浅谈阀控式密封胶体电池技术(二)——胶体电池和AGM电池的比较

赵杰权，张骥小，柳厚田（.埃克塞德电源（上海）有限公司，上海 0004；. 复旦大学化学系，上海 00433）



浅谈阀控式密封胶体电池技术(二)——胶体电池和AGM电池的比较

赵杰权1，张骥小1，柳厚田2
（1.埃克塞德电源（上海）有限公司，上海 200042；2. 复旦大学化学系，上海 200433）

摘要：阀控式铅酸蓄电池包含胶体电池和 AGM 电池。本文从设计、结构和性能方面系统地比较了胶体电池和 AGM 电池的差异。从设计上看，两种电池在电解液的固定方式、电解液用量、电解液浓度、极群装配要求、氧气传输通道等方面均有明显不同。从结构上看，它们的外观尺寸、隔板性能、硫酸电解液分布、极板的类型等亦有较大差异。电池的设计和结构决定了电池的性能：胶体电池在使用寿命、深循环性能、耐过充电能力、浮充特性、耐用性、热失控风险、自放电等方面具有明显优势；而 AGM 电池的体积相对较小，在初始容量和大电流放电性能方面更好。

关键词：阀控式铅酸电池；胶体电池；AGM 电池；耐过充电；热失控；深循环；自放电；初始容量；大电流放电

1 概述

阀控式铅酸（VRLA）蓄电池按电解液的固定方式不同，一般分为胶体电池和 AGM 电池[1-2]。胶体电池是指采用胶体技术制作的阀控式铅酸蓄电池。胶体技术不仅指电池内是否含有凝胶电解液，还包括电池的设计思路、结构特征、制造工艺等技术措施，确保电池具有相应的性能[3]。同样，对AGM 电池，是指采用 AGM 技术制造的阀控式铅酸蓄电池。采用 AGM 隔板固定电池内的硫酸电解液仅是 AGM 电池的技术特征之一。这两种技术的不同导致胶体电池和 AGM 电池在性能上有很大的差别。为了更深入地理解胶体电池和 AGM 电池的不同性能特点，本文从设计、结构和性能方面深入探讨了它们的差异。

2 胶体电池和 AGM 电池在设计方面的差异

2.1 电解液量和电解液浓度方面的差异

AGM 电池采用 AGM 隔板来固定硫酸电解液。为了使充电后期正极产生的氧气易于穿过隔板到达负极，被负极吸收，必须采用贫液式设计，以确保内部氧循环的顺利进行[4]，因此，AGM 电池的电解液量相对较少，相应地电池的热容也较小，以至于 AGM 电池对热敏感。对相同容量完全充电的电池，若充入相同的电量，AGM 电池的温升明显大于胶体电池的温升。为了确保电池的放电性能，AGM 电池一般采用较高密度的硫酸，所以板栅的腐蚀速度更快，也更容易产生惰性的硫酸铅，从而使电池充电接受能力变差，电池更难充电，即 AGM 电池更易发生早期容量衰减[5]。随着电池使用时间的延长，AGM 电池由于过充而不断失水，这种现象更加严重。在电池中，AGM 隔板的硫酸饱和度通常在 95 %～85 %[1,6]。和完全饱和时相比，当隔板的饱和度为 85 % 时，电池的有效内阻增加 90 %[7]。当 AGM 隔板的硫酸饱和度低于 85 % 时，电池会因为恒压充电后期尾电流过大、电池缺酸和内阻过大等原因而致电池寿命很快终止。因此，对 AGM 电池而言，电池的失水率达10 %，电池的寿命降低 50 % 以上。

如前文所述[3]，胶体电池是在富液式电池的基础上改进而成的。由于是采用硅凝胶固定硫酸电解液，所以胶体电池内部的气体传输是通过凝胶开裂产生的裂缝所形成的通道来完成的；电解液量的多少不会影响气体的传输通道，故对电解液的量没有严格限制，通常采用富液式设计，以确保电池具有更优良的性能：因此，胶体电池的电解液量较多，对大密电池，富液率约 20 %，对中密电池，富液率约 15 %[8]。电解液越多，电池的热容越大，故胶体电池对电池反应的热效应所引起的温度变化不是很敏感，高温环境对胶体电池的性能和使用寿命的影响相对较小。胶体电池通常采用比 AGM 电池密度更低的酸。因为酸密度较低，所以板栅的腐蚀速率更低，电池的充电接受能力也明显改善[7]，从而电池的使用寿命延长。电池长期使用中，电压偏高时，或许会对电池进行均充或过充等维护操作，从而可能引起电池失水；但是由于胶体电池具有更多的电解液，失水率相对较少，因而电池使用寿命较长，稳定性较好。

