鉛酸蓄電池常見故障和機理分析

一、鉛酸蓄電池常見故障
　　
　　1.反極的現象及原因
　　
　　鉛酸蓄電池的反極系指蓄電池的正負極發生了改變,反極現象反映在兩個方面,一是由于鉛蓄電池在裝配組裝時某單格電池極群組接反或整個電池極群組接反。這種情況下會出現鉛酸蓄電池灌完酸用電壓表測量端電壓時其端電壓值小于各單體蓄電池額定電壓之和的現象或出現端電壓為負的現象。
　　
　　另一方面是鉛蓄電池在容量放電時在多個串聯使用中,由于某個蓄電池(或某單體蓄電池)容量較低或完全喪失容量。在放電時這個電池很快被放完電被其它電池進行反充電,使原來的負極變成正極,原來的正極變成負極,端電壓出現負值的現象,詳見圖1所示。
　　
　　對于前一種反極故障,在測量蓄電池端電壓時(多個單體電池組成的蓄電池)都可發現,若有一個單體電池反極,不僅失去該電池的2V電壓,而且還要增加2V反電壓,端電壓要降低4V左右。
　　
　　例如,對于額定電壓為12V的電池,如測量其端電壓為8V左右,說明有1個單格電池反極。如測量其端電壓為4V左右說明有2個單格反極,如測量其端電壓為-4V左右說明有4個單格反極,如測量其端電壓為-12V說明6個單格均反極。
　　
　　對于后一種反極故障,其端電壓值(負值)隨放電情況而不同。一般在檢測時,對于這種情況及時將蓄電池從放電線路中摘除下來,以免對蓄電池有所損壞。
　　
　　2.短路現象及原因
　　
　　鉛酸蓄電池的短路是指鉛酸蓄電池內部正負極群相連。鉛酸蓄電池短路現象主要表現在以下幾個方面:
　　
　　(1)開路電壓低,閉路電壓(放電)很快達到終止電壓。
　　
　　(2)大電流放電時,端電壓迅速下降到零。
　　
　　(3)開路時,電解液密度很低,在低溫環境中電解液會出現結冰現象。
　　
　　(4)充電時,電壓上升很慢,始終保持低值(有時降為零)。
　　
　　(5)充電時,電解液溫度上升很高很快。
　　
　　(6)充電時,電解液密度上升很慢或幾乎無變化。
　　
　　(7)充電時不冒氣泡或冒氣出現很晚。
　　
　　造成鉛酸蓄電池內部短路的原因主要有以下幾個方面(詳見圖2所示):
　　
　　(1)隔板質量不好或缺損,使極板活性物質穿過,致使正、負極板虛接觸或直接接觸。
　　
　　(2)隔板竄位致使正負極板相連。
　　
　　(3)極板上活性物質膨脹脫落,因脫落的活性物質沉積過多,致使正、負極板下部邊緣或側面邊緣與沉積物相互接觸而造成正負極板相連。
　　
　　(4)導電物體落入電池內造成正、負極板相連。
　　
　　(5)焊接極群時形成的“鉛流”未除盡,或裝配時有“鉛豆”在正負極板間存在,在充放電過程中損壞隔板造成正負極板相連,詳見圖3所示。
　　
　　3.極板硫酸化現象及原因
　　
　　極板硫酸化系是在極板上生成白色堅硬的硫酸鉛結晶,充電時又非常難于轉化為活性物質的硫酸鉛,詳見圖4所示。鉛酸酸蓄電池極板硫酸化后主要有以下幾種現象。
　　
　　(1)鉛蓄電池在充電過程中電壓上升的很快,其初期和終期電壓過高,終期充電電壓可達2.90V/單格左右。
　　
　　(2)在放電過程中,電壓降低很快,即過早的降至終止電壓,所以其容量比其它電池顯著降低。
　　
　　(3)充電時,電解液溫度上升的快,易超過45℃。
　　
　　(4)充電時,電解液密度低于正常值,且充電時過早地發生氣泡。
　　
　　(5)電池解剖時可發現極板的顏色和狀態不正常。正極板呈淺褐色(正常為深褐色),極板表面有白色硫酸鉛斑點,負極板呈灰白色(正常為灰色)極板表面粗糙,觸摸時如同有砂粒的感覺,并且極板發硬。
