摩托车用铅酸蓄电池排气性的改造

刘承，邓继东，侯景翔

（1. 天津汤浅蓄电池有限公司，天津 300385；2. 沈阳蓄电池研究所，辽宁 沈阳 110178）

0 引言

近年来，国家一直在积极促进铅蓄电池行业结构调整和产业升级，规范行业投资行为，防止低水平重复建设，保护生态环境，提高资源综合利用效率。无论是对蓄电池的生产环节，还是对蓄电池的回收环节，乃至其本身，都有相关政策出台。2012年 7 月 1 日起实施的《铅蓄电池行业准入条件》就指出，开口式普通铅蓄电池（指采用酸雾未经过滤的直排式结构，内部与外部压力一致的铅蓄电池）是不符合准入条件的建设项目，且现有开口式普通铅蓄电池生产能力应予以淘汰。《铅蓄电池行业规范条件（2015 年本）》中再次指出，开口式普通铅蓄电池属于不符合规范条件的建设项目。

当时，摩托车用铅酸蓄电池在市场上的产品种类主要有 2 种，即富液式电池和阀控式（VRLA）电池。其中，富液式电池由于普遍采用铅锑合金板栅，没有滤气片和安全阀，大量析气且无法过滤酸雾，属于直排式结构，符合开口式普通铅蓄电池的定义。因此，为了响应国家保护生态环境的号召，需要对富液式摩托车用电池进行相应的改造。

1 富液式电池的改造

1.1 增加滤气片

开口式普通铅蓄电池的定义首先指出的就是“酸雾未经过滤”，因此对富液式摩托车用电池改造的第一步就是增加滤气片。滤气片可以被安装在电池排气嘴内侧的上方，也可以被放置在排气嘴外，成为独立的排气装置，通过插拔与电池连接，便于更换（见图 1）。想要滤气片真正起到过滤酸雾的作用，还必须要选择好滤气片的孔隙。滤气片的通气性和过滤效果与其孔隙大小有直接关系：孔隙越大，通气性越好，气体通过滤气片时，滤气片两侧的压力差也越小，但过滤效果会较弱；而孔隙越小，通气性就越差，气体通过滤气片时，滤气片两侧的压力差也越大，但过滤效果较强。不过压力差过大，也可能会直接将酸雾挤压通过滤气片。

图1 滤气片

由于测量滤气片的孔隙对于蓄电池生产企业来说并不容易，而之前提到，滤气片的孔隙与气体通过滤气片时，滤气片两侧的压力差有关，因此可以通过测量滤气片两侧的压力差来判断滤气片的孔隙是否合适。具体的方法是：将滤气片固定在一个容器上（见图 2），规定容器的容积和滤气片的通气直径，然后以固定的流量向容器内通入空气，测量此时容器内压力与大气压的压差，通过这个压差就可以判断滤气片的孔隙大小和过滤效果。一般来说，当滤气片通气直径为 3 mm，通入容器内的流量为 0.5 L/min 时，测得的压差在 100～230 Pa 之间，滤气片的过滤效果最好。

图2 滤气片两侧压差测量装置示意图

若将实验装置中的容器改为电池，就可以直接测得滤气片安装在电池上的滤气效果，得到更贴近实际情况的结果。这也恰好可以证明，由于内部和外部压力不一致，电池不符合开口式普通铅蓄电池定义中的第 2 个要素“内部与外部压力一致”。

此外，当不同容量的电池使用相同孔隙的滤气片时，由于容量不同，电池的排气量也不相同。因此，在电池设计上需要根据电池容量设计不同的滤气片排气面积，以适应电池的实际情况。

1.2 回流结构

为了减小滤气片的负担，还需尽可能减少酸雾和被气体带出的活性物质残渣接触到滤气片，防止滤气片阻塞。目前，普遍在摩托车蓄电池的电池盖排气通道中增加了隔断，目的是增加气体排出的行走距离，来阻挡酸雾和固体残渣被气体带出。一种比较简单的结构就是在电池排气通道之间增加隔断，但隔断没有高到与电池盖密封片接触，只能阻挡通道底部的气体，仍能使气体在上部自由通过（见图 3a）。虽然这种隔断结构可以阻挡很大一部分酸雾，但是酸雾仍就可以在隔断上方直接通过，因此有的结构是在密封片下侧也增加隔断，与排气通道上隔断交错分布（见图 3b）[1]。也有结构是将隔断加高，与密封片相连，但在隔断中央或两侧留出缝隙，形成迷宫式结构，这样酸雾需要绕过隔断，才能排出（见图 3c）。为了更好地使被隔断阻挡的酸雾，特别是重新凝结成液体的酸滴，重新回到电池内，也可以将排气通道的底面由水平改为倾斜式（见图 4）[2]。隔断处的底面最高，每单格排气位置的底面高度最低，这样可以使酸滴依靠重力自动回流到电池中，避免在排气通道内堆积。

