新能源系统储能用铅酸电池使用寿命的影响因素分析

因素和外部因素进行单独分析，实际上，更多的是 电池内在因素与外部因素发生综合作用的情况。 ３．３．１ 板栅腐蚀
铅酸蓄电池板栅常被腐蚀，尤其是正极板栅 的腐蚀情况更为严重。在正极板栅腐蚀过程中， 铅被转变为二氧化铅，从而导致正极板栅变形和
择是电池长周期运行的保障。浮充电压与温度有
着密切的关系，单体浮充电压２．２７ Ｖ是２５℃环
境下的标准值，温度过高或过低都对浮充电有影
响，这时要给予温度补偿，其补偿系数为一３ｍＶ／
℃（以２５℃为基点），不同温度下浮充电压Ｕ。可
通过式（１）确定¨“：
Ｕ。＝２．２７一（ｔ一２５。Ｃ）×３
（１）
由式（１）可见，当环境温度低于２５℃太多时，
面‘６—７。：
（１）对于离网式发电系统来说，白天依靠太 阳能或其他可再生能源对储能电池进行充电，晚 上以及阴、雨天电池对用电负载进行放电，属于循 环工作方式；对于并网式发电系统来说，白天依靠 太阳能或其他可再生能源通过并网逆变器将电能 输人电网或提供给本地负载，晚上利用电网对负 载进行放电。
（２）通常放电率非常小，介于Ｃ／２０～Ｃ／２４０， 但放电时间长、频率高，蓄电池长期处于放电状 态，过放电现象经常发生；而充电率也非常小，平 均充电电流一般为，５。～，，。。，极少能达到厶～‰。
ＰＣＬ一２是指正极活性物质的影响，认为正极 的导电性限制电池容量，其原因是在循环使用下 正极活性物质颗粒ＰｂＯ，的膨胀而引起正极活性 物质三维导电网络中ＰｂＯ：晶粒之间的导电连接 变坏，增加活性物质间的电阻，导致ＰｂＯ：晶粒软 化、放电能力降低、容量下降，这种现象在高倍率 放电、深度放电及过充电时变得更为严重。
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｔｈｅ ｌｉｆｅｔｉｍｅ ｏｆ ｌｅａｄ ａｃｉｄ ｂａｔｔｅｒｙ ｆｏｒ ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｙｓｔｅｍ
ＨＡ０ Ｘｉａｏ—ｈｏｎｇ‘，Ｑ删Ｊｉａｎ手ｎ９２，ＷＡＮＧ Ｊｉｎ—ｄｕ２，ｅｔ ａｌ
（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００１４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｈａｎｇｘｉｎｇ Ｔｉｅ Ｙｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏ，Ｌｔｄ，Ｃｈａｎｇｘｉｎｇ ３１３１００，Ｃｈｉｎａ）
新能源系统储能用铅酸电池使用寿命的影响 因素分析
郝晓红１，钦建峰２，王金都２，高云芳‘
（１．浙江工业大学化学工程与材料学院，浙江杭州３１００１４；２．长兴铁鹰电气有限公司，浙江长兴３１３１００）
摘 要：分析了储能铅酸电池的失效模式和影响其使用寿命的内在因素、外在因素以及综合因素。电池内在因
素包括电池极板、隔板等部件的质量和电池制造工艺；电池运行的外部因素包括环境温度、欠充电、过放电以及
３．ｔ 电池内在因素 ３．１．１ 电池极板、隔板等部件的质量
板栅合金成分及其金相组织结构，铅膏配方， 生极板中活性物质的物相组成，包括孑Ｌ径、孔率、 压缩比等因素的隔板质量，安全阀开闭阀压力等 因素均是很重要的影响电池使用寿命的因素，尤 其是铅膏配方一１，对电池寿命有举足轻重的
作用。 灞鬣鞠嘲２０１２年，第４期一１１—
量高寒户外系统所用的镍镉电池外，绝大多数是 铅酸蓄电池。
铅酸蓄电池以其制造技术成熟、性能良好、价 格低廉、使用方便、原材料充足且可循环再生，已 具有免维护等特性，成为储能电池系统的主流电 池。然而在实际使用中，由于储能电池使用环境 的特殊性，以及实际操作中使用不当等原因导致 各种故障的出现，使电池的使用寿命受到较大的 影响，从而造成严重的经济损失。故需要对各种 影响电池使用寿命的因素进行分析并寻找延长电 池寿命的方法。本文通过深入分析储能铅酸电池
ｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｄｅｓ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｎｅｗ ｅｎｅｒｇｙ；ｂａｔｔｅｒｙ ｆｏｒ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ；ｌｅａｄ ａｃｉｄ ｂａｔｔｅｒｙ；ｌｉｆｅｔｉｍｅ；ｆａｃｔｏｒ
０引 言
