铅蓄电池故障分析

作者：上海群蓝太阳能能源科技有限公司总工程师 朱磊

欢迎访问e展厅 展厅 9 电池/开关电源展厅 电池, 碱性电池, 锂离子电池, 纽扣电池, 太阳能电池, ... 在铅蓄电池的检测过程中，常常会遇到铅蓄电池出现故障和异常数据而使检测无法进行或使试验提前终止。因此，掌握故障分析对检测工作是很重要的。 一、故障现象及原因 1、反极的现象及原因 铅蓄电池的反极系指蓄电池的正负极发生了改变，反极现象反映在两个方面，一是由于铅蓄电池在装配组装时某单格电池极群组接反或整个电池极群组接反。这种情况下会出现铅蓄电池灌完酸用电压表测量端电压时其端电压值小于各单体蓄电池额定电压之和的现象或出现端电压为负的现象。另一方面是铅蓄电池在容量放电时在多个串联使用中，由于某个蓄电池(或某单体蓄电池)容量较低或完全丧失容量。在放电时这个电池很快被放完电被其它电池进行反充电，使原来的负极变成正极，原来的正极变成负极，端电压出现负值的现象。 对于前一种反极故障，在测量蓄电池端电压时(多个单体电池组成的蓄电池)都可发现，若有一个单体电池反极，不仅失去该电池的2 V电压，而且还要增加2 V反电压，端电压要降低4V左右。例如，对于额定电压为12 V的电池，如测量其端电压为8 V左右，说明有1个单格电池反极。如测量其端电压为4 V左右说明有2个单格反极，如测量其端电压为—4 V左右说明有4个单格反极，如测量其端电压为—12 V说明6个单格均反极。 对于后一种反极故障，其端电压值(负值)随放电情况而不同。一般在检测时，对于这种情况要及时将蓄电池从放电线路中摘除下来，以免对蓄电池有所损坏。 2、短路现象及原因 铅蓄电池的短路系指铅蓄电池内部正负极群相连。铅蓄电池短路现象主要表现在以下几个方面： (1)开路电压低，闭路电压(放电)很快达到终止电压。 (2)大电流放电时，端电压迅速下降到零。 (3)开路时，电解液密度很低，在低温环境中电解液会出现结冰现象。 (4)充电时，电压上升很慢，始终保持低值(有时降为零)。 (5)充电时，电解液温度上升很高很快。 (6)充电时，电解液密度上升很慢或几乎无变化。 (7)充电时不冒气泡或冒气出现很晚。 造成铅蓄电池内部短路的原因主要有以下几个方面： (1)隔板质量不好或缺损，使极板活性物质穿过，致使正、负极板虚接触或直接接触。 (2)隔板窜位致使正负极板相连。 (3)极板上活性物质膨胀脱落，因脱落的活性物质沉积过多，致使正、负极板下部边缘或侧面边缘与沉积物相互接触而造成正负极板相连。 (4)导电物体落入电池内造成正、负极板相连。 (5)焊接极群时形成的“铅流”未除尽，或装配时有“铅豆”在正负极板间存在，在充放电过程中损坏隔板造成正负极板相连。 3、极板硫酸化现象及原因 极板硫酸化系指在极板上生成白色坚硬的硫酸铅结晶，充电时又非常难于转化为活性物质的硫酸铅。铅酸蓄电池极板硫酸化后主要有以下几种现象。 (1)铅蓄电池在充电过程中电压上升的很快，其初期和终期电压过高，终期充电电压可达2.90V／单格左右。 (2)在放电过程中，电压降低很快，即过早的降至终止电压，所以其容量比其它电池显著降低。 (3)充电时，电解液温度上升的快，易超过45℃。 (4)充电时，电解液密度低于正常值，且充电时过早地发生气泡。 (5)电池解剖时可发现极板的颜色和状态不正常。正极板呈浅褐色(正常为深褐色)，极板表面有白色硫酸铅斑点，负极板呈灰白色(正常为灰色)极板表面粗糙，触摸时如同有砂粒的感觉，并且极板发硬。 (6)严重的硫酸盐化，极板形成的硫酸铅白色结晶体粗大，在一般情况下不能复原成活性物质。 造成极板硫酸化主要有以下几方面的原因。 (1)铅蓄电池初充电不足或初充电中断时间较长。 (2)铅蓄电池长期充电不足。 (3)放电后未能及时充电。 (4)经常过量放电或小电流深放电。 (5)电解液密度过高或者温度过高，硫酸铅将深入形成不易恢复。 (6)铅蓄电池搁置时间较长，长期不使用而未定期充电。 (7)内部短路局部作用或电池表面水多造成漏电。 (8)电解液不纯，自放电大。 (9)电池内部电解液面低，使极板裸露部分硫酸化。 铅蓄电池在正常使用的情况下，正、负极板上的活性物质(Pb02和Pb)大部分转变为小粒晶状的硫酸铅，这些松软小粒晶状的硫酸铅是均匀地分布在多孔性的活性物质上，在充电时很容易和电解液接触起作用恢复为原来的物质PbO2和Pb。 