不同放置方式下电池循环寿命分析

张旭东，李亚辉，邬会杰，古利伟，王丽斋，刘建楼，王亚辉

（风帆有限责任公司，河北 保定 071057）

0 引言

铅酸蓄电池作为系统后备电源，是保证通信、电力、银行等系统安全的必不可少的组成部分。经过多年的发展，发达国家及发达地区的后备电源配置已基本完成，正在向不发达地区发展。由于这些地区的供电条件较差，如无电力供应或停电频繁，铅酸蓄电池经常处于循环使用状态。

就蓄电池的结构设计和生产方式而言，阀控式铅酸蓄电池应以立放为佳，即保持竖直状态。因为在竖直状态下极柱、汇流排和极群呈自然受力方式，所以极群的上部不会产生悬空，不会对极柱孔形成破坏力。但是，高型电池立放时所形成的内部电解液分层既不利于电池的放电性能，又会缩短电池的使用寿命。相对来说，矮型电池由于电解液分层程度较小，宜采用立式放置。图 1 为某一款 12 V 50 Ah 蓄电池在三种放置方式下的示意图。在本文中，我们分别称这三种放置方式为极板立放、极板侧放、极板平放。对于一些数据中心机房，卧式放置蓄电池一方面便于安装者操作，降低安装风险，另一方面可以节约场地空间和安装架成本（如图 2所示）。

图1 极板立放、侧放、平放

图2 苏州某数据中心机房安装效果图

1 电池寿命失效分析

普通铅酸蓄电池循环寿命降低的原因之一是电池内部电解液分层，也就是电池顶部和电池底部的电解液浓度不一致。如果出现电解液分层，那么在电池多次充放电使用时就会对电池造成一系列的不利影响，如充电接受能力变差，正极板、负极板容量损失，正极板、负极板上的活性物质结构损坏等。

巴普洛夫提到，蓄电池放电期间，在正极和负极硫酸被消耗。这样，正，负极板表面附近形成了低密度的电解液层。这些低密度的电解液层会上升。蓄电池槽中电解液的浓度较高，促使更重（密度更大）的硫酸电解液向下流动到极板之间。充电期间，正负极板内部生成了硫酸。这些硫酸的流向与充电期间的流向相反。这样，电池内部形成了两个不同浓度的电解液硫酸层，即高浓度的底层和低浓度的上层。这种垂直分布的硫酸浓度梯度，被称为“电解液分层”[1]。图 3 为蓄电池放电和充电期间引起酸分层反应和电解液流向示意图。

图3 酸分层反应和电解液流向示意图

硫酸电解液分层现象使得电池下部硫酸浓度更高，而上部更低。电池在放电过程中，极板下部放电量更大，充电接受能力差，则放电深度更深，不利于循环寿命；而在电池上部，放电深度较浅，充电接受能力更好[2]。

从极板的上、中、下三个部位取样，检测熟极板的 PbO2和 PbSO4含量。表 1 中结果表明，极板下部 α-PbO2含量低于上、中部，而 β-PbO2和PbSO4的含量高于上、中部。这说明在蓄电池充放电过程中，极板下部由于 α-PbO2含量低而加剧放电，使极板各部分承担的放电量不一样，以至于长期循环造成电池寿命衰减。

表1 熟极板 PbO2 和 PbSO4 含量 %

2 试验

实验中环境温度为 25 ℃ ± 5 ℃。所采用的电池为同一批次 12 V 50 Ah 的阀控式铅酸蓄电池。其所用极板高 145 mm，宽 114 mm，即高宽比为1.28∶1。隔板压缩比为 22 %，隔板的电解液饱和度较高，但电池仍保持贫液状态。

2.1 初期容量检测

选取 3 只完全充电，开路电压、重量、内阻一致性较好的 12 V 50 Ah 电池，分别对极板立放、极板平放、极板侧放三种放置方式下的初期 10 小时率容量和 30 min 恒功率容量进行测试。10 小时率容量检测方法是，以恒电流 5 A 放电至 10.80 V 终止，记录放电时间。30 min 恒功率容量检测方法是，在恒功率 534 W 下放电至 10.20 V 终止，记录放电时间。从表 2 可以看出来，三种放置方式下电池的 10 小时率容量和 30 min 恒功率容量相差不大。

表2 不同放置方式下 2 V 500 Ah 电池测试结果

2.2 100 % DOD 寿命检测

选取 3 只 12 V 50 Ah 电池，按图 4 所示放置方式进行 100 % DOD 寿命检测，得到图 5 所示寿命曲线。具体检测方法如下：以恒电流 5 A 放电至10.8 V 终止；再在恒电压 14.4 V 下，限流 5 A 充电24 h；重复以上两个步骤进行循环检测，至容量衰减至额定容量的 80 % 时视为寿命终止。

图4 极板立放、侧放、平放下寿命检测

图5 三种放置方式下的寿命曲线

对于 12 V 50 Ah 电池而言，极板侧放条件下的循环寿命性能要优于极板立放条件下的。分析原因可能是，在极板立放状态下，伴随着循环的进行，蓄电池内电解液在极群内部极板方向出现了分层，所以部分极板反应不充分，以致电池放电容量不足，最终导致电池寿命终止。相反，极板侧放状态则削弱了这一因素的影响。同时，极板侧放状态下，极板高宽比减小，使得电流分布更为均匀。适当减小板栅的高宽比不仅有助于降低板栅的欧姆压降，提高铅酸电池的放电端电压，而且有助于电流分布的均匀化，从而更充分地利用活性物质[3]。另外，极板平放的状态下电池的循环寿命得到大幅度提升。究其原因，邸双喜曾提出，电池在极板平放条件下循环时，由于极板是水平放置，对最底层极板来讲相当于把整个电池中除自身重量之外的其他极板重量、电解液重量和隔板重量附加在上面，从而提高了装配压力。以此类推，其他极板也有相应地附加力的作用，提高了装配压力，同时也有效地防止了电解液在多次循环过程中的分层现象，有利于电池循环性能的提高[4]。

2.3 单只电池在改变放置方式后的寿命变化

为了进一步验证极板侧放和极板平放两种方式对于电池循环寿命的影响，选择 2 只 12 V 50 Ah 电池，按照极板立放方式做 100 % DOD 寿命检测。当循环进行到第 15 次时，分别将 2 只电池的放置方式改为极板侧放和极板平放。当循环至 第 49 次时，观察 2 只电池的寿命曲线走势。从图 6 可以明显的看出，前 15 次循环时曲线趋势基本一致向下，但在第 15 次循环完之后，曲线均呈现上升趋势，且后期一段时间内出现稳定状态，整体上循环寿命有所增加。这说明，在极板侧放和极板平放状态下，蓄电池的循环寿命均优于在极板立放状态下的，也就是说改变蓄电池的放置方式后，寿命循环性能得到了大幅度提升。

图6 改变放置方式后的循环寿命曲线

3 结论

通过对极板立放、极板侧放、极板平放 3 种不同放置方式下 12 V 50 Ah 电池的性能测试可以得出以下结论：（1）在 3 种放置方式下电池的容量均合格，而且相差不大，基本保持一致。（2）极板侧放和极板平放的放置方式均能大幅度改善电池100 % DOD 循环性能。（3）为节约成本和安装空间，选择对蓄电池进行卧式安装，从使用用途的角度出发，对于蓄电池是没有影响的。