2.2 电解液固定技术的差异

由于胶体电池和 AGM 电池均采用内部氧循环的阴极吸收式免维护技术，所以二者在免维护技术上没有本质差别，仅在固定电解液的方式上有明显差异[1,9]。

对 AGM 电池，采用 AGM 制造技术，电池内的电解液固定在 AGM 隔板内，电解液的固定是利用 AGM 隔板的多孔性及这种超细多孔材料所具有的很强的吸附作用，其原理类似于海绵吸水。可见，在 AGM 电池中，电解液仍为稀硫酸溶液。在备用应用中，铅酸蓄电池长期放置固定不动。由于稀硫酸是由纯硫酸和水混合而成，纯硫酸的密度为1.84 g・cm-3，而纯水的密度为 1.0 g・cm-3，所以在重力的作用下，稀硫酸电解液会发生分层现象，即底部的电解液密度高，而上部的电解液密度低。在高型电池中，这种分层现象尤为明显[1,8]。电解液分层时，极板顶部的活性物质会因为没有足够的酸而放不出应有的容量，在充电时被过充；而在底部，由于电解液浓度过高，活性物质会难以充电，板栅腐蚀和极板硫酸盐化加速；在极板的上部和下部还会产生浓差极化，从而引起电位在电极表面的不均匀分布：最终使电池的工作电压、使用容量降低，寿命缩短。

胶体电池采用硅凝胶制造技术，电池内的电解液固定于硅凝胶中。由凝胶胶粒聚合形成的硅胶空间网络结构有效地固定硫酸电解液，其原理类似于采用胶冻来固定硫酸电解液。由于硅胶的空间网络结构中富含大量的硅氧化学键，可和硫酸分子中的氢形成氢键；但这是种弱化学作用，硅凝胶很容易吸附和释放硫酸分子，即使电解液长期放置不动，由于这种作用的存在，基本可以抵消重力的作用，使稀硫酸电解液上下分布均匀，不易发生电解液分层现象[1,9]。硅凝胶本身的平均孔径比 AGM 隔板的平均孔径小约 100 倍，所以其比表面积比 AGM 隔板的比表面积大很多，其中的小孔或微孔也能更好地保持硫酸电解液[8]。在胶体电池中，由于电解液不易分层，极板上部和下部的活性物质均能充分利用，因此电池的使用寿命较长，也可制造成高型电池。2.3 极群装配方面的差异

在 AGM 电池中，极群的装配压缩比对电池的使用性能和电池寿命有非常重要的影响。适当增加电池的极群装配压力，具有如下好处[1,2]：

（1）使 AGM 电池具有优异的大电流放电性能：AGM 电池采用紧装配结构，使正负极板之间的间距更小，电池内离子导电的距离更短，从而降低了电池的内阻；采用紧装配结构可使极板和隔板保持良好的接触，减小隔板与极板的接触电阻，和有效抑制正极活性物质的软化和脱落。这些均有利于提高 AGM 电池的大电流放电性能和使用寿命。

（2）使活性物质充分利用：AGM 隔板不但起着隔离正负极板的作用，而且也起着贮存和保持电解液的作用。采用紧装配结构时，极板紧贴 AGM隔板，可让电解液浸渍整个极板，使活性物质充分被利用，增加蓄电池的使用容量。

（3）有利于氧气的穿透传输：采用紧装配结构时，极板与 AGM 隔板紧密接触，有利于氧气穿透隔板顺利扩散至负极；因为极板处于较大的压力作用下，AGM 隔板被压缩，AGM 隔板中垂直于隔板方向的微孔变大，使氧气易于从正极穿透隔板到达负极；由于 AGM 隔板被压缩，平行于隔板平面方向的微孔变小，从而抑制正极产生的氧气沿着隔板平面方向逸散。

（4）避免蓄电池过早进入寿命衰退期：若AGM 电池装配较松，很容易发生电池早期容量衰减现象；而采用紧装配结构，可有效抑制正极活性物质的软化脱落，从而大大延长 AGM 电池的使用寿命。

因此，AGM 电池通常均采用紧装配结构设计。该结构不但使电池内的氧循环更顺利进行，而且确保了 AGM 电池具有优异的大电流放电性能和较好的使用寿命。

胶体电池本身是在富液电池的基础上发展而来的，也基本保持了原富液电池的特点，对电池极群的装配压力没有严格的要求。采用的隔板通常为含有筋条的微孔塑料隔板，以利于胶体电解液顺利进入极群及隔板内部。胶体电池的隔板主要起隔离正负极板的作用。在胶体电池中，由于采用硅凝胶电解液，胶体电解液的粘度远远大于稀硫酸电解液的，太紧的装配不利于胶体电解液进入极群内部，所以极群的装配相对较松。由于对极群装配要求较松，正负极板之间的距离相对较大，电池内离子传输的距离较长，所以胶体电池的内阻通常较大，更适合中等电流和小电流放电，而大电流放电性能相对较差[9]。

