儲能用長壽命LL-S閥控式鉛酸蓄電池的開發(fā)

1、1 前言近年來，人們越來越重視地球變暖等問題，在氣候變化框架條約第3次締約國會議上通過的京都議定書中具體地講述了對以二氧化碳為主的溫室效應(yīng)氣體削減目標(biāo)的規(guī)定。日本國內(nèi)的電力需求在工業(yè)領(lǐng)域要進(jìn)一步節(jié)能化，而在民生用的消費用電又在增加，總體來看為增加趨勢，因此，為達(dá)到削減的目標(biāo)有必要采取徹底解決的辦法。另外，電力需求量均集中在白天，但總體來看電力需求為削減狀態(tài)，晝夜合二為一，電力需求差額不大。將夜間的剩余電力通過蓄電池儲存，白天用電高峰時還可使用儲能系統(tǒng)中的電能，這樣可減少白天的發(fā)電量，這一方法可有效地削減晝夜電負(fù)荷正?；投趸嫉呐欧帕?。消費者可將低價的夜間電力有控制地使用于白天電力消耗的高峰

2、時刻，這樣可降低電費標(biāo)準(zhǔn)。目前作為電池的電力儲備系統(tǒng)主要以鉛蓄電池為主，也有比如鈉硫電池、氧化還原電池、鋰離子電池等系統(tǒng)，但是對于壽命性能、成本、設(shè)置空間等均存在著有待于進(jìn)一步研發(fā)的各種課題。閥控式鉛酸蓄電池有價格低、使用簡單、可靠性好、安全性高等優(yōu)點，但作為實用化電力儲能用長壽命的電池還有待再開發(fā)。另外，近年來，太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等與蓄電池組合的使用項目倍受關(guān)注，因此說，對長循環(huán)壽命閥控式固定型鉛蓄電池的需求量將有所增長。公司現(xiàn)有循環(huán)壽命3000次的電池(LL系列)，這種電池有待于進(jìn)一步改良后作為儲能系統(tǒng)使用。電力儲備用閥控式鉛蓄電池長壽命化的開發(fā)已通過2001年2003年度的獨立行政法人

3、新能源、產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)(NEDO)、產(chǎn)業(yè)技術(shù)實用化開發(fā)費用贊助事業(yè)的批準(zhǔn)，開發(fā)研制循環(huán)壽命4500次的電池。以下報告為開發(fā)的具體內(nèi)容。2 開發(fā)目標(biāo)開發(fā)目標(biāo)如下：(1)2V/1000Ah，2V/1500 Ah的大容量單體電池;(2)循環(huán)壽命4500次(25環(huán)境、70%放電量);(3)電池充放電效率87%。3 電池的長壽命化閥控式固定型鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)示于圖1。電池槽內(nèi)插有正極板、負(fù)極板、玻璃纖維限液式隔板構(gòu)成的極群、稀硫酸電解液及保持多孔體的活性物質(zhì)。固定型鉛酸蓄電池的主要用途是應(yīng)急電源和UPS等備用電源，但與這一產(chǎn)品相比原有的LL型號電池招專業(yè)人才，上一覽英才網(wǎng)！(3000次循環(huán))，在正

4、極活性物質(zhì)高密度化、負(fù)極添加劑方面有相應(yīng)的改良，采用了適用于臥式結(jié)構(gòu)和臥式使用的限液式隔板，使充電條件達(dá)到了最佳化等，提高了循環(huán)壽命性能。3000次循環(huán)壽命電池的壽命試驗結(jié)果示于圖2。到達(dá)壽命終止電池的解剖研討結(jié)果列于表1。招專業(yè)人才，上一覽英才網(wǎng)！循環(huán)壽命試驗中達(dá)到3000次的電池解剖的結(jié)果顯示影響壽命的主要原因是正板柵腐蝕、變形、正極活性物質(zhì)成泥狀化、負(fù)極板的硫酸鹽化。為了提高循環(huán)壽命性能，以上述列出影響壽命性能的項目為重點進(jìn)行改良。3.1 正極板為提高正板柵的耐久性能，必須抑制板柵腐蝕和使腐蝕變形減小，板柵合金的選擇不僅是減少腐蝕，還應(yīng)使腐蝕均一、變形減小，選擇Ca、Sn添加量最佳的配比

