通信用阀控式高温电池及其特点分析

朱卫民，宋云龙，陈苏祥，唐伟成

通信用阀控式高温电池及其特点分析

朱卫民，宋云龙*，陈苏祥，唐伟成

（卧龙电气集团浙江灯塔电源有限公司，浙江 绍兴 312000）

摘要：简述了通信基站对高温电池的需求、高温电池的技术特点及研究现状；介绍了耐腐蚀板栅合金、高温铅膏配方或固化工艺、耐高温外壳材料、优化的结构设计等高温电池的技术要求；最后，分析了高温电池的应用前景。

关键词：高温电池; 通信基站; 耐腐蚀板栅; 改性 ABS；热失控；氢氧复合催化栓

*通讯联系人

0　前言

随着我国通信行业的飞速发展，尤其是全国范围内 4G 基站的大力建设，通信基站机房的耗能问题再次为人们所关注。根据通信行业十二五规划，2015 年电信行业总耗能须较 2010 年底下降 10 %，因此降低基站耗能成了亟待解决的问题[1]。在通信基站机房各种设施中，空调耗电所占比例很高。当室内温度设定为 25 ℃的时候，空调耗电占总耗电量的 42 %，如果将室内温度提高到 30 ℃，则空调耗电可降低一半，这将取得很好的节能效果与经济效益。

通信基站机房用阀控电池对温度比较敏感。如果环境温度过高，一方面高温会加速正板栅的腐蚀，影响电池的寿命；另一方面，高温会引起电池浮充电流增大，氧复合反应加剧，反应大量放热，电池内部的温度上升，从而加速电池的失水，最终导致电池干涸失效，同时也可能会引起热失控，导致电池外壳变形、着火等事故的发生。理论上，阀控电池在 35 ℃的使用寿命仅为在 25 ℃ 时的一半，实际情况可能会更短。

提高环境温度对蓄电池的影响很大，因此，开发出适应高温环境的蓄电池产品成为了行业内的热点。随着蓄电池的技术革新，阀控高温电池应运而生。高温电池可在 20～35 ℃ 范围内正常工作，为通信机房基站的节能工作提供了可靠支持。当前，国内各大蓄电池企业均已推出自己的高温电池产品，国外的一些科研机构也在做相关的开发工作。

1　高温电池的定义与特点

高温电池，即高温型阀控式铅酸蓄电池，是在常规的阀控式铅酸蓄电池的基础上，通过技术改进而开发出来的新型产品。根据 YD/T 2657-2013《高温型阀控式密封铅酸蓄电池》要求，高温电池的推荐使用温度为 20～35 ℃，允许在 -20～65 ℃环境条件下使用。

高温电池的型号命名一般为“串联单体数 -GFMH-10 小时率容量”，如 GFMH-500、6-GFMH-100。

高温电池一般采用更耐腐蚀的板栅合金、热变形强度更高的改性 ABS 外壳材料、更加合理的极群结构设计、以及胶体、亚胶体电解液等。这样，极板的耐腐蚀性更强，电池的耐过充能力更佳，在-20～65 ℃ 温度范围内，高温电池的循环寿命和浮充寿命均较普通铅酸蓄电池有大幅度提升。

2　高温电池的技术要求

高温电池一般在结构设计或制造工艺上做了相应的改善或调整。行业内通常从板栅的合金组成、极板配方及固化工艺、外壳材料的改性与结构优化、极群优化设计、胶体电解液等方面着手，开发出相应的高温电池产品。高温电池一般具备以下技术特点：

2.1耐腐蚀板栅合金

蓄电池在浮充过程中，通常会处于过充状态并伴随着氧循环反应，而这些过程将加大正板栅的腐蚀。因此，开发的高温电池时，可对正板栅进行加厚处理或改善正板栅的合金组成。考虑到成本及电池的重量比能量等因素，改善正板栅的合金组成成为一种优选方式。通常作为备用电源的铅酸蓄电池的正板栅一般采用铅钙锡合金，合金中 ω(Ca) 一般为 0.03 %～0.04 %，板栅合金晶粒尺寸大，电阻小，析氢过电位高[2]。