2.4 氧循环气体通道的差异

在 VRLA 电池中，氧气从正极传输到负极，在负极上被复合。根据氧循环的原理，氧气在负极的复合主要发生在气、液、固三相界面上[10]。氧气的传输途径有两条[11-12]：其一是垂直传输，即正极产生的氧气先移向极群周围，再达到负极板；其二是水平传输，即正极板产生的氧气直接穿透隔板达到负极。在 VRLA 电池中，发生氧循环的气体通道不但发生在正负极板间的隔板内，还发生在极群外部空间。

在 AGM 电池中，在充电末期或在浮充过程中，正极产生的气体需要从小气泡长至较大气泡。由于气泡不断增大，扩展到 AGM 隔板中，将隔板中大孔内的硫酸电解液排出，形成气体通道，氧气得以从正极传递到负极，所以只有当正极产生的氧气压力达到一定程度时, AGM 隔板中才会形成若干氧通道。气体传递到负极后，被负极吸收，排出的硫酸会重新占据 AGM 隔板内的气体通道，直到正极表面产生的气泡再次长大，形成气体通道。因此，在 AGM 电池中氧气从正极穿透隔板到达负极的气体通道可能是不稳定或不连续的[10]。

在 AGM 电池中，由于隔板在加入硫酸电解液后引起湿收缩，导致装配压力大大降低，极板和隔板表面的不平整等因素致使极板和隔板之间总存在相对较大的缝隙，所以氧气从正极直接传输到负极存在较大的困难，有相当数量的氧气采用垂直传输。由于极板的孔径小于 AGM 隔板的孔径，极板中保持了较多的电解液，电池极群中边板的铅负极上没有胶体等的覆盖，很容易形成气、液、固三相界面，因而在 AGM 电池中铅负极与氧气的反应不但发生在正负极板之间的表面上，相当数量的氧循环还发生在极群外部负极板上。氧气在极群边板上的快速复合也使电池内部的气室总压比胶体电池的更低[10]。据报导，在电池槽的内壁上加筋条，可以明显增加氧循环的速率[12]。

在对胶体电池的研究中发现[11-13]：在胶体电池中，随着使用时间的延长及胶体内微裂缝的形成，平衡时胶体电池内的气室总压比 AGM 电池的气室总压要高，垂直方向的氧传输会受到抑制。在胶体电池中，随着使用时间的延长，硅凝胶会发生干裂，形成细微的裂缝，从而形成氧气从正极传输到负极的通道。在运行正常的胶体电池中，由于正负极板均被凝胶覆盖，极群边负板上氧气的复合反应速率极低，氧在负极的复合反应主要发生在正极板对应的负极板上，即主要采用水平传输。在胶体电池中电解液饱和度对氧传输方式有着重要影响，当饱和度高于 91.5 % 时，传输方式以垂直传输为主；当饱和度低于 91.5 % 时，以水平传输为主[10]。

与 AGM 电池相比，胶体电池氧循环中，氧在垂直方向的传输较慢，更有利于氧的水平传输。在胶体电池中，由于气体通道是凝胶干裂形成的，所以气体传输通道基本是稳定的。

2.5 成本的差异

胶体电池和 AGM 电池相比，其成本明显较高，主要是因为：其一，胶体电池生产中不但要增加配胶设备，还需专用的灌胶设备。由于采用胶体电解液，且胶体电解液粘度大，可能发生凝胶现象，故对生产过程控制要求完全不同于 AGM 电池的生产过程，工艺更复杂，技术更难掌握[8]。其二，胶体电池采用微孔塑料隔板，要求其孔率高，强度好，厚度薄。高质量的微孔隔板本身的成本就较高[1]。其三，胶体电池一般设计余量更大，电解液更多，重量更重，材料成本更高。AGM 电池的生产过程相对简单，工艺过程较好控制，电池重量较轻，所以成本较低。

3 胶体电池和 AGM 电池在结构方面的差异

3.1 电池外观及尺寸的差异

由于 AGM 电池采用紧装配结构和贫电解液设计，结构紧凑，电解液采用较高浓度的酸，所以在相同容量的情况下，AGM 电池具有更轻的重量和更小的体积。

由于胶体电池装配相对较松，采用富液式设计，电池内有更多的电解液，而且电解液的酸密度较低，所以纯硫酸的质量相同时电池的重量和体积更大；另外，胶体电池使用初期氧复合效率相对较低，电池的气室一般更大：因而，相对来说，胶体电池的重量和体积均更大。

为了更好地理解 AGM 电池和胶体电池在外观尺寸和重量方面的差异，以埃克塞德公司生产的两类 12 V 100 Ah 电池的外形尺寸和重量进行对比说明，参见表 1。

表 1 AGM 电池和胶体电池体积和重量

由表 1 可知，不论是平板胶体还是管式胶体电池，其体积均要远大于 AGM 电池的体积。从重量上看，对 12 V 100 Ah 的电池，平板胶体电池比常规AGM 电池重约 20 %，管式胶体电池比常规 AGM 电池重约 40 %。从电池的尺寸和重量也可看出 AGM电池和胶体电池的制造成本是完全不一样的。

