qianxuehai

胶体蓄电池适用于电动车辆

钱学海  钱学楼   南京金辉化工研究所

摘要   论述了铅酸蓄电池是目前惟一可实用的电源、胶体电解质的技术进展及提高其容量所采取的措施；介绍了阀控胶体蓄电池在电动车上的应用效果。
关键词  胶体电解质  蓄电池
Gelled electrolyte batteries for EV
Qian Xuelou and Qian Xuehai
Nanjing Jinhui Chemical Engineering Research Institute
Abstract
The main points covered in this paper are as follows: lead-acid battery is the only practical power source for EV for the present; VRLA battery with gelled electrolyte is a kind of power source suitable for EV; the great progress in improving the capacity and the practical effects of gelled electrolyte batteries in application.
Keywords: gelled electrolyte, battery
1 前言
中国是自行车生产、使用、出口大国。舆论界一致认为电动自行车是20世纪末经济上最后一个热点。中国必然是电动自行车开发的先驱，只是现在作为电动车的动力源的动力型电池不理性，难以使梦想成真，还很难使中国的电动车插上翅膀，飞遍全世界。
南京金辉化工研究所研制的胶体蓄电池显示出动力性电池的良好性能，为解决电动车电源提供了美好的前景。
随着生产和交通运输的不断发展，各种燃油交通工具造成的污染也日益加剧，越来越严重的损害着人类的健康。在世界范围内要求减少燃油车辆，大力开发绿色交通工具的呼声日益高涨。我国各级地方政府，大力鼓励开发电动车车辆，并制定了具体的政策和措施。目前，我国正处于开发电动车的大好时机。专家根据市场分析预测，仅电动自行车，近5年内我国需要400万辆，年产值将达100亿元。这是多么大的有人的市场。然而，自80年代以来，我国以上海市为中心出现的3次开发电动自行车高潮都相继衰落下去。主要原因是作为电动自行车的动力源的蓄电池的性能过不了关。近年来，电动自行车用的电机、控制器、充电器技术有了长足进步，最大的难以解决的还是蓄电池问题。
现在是解决这个难点的关键时刻了。下面分几个方面来阐述。
2 铅酸蓄电池是目前电动车实用的电源
供电动车作动力源的二次电源技术开发迅速，如镍镉电池、氢镍电池、银锌电池、钠硫电池、燃料电池、锂二次电池、太阳能电池等，或因技术不成熟，有记忆效应，或因电流过小，或因价格态昂贵等原因，目前都不太适合做电动车的动力源。经中外专家一致评定：5-10年内可 供电动车实际使用的仍是铅酸蓄电池。原因如下：
（1）价廉：

	铅酸电池	水平铅电池	镍镉电池	氢镍电池	钠硫电池
现价 美元/kw.h		400-500	700	600-800	1250
批量生产美元/kw.h	30	150	525	250	245

(2)电压高: 在所有水溶液电解液中是电压最高的一种,其额定电压为2.0V,开路电压2.1V.工作电压为1.8-2.0V,充电电压可达到2.7V.
(3) 容量范围宽广:可以制造小于1Ah,大至几千Ah的电池.
(4) 电阻小: 充放电可逆性好,其充放电转变效率达75%以上.
(5) 放电速率范围宽:可低速放电,也可大电流放电.
(6) 性能可靠:应用范围广(海陆空),放电电流\电压稳定,充放电状态指示简便,使用温度范围宽.
