Причини за повреда на оловно-киселинните батерии и методи за техния ремонт

Откакто френският учен Гастон Планте изобретява оловно-киселинната батерия през 1859 г., тя е широко използвана в транспорта, комуникациите, енергетиката, железопътния транспорт, минното дело, пристанищата, отбраната, компютрите и научните изследвания, благодарение на високата си безопасност, ниската цена и отличната си рециклируемост. Тя остава най-произвежданият и универсален тип батерия в световен мащаб.

Оловно-киселинни батериипредлагат няколко предимства в приложенията си: ниска цена, зряла технология, отлични характеристики при високи и ниски температури, стабилност, надеждност, висока безопасност и добра рециклируемост на ресурсите, което им дава ясно пазарно предимство. До 2020 г. пазарът на оловно-киселинни батерии в Китай достигна 165,9 милиарда юана, нараствайки с 4,65% на годишна база.

С нарастването на пазарния дял, проблеми като огромното потребление на енергия по време на производството и рециклирането, както и милиардите изхвърлени батерии годишно, причиняващи сериозно замърсяване на околната среда, се изостриха. Поддържането и ремонтът на стари батерии за повишаване на ефективността и живота им се превърна в глобален приоритет.

В развитите западни страни десетки хиляди работят в поддръжката, ремонта и рециклирането на оловно-киселинни батерии, генерирайки милиарди годишни приходи. Япония наема над 100 000 души в сектора, който също генерира милиарди.

В Китай, за да се насърчат енергоспестяването и опазването на околната среда, от 1 януари 2016 г. беше въведен 4% данък върху потреблението на оловно-киселинни батерии. Техническата политика за предотвратяване на замърсяването от отпадъци от батерии, разработена от Държавната администрация за опазване на околната среда, НКРК, Министерството на строителството, НАЙ-МНОГО и Министерство на търговията, насърчава научноизследователската и развойна дейност за ефективно рециклиране, повишавайки нивата на оползотворяване на ресурсите.

Експертите отбелязват, че влошаването на производителността и преждевременната повреда произтичат главно от образуването на кристали оловен сулфат върху плочите по време на употреба, което увеличава вътрешното съпротивление и намалява капацитета, като в крайна сметка скъсява живота. Доказаните техники за ремонт на оловно-киселинни батерии удължават живота им, намаляват разходите, намаляват отпадъците като олово и разредена сярна киселина, намаляват емисиите на CO2 и пестят ресурси – в съответствие с устойчивото развитие.

В ерата на нарастващо потребление на енергия и замърсяване на батериите, решаването на проблемите с повторното използване на отпадъците, удължаването на живота им чрез технологии за ремонт, ограничаването на изхвърлянето на отпадъци и насърчаването на устойчиви пътища са от огромно значение. Технологиите за ремонт превръщат отпадъците в съкровища, вписват се в националните политики, стимулират икономиката, като същевременно насърчават енергоспестяването и намаляването на емисиите, и подпомагат опазването на околната среда, готови за по-широко приложение.

За да разберете как да ремонтирате оловно-киселинни батерии, първо трябва да разберете причините за повредата и след това да разгледате съответните методи за ремонт.

НеуспехПричинаоловно-киселинни батерии

Поради различията във видовете плочи, производството и употребата, причините за повреда са различни. Често срещанипричинавключват:

1. Корозия и деформация на положителните плочи

Съвременните сплави се разделят на три категории: традиционни оловно-антимонови (4-7% антимон); ниско/ултра ниско съдържание на антимон (<2% или <1%, с калай, мед, кадмий, сяра); и оловно-калциеви (0,06-0,1% калций, с калай и алуминий). По време на зареждане тези решетъчни сплави се окисляват до оловен сулфат и PbO2, губейки опората за активните материали и причинявайки повреда. Корозионните слоеве PbO2 предизвикват напрежение, разширявайки решетките; деформация над 4% разрушава пластините, разхлабва активните материали или води до късо съединение на шините.

2. Отделяне и омекване на активните материали на положителните пластини

Освен разширяването на решетката, повтарящите се цикли на заряд-разряд разхлабват връзките между частиците PbO2, причинявайки омекване и отлепване. Производството на решетката, херметичността на сглобката и условията на заряд-разряд влияят на това.

3. Необратимо сулфатиране

Преразреждането и продължителното съхранение в разредено състояние образуват груби, трудни за зареждане кристали от оловен сулфат върху отрицателните плочи. Леките случаи се възстановяват с методи; тежките правят електродите инертни.

4. Преждевременна загуба на капацитет

При решетки с ниско съдържание на антимон или оловно-калций, капацитетът спада рязко след ~20 цикъла, което води до преждевременна повреда.

5. Силно натрупване на антимон върху активни материали

Антимонът мигрира от положителните решетки към отрицателните активни повърхности по време на циклите. По-ниското редукционно свръхнапрежение на H+ (~200 mV) върху антимона ускорява разлагането на водата, предотвратявайки нормалното зареждане и водещо до повреда. Тестовете показват 0,12-0,19% антимон върху повредени отрицателни повърхности при напрежение на зареждане 2,30 V. В подводните батерии излишният водород се свързва със средно 0,4% антимон.