　　
　　(6)嚴重的硫酸鹽化,極板形成的硫酸鉛白色結晶體粗大,在一般情況下不能復原成活性物質。
　　
　　造成極板硫酸化(詳見圖5所示)主要有以下幾方面的原因:
　　
　　(1)鉛蓄電池初充電不足或初充電中斷時間較長。
　　
　　(2)鉛蓄電池長期充電不足。
　　
　　(3)放電后未能及時充電。
　　
　　(4)經常過量放電或小電流深放電
　　
　　(5)電解液密度過高或者溫度過高,硫酸鉛將深入形成不易恢復。
　　
　　(6)鉛酸蓄電池擱置時間較長,長期不使用而未定期充電。
　　
　　(7)內部短路局部作用或電池表面水多造成漏電。
　　
　　(8)電解液不純,自放電大。
　　
　　(9)電池內部電解液面低,使極板裸露部分硫酸化。
　　
　　鉛酸蓄電池在正常使用的情況下,正、負極板上的活性物質(Pb02和Pb)大部分轉變為小粒晶狀的硫酸鉛,這些松軟小粒晶狀的硫酸鉛是均勻地分布在多孔性的活性物質上,在充電時很容易和電解液接觸起作用恢復為原來的物質PbO2和Pb。
　　
　　如果在使用中由于上述的使用不當的諸原因,極板上的活性物質會逐漸形成結晶粒粗大的硫酸鉛,這些粗而硬的硫酸鉛晶體體積大、導電性差,因而會堵塞極板活性物質的細孔,阻礙了電解液的滲透和擴散作用,增加了電池的內電阻,同時,在充電時,這種粗而硬的硫酸鉛不如軟小晶粒的硫酸鉛容易轉化為PbO2、和Pb。
　　
　　若歷時過久,這些粗而硬的硫酸鉛就會失去可逆作用,結果使極板的有效物質減少放電容量降低,使用壽命縮短。
　　
　　4.極板彎曲和腐蝕斷裂
　　
　　極板彎曲多發生于正極板,而負極板很少發生,有的負極板彎曲則是由于正極板彎曲過甚而迫使負極板亦隨之彎曲所致。
　　
　　極板的斷裂多發生于使用壽命過程中，由于板柵腐蝕，強度變小，造成極板斷裂，尤其正極板柵表現更為嚴重，造成極板彎曲主要原因有以下幾個方面:
　　
　　(1)極板活性物質在制造過程中因形成或涂膏分布不均勻,因此,在充放電時極板各部分所起的電化作用強弱不均勻,致使極板上活性物質體積的膨脹和收縮不一致而引起彎曲,有的造成開裂。
　　
　　(2)過量充電或過量放電，增加了內層活性物質的膨脹和收縮，恢復過程不一致，造成極板的彎曲。
　　
　　(3)大電流放電或高溫放電時,極板活性物質反應較激烈,容易造成化學反應不均勻而引起極板彎曲。
　　
　　(4)蓄電池中含有雜質,在引起局部作用時,僅有小部分活性物質變成硫酸鉛,致使整個極板的活性物質體積變化不一致,造成彎曲。
　　
　　造成正極板腐蝕斷裂主要有以下幾方面原因:
　　
　　(1)制造板柵合金工藝有問題,引起極板在充放電過程中不耐腐而斷裂。
　　
　　(2)充電時,正極板柵處于陽極極化的條件下,經常過量充電是正極板腐蝕斷裂的主要原因。
　　
　　(3)電解液密度過高,溫度過高,正極板氧化腐蝕加劇。
　　
　　(4)鉛酸蓄電池的電解液中,含有對正極板柵有腐蝕作用的酸類或其它有機物鹽類,都會逐漸腐蝕正極板柵。這些對正極板柵有害的酸類、鹽類可能來自硫酸、蒸餾水中,也可能從隔板或其它部件里浸出,因此,在充放電循環中,極板或正極扳柵不斷地被腐蝕。
　　
　　(5)正極板受腐蝕的過程,也就是氧化膜生成的過程,因此板柵的線性尺寸有所增加,這就造成了板柵的變形或膨脹。
　　
　　正極板柵腐蝕和變形的特征:
　　
　　(1)電解液混濁,極板呈腐爛狀,詳見圖7。
　　
　　(2)正極板活性物質,由于板柵受到腐蝕而失去了應有的強度和凝固性,造成脫落,這種脫落往往是呈塊粒狀。