(7) 原料易得,制造方法简单,可以根据当地条件,使用机械或人工进行制造,产量由低到高可生产电池型号多、品种齐全。
（8） 正常使用寿命一年半到两年，有的长达20年以上。
中国电动车生产厂家除了少数出口电动车外，绝大部分是铅酸蓄电池，国外大致在95%以上电动自行车也是铅酸蓄电池。但普通铅酸蓄电池质量比能量一半为28-40w.h/kg,体积比能量为64-72wh/L。质量太重而比能量太小。作为电动车的动力电池寿命太短，有的只有二、三个月的寿命。这样下去，电动自行车还是难以为市场接受。试想，花费了几千元买车后，几个月下来就要更换电池，消费者无论是在经济上、心理方面都难以接受。现在看来，铅酸电池的技术开发还没有真正的到位，者是个急需解决的并且关系到电动车这个产品生命的大问题。
3 胶体电解质蓄电池
作为铅酸蓄电池一个特殊品种的胶体蓄电池出现于1890年。起初人们只是出于纯安全的考虑。用胶体电解质代替硫酸电解质，防止电池渗漏酸，腐蚀仪器、容器和人体。最早期的胶体在调查是用硅酸钠做凝胶剂，但未得到广泛应用。100多年来，胶体蓄电池技术不断改进和提高，人们对其认识也越来越深入。在使用中发现胶体蓄电池充电时酸雾大量减少，水分消耗减少，可以防止电解液分层，而且进而发现胶体电解质可抑制活性物质脱落和极板硫酸盐化，这些都促进电池生命延长。胶体电解质在使用中逐渐形成许多裂纹，成为电池充放电时正极板上产生的氧气和负极板金属铅生成氧化铅，后者再和硫酸反应生成硫酸铅和水，实现了水在电池再和的内循环。从而在60年代导致密封免维护胶体蓄电池的出现。稍后，人们研制出了超细纤维玻璃隔板（商品名为AGM），又出现了吸液式密封免维护电池。
现代优良的胶体蓄电池是伴随着密封免维护蓄电池几乎同时问世的。德国阳光电池公司（Sonneschine）开发的Dryfit胶体蓄电池是这项技术的接触代表。该公司于1957年开始研制胶体蓄电池。由于已出现了密封蓄电池和新型的凝胶剂（气相二氧化硅）为阳光公司研制胶体密封电池提供了游离条件。40多年来，他们从胶体电解质的配方和各种专门的添加剂的研制、制造和应用工艺等不断研究改进。在深入研究中发现，胶体蓄电池具有自放电小、耐深放电性能优良、循环使用寿命长、浮充电压低、浮充电流小等特点。虽然胶体蓄电池容量稍有降低，但因其可靠性能突出，不失为高档次铅酸蓄电池产品。多年来研制成12V,1Ah直到3000Ah的各种胶体蓄电池，其中有固定型、牵引型、起动型，有涂膏式极板、也有管式极板。产品广泛应用于工业、军事和家用电器中。例如，坦克电池主要因搁置其间电池深放电使极板硫酸盐化而损坏，由于胶体蓄电池耐深放电性能优良，德国陆军坦克全部装备了阳光公司的12V100Ah Dryfit胶体蓄电池。该公司在“City Stromer”电动车上装备了6V160Ah Dryfit 牵引型胶体蓄电池组，运行了4年仍保有90%的容量。
4 胶体密封蓄电池适合做电动车电源
下面将吸液式免维护蓄电池和凝胶式免维护蓄电池从基本结构和特征方面加以分析，对比，说明为什么凝胶式免维护蓄电池（以下简称胶体蓄电池）适合于电动车使用，而前者不适合。
阀控式密封电池是当代免维护电池的主流，他分吸液式和胶体式两种类型。为了防止防止渗漏液和实现内部氧循环，两种电池都采用“固定”电解液。吸液式密封电池用超细玻璃隔板将稀硫酸吸附起来，使之比流动；两种电池各有千秋。我国目前生产和使用的吸液式密封电池占绝对优势。由于早期曾一度出现不正常现象，我国的胶体蓄电池数量很小，好多蓄电池使用者还闻所未闻。但是，随着国外胶体蓄电池信息的大量涌入和中国电动车开发因电池不过关受阻，已引起当代开发公司深切关注，如南京天地集团，江苏春兰集团。两种电池性能孰优孰劣，哪种更适合于电动车辆，这是很有意义的问题，是很有必要弄清楚的。有比较才有鉴别。以下，就两种密封电池的几种性能作对比：