由于在新能源的开发、转换和利用过程中，往 往存在着数量、形态和时间上的差异。为了弥补 这些差异，有效利用新能源，常采取储存和释放能 量的人为过程或技术手段，即储能技术。储能电 池作为储能技术的一种，早已广泛应用于工业化 生产和日常生活中¨。。目前已经研究并使用的 储能电池主要包括口。３１：铅酸蓄电池Ｈ。１、镍镉电 池、镍氢电池、锂离子电池以及氧化还原液流电池 等。目前国内实际应用于储能系统的蓄电池除少
２．３ 电池早期容量损失
除上述两种电池失效模式外，更严重的情况 是电池出现早期容量损失。早期容量损失主要包 括三种现象¨１，即ＰＣＬ一１、ＰＣＬ一２、ＰＣＬ一３。
ＰＣＬ一１是指界面的影响，表现为电池在最初 的１０到５０次循环内，电池的性能快速下降引起 容量的突然下降，由于刚开始出现在采用铅钙合 金板栅的电池内，所以被称为无锑现象。ＰＣＬ一１ 是由于在板栅和活性物质界面存在非导电层或低 导电层引起的，该非导电层或低导电层在电池放 电和充电过程中产生较高的热量，并引起活性物 质膨胀，降低电池容量。
ＰＣＬ一３主要是指负极的影响，通常是蓄电 池在２００～２５０个循环时发生的现象，其结果是造 成负极充电困难，再充电不足，负极板发生不可逆 硫酸盐化，充电时电压迅速升高，放电时电压迅速 下降，电池失效。
除了以上失效模式以外，影响蓄电池寿命的 还有蓄电池自身因素，以及外界操作条件不规范 等因素。
３ 影响储能铅酸电池使用寿命的因素分析
万方数据
３．１．２ 电池制造工艺 制膏工艺、固化干燥工艺、化成工艺等若干电
池制造工艺，以及包括极群焊接质量控制、电池装 配压力设置、电池出厂前的配组等电池制造中的 过程管理和质量控制也是电池使用寿命重要的影 响因素¨…。 ３．２ 外部因素 ３．２．１ 温 度
储能电池所处的环境比较复杂，温度对电池 使用寿命的影响很大。外界温度升高，将加速电 池板栅的腐蚀，增加电池中水分的损失，从而使 电池寿命大大缩短。一般情况下，当温度达到一 定值（２５ ｏＣ）时，环境温度每升高ＩＯ。Ｃ，使用寿命 将缩短５０％，温度越高影响越明显。此外，当电 池处于较低温度时，其寿命也会缩短。
３．２．２ 欠充电和过放电
储能铅酸电池由于其特殊的使用环境，不能 及时充电而长时间处于放电状态导致的欠充电和 过放电现象经常发生。欠充电会使放电生成的
ＰｂＳＯ。不能完全电化学转化成Ｐｂ和Ｐｂｏ！“１，长时
间累积效应将会造成活性物质的硫酸盐化。其 次，欠充电时充电电流较小，生成的电极活性物质 Ｐｂ和ＰｂＯ：晶粒较大，与栅板的结合力小，容易脱 落，电池容量降低¨…，也会导致极板体积膨胀，造 成极板变形。电池放电到终止电压时内阻较大， 电解液浓度很稀，特别是极板表面和极板较深部 位的微孑Ｌ中几乎处于中性¨…。电池过放电时因 内阻较大，有发热倾向，体积出现膨胀。当放电电 流较大时，会明显发热，甚至出现发热变形，此时 硫酸铅的浓度增大，经结晶形成较大晶粒，导致不 可逆硫酸盐化，出现ＰＣＬ一３失效模式。同时，这 些硫酸铅晶体导电性差，体积大，会堵塞极板的微 孔，阻碍电解液的渗透和交换，进一步增大内阻， 长期累积将阻止电能和化学能的可逆性转换，导 致电池充电恢复能力劣化，电池性能受到严重损 害，甚至无法修复。 ３．２．３ 浮充电压的选择
若将单体电池浮充电压仍定为２．２７ Ｖ，势必导致
电池充电不足。同样，若环境温度高于２５℃太
多，将单体浮充电压仍定为２．２７Ｖ，则会导致电池
过充电。上述两种情况都会影响电池的使用寿
命，其影响情况如图２所示。
是据怅椒进
图２ 电池浮充寿命与温度的关系
３．３ 电池内在因素与外部因素综合作用的影响 以上主要是对影响储能电池寿命的电池内在
２．２ 电池失水干涸
铅酸蓄电池在过充电过程中将产生板栅腐 蚀，正极可能发生过度析氧，在负极上来不及复合
而通过安全阀外泄，负极析氢等方式，导致电池失 水。在电池自放电过程也可能发生正极析氧，负 极析氢途径引起电池失水，此外，通过电池壳的电 解液渗透，闭阀失灵也会导致电解液中水量损失。 上述电池失水经长期累积造成电池内部电解液干 涸，电池失效。
收稿日期：２０１２—０３—１２ 作者简介：郝晓红（１９８７一），女，浙江杭州人，硕士研究生。
一１０一
万方数据
在特殊使用条件下的失效模式以及影响电池使用 寿命的因素，提出延长电池使用寿命的对策。
１ 储能电池工况及使用环境的特殊性
储能电池通常是指应用于太阳能、风能等可 再生能源发电系统中储存电能用的蓄电池，因此 储能电池的工作环境与其他用途的电池有很大不 同，储能电池的特殊性主要表现在以下几方
