极电池，航天领域和电动车，成本

4、很高；氢电极电池，航天领域和电动车，成本很高； 锌二氧化锰电池，便携工具设备，循环寿命和倍率差；锌二氧化锰电池，便携工具设备，循环寿命和倍率差； 锂离子蓄电池，电子电信市场为主，成本较高；锂离子蓄电池，电子电信市场为主，成本较高； 镍镉蓄电池：应用最广泛，成本只高于铅酸，低于其他镍镉蓄电池：应用最广泛，成本只高于铅酸，低于其他 袋式极板结构：最常见、最常用袋式极板结构：最常见、最常用 烧结极板结构：高放电率和低温性能更出色，还可细分为烧结极板结构：高放电率和低温性能更出色，还可细分为泡沫镍电极、纤维镍电极和涂膏式电极；泡沫镍电极、纤维镍电极和涂膏式电极； 密封式：与密封铅酸电池相似密封式：与密

5、封铅酸电池相似( (电子产品、设备类电子产品、设备类) )化学原理化学原理 当电池充电接近完成且大部分当电池充电接近完成且大部分PbSO4PbSO4已经被转化为已经被转化为PbPb和和PbO2PbO2时，过充电反时，过充电反应应 就会开始，导致氢气和氧气的生成并损失水。就会开始，导致氢气和氧气的生成并损失水。VRLAVRLA技术特点技术特点 氧气复合原理：过充电过程产生的大部分氧气能够在内部重化合氧气复合原理：过充电过程产生的大部分氧气能够在内部重化合 纯铅锡合金板栅的应用减少氢气的生成，氢气通过塑料壳和排气孔释放纯铅锡合金板栅的应用减少氢气的生成，氢气通过塑料壳和排气孔释放出去。出去。 为了

6、减少析氢，对充电器的技术要求较高；为了减少析氢，对充电器的技术要求较高； 可以在排气孔安装催化栓，使氢气与氧气再次化合达到平衡；可以在排气孔安装催化栓，使氢气与氧气再次化合达到平衡；水份重组水份重组 一般特性一般特性 密封：不是真正密封，通过减压阀控制气体排出；密封：不是真正密封，通过减压阀控制气体排出； 免维护：壳盖密封技术使电池理论上不能进行再次修理；免维护：壳盖密封技术使电池理论上不能进行再次修理； VRLAVRLA电池性能特征电池性能特征( (以方形电池为例以方形电池为例) ) 放电曲线放电曲线(20(20摄氏度，摄氏度，C20C20率率) )VRLAVRLA电池性能特征电池性能特征(

7、 (以方形电池为例以方形电池为例) ) 温度与放电率对电池放电容量的影响温度与放电率对电池放电容量的影响VRLAVRLA电池性能特征电池性能特征 温度与电池预期寿命的影响曲线温度与电池预期寿命的影响曲线( (温度敏感性温度敏感性) )化学原理化学原理发展过程发展过程 袋式极板结构袋式极板结构( (有极板盒式开口镍镉电池有极板盒式开口镍镉电池) )：可靠、耐用、长寿、使用：可靠、耐用、长寿、使用温度范围宽、结构坚固、能承受过充、反极、短路等滥用、低维护温度范围宽、结构坚固、能承受过充、反极、短路等滥用、低维护 烧结式极板结构：极板厚度更薄，内阻更小，高倍率性能和低温性能烧结式极板结构：极板厚度更

8、薄，内阻更小，高倍率性能和低温性能 更优良；更优良； 烧结式极板的发展烧结式极板的发展纤维极板镍镉电池纤维极板镍镉电池(FNC)(FNC) 烧结式极板的发展烧结式极板的发展密封免维护镍镉电池：采用与密封免维护镍镉电池：采用与VRLAVRLA类似技术类似技术 黏结式电极结构：主要用于航空和便携式密封电池。黏结式电极结构：主要用于航空和便携式密封电池。 对对“开口开口”(VENT)(VENT)的说明：的说明：“开口开口”的意义并不是字面上理解的的意义并不是字面上理解的 电池敞开的意思。是指电池正负极之间设置有气体阻挡层，电池敞开的意思。是指电池正负极之间设置有气体阻挡层， 防止电池内生成的气体复合