需要说明的是，前述这些差异主要是两类电池的设计思路决定的，也是保证两类电池各自特性的重要组成部分。例如：若 AGM 电池采用富液式设计，电池氧循环则无法进行，电池寿命很短；另一方面，胶体电池若采用量较少但浓度高的硫酸电解液，极板的腐蚀会加速，电池充电接受能力会变差，难以保证胶体电池的高稳定性和长使用寿命。3.2 电池隔板的差异

隔板是电池的重要部件之一，其主要作用是分隔正负极板，防止正负极板短路。加入电解液后，隔板要允许电解液自由扩散和离子迁移，但又不能使电池内阻明显增加。因此，隔板应该是多孔性质并具有比较小的电阻。当活性物质结构变化，存在生长或脱落现象时，不得通过隔板的孔隙而到达对面极板，所以隔板的孔径要小，孔数要多。此外，其还需要具有机械强度好，耐酸腐蚀，耐氧化，酸置换率低以及不析出对极板有害的物质等[1,4]特点。

对 AGM 电池，隔板均采用 AGM 隔板；而胶体电池，一般采用微孔塑料隔板，如 PVC 隔板、酚醛树脂隔板、聚酯隔板等。这两类电池的隔板差异如下[1,2,4]：

3.2.1 隔板的作用和功能不同

AGM 隔板不但起隔离正负极板的作用，而且起贮存和保持电解液的作用；胶体电池所用的微孔塑料隔板只起隔离正负极板、防止短路的作用。

3.2.2 隔板的结构不同

由图 1 可知，AGM 隔板与微孔塑料隔板是完全不同的。AGM 隔板是由不同粗细的玻璃纤维堆积而成的，一般不含粘结剂。纤维的位置可能因受力而滑动，所以 AGM 隔板的抗穿刺能力较差。在干态和湿态下，AGM 隔板的强度有很大差异。在水溶液中来回移动 AGM 隔板，可能会造成隔板纤维脱落，甚至完全散开，其湿态强度相对较差。胶体电池用隔板一般是采用化学试剂和塑料原料充分混合，制成湿态混合原料，通过特制的挤压机在较低的温度下 (40～50 ℃) 把混合料挤制成膏状物，经成型滚筒压制而成为成品样式的隔板，成型后的隔板通过“热水浴法”使其中的溶剂溶出，再经过烘干、针孔检测及裁切等工序制成的微孔塑料隔板[14]，因此，微孔塑料隔板强度较好，在水中来回移动隔板对隔板没有任何损伤，强度较好，而且在干态和湿态下，隔板强度没有明显差异。

图 1 电池隔板的微观结构

3.2.3 隔板的最大孔径和平均孔径不同

由表 2 和表 3 可知，AGM 隔板的平均孔径约为 5～10 μm，而胶体电池隔板的平均孔径尺寸在0.1～0.5 μm，比 AGM 隔板孔径的 1/10 还小。从隔板的最大孔径看，根据机械工业部对隔板的标准(JB/T 7630.1—2008)，AGM 隔板的最大孔径须不大于 22 μm；而对于胶体电池的隔板，最大孔径通常不超过 1 μm。从隔板的平均孔径和最大孔径可知，胶体电池用隔板具有较小的微孔，在防止铅枝晶短路方面效果更好。

表 2 AGM 隔板的典型性质

表 3 胶体电池用隔板的性质

3.2.4 隔板的孔率和厚度不同

由表 2 和表 3 也可知， AGM 隔板的孔率约在90 % 以上，纤维材料所占体积分数小于 10 %，而胶体电池隔板的孔率在 70 % 左右，材料本身所占体积分数约为 30 %，相比得出，胶体电池用隔板强度和稳定性更好。再者，从表 2 和表 3 也可看出，在不考虑筋条的情况下，微孔塑料隔板的厚度更薄，这是因为胶体电池要求隔板有小的几何体积，且隔板本身不需要吸附固定硫酸电解液；如果隔板较厚，不利于电池内硫酸均匀分布。对于 AGM 电池，由于隔板需要储存和固定硫酸电解液，所以需要保证隔板具有一定的厚度以便给极板提供足够的硫酸。

3.2.5 隔板的外观要求不一致

对 AGM 隔板，一般要求隔板表面平整，厚度均匀一致。而对胶体电池用隔板，一般要求含筋条或凹凸设计，利于胶体电解液进入并均匀分布。

3.2.6 其他特性

对 AGM 隔板，一般还对隔板的吸酸量、吸酸速率和可压缩性等有明确的要求；而对胶体电池用隔板，这些指标没有要求。

3.3 电池内酸分布的差异[1,9]