　　
　　(3)由于正極板柵的腐蝕,引起活性物質脫落,這不僅破壞了活性物質的細孔組織,而且有效物質的數量也逐漸減少。這必然造成電池的容量下降,循環壽命縮短。
　　
　　正極板柵腐蝕機理:
　　
　　(1)二氧化鉛表面析出氧腐蝕:當陽極充電時,正極析出氧,這些氧以“超化學當量的原子”的形式進入二氧化鉛的晶格中,并透過氧化物層擴散到金屬表面,把金屬氧化。氧化金屬是決定鉛的正極腐蝕速度的基本過程,溫度升高極化加強,引起氧擴散速度增加,腐蝕速度加快。
　　
　　(2)催化腐蝕:二氧化鉛在正極析出氧的反應中是一種催化劑。氧在析出時,是以中間產物自由基的形式出現。例如:.OH、.O.、.H2SO4等,這些中間產物在二氧化鉛表面復合,引起二氧化鉛膜松散,因而使膜下的金屬溶解,引起腐蝕。
　　
　　(3)鉛——二氧化鉛固相反應腐蝕:板柵合金中的鉛與活性物質二氧化鉛之間有接觸電位差,這個電位差是電子從鉛向二氧化鉛遷移的原因,所以產生腐蝕。
　　
　　(4)二氧化鉛中有兩種結晶,即α-Pb02和β-Pb02與板柵直接接觸的那一層大半是α-Pb02外層大部分是β-Pb02,而陽極腐蝕的基本產物是α-Pb02。
　　
　　(5)正極板在陽極極化時腐蝕,基本上是沿著晶粒邊界進行的.由于在合金每一小晶粒的外層都有另一固溶體的外層,于是在晶粒之間形成了組份與晶粒本身不同的夾層——晶間夾層,合金腐蝕發生在夾層里。
　　
　　5.活性物質脫落
　　
　　鉛酸蓄電池在充放電過程中,極板的活性物質漸漸因損壞而脫落,這種現象主要發生在循環充放電未期,主要特征是在電解液中有沉淀物,電池容量下降?；钚晕镔|的脫落,如果是電池的使用壽命接近終止時,活性物質的脫落已是正?，F象,但是在下列情況時,同樣造成極板的活性物質脫落,詳見圖8。
　　
　　(1)負極板由于添加劑比例不當,在充放電過程中引起活性物質膨脹脫落。
　　
　　(2)充放電電流大或過量充放電,長期過放電。
　　
　　(3)充電時電解液溫度、密度過高。
　　
　　(4)放電時外電路發生短路。
　　
　　(5)電解液不純。
　　
　　(6)極板硫酸化或板柵腐蝕斷裂。
　　
　　6.容量降低
　　
　　鉛酸蓄電池放電時達不到額定容量或在充放電過程中容量降低一般有以下幾種原因:
　　
　　(1)極群局部短路。
　　
　　(2)電池串聯焊接部位有虛假焊存在。故初期容量尚可,隨著充放電過程,假焊部位產生氧化膜雖可導電,但效果不佳。
　　
　　(3)板柵腐蝕極板斷裂,活性物質脫落,詳見圖9所示。
　　
　　(4)極板硫酸化。
　　
　　(5)容量放電時電流偏大,電解液密度偏低或電解液液面高度不夠。
　　
　　(6)充放電設備、測量儀表超差或出現故障。
　　
　　(7)放電時,電解液溫度過低。
　　
　　7.電壓異常
　　
　　鉛酸蓄電池在充放電過程中電壓異常特征有以下幾個方面:
　　
　　(1)開路電壓低或充放電時電壓均低。
　　
　　(2)放電時電壓迅速下降到終止電壓停止放電后很快恢復較高的電壓。
　　
　　(3)充電時電壓上升很快很高,停止充電時,電壓下降的過低過快。
　　
　　(4)放電時電壓出現負值。
　　
　　(5)充電時電壓上升且電壓偏低。
　　
　　造成電壓異?，F象一般有以下幾方面原因:
　　
　　(1)內部短路、反極。
　　
　　(2)極板硫酸化。
　　
　　(3)極板腐蝕斷裂,活性物質脫落。
　　
　　(4)電解液密度低或高。
　　