为了进一步提高板栅的耐腐蚀性能，可以采用铅锡硅三元合金，其中 ω (Sn) 为 0.1 %～1 %，ω(Si) 为 0.01 %～1 %，以提高电池的浮充寿命[3]；另外，采用连铸连轧的方式制备板栅，并在涂板前进行热处理，可以显著提高蓄电池在高温环境下的循环寿命。张明等采用耐高温腐蚀和防失水的含银合金，其中 ω (Ca) 为 0.05 %～0.06 %，ω (Sn) 为1.0 %～1.2 %，ω (Al) 为0.004 %～0.02 %，ω (Ag) 为 0.01 %～0.1 %[4]，同样取得良好的浮充寿命。

2.2高温铅膏配方或固化工艺

备用电池的失效模式一般是正极板的腐蚀或铅膏的脱落，而高温环境会加剧这一现象的产生。为了提高蓄电池的耐高温性能，可以改善铅膏的配方及电池的固化工艺。祝夫勤等开发的高温电池，正极活性物质中按质量分数分别为铅粉 80 %～95 %、红丹 3 %～15 %、4BS 0.3 %～2 %、纳米胶体石墨0.3 %～1 %、二氧化硅 0.5 %～3.5 %[5]；张明等在正极铅膏配方中添加了质量分数占 1 %～2 %的稀土氧化物三氧化二钇[6]；吴贤章等在正极铅膏添加了质量分数占 1%～10 %的4BS[7]，都取得了一定的效果。

改善正极的铅膏配方，提高正极铅膏中的 4BS所占的质量分数，可以采用在和膏时添加到铅膏中的方式，也可以采用高温固化工艺原位生成。试验证明，在铅膏中加入的 4BS，在常温固化过程中会部分转化为 3BS。

2.3耐高温外壳材料

根据 YD/T 2657-2013 《高温型阀控式密封铅酸蓄电池》中第 5.24 节对极限高温使用的要求，蓄电池按照标准第 6.24 节进行试验，电池浮充电流不能有上升趋势，容量损失不超过 5 %；蓄电池外观不应有破裂、过度膨胀及槽、盖分离现象。高温电池对外壳材料的热变形温度要求严格。对于常规的 ABS 材料，热变形温度较低，高温电池一般需要采用热变形温度较高的改性材料或改善外壳结构设计。

以 2 V 500 Ah 电池为例，按照高温电池行业标准第 6.24 节进行试验。结果表明，采用改性 ABS材料的电池外壳经 65 ℃ 极限高温测试后外壳基本无形变，而采用普通 ABS 材料的电池外壳明显鼓胀，具体结果见表 1。

表1　不同外壳材料 2 V 500 Ah 电池极限高温试验数据

由表 1 可知，经极限高温试验后，改性 ABS外壳基本无形变，电池失水量较少，容量无损失；而普通 ABS 外壳形变明显，电池失水量较多，容量略有损失。外壳的厚度对其强度有一定的影响。可见，采用热变形温度较高的外壳材料或增加外壳的厚度均可以降低外壳的形变。

2.4改善极群结构及优化电解液设计

改善蓄电池在高温环境下的浮充寿命，一个很重要的思路是解决失水问题。通常可以采用改善极群结构、优化电解液设计或增加氢氧复合催化栓的方式。

在电池极群上套有 2～4 道塑料扎带打包紧固，用以保证压缩比，可以在一定程度上提高电池的高温性能[8]；另外，12 V 极群的极耳可以采用对角线相对设计，即正极引出极柱与负极引出极柱分别从蓄电池前端的上部和下部引出[7]，可以在一定程度上改善电池的失水情况。

实验证明采用胶体电解液，可有效地减少蓄电池，尤其是 2 V 高型蓄电池的失水及酸分层现象，提高蓄电池在高温状态下的循环寿命；同时，在电解液中添加质量分数占 0.1 %～1 %的多氟烷基磺酸[3]，或者质量分数占 1%～1.8 %的K2SO4[9]，或质量分数占 0.5 %～5 %的SiO2[10]，均可以提高铅酸电池的析氢过电位，在一定程度上提高蓄电池的高温性能。

另外，在蓄电池安全阀的下部，安装钯金属催化剂或者消氢帽，促进氢氧的复合反应，可以显著降低电池的失水量。2015 年 4 月 28 日，在浙江舟山举行的中外氢氧复合催化芯技术讨论会上，来自费城科技的 Duncan Jones 介绍了氢氧复合催化栓的结构及原理，汇报了其在 VRLA 电池中的可行性分析，共同探讨了其在高温电池中使用的前景。

