純鉛蓄電池，顧名思義，鉛的比例占據較高，在高性價比的化學電源中,誕生了150多年的鉛酸蓄電池,在目前的應用中占據優勢地位。但隨著全球工業化進程的加快,用戶和環境也對于鉛酸蓄電池的性能寄予了更多的期望(例如高能量密度、高可靠性、快速充電接受性能、高率放電性能、節能低碳、更低總擁有成本等),而傳統型的鉛酸蓄電池技術已經逐漸在這些新的技術期待面前捉襟見肘。
此外,傳統的鉛酸蓄電池在制造之初,為了便于加工及提高機械強度,不得不在板柵中加入其它金屬形成合金結構,但是合金形成后,一方面固然增加了加工的便利性。但另一方面也導致電池極板在使用過程中腐蝕加快、電池的自放電率增大、使用過程中失水較快、內阻變大等問題?；谝陨闲枨蠛蛦栴},不添加任何合金的純鉛薄極板(Thin Plate Pure Lead,TPPL)技術應運而生。
純鉛薄極板電池最初由美國Gates公司研發成功并申報了專利保護,最早的研發方向是應用于航空設備電源系統的卷繞式圓柱形電池,由于高純度的金屬鉛板柵(純度約99.99%)較軟,制造工藝難度非常大,該技術并未得到大面積推廣。由于純鉛技術的顯著優勢,后來部分國外廠家投入大量的精力,結合蓄電池領域應用工況,進行了長時間的研發試制,同時也優化了純鉛薄極板的電化學體系、提高充放電接受能力,通過特殊的生產工藝及采用全自動化的工裝機器人生產出適宜于工業領域應用的板式(Plate)純鉛薄極板電池并成功的將其進行商業化。
TPPL技術作為化學電源中的新型技術,它既不同于傳統型鉛酸蓄電池的膠體(Gel)技術,也不完全等同于普通型鉛酸蓄電池的AGM(AbsorbedGlassMat)技術;純鉛薄極板技術從電池的基本材料(包括外殼)、結構設計、電化學性能、制造工藝及質量控制都與傳統產品有著極大的差別,體現了化學電源技術發展的最高水平。
1 純鉛薄極板技術的優勢
(1)純鉛板柵
純鉛板柵通常采用高純度的原生態鉛再提純后經碾壓、沖壓制成正負極板柵鉛帶,與傳統的重力澆鑄型鉛鈣錫合金板柵不同,純鉛板柵的晶格更為致密,即便在高溫環境之下也更耐腐蝕(見圖1);同時相比于合金板柵,其析氫過電位更高,更有效地減少蓄電池在充電過程中電解失水。
(2)超薄型極板
相對于傳統的鉛鈣合金電池極板,純鉛薄極板電池極板厚度僅有1mm左右(見表1),在同等的空間內可以放入更多的極板,提高了極板反應接觸總面積(如圖2),從而使得純鉛電池在快速充電和高功率放電時性能表現極其優異。
(3)極板預防短路設計
由于純鉛薄極板電池極板非常薄,加之純度高,極板本身較軟,容易變形;純鉛薄極板采用了特殊結構設計,極板表面增加耐酸、耐熱的防短路防脫落材料,一方面保證電解液中荷電離子的移動,另一方面有效避免了超薄型極板容易變形導致短路、充填進板柵的活性物質因大電流負載下崩脫等故障。
(4)高強度阻燃性外殼由于純鉛薄極板電池內部極板片數較多,內部群壓較高,加之純鉛薄極板電池工作壽命很長,普通型(或改性)的ABS、PP塑料外殼無法滿足極板壽命需求,所以純鉛薄極板電池均采用具有更高強度、無鹵素高阻燃性的改性PPO(ModifiedPoly-PhenyleneOxide)塑料作為外殼,以確保電池的外殼在整個電池正常壽命周期內,材料無降解、性能無衰減,且在使用中不產生變形。根據測試,采用改性PPO材料外殼制作的純鉛薄極板電池工作溫度范圍在-40～+65℃。
在同等的壁厚、氣壓、面積等條件下,各外殼材料的特性見表2。
(5)自放電率更低
由于純鉛薄極板電池內部采用高純度的材料,與合金板柵的電池容易出現的內阻大、每3～6個月需要進行充電等要求不同,在常溫狀態下,純鉛薄極板電池可以靜置兩年以上(見圖3)。
(6)大電流充放電接受性與傳統性蓄電池相比,純鉛薄極板電池極板數量更多、反應面積更大、內阻較小,可以接受高達10C10的充電電流。對于完全放電的電池,當采用1C10的充電限流值時,在2h內可以將電池100%充滿;即使采用電信行業常用的0.25C10的限流值,100%充滿電的時間也在6h以內,充電時間不到傳統閥控式鉛酸電池的三分之一(見圖4)。
(7)卓越的高、低溫性能
純鉛薄極板電池擁有比普通電池更大的極板比表面積,極大地降低了內阻,使電池在低溫下也能進行正常充電。由于其貧液式設計,低溫下沒有液態酸的冰凍,因此也不產生輸出電流隨溫度降低而急劇減小的問題;在高溫下,冷軋純鉛板的高耐腐蝕性和超高的充電接受性,確保電池有很長的使用壽命(見圖5)。
作為先進技術所代表的電池產品,純鉛薄極板電池以其傳統型電池不具備的優點,對于傳統型鉛酸電池所面臨的在高溫環境下的使用壽命短、均一性差和快速充放電、浮充、循環使用同時兼顧等問題提出了有效的解決方案,所以在對于可靠度要求較高(例如軍工、航天、地鐵、石化、銀行等)的領域,純鉛薄極板電池得以大量應用。
根據調查,在北美Switch數據中心、Latisys數據中心、DigitalRealityTrust數據中心、Facebook數據中心、香港機場、香港地鐵、廣州地鐵等用戶中,均有大量的純鉛薄極板電池在投入使用,經過長時間跟蹤測試發現,純鉛薄極板電池均一性好、使用溫度范圍寬、支持間歇式充電、無一例發現有電池變形、漏液等明顯的制造瑕疵,用戶普遍評價較好。表3為廣東某地鐵隨機抽查數據(12V100Ah)。
2 純鉛薄極板技術的不足
雖然純鉛薄極板電池有著眾多傳統型化學電源不可比擬的優勢,但其技術也存在一些難點,例如原材料提純要求較高、生產主要依賴自動化設備、工藝難度較大等等,導致其技術讓制造企業無法快速掌握。
3 結束語
隨著社會發展,各行各業細分市場越來越具體,對于電源系統(供電系統)的可靠性、安全性和穩定性要求越來越高,蓄電池的重要性顯得尤為重要。在極其常見的UPS應用的工況下,絕大多數蓄電池都是短時間大電流(功率)放電、淺循環的負載模式,傳統型閥控式密封鉛酸蓄電池和其它的化學電源由于產品特性、安全性、維護量大等原因不能完全符合并滿足需要,而針對于UPS電源系統應用研發的純鉛薄極板電池以其高功率、超長的浮充壽命、快速充放電、使用溫度范圍寬、均一性好等優點,為對電源有高可靠需求的領域,提供了完美有效的解決方案;預計在不久的將來,可以取代相當大的一部分傳統型及不適宜UPS應用的產品,在電源供應領域大放異彩。