1.3 抑制酸雾带出的其他方法

除了增加回流结构来抑制酸雾带出外，还可以采取：一、降低电解液的液面高度，即增加了酸雾流向排气嘴的距离。这样就增加了酸雾排出的难度，也减少了硫酸的总量，也可一定程度上减少硫酸被气体带出的可能，同时还减少了电解液的使用量，降低了成本。只要保证电解液液面高度高于极板，就不会影响电池的放电性能和使用寿命。二、缩小电池内每格上方排气筒的面积（见图 5），这样可以增加酸雾的溢出难度。由于电池在充电过程中产生的气体，以及气体中含有的酸雾量与电池的10 小时率容量有关，随着 10 小时率容量的增大，气体的量也有增多的倾向。一般来说，在安装有合适的滤气片，其他实验条件都相同的情况下，当排气筒面积与电池容量的比值在 6 mm2/Ah 以下时，电池的排气嘴不会有酸雾溢出。

图3 隔断

图4 倾斜式底面

图5 排气筒

检查排气嘴是否有酸雾溢出的方法为：对 10小时率容量合格的满充电蓄电池，旋紧液口栓，以I10过充电；待电解液强烈析出气体时，用经过蓄电池用水润湿的 pH 试纸悬于距液口栓的排气口5 mm 处，经过 2 h，以试纸不显酸性为合格。

1.4 降低板栅中的锑含量

酸雾实际上都是被电池过充电时产生的气体带出的，所以如果能够降低电池过充电时产生的气体量，就能从根本上解决酸雾排放的问题。对于摩托车用铅酸蓄电池中的富液式电池，板栅合金基本上都是铅锑合金。充电时，正极板栅中的锑溶解在电解液中，进而转移沉积在负极活性物质上，显著降低了氢在负极析出的超电势；一部分锑吸附在正极活性物质上，也降低了氧在正极析出的超电势。因此，锑的存在使水的分解电压下降，充电时水易于分解[3]。而且锑含量越高越容易使电池在充电过程中产生更多的气体。富液式电池板栅合金中锑含量一般都比较高，ω(Sb) 大都在 3.5 % 以上。因此，降低板栅中的锑含量，可有效减少电池在充电时酸雾的排出量。由于ω(Sb) 在 2.0 %～2.5 % 范围内时，合金的凝固温度最宽，这意味着铸造性最差[4]。因此，一般来说，将富液式摩托车电池板栅中ω(Sb)控制在 2.5 %～2.9 %，再结合电池盖内的隔断、滤气片等措施[5]，可以将酸雾完全拦截在电池内。

2 结束语

通过在富液式摩托车用铅酸蓄电池的排气通道上增加一个孔隙适合的滤气片和不同形式的回流结构，降低电解液液面高度，缩小排气筒面积，降低板栅中的锑含量等方法，可以使电池在使用过程中有效地减少酸雾的生成，并在电池内部进行有效的回流和过滤。采用以上方法后，电池经测试没有酸雾从电池内排出，使电池不再属于《铅蓄电池行业规范条件（2015 年本）》中的“开口式电池”。不过在摩托车充电系统异常或一些其它原因，导致电池严重过充电时，如何使滤酸片不被堵塞，仍能正常排气，还需进一步的研究。

[1]株式会社杰士汤浅国际.铅蓄电池以及搭载有该铅蓄电池的摩托车:2014104787815[P]. 2016–03–23.

[2]浙江古越电源有限公司. 一种有滤酸结构的蓄电池: 2013206127736 [P]. 2014–04–02.

[3]朱松然. 蓄电池手册[M]. 天津: 天津大学出版社,1998.

[4]朱松然. 铅蓄电池技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2002.

[5]杨文兵. 新型摩托车起动用免维护铅酸蓄电池的研究[J]. 蓄电池, 2001(1): 12-14.