如果在使用中由于上述的使用不当的诸原因，极板上的活 性物质会逐渐形成结晶粒粗大的硫酸铅，这些粗而硬的硫酸铅晶体体积大，导电性差，因而会堵塞极板活性物质的细孔，阻碍了电解液的渗透和扩散作用，增加了电池的内电阻，同时，在充电时，这种粗而硬的硫酸铅不如软小晶粒的硫酸铅容易转化为PbO2、和Pb。若历时过久，这些粗而硬的硫酸铅就会失去可逆作用，结果使极板的有效物质减少放电容量降低，使用寿命缩短。 4、极板弯曲和腐蚀断裂 极板弯曲多发生于正极板，而负极板很少发生，有的负极板弯曲则是由于正极板弯曲过甚而迫使负极板亦随之弯曲所致。 极板的断裂多发生于使用寿命过程中，由于板栅腐蚀，强度变小，造成极板断裂，尤其正极板栅表现更为严重，造成极板弯曲主要原因有以下几个方面： (1)极板活性物质在制造过程中因形成或涂膏分布不均匀，因此，在充放电时极板各部分所起的电化作用强弱不均匀，致使极板上活性物质体积的膨胀和收缩不一致而引起弯曲，有的造成开裂。 (2)过量充电或过量放电，增加了内层活性物质的膨胀和收缩，恢复过程不一致，造成极板的弯曲。 (3)大电流放电或高温放电时，极板活性物质反应较激烈，容易造成化学反应不均匀而引起极板弯曲。 (4)蓄电池中含有杂质，在引起局部作用时，仅有小部分活 性物质变成硫酸铅，致使整个极板的活性物质体积变化不一致，造成弯曲。 造成正极板腐蚀断裂主要有以下几方面原因： （1）制造板栅合金工艺有问题，引起极板在充放电过程中不耐腐而断裂。 (2 )充电时，正极板栅处于阳极极化的条件下，经常过量充电是正极板腐蚀断裂的主要原因。 (3)电解液密度过高，温度过高，正极板氧化腐蚀加剧。 (4)铅蓄电池的电解液中，含有正极板栅有腐蚀作用的酸类或其它有机物盐类，都会逐渐腐蚀正极板栅。这些对正极板栅有害的酸类、盐类可能来自硫酸蒸馏水中，也可能从隔板或其它部件里浸出，因此，在充放电循环中，极板或正极扳栅不断地，被腐蚀。 (5)正极板受腐蚀的过程，也就是氧化膜生成的过程，因此板栅的线性尺寸有所增加，这就造成了板栅的变形或膨胀。 正极板栅腐蚀和变形的特征： (1）电解液混浊，极板呈腐烂状。 (2)正极板活性物质，由于板栅受到腐蚀而失去了应有的强度和凝固性，造成脱落，这种脱落往往是呈块粒状。 (3)由于正极板栅的腐蚀，引起活性物质脱落，这不仅破坏了活性物质的细孔组织，而且有效物质的数量也逐渐减少。这必然造成电池的容量下降，循环寿命缩短。 正极板栅腐蚀机理： （1）二氧化铅表面析出氧腐蚀：当阳极充电时，正极析出氧，这些氧以“超化学当量的原子”的形式进入二氧化铅的晶格中，并透过氧化物层扩散到金属表面，把金属氧化。氧化金属是决定铅的正极腐蚀速度的基本过程，温度升高极化加强，引起氧扩散速度增加，腐蚀速度加快。 (2)催化腐蚀：二氧化铅在正极析出氧的反应中是一种催化剂。氧在析出时，是以中间产物自由基的形式出现。例如：·OH、˙O˙、·H2SO4等，这些中间产物在二氧化铅表面复合，引起二氧化铅膜松散，因而使膜下的金属溶解，引起腐蚀。 (3)铅——二氧化铅固相反应腐蚀：板栅合金中的铅与活性物质二氧化铅之间有接触电位差，这个电位差是电子从铅向二氧化铅迁移的原因，所以产生腐蚀。 (4)二氧化铅中有两种结晶，即α—Pb02和β—Pb02与板栅直接接触的那一层大半是α—Pb02外层大部分是β—Pb02，而阳极腐蚀的基本产物是α—Pb02。 (5)正极板在阳极极化时腐蚀，基本上是沿着晶粒边界进行的．由于在合金每一小晶粒的外层都有另一固溶体的外层，于是在晶粒之间形成了组份与晶粒本身不同的夹层——晶间夹层，合金腐蚀发生在夹层里。 5、活性物质脱落 铅蓄电池在充放电过程中，极板的活性物质渐渐因损坏而脱落，这种现象主要发生在循环充放电未期，主要特征是在电解液中有沉淀物，电池容量下降。活性物质的脱落，如果是电池的使用寿命接近终止时，活性物质的脱落已是正常现象，但是在下列情况时，同样造成极板的活性物质脱落。 (1)负极板由于添加剂比例不当，在充放电过程中引起活性物质膨胀脱落。 (2)充放电电流大或过量充放电，长期过放电。 (3)充电时电解液温度、密度过高。 (4)放电时外电路发生短路。 (5)电解液不纯。 (6)极板硫酸化或板栅腐蚀断裂。 6、容量降低 铅蓄电池放电时达不到额定容量或在充放电过程中容量降低一般有以下几种原因 (5)极群局部短路。 (6)电池串联焊接部位有虚假焊存在。故初期容量尚可，随着充放电过程，假焊部位产生氧化膜虽可导电，但效果不佳。 (7)板栅腐蚀极板断裂，活性物质脱落。 (8)极板硫酸化。 (9)容量放电时电流偏大，电解液密度偏低或电解液液面高度不够。 (10)充放电设备、测量仪表超差或出现故障。 (11)放电时，电解液温度过低。 7、电压异常 铅蓄电池在充放电过程中电压异常特征有以下几个方面： (1)开路电压低或充放电时电压均低。 (2)放电时电压迅速下降到终止电压停止放电后很快恢复较高的电压。 (3)充电时电压上升很快很高，停止充电时，电压下降的过低过快。 (4)放电时电压出现负值。 (5)充电时电压上升且电压偏低。 造成电压异常现象一般有以下几方面原因： (1)内部短路、反极。 (2)极板硫酸化。 (3)极板腐蚀断裂，活性物质脱落。 (4)电解液密度低或高。 (5)测量仪器仪表超差或故障。 (6)连接处接触不良。 (7)负极板收缩纯化。 (8)过量放电。 (9)充电不足。 (10)自放电大 (9)充电不足。 (10)自放电大。 8、起动性能差 铅蓄电池起动性能差是指在大电流放电时达不到规定的要求值。一般由以下几方面原因造成： (1)蓄电池连接条(壁焊处)及端柱与极柱联接处，汇流排与极板连接处出现虚焊假焊，致使起动性能不佳或无法起动。 (2)电解液密度低，内阻大，隔板内阻大。 (3)正极板弯曲及极板硫酸化。 (4)放电设备与蓄电池连接接触电阻大。 (5)极群短路，极板连电。(6)活性物质脱落。 (7)产品结构、工艺配方有问题。(8)放电电流过大。 (9)环境温度过低。 9、循环寿命短 铅蓄电池寿命提前终止的原因一般有以下几个方面： (1)正极板腐蚀、负极板膨胀。 (2)极群短路，极板连电。 (3)隔板损坏或窜位及隔板不耐腐。 (4)合金不耐腐。 (5)充放电循环比例不当。 (6)电解液密度、温度过高或过低，液面高度不够。 (7)虚焊假焊，极板脱落。 (8)极板硫酸化。 (9)充放电电流过大。 二 解剖与分析 当铅蓄电池试验终了后或蓄电池出现故障而无法排除时，需要解剖电池观察分析，其步骤如下： （一）、外观检查 l、检查蓄电池槽有无破损及裂纹。 2、测量电解液密度值，电池端电压及每个单格电池电压情况。 3、检查蓄电池端柱及连接条情况。 （二）、解剖观察 1、橡胶壳蓄电池放入较高温度环境中待其封口剂软化以后，用小刀将封口剂剔出，用铁锯将连接条锯断，用铁勾将每个极群组拉出，放入铁盘内。 2、塑壳电池用铁锯沿槽盖热封处将蓄电池锯开，在观察壁焊连接处有无虚焊假焊及断裂情况以及极柱与端柱连接情况后，用铁锯将壁焊处锯开，将每个极群组抽出，放入铁盘内。 3、观察极群状况，是否有隔板缺少，汇流排有无断裂，汇流排与极板极耳处的连接情况，有无掉片及虚焊假焊现象。观察极柱与汇流排，极柱与端柱的连接情况有无断裂，虚焊假焊现象，观察极群内是否有异物存在。 4、观察极群侧面，底部有无短路连电现象及隔板在极群中位置及隔板边缘有无破损现象。 5、观察蓄电池槽内电解液状况，活性物质沉积状况，槽内有无异物情况以及电池槽中间隔板是否有开裂、破损、单格间沟通等。 6、完成上述观察后，用铁锯锯开极板与汇流排连接处，逐片检查正极板、负极板及隔板状况。 7、观察正极板四边框有无断裂现象，极板表面状况，活性物质脱落状况，小筋条腐蚀断裂情况以及极板有无弯曲等。 8、对于管式正极板观察丝管有无破损，铅芯有无脱脖现象，封底有无脱落，汇流排有无断裂以及管内活性物质有无下沉，空管程度等。 9、观察负极板表面状况，有无硫酸化迹象，活性物质有无收缩变硬，有无膨胀堆积及脱落现象。 10、观察每片隔板腐蚀程度，有无破损、断裂、掉角、穿孔现象，观察隔板时应将隔板用水洗净仔细观察。 （三）、分析记录 电池解剖观察后，记录好观察结果，分析出影响电池性能及造成试验终止的原因，提出电池解剖分析意见。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (9/30/2008)