（1）
安全性
吸液式密封电池以玻璃纤维隔板将硫酸吸附起来，就像海绵吸水一样，在挤压或震动时仍会析出酸液；胶体蓄电池中的电解质是凝胶态的，就像人们食用的凉粉一样，在压力或震动时是不会析出液体的，可以完全不漏酸。
（2）
电解液量
吸液式密封电池中的玻纤隔板的重量和体积有限，每Ah通常只吸附8-9ml电解液，俗称“贫液式”电池；胶体电解质加量不受隔板限制，可以比贫液式电解液加量多15%-20%，（吴寿松先生专门论述过），接近或达到富液式电池的电解液量。稍具蓄电池常识者皆知，免维护电池电解液量足，电容量就有保证。
（3）
热失控
贫液式电池孔隙率高，热容量小，充放电升温大，存在热失控问题（电池发热损坏），致使吸液式电池早期容量衰减、失效；胶体蓄电池热容量大，在充放电时升温很小，无热失控问题。
（4）
电容量
胶体蓄电池的电解质多余吸液式电池，其电容量也高于吸液式电池。所以，装备胶体蓄电池的电动自行车电池充电一次行驶里程明显多余同规格的吸液式电池。例如，南京天地集团大陆鸽24〞36V型电动自行车，装备3只12V,12Ah吸液式电池，充电一次行驶45-50 km，而装备同规格的金辉牌胶体蓄电池可行驶60-75 km。
（5）
使用寿命
阀控式密封电池的寿命和水损耗有直接关系。损失10%的水分，电池容量降低20%，损失25%的水分，电池寿命终结。胶体蓄电池电解液量多，耗水慢，自然寿命长。胶体电解质消除了电解液分层对极板的不均匀腐蚀，抑制极板的腐蚀和变形。以上因素，都延长了电池的使用寿命。所以胶体蓄电池是实际使用寿命最长的铅酸蓄电池，如阳光公司的固定型胶体蓄电池寿命可达8-20a, 而吸液式电池无一品牌实际寿命能达到宣称的寿命。使用寿命长对当今的电动车电池有特别重要的意义，有的直接关系该品牌电动自行车能否被市场接受。
（6）
耐深放电性能
胶体蓄电池深放电恢复能力超过95%，在深放电条件下使用性能好，非常适用于电动车电源。吸液式电池深放电恢复能力约为75%，几次深放电，便可能使的才失效，它适用于大电流放电浮充使用，而不适合于电动车辆的深放电循环使用。
另外，胶体蓄电池的自放电可小到0.05%-0.06%/d。在20℃温度下存放两年不充电，有极好的存放性能；吸液式电池自放电为0.14%/d，6-12个月必须补充电。胶体蓄电池有很好的均一性，一批电池，其电压和容量相差甚小，这对生产和使用都是有用的。
综上所述，吸液式密封电池不适合于电动车辆电源，将其用在电动自行车上，表现初充电一次行驶里程短和使用寿命短的缺点，是因其“先天不足”造成的，难以克服。胶体蓄电池用于电动车电源具有天然的优势，应该大力开发。
5
我们是如何提高胶体蓄电池容量的
胶体电池起初容量低，比能量低于同规格液体电池，这是人所共知的。我们研制的金辉牌胶体蓄电池做到起初容量较高，比能量高于同规格的吸液密封电池。下面介绍我们是怎样不断提高胶体蓄电池容量的。
十年来，我们一直致力于提高胶体蓄电池的容量和克服其水化现象。
国内胶体蓄电池的容量只有液体硫酸电池的80%左右。国内外现有的技术认为，胶体蓄电池内阻大，造成了容量下降。人们认为，胶体电解质用的硅酸类凝胶剂，是非电解质，使其电阻率上升，电池容量下降。但是，胶体电解质是低浓度的凝胶，其中导电离子的扩散速度与在稀硫酸中差不多，其电阻率的变化是有限的。我们测定了胶体电解质电阻率和凝胶剂含量的关系。流行的“固体酸”中凝胶剂不足4%，电阻率增加6%。硫酸电解液的电阻率是随着浓度、温度和电池充放电变化不断改变的，密度1.28的硫酸在1.31Ω。cm,增加了9.2%，但电池容量相差不到5%。“固体酸”的大致增大6%，为什么容量下降20%呢？