3　高温电池的应用前景

当前，全国通信基站总数已超过一百万个。据统计，每个基站空调耗电量约为 1.5 万度，其中空调耗电约占基站耗电总量的 45 %，全年基站空调耗电量超过 70 亿度，相当于 43 亿公斤 CO2的排放量。随着能源的日益紧张，以及国家产业结构的优化和调整，实现低碳经济，推进节能减排的深入开展，采用高温电池，降低基站空调的耗电量具有重要的经济效率和环保意义。

为了更加直观地对比基站选择高温电池与普通电池的经济投入，林宇等[11]采用 12 V/100 Ah 电池，以 48 V/100 Ah 为一组，采用 800 Ah-48 V的配置，通过单价计算，得出普通电池与高温电池投资与能耗效益的分析统计，经汇总见表 2。

表2　普通电池与高温电池投资与能耗效益分析[11]

由表 2 可知，对于一个基站，如果采用高温电池，在最初的设备投资上约为采用普通阀控电池的1.6～1.7 倍。但电费的支出约为采用普通阀控电池的 1/10。在第一年内，总花费基本持平，在第二年及以后，采用高温电池的经济效益将非常明显。而蓄电池一般的实际使用寿命在 5 a 以上。所以，从长远以及环保的角度来看，基站选用高温电池有着巨大的优势。

4　结束语

阀控式高温电池的开发为铅酸蓄电池行业注入了新的活力，也给通信基站的环保节能提供了更多的选择。当然，高温电池的性能有待进一步的提升与验证，其生产成本也有待进一步的优化。相信随着技术的不断升级，高温电池在通信基站机房的优势将会更加的明显，未来将会拥有更广阔的市场。

参考文献：

[1] 罗秋菊, 王文, 程劲晖, 等. 通信用蓄电池节能技术效果分析[J]. 广州通信技术, 2013(6): 70–73.

[2] 朱松然. 铅蓄电池技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2002.

[3] 吴贤章, 陈建, 项文敏, 等. 节能环保高温型阀控密封式铅酸蓄电池: 中国, 102117938 A[P]. 2011–07–06.

[4] 张明, 马向民, 毕广春, 等. 耐高温深循环铅酸蓄电池: 中国, 103700812 A[P]. 2014–04–02.

[5] 祝夫勤, 吴勇, 孔德龙, 等. 一种高温用固定型铅酸蓄电池正极活性物质: 中国, 102306786 A[P]. 2012–01–04.

[6] 张明, 马向民, 毕广春, 等. 耐高温深循环铅酸蓄电池: 中国, 103700812 A[P]. 2014–04–02.

[7] 吴贤章, 陈建, 项文敏, 等. 12 V 高温循环狭长型阀控密封式铅酸蓄电池: 中国, 102222803 A[P]. 2011–10–19.

[8] 张明, 李静. 铅酸蓄电池耐高温极群: 中国, 102903970 A[P]. 2013–01–30.

[9] 薛奎网, 张明. 高温循环用铅酸蓄电池: 中国, 102255060 A[P]. 2011–11–23.

[10] 黎立华, 黎福根. 一种高温阀控式密封铅酸蓄电池: 中国, 103594738 A[P]. 2014–02–19.

[11] 林宇. 通信基站后备电源储能节能改造及分析[J]. 能源与环境, 2014(2) : 17–18.

High temperature valve-regulated lead-acid battery for telecommunications and its characteristics

ZHU Wei-min, SONG Yun-long*, CHEN Su-xiang, TANG Wei-cheng
(Zhejiang Dengta Power Source Co., ltd. of Wolong Electric Group, Shaoxing Zhejiang 312000, China)

Abstract:This paper briefl y introduced the demand for high temperature batteries in communication base stations, present situation and technology features of high temperature batteries. Then it introduced the technical requirements of corrosion-resistant grid alloy, special paste formula or curing process, high temperature resistant material for container, the optimized structure design, etc. Finally, it analyzed the application prospect of high temperature batteries.

Key words:high temperature battery; telecommunication base station; corrosion-resistant grid alloy; modified ABS; thermal runaway; hydrogen and oxygen compound catalytic bolt

中图分类号：TM 912.1

文献标识码：B

文章编号：1006-0847(2015)06-287-03

收稿日期：2015–06–04