谈蓄电池负极汇流排腐蚀的机理及其解决方法-风帆蓄电池
2018/7/11 12:05:54点击：
阐述了在数据中心(IDC)中影响蓄电池负极汇流排腐蚀的现象与危害,论述了负极汇流排腐蚀的机理,并提出了解决的方法。
近年来,阀控式铅酸蓄电池已经广泛应用于各种大型数据中心作为大型UPS的后备电源。影响阀控式铅酸蓄电池的寿命因素很多,其中,负极汇流排腐蚀最容易被忽视,但是它所产生的后果却往往是最严重的。本文从负极汇流排腐蚀的危害、产生的原因和腐蚀机理进行探讨，以引起对负极汇流排腐蚀问题的重视，并寻找出其有效的解决方法。
1 负极汇流排腐蚀现象及其原因
(1)负极汇流排腐蚀的现象与危害
负极汇流排腐蚀(Negative group bar corrosion,NGBC)指的是阀控式铅酸蓄电池的负极汇流排脱落或断裂引起蓄电池失效。
负极汇流排腐蚀主要发生在蓄电池连续充电期间(浮充电期间),因此其发生时间往往是在电池使用15～48个月之内。由于负极汇流排的腐蚀期比较长,这会导致电池失效不能被及时发现,往往会出现电池突然失效的情况,由此造成的损失是不可挽回的。
经电池解剖后发现,汇流排的腐蚀为非均匀性腐蚀,汇流排出现了腐蚀裂缝,甚至断裂。腐蚀的产物为针状结构物质,外表为白色粉末(见图1)。
其主要表现为:
①电池使用期限超过18～20个月;
②容量突然偏低,尤其在高倍率放电时;③浮充电压偏高;
④开路时的内阻偏高,电压偏低;当有以上几个表现时,电池有发生汇流排腐蚀的可能性。在分析具体失效原因时,需要对电池进
行解剖,才能更加准确地判断是否发生了负极汇流排腐蚀。
(2)引起负极汇流排腐蚀的原因
负极汇流排常出现在阀控式铅酸电池中,而产生的原因主要有以下几种:
①失去汇流排阴极防腐保护
由于“阴极腐蚀保护”的存在,电池在浮充期间负极板栅以及与其相连的极耳、汇流排等导电部件都不会被腐蚀。因为,在Pb/PbSO4平衡电位下,在此电位区间内Pb是稳定的,负极不会产生Pb+2。要保持这种平衡状态,必须将汇流排与极耳浸没在电解液之中。
然而,阀控蓄电池是电解液固定的,汇流排不能浸在电解液中,使得负极汇流排由于失去“阴极腐蚀保护”而被腐蚀。
②汇流排中掺杂的杂质
当汇流排合金中掺杂着过多含量的杂质后,则会降低汇流排的合金Pb/PbSO4的过电位,使得负极汇流排腐蚀加剧。
③多孔的铅基结构
多孔性的铅基结构会使电解液渗入到汇流排与极耳之中,由于负极失去了“阴极腐蚀保护”的作用,使得腐蚀现象不仅发生在汇流排的表面,而且发生在汇流排内部。
④焊接的不均匀性
手工焊接的不均匀性,产生内部结构的不均匀性,同时,合金成分也会发生不均匀性问题。结构和成分的不均匀性会严重导致汇流排的整体电位的不一致,从而导致了汇流排发生腐蚀。另外,手工焊接是非整体焊接技术,在汇流排与极耳之间存在着间隙,而往往沿着这些间隙发生腐蚀,使得汇流排腐蚀而断裂。
2 负极汇流排腐蚀机理解析
阀控式铅酸蓄电池的电解液固定,电解液爬升到汇流排表面的距离也将大大伸长,而汇流排表面的氧气加剧了氧化还原反应,使得原先的阴极腐蚀保护失去作用。图2给出了负极汇流排腐蚀机理的解析图。
区域(1)
Pb相对于电解液膜的电位低于Pb/PbSO4的平衡电位。此时,铅的价态是稳定的,在此区域内只会发生由正极扩散过来的O2与H+离子之间的氧化还原反应,见式(1)
氧还原 O2+4H++4e-→2H2O(1)
由于汇流排或者极耳处发生了氧化还原反应,因此,沿着电解液润湿膜产生了相应的电流,在此区域内产生了一个电压降,从而导致了电位沿着电解液膜上部电位向较负的电位偏移。