电池的正极与负极活性物质均为微孔结构，一般正极活性物质中微孔的孔径在 0.01～20 μm 之间，大多为 0.05～1 μm (中孔直径 0.2 μm)。二氧化铅微粒比较细小，它的比表面积高达 5 m2・g-1。负极活性物质中的微孔在 0.1～20 μm 之间，大多为 1～5 μm (中孔直径 2 μm)。金属铅颗粒比二氧化铅微粒要大，其比表面积约 2 m2・g-1。而 AGM 在垂直方向的孔径大多为 3～10 μm，比正负极的中孔要大，所以电解液优先被极板吸收。若电池过充电造成失水，AGM 隔板会比极板 (活性物质) 更早失水。失水的隔板会产生更多的氧气传输通道，电池内氧复合的速率会增加，所以随着使用时间的延长，隔板失水量增加，电池充电后期的尾电流逐渐增大，AGM 电池更易发生热失控。

在胶体电池中，硅凝胶的微孔大约为 0.05～0.1 μm，比正负极板的孔率小，所以电解液优先被硅凝胶吸收。若电池过充电造成失水，一般电池极板优先失水，凝胶的失水要比极板失水来得晚，故氧气的传输通道数量不大受影响，电池内氧复合速率变化不大；另一方面，由于负极板的平均孔径比正极板的平均孔径更大，所以负极板更优先失水。由于氧气的复合发生在负极板的三相界面处，负极板的失水可增加三相界面，有利于氧气在负极表面的吸收。随着使用时间的延长，胶体电池内氧复合效率接近 100 %。另外，由于胶体电池中凝胶电解液可以充满电池各部分，电解液与极板接触良好，对极板厚度的宽容度较大，AGM 电池在这方面则不如胶体电池。

3.4 电池正极板的差异

对 AGM 电池而言，电池正极板只能采用平板极板，因为在 AGM 电池中，采用管式极板无法保证氧气穿透隔板传输以及极板和隔板充分接触。

由于胶体电池对极群装配压力没有严格要求，胶体电池的正极板不但可采用平板极板，还可采用管式极板。采用管式极板可能更有利于胶体电解液的灌注过程。

3.5 电池高度的差异

对 AGM 电池，由于采用 AGM 隔板固定稀硫酸，当隔板达到一定高度，隔板内小孔的表面张力不足以克服重力的作用，硫酸在 AGM 隔板内会出现不均匀分布，AGM 隔板上部饱和度降低，硫酸量减少。这将会降低电池的性能，特别在低放电倍率下，酸量不足将会限制电池的容量。如果要保持最佳的容量，常规 AGM 电池的高度极限应为 30～40 cm[1]，一般不使用更高的电池。如果由于容量需求要求使用更高的极板，需要将极板水平放置或采用更小孔结构的 AGM 隔板材料。

对胶体电池，由于电解液采用硅凝胶来固定，电解液基本不发生分层，所以对电池的高度没有限制。阳光公司有很多大容量胶体电池均采用高型设计，以提高空间利用率，减少占地面积，如阳光A602（OPzV）系列。

3.6 电解液添加剂的差异

对 AGM 电池，由于电解液量较少，电池放电末期或过放电时，电解液可能呈中性，此时，Pb2+离子溶解度增加，很容易形成铅枝晶短路。为了防止这种情况发生，电解液内一般需添加一定数量的硫酸盐 (如硫酸钠)。在放电末期，电解液中存在大量的硫酸根，可抑制硫酸铅等物质的溶解，限制Pb2+的数量，从而有效防止铅枝晶的短路[1]。

对胶体电池，由于采用富液式设计，电解液量较多，有较大量的硫酸根离子存在，当电极表面的硫酸消耗后，凝胶中的硫酸会源源不断的供给，电池即使放完电或过放电，电解液也不会呈中性，基本不会因电解液中铅离子浓度增加而发生铅枝晶短路。因此，胶体电解液中，通常添加一些有机添加剂，如聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、脂肪醇聚氧乙烯醚、糊精、甘油等[15-16]，而不添加硫酸盐添加剂。因为有机添加剂分子中存在 N、O、P 等原子，它们能够提供共用电子对，与硅键合形成配位键，改变聚合物的球形空间结构，形成类似体型为高分子化合物的空间网状结构。这种结构能更好地包裹“自由水”，减小水的扩散速度，降低电池自放电率。也有报道在胶体电解液中添加磷酸、硼酸等物质以改善电池的性能[1,4,15]。

4 胶体电池和 AGM 电池在性能方面的差异

电池的性能一般是由电池的设计决定和结构保证的。设计和结构上的差别必然决定了胶体电池和AGM 电池在性能上有很大的差异。

4.1 电池初始容量方面的差异

对 AGM 电池，出厂时电池的初容量一般较高，随着电池使用时间的延长，经历几个或几十个循环充放电后，电池的容量逐渐降低。而对胶体电池，电池的初容量一般偏低[2,8]，随着使用时间的延长，电池的放电容量逐渐升高，达到最大值后逐渐下降，故胶体电池具有较长的使用寿命[17]。AGM电池和胶体电池的实际容量随使用时间的变化情况参见图 2。