9、，当过充时，水被电解并通过安防止电池内生成的气体复合，当过充时，水被电解并通过安 全阀将氢气和氧气排出，消耗了水。全阀将氢气和氧气排出，消耗了水。镍镉蓄电池特性镍镉蓄电池特性 放电特性：分低倍率、中倍率、高倍率放电特性：分低倍率、中倍率、高倍率 标称电压标称电压1.2V1.2V，2020摄氏度下袋式极板摄氏度下袋式极板/ /黏结式极板高倍率型，黏结式极板高倍率型，C5C5率：率：镍镉蓄电池特性镍镉蓄电池特性 温度对电池容量的影响温度对电池容量的影响 温度下限：标准电解质温度下限：标准电解质-20-20摄氏度，增大电解质浓度可降至摄氏度，增大电解质浓度可降至-50-50摄氏度摄氏度 温度上限：温

10、度上限：4545摄氏度通常是镍镉电池长期工作的温度上限；摄氏度通常是镍镉电池长期工作的温度上限； 曲线如下，选取中等倍率袋式极板镍镉电池，曲线如下，选取中等倍率袋式极板镍镉电池，C5C5率；率； 综合放电特性综合放电特性(ALCAD(ALCAD英国英国/SAFT/SAFT法国，袋式极板法国，袋式极板) )使用寿命使用寿命( (充放电循环次数充放电循环次数/ /时间时间) ) 正常条件下循环寿命正常条件下循环寿命20002000次以上；时间为次以上；时间为8 8至至2525年；年； 影响寿命因素：温度影响寿命因素：温度( (主要是高温主要是高温) )、放电深度、充电制度、放电深度、充电制度记忆效

11、应记忆效应 仅存在于烧结式镍镉电池，完全可逆，通过深度维护循环可恢复；仅存在于烧结式镍镉电池，完全可逆，通过深度维护循环可恢复； 袋式极板、纤维极板、黏结极板式电池无此效应；袋式极板、纤维极板、黏结极板式电池无此效应； 开口烧结式镍镉电池开口烧结式镍镉电池 技术成熟技术成熟 体积比能量比袋式极板电池高出体积比能量比袋式极板电池高出50%50% 薄极板设计，低内阻，高倍率特性，低温性能优良；薄极板设计，低内阻，高倍率特性，低温性能优良； 放电电压平稳，适合高功率应用，广泛用于发动机启动和低温环境应放电电压平稳，适合高功率应用，广泛用于发动机启动和低温环境应用用 成本较高成本较高 有记忆效应有记忆

12、效应( (可逆可逆) ) 为延长寿命需要充电系统具有温度控制为延长寿命需要充电系统具有温度控制开口原理开口原理 正、负极间以隔膜隔开，作为气体阻挡层和绝缘层；正、负极间以隔膜隔开，作为气体阻挡层和绝缘层； 电解质较多，将极板和隔膜完全淹没，属于电解质较多，将极板和隔膜完全淹没，属于”富液型电池富液型电池”； 开口电池在充电终点时电压升高，可作为充电控制标志；开口电池在充电终点时电压升高，可作为充电控制标志； 析氢反应析氢反应 开口式电池负极充电至基本达到开口式电池负极充电至基本达到100%100%荷电状态时，开始析氢；荷电状态时，开始析氢； 过充电期间，全部电流都用于将水电解为氢气和氧气；过充