区域(2)
此区域内,当铅(Pb)和电解液膜之间的电位达到甚至高过Pb/PbSO4的平衡电位时,Pb的价态将不再稳定,氧化还原反应的平衡将偏向PbSO4的方向,见式(2)
氧还原O2+4H++4e-→2H2O
铅腐蚀2Pb+2H2SO4→2PbSO4+4H++4e-
总反应2Pb+O2+2H2SO4→2PbSO4+2H2O
(2)此区域内不仅有氧气与铅的氧化还原反应,导致电位沿着电解液膜往上变得越来越正(文献表明,增加了200mV之多),最严重时将超过Pb/PbSO4的平衡电位。因此,持续不断地腐蚀将加剧反应,使得负极的铅不断地参与反应。
区域(3)
此区域内,由于缺少HSO4-离子,不能生成PbSO4,所以Pb只能被氧化,生成PbO,见式(3)
氧还原O2+4H++4e-→2H2O
铅腐蚀2Pb+2H2O→2Pb(OH)2+4H++4e-
总反应2Pb+O2+2H2O→2Pb(OH)2
(3)由于缺少电解液,接近中性区域的气体使得Pb(OH)2转化成PbO,并最终停止进一步氧化。
3 解决负极汇流排腐蚀的方法
在阀控式铅酸蓄电池中,由于其本身的结构与特性决定了负极汇流排腐蚀很难被有效地彻底改进。目前,解决这一问题的方法主要有以下几种。
(1)采用铸焊技术
铸造汇流排并将极耳、极柱等部件组合地焊接在一起,这种加工称做铸焊(Castonstraps,简称COS技术)。由于COS技术采用整体焊接的方式,能够有效地保证负极汇流排的整体结构与合金成分的均匀性,可以避免在汇流排与极耳焊接处与汇流排内部的腐蚀。
(2)耐腐蚀合金技术
由于锑能促进氧的氧化还原反应,而汇流排中如果添加锑,则会加速这种腐蚀反应,因此往往采用无锑合金,主要采用铅锡合金,这样也能明显地减少腐蚀作用。
(3)放置润湿酸液的隔板或者毡片
为了能够产生使汇流排表面有“阴极腐蚀保护”,可以在蓄电池制造过程中,在负极汇流排的表面放置一片浸有酸液的隔板,使得蓄电池表面保持一定的酸度，在负极产生“阴极腐蚀保护”的作用。
采用方法(3)只是一种补救的办法,并不能彻底解决负极汇流排腐蚀的问题,而采用方法(1)与(2)则将会从原理上解决这一难题。
4 结束语
近年来,阀控式铅酸蓄电池已经广泛应用于各种大型数据中心作为大型UPS的后备电源。影响阀控式铅酸蓄电池的寿命因素很多,其中,负极汇流排腐蚀最容易被忽视,但是它所产生的后果却往往是最严重的。本文从负极汇流排腐蚀的危害、产生的原因和腐蚀机理进行探讨，以引起对负极汇流排腐蚀问题的重视，并寻找出其有效的解决方法。
1 负极汇流排腐蚀现象及其原因
(1)负极汇流排腐蚀的现象与危害
负极汇流排腐蚀(Negative group bar corrosion,NGBC)指的是阀控式铅酸蓄电池的负极汇流排脱落或断裂引起蓄电池失效。
负极汇流排腐蚀主要发生在蓄电池连续充电期间(浮充电期间),因此其发生时间往往是在电池使用15～48个月之内。由于负极汇流排的腐蚀期比较长,这会导致电池失效不能被及时发现,往往会出现电池突然失效的情况,由此造成的损失是不可挽回的。
经电池解剖后发现,汇流排的腐蚀为非均匀性腐蚀,汇流排出现了腐蚀裂缝,甚至断裂。腐蚀的产物为针状结构物质,外表为白色粉末(见图1)。
其主要表现为:
①电池使用期限超过18～20个月;
②容量突然偏低,尤其在高倍率放电时;③浮充电压偏高;
④开路时的内阻偏高,电压偏低;当有以上几个表现时,电池有发生汇流排腐蚀的可能性。在分析具体失效原因时,需要对电池进
行解剖,才能更加准确地判断是否发生了负极汇流排腐蚀。