图 2 AGM 电池和胶体密封电池初容量和使用寿命的比较

4.2 深循环性能和电池充电接受能力方面的差异

通常而言，胶体电池有较好的深放电保护性能，因而具有更好的循环寿命，而 AGM 电池的深循环寿命相对较差。为了验证，笔者对工业用 12 V 100 Ah 的胶体电池和 AGM 电池样品进行了深循环放电性能测试。测试的充、放电过程如下：电池以恒压 14.4 V、限流 10 A 连续充电 24 h，随后采用10 A 恒流放电至 1.80 V/单格。按此充放电过程在室温下进行循环测试的结果如下图 3 所示。

图 3 AGM 电池和胶体电池的深放电循环性能

由图 3 可知，采用前述的充放电方法，随着放电深度为 100 % 循环的进行，AGM 电池的容量逐渐减少，大约经过 22 个循环，AGM 电池的放出容量降至额定容量的 80 % 以下。而对胶体电池，随着循环的进行，电池的容量不但没有衰减，反而逐渐增加。经过 26 次深放电循环，胶体电池的容量还未达到最大值。该测试结果也和两种电池的容量变化规律一致。

4.3 大电流放电性能方面的差异

AGM 电池采用紧装配结构，正负极板之间距离相对较近；再者，AGM 电池采用稀硫酸为电解液，离子的扩散迁移速率相对更快。因此，通常 AGM 电池内阻更小，具有更好的大电流放电性能。由于胶体电池正负极板距离相对较大，采用凝胶电解液，所以其内阻相对较大，大电流放电性能相对较差，特别是管式胶体电池，大电流放电性能方面的差异更加明显。以常规的 S512/100 AGM 电池、A412/100 平板胶体电池和 A612/100 管式胶体电池为例说明两类电池放电性能的差异（表 4）。由 4 表可知，在相同的电池容量下，AGM 电池的大电流放电性能最好，平板胶体电池次之，管式胶体电池的性能最差。

4.4 过充电量方面的差异

由于电解液较多，胶体电池一般采用较低密度的酸，所以充电接受能力更好，充电效率更高[8]；再者，由于电解液不易分层，极板的底部和上部均能高效进行活性物质转化：所以采用较小的过充电量即可将蓄电池充足电，一般为 103 %～108 %。

表 4 AGM 电池、平板胶体电池和管式胶体电池的放电性能比较

由于电解液相对较少，AGM 电池一般采用较高密度的酸，所以充电接受能力相对较差，充电效率相对较低；再者，由于采用稀硫酸电解液，AGM 电池长期放置时电解液容易发生分层，使极板底部的硫酸浓度较大，较难进行活性物质转化，而电池极板的上部由于硫酸电解液浓度相对较低，充电时容易被过充，充电效率被降低。所以要采用相对较大的过充电量才可将 AGM 电池充足电，一般为 108 %～115 %。

4.5 浮充电流的差异

由电池的设计思路及结构可知，由于胶体电池正负极板间距较大，负极板表面被胶体覆盖，所以其浮充电流较小，通常在相同的浮充电压下，其浮充电流远远小于 AGM 电池的浮充电流[2]。胶体电池和 AGM 电池的氧复合效率和氧复合电流的关系如图 4 所示。从图 4 看出，胶体电池氧复合电流很小，只有 0.5 mA/Ah，而 AGM 电池的氧复合电流大许多，为 10 mA/Ah。

图 4 胶体电池和 AGM 电池氧复合效率对比图

由试验资料表明[2]：当胶体电池的浮充电压为2.24～2.28 V/单体时，胶体电池的浮充电流很小，约为（30～50）mA/100 Ah。当胶体电池的浮充电压为 2.30 V/单体 (25 ℃) 时，胶体电池的浮充电流会增大至约 100 mA/100 Ah；而在相同条件下，贫液式密封电池 (AGM 电池) 的浮充电流可达到500 mA/100 Ah，远远大于胶体电池的浮充电流。当充电电压提升到 2.36 V/单体时，贫液式电池的浮充电流比胶体电池的浮充电流约大 7 倍。另据报导[18]，在 2.40 V/单体及 40 ℃ 的条件下对容量为36 Ah 的电池进行浮充充电，胶体电池的浮充电流为 100～150 mA，而 AGM 密封电池的浮充电流为250～300 mA。另外，胶体电池的浮充电流较小，若长期使用本身能耗更小。目前电池室均设有空调，由于电池本身散热量较小，还可降低空调的能耗，系统更节能。

4.6 电池热失控性能方面的差异

铅酸蓄电池的充电或放电过程存在热效应。当阀控式电池内部存在的氧复合过程被破坏或失水干涸，长期过充时，电池将产生多余的热量。电池处于充电状态时，这些热量不能及时散发出去，积累的热量使电池的温度持续上升。而当累积的热量使电池内的温度上升到一定程度时，电池端电压突然出现降低，迫使电流骤然增大而损坏蓄电池现象称为热失控[2]。