1986年初，我们在试验中发现，硅溶胶的胶粒粒径对电池容量有显著的影响，而且，在凝胶剂吸附硫酸分子，适当提高酸含量能提高胶体蓄电池的容量，通过选择硅溶胶和改变胶体电解质的配方，我们首次使胶体矿灯电池的容量达到了液体硫酸电池的水平。试验表明，胶体蓄电池内阻增高不是容量大幅度下降的主要原因。
大量的试验和实际应用表明，胶体蓄电池容量下降的原因是多方面的，主要有：
（1）
胶体电解质质量差  应用工艺落后
胶体电解质的质量及其应用工艺对电池性能有决定性的影响，不加选择地用硅溶胶甚至用水玻璃作凝胶剂，胶体电解质的配方不合理，随意加入含较多杂质或不稳定的添加剂；单纯的手工配制和灌装电池；电解质纯度低，含酸量不足，电池内阻大，容量明显降低。有时会出现容量突然下降，电池寿命终止。
（2）
电解质加量不足
胶体电解质粘度高，有凝胶性和触变性。用简单的灌装方法，在单纯中难以扩撒和渗透，不容易灌满单纯，早成电解质量不足，在单纯内形成空隙，增大内阻，容量明显下降。
（3）
凝胶收缩、干裂
将“固体胶”灌入常规富液式单纯中，单纯吸液性低，凝胶很若。铅锑合金极板和较高充电电压，在充电时使单纯大量析气，致使凝胶破碎，胶液分离，严重水化；水损耗快，凝胶体积收缩、干裂，补加水不能被充分吸收，单纯中出现空隙，胶体和极板脱离，内阻异常增大，也同样会造成容量大幅度下降，甚至容量突然丧失。
（4）
初始容量低
胶体蓄电池初始容量低，增长缓慢，需经20-50次循环才能达到正常容量，近100次出现最高值，所以的寿命长。胶体蓄电池初始容量低，对生产和使用不利，对检测更为不利。因为检测的都是初始容量，难以达标。
南京金辉化工研究所针对胶体蓄电池试验和应用中发现的问题，不断改进胶体电解质配方，降低粘度，提高其渗透性，并采用真空灌装工艺解决了其灌装的困难。1995年我们弃用硅溶胶，用火成二氧化硅（也成气相二氧化硅）作凝胶剂，研制成JH-95胶体电解质。火成二氧化硅纯度高，凝胶力强，提高了凝胶强度和电性能。我们和蓄电池厂合作，用低锑和铅钙合金取代铅锑合金极板；用复合隔板或AGM代替了橡塑隔板，提高了电池的吸液性。采用限流恒压充电工艺，制成了少维护胶体蓄电池和免维护胶体x电池。我们还研制出亲水性高分子添加剂，提高了胶体的稳定性和对极板的亲和力，胶体水化现象完全克服了，胶体蓄电池的综合性能提高了，电容量也达到了新的水平。
1995年7月，我们比较了胶体蓄电池和液体硫酸电池的容量。用的是KS-8阀控式密封矿灯电池。用JH-95胶体电解质和硫酸电解液的含酸量均为39%。胶体电解质灌入矿灯电池内在1h内完全凝胶，将未封装电池倒置，不滴液。两种电池的初始容量都是8.6Ah。经过100次深充放电循环后，吸液式密封电池容量是9.3Ah，胶体蓄电池上升到10.6Ah,显示出容量高和寿命长的优势。
1997年1月，我们用JH-95胶体电解质灌制了12V-4Ah和9Ah的3种规格小密电池送交中国船舶工业总公司蓄电池产品性能第一检测中心（中国军标产品检测中心）测试，7个项目的所有指标都合格。10小时率容量最低为108%，平均为123%，湿式荷电能力、低温起动能力、密封反应效率、耐震动性能和循环耐久能力都大幅度超过小密电池的性能。
1998年9月，我们和芜湖某蓄电池厂合作用JH-95胶体电解质制成少维护6-QAJ-70胶体蓄电池。按照吴寿松先生的设想，我们取消电池的沉淀槽，缩小了自由电解液空间，减小了电池的体积和重量，增加了极板面积、活性物质含量，抽真空灌装胶体电解质。经初充电后，完全凝胶，将电池开口倒置，无酸液流出。第一次用25A放电，达到储备容量指标。5倍率（350A）放电时间爱你超过200s.比能量分别达到了40Wh/kg和 100Wh/kg.。超过了常规液体 硫酸电池的电性能。
6
