胶体电池和AGM电池的比较01

胶体电池和AGM电池的比较01——电池设计方面的差异埃克塞德电源（上海）有限公司赵杰权1.0概述阀控式密封铅酸（VRLA）蓄电池按电解液的固定方式不同，一般分为胶体电池和AGM电池。胶体电池是指采用胶体技术制作的阀控式密封铅酸蓄电池。胶体技术不仅指电池内是否含有凝胶电解质，还包括电池的设计思路，结构特征，制造工艺等技术措施，确保电池具有相应的性能。同样，而对AGM电池，也是指采用AGM技术制造的阀控式密封铅酸蓄电池。采用AGM隔板固定电池内的硫酸仅是AGM电池的技术特征之一。由于这两种技术是完全不一样的，导致胶体电池和AGM电池在性能上有巨大的差异。为了更好更深入地理解胶体电池和AGM电池的性能差异，本文从设计方面深入探讨了它们的差异。2电解液固定技术的差异由于胶体电池和AGM电池均采用建立在内部氧循环基础上的阴极吸收式免维护技术，故在其免维护技术上没有本质差别，仅在固定电解液的方式上有明显差异。对AGM电池，采用AGM制造技术，电池内的电解液固定在AGM隔板内，电解液的固定是利用AGM隔板的多孔性，具有很强的吸附作用，将电解液有效固定，其原理类似于海绵吸水的原理。在AGM电池中，电解液仍为稀硫酸溶液。图1AGM电池固定电解液原理示意图由于稀硫酸是由纯硫酸和水混合而成，纯硫酸的密度为1.84g/cm3，而纯水的密度为1.0g/cm3。在备用电池中，蓄电池长期放置固定不动。由于重力的作用，稀硫酸电解液会发生分层现象，即底部的硫酸密度高，而上部的硫酸密度低。在高型电池中，这种分层现象尤为明显。因此，在常规电池中，电池的高度一般不超过400mm。图2硫酸电解液分层图电解液分层会使极板顶部的活性物质因为没有足够的酸而放不出应有的容量，在充电时被过充。而底部会由于硫酸浓度过高，极板难以充电。与此同时，由于酸的分层，还会在极板的上部和下部产生浓差极化反电势，最终降低了电池的工作电压和使用容量。再者，在底部过高的硫酸也会加速底部板栅腐蚀和极板硫酸盐化，从而使电池寿命缩短。胶体电池是采用凝胶制造技术，电池内的电解液固定于硅凝胶中。电解液的固定是由于凝胶胶粒的聚合形成的硅胶空间网络结构，以有效固定硫酸电解液，其原理类似于采用胶冻来固定硫酸电解液。在空间网络中，硅胶是骨架支撑整个网络，硫酸离子可在一定层面自由移动，可以保证电池化学反应的顺利进行，即可以保证电池充放电的顺利进行。图3胶体电池固定电解液原理示意图由于硅胶的空间网络结构中富含大量的硅氧化学键，可和硫酸分子中的氢形成氢键，由于这种弱化学作用，硅凝胶很容易吸附和释放硫酸分子。即使电解液长期放置不动，由于这种作用的存在，基本可以抵消重力的作用，使稀硫酸电解液上下分布均匀，不易发生上部：硫酸浓度低底部：硫酸浓度高分层现象。再者，凝胶本身的平均孔径比AGM隔板的平均孔径小约100倍，其凝胶本身的比较面积比AGM隔板的比表面积大很多，其中的小孔或微孔能能更好的保持硫酸电解液。在胶体电池中，由于电解液不分层，电池内极板上部和下部的活性物质均能充分利用，故电池的使用寿命长，也可制造成高型电池。阳光A602/3300电池高度就超过800mm。图4硫酸电解液在胶体电池凝胶中的分布示意图3电解液量和电解液浓度方面的差异AGM电池采用AGM隔板来固定硫酸电解液。为了使充电后期正极产生的氧气易于穿过隔板到达负极，被负极吸收，必须采用贫液式设计，以确保内部氧循环的顺利进行。所谓的贫电解液设计，以海绵的吸液性为例，在正常状态下，一片海绵可以100g水，实际设计只是让海绵吸收80~90g水，这种设计则为贫电解液设计。故AGM电池内的硫酸电解液量相对较少。由于铅酸电池中，硫酸电解质是参与电池的电化学反应，为了确保电池的放电性能（硫酸的量需要足够），故只能通过增加硫酸浓度来达到。故AGM电池一般采用较高密度/浓度的硫酸。由于在AGM电池中电解液量较少，采用硫酸浓度较高，对电池本身带来一系列的不利影响。由于AGM电池的电解液量相对较少，电池的热容也较小，故AGM电池对温度敏感。