6. Термична повреда

За батерии с ниска поддръжка, напрежението на зареждане не трябва да надвишава 2,4 V/клетка. Дефектните регулатори могат да доведат до пикови покачвания на напрежението, прегряване на електролита, спадане на съпротивлението и усилване на тока в цикъл на неконтролируемо движение, деформиране или напукване на батерията. Макар и рядко, следете високото напрежение и топлината.

7. Корозия на отрицателните шини

Отрицателните решетки и шини рядко корозират, но в запечатани батерии с регулиране на вентила, кислородните цикли запълват горното пространство; електролитът се промъква към шините през контактите, окислявайки сплавите до оловен сулфат. Лошите заварки ускоряват това, отделяйки контактите и повреда на отрицателните полюси.

8. Къси съединения от спукване на сепаратора

Някои сепаратори, като например ПП, имат големи пори; изместените стопяеми предпазители създават големи дупки, позволявайки на активните материали да преминават по време на циклите, причинявайки микрокъсо съединение и повреда.

Фактори, влияещи върху живота на оловно-киселинните батерии

Повредите са резултат от вътрешни фактори (състав на активния материал, вид кристал, порьозност, размер на пластината, материал/структура на решетката) и външни (плътност на разреждане, концентрация/температура на електролита, дълбочина на разреждане, поддръжка, съхранение). Ключови външни фактори:

1. Дълбочина на разреждане

Това е разстоянието, през което продължава разреждането, преди да спре (100% = пълен капацитет). Животът варира значително; батериите с дълбоки цикли са подходящи за плитка употреба, но плитките се развалят бързо при дълбоки цикли. Връзките PbO2 отслабват от промените в обема: PbO2 към PbSO4 разширява моларния си обем с 95%. Плиткото разреждане (напр. 20%) минимизира разширяването/свиването, забавяйки разграждането; по-дълбокото разреждане скъсява циклите.

2. Размер на надценката

Прекомерното отделяне на газ влияе върху положително активните материали, насърчавайки отделянето; решетъчните сплави корозират чрез анодно окисляване, скъсявайки живота.

3. Температурни ефекти

Продължителността на живота обикновено се увеличава с повишаване на температурата до 50°C: +5-6 цикъла на 1°C от 10-35°C; +25+ цикъла на 1°C от 35-45°C. Над 50°C, отрицателната сулфатизация намалява капацитета. По-високите температури увеличават капацитета, намалявайки ефективната дълбочина за фиксирано разреждане, удължавайки живота.

4. Ефекти от концентрацията на сярна киселина

По-високата плътност спомага за положителния капацитет, но увеличава саморазреждането, корозията на решетката и разхлабването/отделянето на PbO2, скъсявайки циклите.

5. Ефекти върху плътността на разрядния ток

По-високата плътност скъсява живота, като ускорява разхлабването на PbO2 при условия на висок ток/киселинност.

Загубата на вода не е провалпричиназа вентилирани батерии (нормална поддръжка) или запечатани (избегнати). При запечатаните батерии за електрически велосипеди това възниква от прекомерно зареждане с постоянно напрежение.

Методи за ремонт при преждевременна загуба на капацитет (PCL)

(А) Характеристики на PCL

При батерии с ниско съдържание на антимон или оловно-калциеви мрежови батерии, капацитетът спада с ~5% на цикъл след ~20 цикъла, което води до преждевременен отказ. Оловно-калциевите батерии често показват необясними спадове в няколко клетки; положителните полюси не се „омекотяват“, но капацитетът е нисък.

(Б) Решения за причините

1. Оптимизирайте съдържанието на калай в положителните пластини (1,5-2% за дълбоко циклично закаляване).
2. Увеличете монтажното налягане.
3. Избягвайте високо съдържание на електролитна киселина.

(C) Предпазни мерки при употреба

1. Избягвайте продължителни ниски начални зарядни токове.
2. Минимизирайте дълбоките разряди.
3. Ограничете надценяването.
4. Не увеличавайте капацитета чрез високо използване на активни материали.

(D) Възстановяване на батерии, засегнати от PCL

Започнете с ток 0,3C-0,5C, след което зареждайте постепенно до пълно зареждане. Съхранявайте заредените батерии при 40-60°C; разреждайте при <0,05C до 0V (бавно след половината от номиналното напрежение). Повторете, за да възстановите капацитета.

(E) Бележки

Потвърдете PCL в първите 20 цикъла; по-късните спадове се влошават с този метод, омекотявайки положителните полюси. При оловно-калциевите батерии, дисбалансът от нисковолтовите постоянно зарядни устройства причинява проблеми: неравномерното саморазреждане води до хронично недозареждане в някои клетки (сулфатиране) и презареждане в други. Използвайте многостепенни зарядни устройства с различен ток/напрежение, завършващи с балансирано зареждане с високо напрежение и нисък ток.

Ремонт на надценка

Презареждането изисква висок ток/напрежение, което причинява странични реакции, положителни повреди и загуба на вода. Ефективен метод без повреди е импулсното зареждане: импулсите с високо напрежение/ток преодоляват спада в приемането без продължителни реакции, като се възползват от деполяризацията (или подпомагането) на батерията след импулса. Това позволява безопасно презареждане, като зарядните устройства са доказали през годините, че значително удължават живота на батерията.