胶体蓄电池在电动车上的应用
科学研究和实践结合你紧密为生产服务才能得到持续的发展，金辉所通过艰苦努力、研制成果喜人。现有专供出口欧美、直销装置电脑内的UPS胶体蓄电池，以自放电小，存放性能好，大电流放电性能优越，深受外商欢迎；有耐-40℃，低温大电流起动高档胶体蓄电池，适应车队、石油物探部门要求特别安全可靠的需要，代替进口；同时为中国电动车需求、生产出容量大、寿命长的动力型胶体蓄电池。
金辉牌胶体蓄电池价格适中：1-1.5元/W.h。相当与国际良好的胶体蓄电池价格的1/3-1/4。在国内能为广大用户所接受，在国际市场有很强的竞争力，我们的产品已批量进入了台湾、欧美市场。
几年来，金辉所为电动车已成功研制出以下动力性胶体蓄电池：
少维护蓄电池
（1 ）12V-60Ah电动摩托车用
（2）12V-90 Ah三轮摩托车用
（3）12V-200 Ah 电动中巴、大巴车用密封免维护胶体蓄电池
（4）12V-12 Ah 用于24V、36V电动自行车
（5）12V-15 Ah由于出口的电动自行车
（6）12V-17 Ah用于电动自行车、电动摩托车
（7）12V-38 Ah用于台湾的电动摩托车
(8) 12V-100 Ah 用于电动小面包车、中巴车
（9）12V-200 Ah 电动中巴车、大巴车
以上的动力型胶体蓄电池，自投放市场，就显示出较强的生命力，下面举例说明：
（1）
1997年，南京金蛙集团（大型农用车生产企业）大金山有限公司电动车公司研制开发电动三轮车。设计参数为车重370kg,载重350kg，用4只12V-90 Ah的铅酸蓄电池，充电一次行驶85km。电池使用6个月，容量不得低于60%。选用一种管式铅酸蓄电池，使用3个月，容量下降35%，性能不尽如人意。当年11月初，我们提供了60多只12V-90 Ah少维护胶体蓄电池，装配了10多辆电动三轮车。我们承诺，这些胶体蓄电池使用9个月，容量不低于60%。经使用后，这些电动三轮车实际载重量在500-800kg之间，充电一次。行驶100km以上，运行10d，才需充电一次，说明胶体蓄电池自放电小，间歇放电累计容量大。经过批量使用，大金山公司准备推广使用胶体蓄电池。
（2）
上海某蓄电池厂用JH-95胶体电解质灌了一批12V-12 Ah动力型胶体密封电池，于几年4月至8月间进行了性能测试。以5A放电，电压达10.5V时停止，进行到204次放电，放电时间爱你从118min降至97min。该种电池放电时间到55min时为寿命终止，估计尚有50次的循环寿命，专家认为，动力型电池深放电循环达200次，容量不低于60#，电动自行车用户实际骑行超过1a。试验结构表明，将这种动力型胶体蓄电池用于电动自行车，其性能将优于目前使用的吸液式电池。
（3）
南京天地集团研制开发的大陆鸽电动自行车是卓有成效的。目前使用的吸液式密封免维护电池作电源，对其行驶里程和使用寿命是不满意的。今年初，该公司测试了12V-12 Ah动力型金辉牌胶体蓄电池，发现其容量笔者正在使用的吸液式电池高30%以上，寿命明显延长。现在已将金辉牌胶体蓄电池装配的电动自行车批量投放市场，扩大试验。使用的情况良好，例如，24、36豪华型大陆鸽电动自行车装配3只12V-12 Ah吸液式电池，充电一次行驶45-50km；同规格的胶体蓄电池行驶里程为60-85km。
天地及徒三年和金辉所探讨，适当增大电池容量，将胶体蓄电池充电一次行驶里程增至100km以上，这样可以减少电池放电深度，减少充电次数，使用寿命超过2年。
现在看来，金辉所研制的胶体蓄电池可以显著提高电动自行车的行驶里程和使用寿命，将电动自行车的性能提高到了新的水平。

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