对相同容量完全充电的电池，若充入相同的电量，AGM电池的温升明显大于胶体电池的温升。对AGM电池，由于采用较高浓度的硫酸，板栅的腐蚀更快，也更容易产生惰性的硫酸铅，从而使电池充电接受能力变差，电池更难充电。即AGM电池更易发生早期容量衰减。随着电池使用时间的延长，AGM电池由于过充而不断失水，电池内的硫酸浓度缓慢上升，这种现象更加严重。在电池中，AGM隔板的硫酸饱和度通常在95%~85%。和完全饱和的隔板相比，在饱和度为85%时，电池有效内阻增加90%。电池中隔板的硫酸饱和度低于85%，电池会因为尾电流过大、电池缺酸和内阻过大等原因而电池寿命很快终上部和下部硫酸浓度基本相同止。因此，对AGM电池而言，电池失水10%，电池的寿命降低50%以上。图5AGM电池贫电解液设计对电池性能的影响胶体电池发展本身是在富液电池的基础上进行改进而成。由于是采用硅凝胶固定硫酸电解液，故胶体电池内部的气体传输是通过凝胶开裂产生的裂缝所形成的通道来完成的，电解液量的多少不会影响气体的传输通道，故对电解液的量没有严格限制，通常采用富液式设计，以确保电池具有更优良的性能。故胶体电池的电解液量较多,对大密电池，富液量约20%，对中密电池，富液量约15%。胶体电池通常采用比AGM电池更低的酸，在较低的酸密度下，板栅的腐蚀速率更低，电池的充电接受能力也明显改善，从而电池的使用寿命延长。其次，胶体电池由于具有较多的电解液。电解液越多，电池的热容越大，故胶体电池对温度不是很敏感。高温对胶体电池的性能和使用寿命影响相对较小。另外，电池长期使用中由于电压偏高或对电池进行均充或过充等维护操作，可能引起电池失水，胶体电池由于具有更多电解液，少量的失水，对电池的寿命影响较小，因而使用寿命较长，电池稳定性较好。4极群装配方面的差异在AGM电池中，极群的装配压缩比对电池的使用性能和电池寿命有非常重要的影响。适当增加电池的极群装配压力，具有如下好处：（1）使AGM电池具有优异的大电流放电性能。AGM电池采用紧装配结构，使正负极板之间的间距更小，电池内离子导电的距离更短。从而降低了电池的内阻。再者，采用紧装配结构，极板和隔板保持良好的接触，也减小隔板与极板的接触电阻。这些使AGM电池更有利于大电流放电。保证氧气传输采用贫液设计其电解液较少保证电池反应硫酸量足够，采用浓度较高的硫酸电解液电池热容较小对温度敏感，温度会影响电池性能及寿命加速板栅腐蚀缩短电池使用寿命充电接受能力变差，充电困难降低电池可用容量增加硫酸盐化可能水分较少，严控过充失水（2）使活性物质充分利用。由于AGM隔板不但起着隔离正负极板的作用，而且也起着贮存和保持电解液的作用。采用紧装配结构，极板紧贴AGM隔板，可让电解液浸渍整个极板，使活性物质充分被利用，增加蓄电池的使用容量。（3）有利于氧气的穿透传输。采用紧装配结构，极板与AGM隔板紧密接触，这样有利于氧气穿透隔板顺利扩散至负极。因为极板处于较大的压力作用下，使AGM隔板被压缩，AGM隔板中垂直于隔板方向的微孔变大，使氧气易于从正极穿透隔板到达负极。另一方面，由于AGM隔板被压缩，平行于隔板平板方向的微孔变小，从而抑制正极产生的氧气沿着隔板平面方向逸散。（4）避免蓄电池过早进入寿命衰退期AGM隔板具有很强的吸液性能和很高的孔率，它是由亲水处理的玻璃纤维堆积而制成的隔板，本身不含粘结剂，隔板自身强度较差。AGM隔板微观结构如下图6所示。图6AGM电池的微观结构将AGM隔板放入滚沸的水中保持1小时，AGM隔板则可能解体为纯粹的玻璃纤维。若AGM电池装配较松，电池充电末期产生的氧气逸出可能会改变AGM隔板的微观结构，致使电池很容易发生早期容量衰减现象。而采用紧装配结构，可有效抑制正极活性物质的软化脱落，从而大大延长AGM电池的使用寿命。故AGM电池必须采用紧装配设计。该结构不但使电池内的氧循环更顺利的进行，而且确保了AGM电池具有优异的大电流放电性能和较好的使用寿命。