阳光胶体电池技术探讨03

阀控式密封胶体电池技术探讨（三）

—阀控式密封胶体电池的结构探讨

埃克塞德电源（上海）有限公司赵杰权

1、前言

阀控式密封铅酸蓄电池(Valve-Regulated Lead Acid Battery，简称VRLA电池)是目前工业上最广泛应用的备用电池。它是由正极板、负极板、隔板、电解液、安全阀、电池壳体等组成。根据电池的制造技术分，主要分为两类：采用超细玻璃棉（AGM）固定硫酸的常规密封铅酸蓄电池（也称AGM电池）和采用凝胶技术固定硫酸的胶体电池。

从结构上看，胶体电池具有以下两个明显的特征，分别是：采用凝胶电解质和使用微孔塑料隔板。本文对胶体电池的特殊结构进行了深入的探讨。

2 胶体电池的凝胶电解质

胶体电池是采用凝胶来固定硫酸电解液，形成凝胶电解质。凝胶电解质技术是胶体电池的一项最关键的技术。凝胶的组成和制作工艺是胶体电池的核心和关键技术。凝胶的组成和结构对电池的性能具有至关重要的影响。关于凝胶电解质技术，现简要介绍如下：

2.1 凝胶的作用

在胶体电池内，硅凝胶具有如下作用：

1)固定硫酸电解液，使电解液不分层，以确保电池的稳定性和可靠性。

2)固定和储存大量硫酸电解液，确保胶体电池为富液式设计。

3)保护正极活性物质，防止正极活性物质的脱落，延长电池使用寿命。

4)硅凝胶可抑制电池硫酸盐化的发生，具有深放电保护功能，使胶体电池

具有更好的深放电性能，电池的使用寿命长，稳定性好。

由于硅胶本身的优异特性，硅胶本身也可作为电池极板添加剂和电解液添加剂，通过加入硅胶成分，可在一定程度上改善常规铅酸电池的性能。笔者认为，国内一些厂家在AGM电池中加入微量或很少量的硅胶，这种电池也被称为胶体电池是不适合的。

2.2 凝胶的组成

凝胶电解质是由硅胶、稀硫酸、胶体稳定剂和电解液添加剂等组成。凝胶中的二氧化硅的种类、含量、胶体中稳定剂的种类和含量以及制作工艺均对硅凝胶的稳定性和寿命有重要影响。由于胶体电解质中的凝胶剂是非电解质，用胶体电解质取代稀硫酸，需要考虑硅胶聚合物的分子空间网络阻碍导电离子的迁移，即凝聚物必须具有低电阻率和由足够的空间网络形成的网络通道。这要求硅胶具有一定的触变性和一定的弹性。

用凝胶固定稀硫酸，当硫酸的浓度过稀时，不足以使硅胶凝聚，从而不能有效固定硫酸。而当硫酸浓度过大时，由于硫酸本身的水化作用而不断吸收周围水化层中的水分子，使所形成的凝胶空间网络结构被破坏，形成孔道较少，凝胶的弹性也较差。再者，随着充放电的进行，铅酸电池内的硅凝胶不但需面临电池充电产生的强酸和强电化学氧化，而且硫酸浓度不断变化，对胶体的稳定性和可靠性有较大的冲击，造成一些凝胶的寿命较短。

2.3 硅凝胶中硅含量的要求

凝胶中二氧化硅的含量对凝胶触变性、弹性和电池性能有重要影响。当二氧化硅含量较低时，所形成的空间网络结构太少，胶体强度很差，胶体可能不能形成凝胶或形成胶体的触变性差。加入电池后，常会发生析水现象，这种胶体电池寿命较短。另一方面，当在二氧化硅含量偏高时，生成的空间网络较多，凝聚的胶体太硬，胶体电解质发干，弹性很差。这种胶体加入电池中胶体易发生龟裂，电池的内阻很大。

据报道，二氧化硅的含量对凝胶的性能影响如下表所示：

经过实践，桂长青等人认为，在密度为1.28~1.32g/cm3的硫酸溶液中，含有4%~5%的SiO2,生成的凝胶触变性较好，在管状胶体电池中，由于硫酸浓度更低，胶体电解液中SiO2的含量要适当提高。陈红雨等人认为，胶体电解液是采用5%~6%的气相SiO2配制。

另据报导，胶体电池中，气相SiO2(BET比表面积为200~300m2/g)的添加量为5%~8%。

在国内外的专利中，SiO2的含量一般为4~10%。

根据以上的文献分析可知，对真正胶体电池而言，二氧化硅的含量应不低于4%，低于二氧化硅含量2%的胶体电池中，稀硫酸电解液的状态其实是液态，不是凝胶电解质。这样的电池不应该称为胶体电池。

3、胶体电池的微孔塑料隔板

在胶体电池中，隔板的主要作用是分隔正负极板，防止正负极板短路，但又不能使电池内阻明显增加。因此，隔板应该是多孔性质的，允许电解液自由扩散和离子迁移，并具有比较小的电阻。当活性物质存在脱落时，不得通过孔隙而达到对面极板，即孔径要小，孔数要多。此外，还需要机械强度好，耐酸腐蚀，耐氧化、酸置换率低以及不析出对极板有害的物质。

胶体电池隔板一般采用微孔塑料隔板，如酚醛树脂隔板、PVC隔板、聚酯隔板等。对胶体电池隔板的要求通常如下：

(1) 隔板孔径小(通常小于1微米)，能有效防止极板短路。

(2) 具有良好的润湿性和高的空隙率。

(3) 具有较低的几何体积（厚度薄，厚的隔板不利于胶/酸的均匀分布）。

(4) 含筋条或凹凸设计，利于胶体电解液进入并均匀分布。

(5) 机械强度好。

(6) 优良的耐酸和耐氧化腐蚀性。

AGM隔板由于孔径较大、几何体积大，厚度较厚，强度较差，没有筋条设计等原因，不太适合做胶体电池隔板。

对胶体电池使用的集中微孔塑料隔板的典型性能参见下表。

由上表可知，胶体电池用隔板的厚度较薄，通常基质厚度不超过1mm，孔率大约70%，以确保隔板具有较好的强度。其平均孔径不到1微米，以有效防止电池正负极板之间的短路。胶体电池所需隔板的要求完全不同于AGM电池隔板。

4 结论

电池结构是电池性能优异的根本保证。胶体电池的独特结构特征确保了电池具有独特和优异的性能，这也将胶体电池和常规密封电池完全区分开来。胶体电池中凝胶电解质确保了胶体电池内稀硫酸电解液不会分层，具有优异的充放电性能和电池容量的稳定性和可靠性；而微孔塑料隔板则将正负极板有效分开，使电池内不发生短路或微短路，确保电池的稳定性和可靠性。