13、电期间，全部电流都用于将水电解为氢气和氧气； 过充电反应消耗水，控制过充电量可限制水的损失，增大补水间隔；过充电反应消耗水，控制过充电量可限制水的损失，增大补水间隔；充电特性充电特性 开口电池正负极之间的气体阻挡层可以防止电池内生成的气体在极板开口电池正负极之间的气体阻挡层可以防止电池内生成的气体在极板间迁移并发生复合反应。这一方法可使正、负极都达到满荷电状态，从而间迁移并发生复合反应。这一方法可使正、负极都达到满荷电状态，从而使过充电开始时出现过电压，作为控制充电的反馈信号；使过充电开始时出现过电压，作为控制充电的反馈信号； 根据这一特性，可进行高充电率充电；根据这一特性，可进行高充电率充电

14、； 较多的过充电可使电池恢复到较高的容量；较多的过充电可使电池恢复到较高的容量； 过充电量越多，消耗的水越多；过充电量越多，消耗的水越多； 通常充电量约为放电容量的通常充电量约为放电容量的101%101%至至105%105%；纤维电极镍镉电池纤维电极镍镉电池(FNC(FNC电池电池) ) 核心是三维镀镍纤维矩阵结构极板，增加了活性物质载入量和利用率核心是三维镀镍纤维矩阵结构极板，增加了活性物质载入量和利用率； 进一步改善低温性能进一步改善低温性能(-40(-40摄氏度摄氏度) ) 降低充电系数，提高了充电效率降低充电系数，提高了充电效率 减少了过充电析气反应减少了过充电析气反应 高使用寿命高使

15、用寿命(20-25(20-25年年) ) 生产灵活性生产灵活性( (技术覆盖范围广技术覆盖范围广) ) 超高、高、中、低倍率覆盖超高、高、中、低倍率覆盖 FNC FNC体系在所有应用中具有相同的体系在所有应用中具有相同的 性质和基本特点性质和基本特点 促进了密封电池的发展促进了密封电池的发展 再谈密封电池和开口电池再谈密封电池和开口电池 水溶液镍电极充电过程总是存在竞争反应水溶液镍电极充电过程总是存在竞争反应( (水的电解水的电解) ) 在充电末期，正极析出氧气，负极析出氢气在充电末期，正极析出氧气，负极析出氢气 电池对析出气体的处理方式决定电池是否能密封：电池对析出气体的处理方式决定电池是否

16、能密封： 密封电池：气体在电池内部复合密封电池：气体在电池内部复合 开口电池：气体排出电池外开口电池：气体排出电池外 开口电池过充电反应：开口电池过充电反应： 密封电池过充电反应：密封电池过充电反应： 密封免维护密封免维护FNCFNC电池电池 没有任何气体排放到电池外发生损失没有任何气体排放到电池外发生损失 氧气在负极复合氧气在负极复合 负极上采用过量氢氧化镉的过放电来阻止氢气析出负极上采用过量氢氧化镉的过放电来阻止氢气析出 即负极容量大于正极容量即负极容量大于正极容量( (比值大于比值大于2:1)2:1) 注意：密封不是指全密封，安全阀是必不可少的；注意：密封不是指全密封，安全阀是必不可少的

17、； 正常情况下不析气正常情况下不析气 电池反极或充电电压失去控制的情况下，氢气将析出；解决的措施是：电池反极或充电电压失去控制的情况下，氢气将析出；解决的措施是： 电池内置或外置由电池内置或外置由Pt/PdPt/Pd催化基体制成的复合极板，氢气在该极板上与催化基体制成的复合极板，氢气在该极板上与 来自正极的自放电反应或过充电反应产生的氧气复合来自正极的自放电反应或过充电反应产生的氧气复合( (水份重组技术水份重组技术) )。 当极端滥用当极端滥用( (如严重的过充电如严重的过充电) )导致电解质沸腾时，安全阀将开启释放导致电解质沸腾时，安全阀将开启释放 压力。压力。 自动防止故障发生特性；过充