首先，胶体电池通常是富液式设计，具有较多的电解液，比热容较大，在吸收相同的热量下，电池的温升较小；其次，胶体电池内阻相对较大，在相同的电压下浮充时，电池的浮充电流较小，产生的热量也较小；再者，胶体电池内凝胶和电池槽充分接触，电解液的导热性更好，有利于热量的扩散：胶体本身不易发生热失控。

AGM 电池均是采用贫液式设计，电解液量较少，比热容相对较小；再者，AGM 电池一般均采用紧装配，内阻较小，在蓄电池充电末期，电池的浮充电流较大，电池充电会产生更大的热量；另外，对 AGM 电池，随着使用时间的延长，由于过充电，电池内电解液量逐渐减少，电池的饱和度会降低，导致蓄电池浮充电流增加，而增加的浮充电流又会产生更多的热量。因此，AGM 电池对热敏感，在使用寿命后期，易发热或发生热失控。

4.7 电池高低温及耐用性方面的差异

胶体电池由于采用富液式设计，具有较多的电解液，对热（导致电池升温）不是很敏感，高温对胶体电池的性能和使用寿命影响相对较小。另一方面，胶体电池的低温大电流性能比常规 AGM 电池的性能更好，这可能是由于硅凝胶的吸附作用降低了极板附近的液层的硫酸铅过饱和度，使负极表面形成的硫酸铅晶粒相对粗大，减轻了对负极表面的覆盖，从而改善了胶体电池的低温性能[19]。对胶体电池的寿命测试表明[3]，胶体电池更耐恶劣环境。胶体电池由于采用富液式设计，电池内有大量的电解液，其性能接近富液式电池，所以能承受过充电的冲击；另一方面，胶体电池具有优异的过放电恢复性能，容量恢复率一般在 95 % 以上，不会因为过放电而难以充电。

笔者曾经在 60 ℃ 的水浴中，对两只串联的阳光 A412/100A 电池进行了过放电测试：以恒电阻放电，初始放电电流约 10 A，放电时间 14 h；放电后以恒压 14.1 V/只，限流 30 A，充电 10 h。测得的结果如图 5 所示。

图 5 过放电测试时，电池放电终止电压、电池放出电量和充入电量随循环次数的变化

由图 5 可知，在过放电试验中，随着过放电循环的进行，电池放电的终压越来越低，电池的过放电程度不断加深，一只电池甚至被放电至 0 V，即使这样，每次测试时电池的实际放电安时数始终在105 Ah 以上，每次充入的电量均在 116 Ah 以上。电池被过放电后，经过 10 h 的充电，容量均可恢复到 100 Ah 以上，基本达到 100 % 恢复，可见阳光胶体电池具有很好的充电接受能力和过放电后的恢复能力。

对 AGM 电池，由于采用贫电解液设计，电解液的量相对较少，热容也就比较小，对热比较敏感，所以通常要求严格控制使用环境的温度。低温会大大降低电池的有效容量；高温会明显加速板栅腐蚀，加速电池内氧循环的过程，使电池易发生过充失水，甚至发生热失控，从而缩短电池的使用寿命。随着使用时间的延长，特别是电池使用的中后期，由于水分的损失，电池内氧复合过程加剧，电池对热（即电池升温）更加敏感，电池很容易发生失水和热失控现象。然而，使用时，一般无法查看和测试 AGM 电池内电解液的密度和饱和度，难以准确地预测电池的热失控程度和使用寿命，从而大大降低了电池的可靠性和稳定性，尤其是苛刻的使用条件下。4.8 电池自放电性能方面的差异

胶体电池的自放电率很低，每月的自放电率大约为 0.5 %～1.5 %[20]，只有 AGM 密封铅酸蓄电池的 1/3～1/5，这是由于胶体电池的电解液为凝胶状，既可以阻止杂质粒子在电池内部的迁移，又可以阻止电池气室中的氧气与极耳发生反应。由试验资料可知：胶体电池在 20 ℃ 的温度下可以储存 2 a，在不需要任何充电的情况下胶体电池的容量保持率仍大于 70 %[2]。

AGM 电池的自放电相对较高，每月的自放电率大约为 3 %。由于 AGM 电池的自放电相对较大，若不及时补充电，其自放电产生的硫酸铅可能转化为惰性的硫酸铅，发生轻微硫酸盐化，所以AGM 电池的放置时间不能太长，每半年就需要对电池进行补充电。

5 结论

由对比可知，AGM 电池和胶体电池是采用不同工艺技术制造的两类电池。它们从设计思路、电解液的固定方式，装配要求、电池的结构和性能等方面均有较大的差异。对 AGM 电池，采用 AGM隔板固定电解液，一般采用贫电解液设计并实行紧装配结构，电池重量更轻，具有更好的大电流放电性能；但由于硫酸电解液量较少，需采用高密度的硫酸。AGM 电池的使用寿命相对较短，制造成本相对较低，比较适合中低端客户，特别是对预期使用寿命较短的 UPS 应用场合。对于胶体电池而言，其采用富液式设计，所用硫酸电解液量较大，硫酸密度相对较低；采用凝胶固定电解液，电解液不分层。胶体电池深放电性能较好，寿命较长，耐过充、过放以及高低温等恶劣环境冲击，稳定性好，自放电小，不易发生热失控，更适合中高端客户。对于循环应用，尤其是储能系统的循环应用而言（如太阳能系统、峰调系统等），应优先考虑使用胶体电池。

参考文献：

[1] Rand D A J, Moseley P T, Garche J, 等. 阀控式铅酸蓄电池[M]. 郭永榔, 等译. 北京: 机械工业出版社, 2006.