　　(5)測量儀器儀表超差或故障。
　　
　　(6)連接處接觸不良。
　　
　　(7)負極板收縮純化。
　　
　　(8)過量放電。
　　
　　(9)充電不足。
　　
　　(10)自放電大
　　
　　8.起動性能差
　　
　　鉛酸蓄電池起動性能差是指在大電流放電時達不到規定的要求值。一般由以下幾方面原因造成:
　　
　　(1)蓄電池連接條(壁焊處)及端柱與極柱聯接處,匯流排與極板連接處出現虛焊假焊,致使起動性能不佳或無法起動,詳見圖10所示。
　　
　　(2)電解液密度低、內阻大、隔板內阻大,詳見圖11所示。
　　
　　(3)正極板彎曲及極板硫酸化。
　　
　　(4)放電設備與蓄電池連接接觸電阻大。
　　
　　(5)極群短路。
　　
　　(6)活性物質脫落。
　　
　　(7)放電電流過大。
　　
　　(8)環境溫度過低。
　　
　　9.循環壽命短
　　
　　鉛酸蓄電池壽命提前終止的原因一般有以下幾個方面:
　　
　　(1)正極板腐蝕、負極板膨脹。
　　
　　(2)極群短路,極板連電,詳見圖12。
　　
　　(3)隔板損壞或竄位及隔板不耐腐。
　　
　　(4)充放電循環比例不當。
　　
　　(5)電解液密度、溫度過高或過低,液面高度不夠。
　　
　　(6)虛焊假焊,極板脫落。
　　
　　(7)極板硫酸化。
　　
　　(8)充放電電流過大。
　　
　　二、解剖與分析
　　
　　當鉛酸蓄電池試驗終了后或蓄電池出現故障而無法排除時,需要解剖電池觀察分析,詳見表1所示,其步驟如下:
　　
　

1.外觀檢查
　　
　　(1)檢查蓄電池槽有無破損及裂紋,詳見圖13、14所示。
　　

　　(2)測量電解液密度值,電池端電壓及每個單格電池電壓情況。
　　
　　(3)檢查蓄電池端柱及連接條情況。
　　
　　2.解剖觀察
　　
　　(1)橡膠殼蓄電池放入較高溫度環境中待其封口劑軟化以后,用小刀將封口劑剔出,用鐵鋸將連接條鋸斷,用鐵勾將每個極群組拉出,放入鐵盤內。
　　
　　(2)塑殼電池用鐵鋸沿槽蓋熱封處將蓄電池鋸開,在觀察壁焊連接處有無虛焊假焊及斷裂情況以及極柱與端柱連接情況后,用鐵鋸將壁焊處鋸開,將每個極群組抽出,放入鐵盤內。
　　
　　(3)觀察極群狀況,是否有隔板缺少,匯流排有無斷裂,匯流排與極板極耳處的連接情況,有無掉片及虛焊假焊現象。觀察極柱與匯流排,極柱與端柱的連接情況有無斷裂,虛焊假焊現象,觀察極群內是否有異物存在。
　　
　　(4)觀察極群側面,底部有無短路連電現象及隔板在極群中位置及隔板邊緣有無破損現象。
　　
　　(5)觀察蓄電池槽內電解液狀況,活性物質沉積狀況,槽內有無異物情況以及電池槽中間隔板是否有開裂、破損、單格間溝通等。
　　
　　(6)完成上述觀察后,用鐵鋸鋸開極板與匯流排連接處,逐片檢查正極板、負極板及隔板狀況。
　　
　　(7)觀察正極板四邊框有無斷裂現象,極板表面狀況,活性物質脫落狀況,小筋條腐蝕斷裂情況以及極板有無彎曲等。
　　
　　(8)對于管式正極板觀察絲管有無破損,鉛芯有無脫脖現象,封底有無脫落,匯流排有無斷裂以及管內活性物質有無下沉,空管程度等。
　　
　　(9)觀察負極板表面狀況,有無硫酸化跡象,活性物質有無收縮變硬,有無膨脹堆積及脫落現象。
　　
　　(10)觀察每片隔板腐蝕程度,有無破損、斷裂、掉角、穿孔現象,觀察隔板時應將隔板用水洗凈仔細觀察,詳見圖15所示。
　　
　　(11)分析記錄電池解剖觀察后,記錄好觀察結果,分析出影響電池性能及造成試驗終止的原因,提出電池解剖分析意。