18、电至电解质沸腾，排出水蒸气后，电池自动防止故障发生特性；过充电至电解质沸腾，排出水蒸气后，电池 干涸，阻抗增加，电流下降，不再接受充电，电池逐渐冷却。干涸，阻抗增加，电流下降，不再接受充电，电池逐渐冷却。FNCFNC镍镉电池特性镍镉电池特性 放电特性曲线，放电特性曲线，2020摄氏度，摄氏度，C5C5率，低倍率型率，低倍率型FNCFNC镍镉电池特性镍镉电池特性 温度与容量曲线温度与容量曲线镍镉电池主要制造商镍镉电池主要制造商铅酸电池铅酸电池 所有铅酸蓄电池在使用过程中都会产生氢气所有铅酸蓄电池在使用过程中都会产生氢气 氢气来源：两种过程氢气来源：两种过程 过充电过程中，电解水副反应中产生过充电

19、过程中，电解水副反应中产生 开路搁置期间自放电反应开路搁置期间自放电反应 开口式一般失水率为开口式一般失水率为1.38g/Ah1.38g/Ah，折合氢气，折合氢气1.71L/Ah1.71L/Ah；阀控式密封铅酸蓄电池阀控式密封铅酸蓄电池 采用多元优质合金板栅，提高气体释放过电位采用多元优质合金板栅，提高气体释放过电位( (由由2.30V2.30V至至2.35V)2.35V) 相对减少气体释放量相对减少气体释放量 负极比正极多出负极比正极多出10%10%容量，充电后期正极释放的氧气与负极复合容量，充电后期正极释放的氧气与负极复合 负极由于氧气作用处于欠充电状态，不产生氢气负极由于氧气作用处于欠充

20、电状态，不产生氢气 正负极间隔板采用超细玻璃纤维隔板正负极间隔板采用超细玻璃纤维隔板(AGM(AGM，非胶体电解质，非胶体电解质) )，利于氧气，利于氧气 迅速流通到负极迅速流通到负极 采用密封式阀控滤酸结构，酸雾无法逸出；采用密封式阀控滤酸结构，酸雾无法逸出；阀控式密封铅酸电池不逸出气体的状态和条件阀控式密封铅酸电池不逸出气体的状态和条件 开路存放期间开路存放期间 充电电压在充电电压在2.35V2.35V单体以下单体以下(25(25摄氏度摄氏度) ) 放电期间放电期间 当充电电压超过当充电电压超过2.35V2.35V单体时就有可能使气体逸出，原因是电池内短时单体时就有可能使气体逸出，原因是电

21、池内短时 间产生的大量气体来不及被负极吸收间产生的大量气体来不及被负极吸收( (复合复合) )；超压后安全阀排气；超压后安全阀排气； 阀控式密封铅酸蓄电池对充电电压要求非常严格，不能过充电；阀控式密封铅酸蓄电池对充电电压要求非常严格，不能过充电；实际充电过程分析实际充电过程分析 实际中蓄电池的过充是存在的，分为两种情况实际中蓄电池的过充是存在的，分为两种情况 （1 1）蓄电池的充电是整组进行，单体电池存在差异，出现个别电池过充）蓄电池的充电是整组进行，单体电池存在差异，出现个别电池过充 是普遍现象；是普遍现象； （2 2）充电时间的要求，工业用户对后备电池充电时间一般要求放电后）充电时间的要求

22、，工业用户对后备电池充电时间一般要求放电后8-10 8-10 小时内充完，而单体充电电压低于小时内充完，而单体充电电压低于2.35V2.35V，充电时间长达，充电时间长达20-3020-30小时；小时； 如要在如要在8 8小时内充完，单体充电电压一般要达到小时内充完，单体充电电压一般要达到2.45V2.45V；阀控式密封铅酸蓄电池析氢量分析阀控式密封铅酸蓄电池析氢量分析 标准规定该类电池气体再化合率标准规定该类电池气体再化合率95%95%，大部分产品实际复合率接近或，大部分产品实际复合率接近或 超过超过99%99%，在正常工作状态的电池，其析气量是极少的，尚未收集到公，在正常工作状态的电池，其