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｄｅｓ ａｎｄ ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｌｉｆｅｔｉｍｅ ｏｆ ｌｅａｄ ａｃｉｄ ｂａｔｔｅｒｙ ｆｏｒ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎｃｕｌｄｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｉｎｈｅｒｅｎｔ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｔｔｅｒｙ，ｅｘｔｅｒｎａｌ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｂａｔｔｅｒｙ ｅｍｐｌｏｙｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｍｕｔｕａｌ ｆａｃｔｏｒｓ．Ｉｎｔｅｒｎａｌ ｉｎｈｅｒｅｎｔ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎｃｌｕｄｅ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｐｌａｔｅｓ ａｎｄ ｓｅｐａｒａｔｏｒｓ，ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｂａｔｔｅｒｙ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，
ｅｔｃ．Ｅｘｔｅｒｎａｌ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｔｔｅｒｙ ｉｎｃｌｕｄｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｕｎｄｅｒ－ｃｈａｒｇｅ，ｏｖｅｒ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ｆｌｏａｔ ｃｅｌｌ ｖｏｌｔａｇｅ ｅｔｃ．Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｍｕｔｕａｌ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎｃｌｕｄｅ ｇｒｉｄｓ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ，ｉｎｔｅｒｎａｌ ｔｈｅｒｍａｌ ｒｕｎａｗａｙ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｔｔｅｒｙ ａｎｄ ａｃｉｄ ｓｔｒａｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｅｔｃ．Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ａｂｏｕｔ ｈｏｗ ｔｏ ｅｘｔｅｎｄ ｔｈｅ ｌｉｆｅｔｉｍｅ ｏｆ ｌｅａｄ ａｃｉｄ ｂａｔｔｅｒｙ ｗｅｒｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ａｃｃｏｒｄ—
浮充电压是蓄电池在充满电后以微小电流长 期维持充电的电压．是影响电池寿命的至关重要 的因素。电池浮充电压偏高或偏低都会影响电池 的寿命，其影响如图１所示。
对于不问断电源来说，９５％以上的时间一般 都处于浮充状态，浮充电压的精确控制和合理选
一１２一
摹
杂
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据 椭
单体浮充电压／ｖ 图１ 电池的充电电压与寿命的关系
浮充电压的选择等；电池内在因素与外部因素发生综合作用的情况主要包括板栅腐蚀，内部热量失控以及酸分
层等。根据储能铅酸电池特殊的工作条件导致的失效问题，结合寿命影响因素的分析，提出了延长寿命的各种
对策。
关键词：新能源；储能电池；铅酸电池；寿命；因素
中图分类号：ＴＭ９１２
文献标识码：Ａ
文章编号：１００４—３９５０（２０１２Fra Baidu bibliotek０４—００１０—０５
（３）相对于放电时间来讲，一次充电时间较 短，即使长的时候也仅为白天，约１０ ｈ，外界能源 很少能完全、快速地给蓄电池充满电，而且在连续 的阴雨天气时，电池处于过放电和欠充电状态，这 对电池寿命是个严峻的考验。
（４）工作环境非常恶劣，昼夜温差以及夏季 的高温和冬季的低温对电池的性能影响很大。而 且由于其使用环境大多在偏远地区，很难得到较 好地维护，因此加剧蓄电池失效的速度。
２储能电池在实际使用中的失效模式及 其机制
２。１ 电极活性物质硫酸盐化 电极活性物质硫酸盐化主要是由于铅酸蓄电
池的负极板在放电过程中生成的硫酸铅，没有及 时进行再充电或充电不足，导致小晶粒硫酸铅通 过溶解结晶方式形成难以溶解的大晶粒硫酸铅， 继而导致再充电困难，最后使电池失效。电极活 性物质硫酸盐化是铅酸电池工作中经常出现的一 种故障。