在胶体电池中，由于采用凝胶电解液，胶体电解液的粘度远远大于稀硫酸的电解液，太紧的装配不利于胶体电解液进入极群内部。故极群的装配相对较松。采用的隔板通常也为含有筋条的微孔塑料隔板，以利于胶体电解液进入极群及隔板内部。胶体电池的隔板主要起隔离正负极板的作用。胶体电池本身是在富液电池的基础上发展而来的，也基本保持了原富液电池的特点，对电池极群的装配压力没有严格的要求。在胶体电池中，由于对极群装配要求较松，正负极板之间的距离相对较大，电池内离子导电的距离要长，故胶体电池内阻通常较大，更适合中等电流和小电流放电，电池的大电流性能相对较差。5两种电池氧循环气体通道的差异在VRLA电池中，氧气从正极传输到负极，在负极上被复合。根据氧循环的原理，氧气在负极的复合主要发生在这种三相界面上。氧气的传输途径有两条：一是垂直传输，即正极产生的氧气先移向极群周围，再达到负极板。其二是水平传输，即正极板产生的氧气直接穿透隔板达到负极。在VRLA电池中，发生氧循环的气体通道不但发生在正负极板间的隔板内，还发生在极群外部空间。在AGM密封电池中，在充电末期或在浮充过程中，正极产生的气体需要从小气泡长大为较大气泡，由于气泡的不断增大，扩展到AGM隔板中，将隔板中大孔中的硫酸电解液排出，形成气体通道，氧气从正极传递到负极。故只有当正极产生的氧气压力达到一定程度时,AGM隔板中才会形成若干氧通道。气体传递到负极后，被负极吸收，排出的硫酸液体会重新占据AGM隔板内的气体通道，直到正极表面产生的气泡再次长大，形成气体通道。故在AGM电池中氧气从正极穿透隔板到达负极的气体通道可能是不稳定或不连续的。在AGM电池中，由于隔板在加入硫酸电解液后，装配压力大大降低，极板和隔板表面的不平整等因素致使极板和隔板之间的总存在相对较大的缝隙，而氧气从正极直接传输到负极存在较大的困难，故在AGM电池中，相当数量的氧气采用垂直传输。由于极板的孔径小于AGM隔板的孔径，极板中保持了较多的电解液。电池极群的边板的铅负极上没有胶体等的覆盖，很容易形成气、液、固三相界面。而在AGM电池中铅负极与氧气的反应不但发生在正负极板之间的表面上，相当数量的氧循环还发生在极群外部负极板上。氧气在极群边板上的快速复合也使电池内部的气室总压比胶体电池的更低。据报导，在电池槽的内壁上加筋条，可以大大增加氧循环的效率。在对胶体电池的研究中发现：在胶体电池中，随着使用时间的延长及胶体内微裂缝的形成，平衡时胶体电池内的气室总压比AGM电池的气室总压要高，垂直方向的氧传输会受到抑制。在胶体电池中，随着使用时间的延长，硅凝胶会发生干裂，形成细微的裂缝，从而形成氧气从正极传输到负极的通道。在运行正常的胶体电池中，由于正负极板均被凝胶覆盖，极群边负板上氧气的复合反应速率极低，氧在负极的复合反应主要发生在正极板对应的负极板上，即主要采用水平传输。再者，在胶体电池中电解液饱和度对氧传输方式有着重要影响，当饱和度高于91．5％时，传输方式以垂直传输方式为主；当饱和度低于91．5％时，以水平传输为主。胶体电池氧循环中，氧在垂直方向的传输较AGM电池中慢；与AGM电池相比，胶体电池更有利于氧的水平传输。在胶体电池中，由于是凝胶干裂形成的气体通道，该气体传输通道基本是稳定的。6电池成本的差异胶体电池和AGM电池相比，其成本明显较高，主要是因为：其一，胶体电池生产中不但要增加配胶设备，还需专用的灌胶设备。由于采用胶体电解质，由于胶体电解液粘度大，可能发生凝胶现象，故对生产过程控制要求完全不同于AGM电池的生产过程，工艺更复杂，技术难掌握。其二，胶体电池采用微孔塑料隔板，其要求孔率高、强度好、厚度薄。高质量微孔隔板本身的成本较高。对AGM电池而言，其隔板由超细玻璃纤维制成，其制作过程相对简单，成本较低。其三，胶体电池一般电解液设计余量更大。不但增加硅凝胶材料，所需硫酸电解液量也更多。硫酸电解液和硅胶总重量更重，材料成本更高。故胶体电池总体成本高。AGM电池的生产过程相对简单，工艺过程较好控制，电池重量较轻，故成本较低。7结论由前述