23、析气量是极少的，尚未收集到公 开的计算析氢量的计算方法；开的计算析氢量的计算方法； 公开资料上，对单体电池的析氢量给出了实验室测试结果如下：公开资料上，对单体电池的析氢量给出了实验室测试结果如下： 浮充电压为浮充电压为2.252.25至至2.27V/2.27V/单体时，析气量为单体时，析气量为2ml/Ah/Mon2ml/Ah/Mon； 浮充电压为浮充电压为2.282.28至至2.30V/2.30V/单体时，析气量为单体时，析气量为3ml/Ah/Mon3ml/Ah/Mon； 浮充电压为浮充电压为2.352.35至至2.40V/2.40V/单体时，析气量为单体时，析气量为10ml/Ah/Mon10

24、ml/Ah/Mon； 析气量中析气量中80-90%80-90%成分是氢气成分是氢气 尽管从安全阀中排出的气体少到几乎可以忽略，但几乎所有的生产商尽管从安全阀中排出的气体少到几乎可以忽略，但几乎所有的生产商 建议安装该类电池的房间或电池柜保证自然通风，不得完全密封。建议安装该类电池的房间或电池柜保证自然通风，不得完全密封。 主要是考虑到：主要是考虑到： 1 1、危险气体的累积、危险气体的累积 2 2、过充电情况的存在会加剧氢气产生、过充电情况的存在会加剧氢气产生开口式镍镉电池开口式镍镉电池 充电过程中，镍镉电池的充电效率：充电过程中，镍镉电池的充电效率： 袋式极板约袋式极板约71.5%71.5%

25、，纤维极板约，纤维极板约83.3%83.3%； 必然有一部分能量须以其他形式耗散必然有一部分能量须以其他形式耗散- -即电解水，引起电池失水；即电解水，引起电池失水； 放电过程中不产生气体放电过程中不产生气体 析气产生是周期性的，在每次充电快要结束时的过充期；析气产生是周期性的，在每次充电快要结束时的过充期；耗水分析耗水分析 只有在过充过程中才产生电解水只有在过充过程中才产生电解水 理论计算：理论计算： 每每1Ah1Ah的过程电量将电解的过程电量将电解0.366cm30.366cm3的水的水； 注：实际电解水的量要略小于上述量，因为过充电流还要抵消电极自放电注：实际电解水的量要略小于上述量，因

26、为过充电流还要抵消电极自放电， 并不完全用于电解水。并不完全用于电解水。 开口式镍镉电池开口式镍镉电池 析氢计算析氢计算 每每1Ah1Ah的过充电量将电解的过充电量将电解0.366cm30.366cm3的水；的水； 每每1cm31cm3水电解产生水电解产生1.8651.865升气体，其中升气体，其中2/32/3为氢气；为氢气；1/31/3为氧气；为氧气； 计算可得每计算可得每1Ah1Ah的过充电可产生氢气为：的过充电可产生氢气为： 0.366x1.865x2/3=0.450.366x1.865x2/3=0.45升氢气；升氢气； 对于某型开口式镍镉蓄电池组：对于某型开口式镍镉蓄电池组： 每小时产

27、生的氢气可用下式计算：每小时产生的氢气可用下式计算： H2(L)/h=H2(L)/h=单体电池块数单体电池块数x x充电电流充电电流Ix0.45 LIx0.45 L H2(m3)/h= H2(m3)/h=单体电池块数单体电池块数x x充电电流充电电流Ix0.00045 m3Ix0.00045 m3 开口式镍镉电池开口式镍镉电池 实例计算实例计算 假设假设110V110V直流系统电池组由直流系统电池组由9696块单体电池组成块单体电池组成(1.2V/(1.2V/块块) )； 容量为容量为280Ah280Ah；C5C5率；率； 充电电流一般限制在充电电流一般限制在0.3C50.3C5以下，考虑到以下，考虑到8 8至至1010小时充电，则充电电流至少小时充电，则充电电流至少为为 0.1C50.1C5；则充电电流为；则充电电流为28A28A； 根据计算公式，在最恶劣工况下，氢气释放量为：根据计算公式，在最恶劣工况下，氢气释放量为： H2(m3