[2] 徐曼珍. 新型蓄电池原理与应用[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2005.

[3] 赵杰权, 张骥小, 柳厚田. 浅谈阀控式密封胶体电池技术(一) ——胶体电池的定义近探讨[J]. 蓄电池, 2015(5): 216-222.

[4] 朱松然. 铅蓄电池技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2002: 258-264.

[5] 刘世忠，蒋松岩. VRLA 电池用 AGM 隔板性能的研究[J]. 蓄电池, 2006(1): 32-37.

[6] 华寿南, 朱教伟, 王平. VRLA 电池的 AGM 隔板和氧传输(1)[J]. 电池, 2005, 35(2): 141-143.

[7] Culpin B, Hayman J D. Power Source 11: Research and development in non-mechanical electrical power sources[C]. International power sources symposium committee, leatherhead, England, 1986: 45-66.

[8] 毛贤仙, 陈忆申. 阀控式胶体蓄电池技术的发展概述[J]. 蓄电池, 2010(5): 208-227.

[9] 孔德龙, 周庆申, 华寿南. 从电解液的固定方式分析 GEL- 和 AGM-VRLA 电池的特性[C]. 第十一届全国铅酸蓄电池学术年会论文集, 2008: 236-255.

[10] 华寿南, 朱教伟, 王平. VRLA 电池的 AGM 隔板和氧传输(2)[J]. 电池, 2005, 35(3): 234-236.

[11] 官辛玲, 赵乐, 郭永榔. 胶体 VRLA 电池中的氧传输[J]. 电池, 2004, 34(5): 331-333.

[12] 中村宪治, 徐红. 改进密封铅蓄电池反应效率的方法[J]. 蓄电池, 1991(2): 36-40.

[13] Guo Y，Wu J，Song L，et al．The behavior of oxygen transport in valve-regulated lead-acid batteries with absorptive glass mat separator [J]．Journal of the Electrochemical Society, 2001, 148(12) : A1287-A1293.

[14] 杨德耀. 微孔 PVC-SiO2隔板在胶体蓄电池中的应用[C]. 第八届全国铅酸蓄电池学术年会论文集, 2003: 202-205.

[15] 毕秋芳, 杨军, 王久林, 等. 铅酸蓄电池胶体电解液的研究进展[J]. 蓄电池, 2009(3): 117-122.

[16] 陈妹琼, 张敏, 蔡志泉, 等. 多元醇对气相二氧化硅胶体电解液电化学性能的影响[J]. 蓄电池, 2010(2): 58-61.

[17] 郭永榔. 胶体阀控式铅酸蓄电池电性能研究[J].蓄电池, 2004(4): 147-150.

[18] 吴寿松. 对胶体蓄电池的更新认识[J]. 蓄电池, 1998(4): 28-32.

[19] 马伯岩. 胶体电解液特性的研究进展[J]. 电池, 2007(5): 407-408.

[20] 桂长清. 动力电池[M]. 北京: 机械工业出版社, 2009: 224-242.

Discussion on gel battery technologies of VRLA batteries——Comparisons between gel battery and AGM battery

ZHAO Jiequan1, ZHANG Jixiao1, LIU Houtian2
(1. Exide Technologies (Shanghai) Co., Ltd., Shanghai 200042; 2. Department of Chemistry, Fudan University, Shanghai 200433, China)

Abstract:There are two types of valve-regulated lead-acid (VRLA) batteries: gel battery and AGM (Absorbed Glass Mat) battery. In this paper, the differences of the gel battery and AGM battery are compared from each other with respect to the design, structure, and performance. In terms of the design, gel battery and AGM battery are distinct from the electrolyte fi xed way, electrolyte quantity, electrolyte concentration, assembly requirements, and oxygen transmission channel. In regard to the battery structure, these two types of batteries are different in the battery size, separator, electrolyte distribution, and plate type. The battery performance is determined by the design and battery structure. The gel battery offers clear advantages in service life, deep cyclic endurance, overcharging endurance, fl oating characteristic, robustness, self-discharge, and thermal runaway. Compared to gel battery, AGM battery is relatively smaller in size and offers better initial capacity and better high-current discharge performance.

Key words:VRLA batteries; gel battery; AGM battery; overcharging endurance; thermal runaway; deep cycle; self-discharge; initial capacity; high-current discharge

收稿日期：2015-06-19

中图分类号：TM912.1

文献标识码：A

文章编号：1006-0847(2016)01-35-10