5、Pb-Ca-Sn合金。為減少正板柵的腐蝕變形，實施板柵腐蝕變形的模擬試驗后，再決定板柵的設(shè)計方案。實際板柵腐蝕變形多半表現(xiàn)在表層的膨脹，因此為了做接近實況的模擬試驗，從外部為板柵加熱，由熱量傳導(dǎo)到板柵內(nèi)部的情況構(gòu)成板柵中的溫度分布，將板柵溫度上升導(dǎo)致的膨脹量，看作是鉛腐蝕的膨脹量，再進(jìn)行腐蝕變形模擬試驗。解剖時的板柵溫度分布示于圖3。對板柵截面狀況、粗筋和細(xì)筋條的變化進(jìn)行模擬試驗，其結(jié)果示于圖4。通過試驗得知板柵重量的增加限定在最小，并且與傳統(tǒng)板柵相比，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計使板柵的腐蝕變形減小。招專業(yè)人才，上一覽英才網(wǎng)！傳統(tǒng)3000次循環(huán)的電池與新品電池循環(huán)壽命試驗及板柵腐蝕量進(jìn)行了對比，其結(jié)果示于圖

6、5。新品電池板柵的腐蝕量約是傳統(tǒng)電池的65%，板柵的期待壽命是傳統(tǒng)電池的1.5倍以上，循環(huán)壽命性能實現(xiàn)了4500次。因充電導(dǎo)致的體積變化等，使正極活性物質(zhì)間的結(jié)合力減弱，導(dǎo)電性網(wǎng)格被破壞(活性物質(zhì)軟化、泥狀化)，這些通過提高活性物質(zhì)密度，促使活性物質(zhì)粒子間的結(jié)合點增強，有效地提高活性物質(zhì)的牢固性。招專業(yè)人才，上一覽英才網(wǎng)！為評價活性物質(zhì)，使用腐蝕變形小的板柵集電體的評價試驗用小型號電池，在板柵上充填高密度的活性物質(zhì)，進(jìn)行電池循環(huán)壽命試驗，結(jié)果見圖6。圖中確認(rèn)耐充放電循環(huán)壽命性能在4500次以上。綜上所述，腐蝕變形小的板柵集電體與高密度的活性物質(zhì)組合，正極板循環(huán)壽命性能可達(dá)4500次以上。招專業(yè)

7、人才，上一覽英才網(wǎng)！3.2 負(fù)極板鉛蓄電池負(fù)極活性物質(zhì)，因反復(fù)的充放電循環(huán)，使活性物質(zhì)硫酸鹽化和活性物質(zhì)晶粒粗大化的表面積降低，導(dǎo)致容量下降。為了防止這一現(xiàn)象，采用在負(fù)極活性物質(zhì)中添加石墨、木素、硫酸鋇等添加劑。這些添加劑按照一定的種類和不同的比例進(jìn)行添加，對負(fù)極板的放電性能、充電接受性能及壽命性能等有很大的影響。在硫酸鉛內(nèi)加入石墨，可提高硫酸鉛表面的導(dǎo)電性能，并認(rèn)為是在石墨表面發(fā)生反應(yīng)。眾所周知，超細(xì)晶粒石墨和添加量的增加能提高充電性能。石墨因種類的不同，其物理性能有很大的差異，因此可以認(rèn)為石墨種類的不同，其效果也不同。為了對比不同種類的石墨對負(fù)極充電性能的影響，表2中列出了用于評價試驗用小

8、型電池的六種石墨對比。蓄電池進(jìn)行限量充電的循環(huán)次數(shù)達(dá)1000次后，負(fù)極板中殘留的硫酸鉛與石墨種類關(guān)系的研究結(jié)果示于圖7。石墨種類的不同，硫酸鉛的蓄積量也不同，D、E石墨相對傳統(tǒng)使用的石墨A而言，硫酸鉛含量少，負(fù)極充電性能好。表2數(shù)據(jù)無法判斷石墨的物理性能與負(fù)極充電性能的關(guān)系，石墨晶粒表面官能團量和種類的不同，其效果也不相同。石墨的作用功能目前仍在探討中。招專業(yè)人才，上一覽英才網(wǎng)！4 新品電池的結(jié)構(gòu)特性4.1 單體電池4500次長壽命的LL-S電池的改良內(nèi)容及目的列于表3。有關(guān)電池結(jié)構(gòu)、使用條件的臥式放置、限液、電量管理的充放電控制，目前仍沿襲LL型電池的技術(shù)。新品電池與傳統(tǒng)產(chǎn)品的對比列于表4，產(chǎn)品的外觀照片示于圖8。與傳統(tǒng)的循環(huán)壽命3000次的電池相比，電池的尺寸相同，重量約增加了8%，電池的期待壽命增加到4500次，是原來的1.5倍。電池槽材料選用耐藥性、耐透濕性優(yōu)良的聚丙烯樹脂，端子為螺栓式，在電池蓋上設(shè)計有插入成型的鉛合金制極柱套，與端子部位焊接成形，并用環(huán)氧膠封口，可防止電解液滲漏的結(jié)構(gòu)。這種電池的推薦充電方法見圖9，單體電池的充電電壓設(shè)定為2.42V，采用多階段小電流充電及為防止過充電采用控制充電量的方式進(jìn)行充電。招專業(yè)