(2)引起负极汇流排腐蚀的原因
负极汇流排常出现在阀控式铅酸电池中,而产生的原因主要有以下几种:
①失去汇流排阴极防腐保护
由于“阴极腐蚀保护”的存在,电池在浮充期间负极板栅以及与其相连的极耳、汇流排等导电部件都不会被腐蚀。因为,在Pb/PbSO4平衡电位下,在此电位区间内Pb是稳定的,负极不会产生Pb+2。要保持这种平衡状态,必须将汇流排与极耳浸没在电解液之中。
然而,阀控蓄电池是电解液固定的,汇流排不能浸在电解液中,使得负极汇流排由于失去“阴极腐蚀保护”而被腐蚀。
②汇流排中掺杂的杂质
当汇流排合金中掺杂着过多含量的杂质后,则会降低汇流排的合金Pb/PbSO4的过电位,使得负极汇流排腐蚀加剧。
③多孔的铅基结构
多孔性的铅基结构会使电解液渗入到汇流排与极耳之中,由于负极失去了“阴极腐蚀保护”的作用,使得腐蚀现象不仅发生在汇流排的表面,而且发生在汇流排内部。
④焊接的不均匀性
手工焊接的不均匀性,产生内部结构的不均匀性,同时,合金成分也会发生不均匀性问题。结构和成分的不均匀性会严重导致汇流排的整体电位的不一致,从而导致了汇流排发生腐蚀。另外,手工焊接是非整体焊接技术,在汇流排与极耳之间存在着间隙,而往往沿着这些间隙发生腐蚀,使得汇流排腐蚀而断裂。
2 负极汇流排腐蚀机理解析
阀控式铅酸蓄电池的电解液固定,电解液爬升到汇流排表面的距离也将大大伸长,而汇流排表面的氧气加剧了氧化还原反应,使得原先的阴极腐蚀保护失去作用。图2给出了负极汇流排腐蚀机理的解析图。
区域(1)
Pb相对于电解液膜的电位低于Pb/PbSO4的平衡电位。此时,铅的价态是稳定的,在此区域内只会发生由正极扩散过来的O2与H+离子之间的氧化还原反应,见式(1)
氧还原 O2+4H++4e-→2H2O(1)
由于汇流排或者极耳处发生了氧化还原反应,因此,沿着电解液润湿膜产生了相应的电流,在此区域内产生了一个电压降,从而导致了电位沿着电解液膜上部电位向较负的电位偏移。
区域(2)
此区域内,当铅(Pb)和电解液膜之间的电位达到甚至高过Pb/PbSO4的平衡电位时,Pb的价态将不再稳定,氧化还原反应的平衡将偏向PbSO4的方向,见式(2)
氧还原O2+4H++4e-→2H2O
铅腐蚀2Pb+2H2SO4→2PbSO4+4H++4e-
总反应2Pb+O2+2H2SO4→2PbSO4+2H2O
(2)此区域内不仅有氧气与铅的氧化还原反应,导致电位沿着电解液膜往上变得越来越正(文献表明,增加了200mV之多),最严重时将超过Pb/PbSO4的平衡电位。因此,持续不断地腐蚀将加剧反应,使得负极的铅不断地参与反应。
区域(3)
此区域内,由于缺少HSO4-离子,不能生成PbSO4,所以Pb只能被氧化,生成PbO,见式(3)
氧还原O2+4H++4e-→2H2O
铅腐蚀2Pb+2H2O→2Pb(OH)2+4H++4e-
总反应2Pb+O2+2H2O→2Pb(OH)2
(3)由于缺少电解液,接近中性区域的气体使得Pb(OH)2转化成PbO,并最终停止进一步氧化。
3 解决负极汇流排腐蚀的方法
在阀控式铅酸蓄电池中,由于其本身的结构与特性决定了负极汇流排腐蚀很难被有效地彻底改进。目前,解决这一问题的方法主要有以下几种。
(1)采用铸焊技术
铸造汇流排并将极耳、极柱等部件组合地焊接在一起,这种加工称做铸焊(Castonstraps,简称COS技术)。由于COS技术采用整体焊接的方式,能够有效地保证负极汇流排的整体结构与合金成分的均匀性,可以避免在汇流排与极耳焊接处与汇流排内部的腐蚀。
(2)耐腐蚀合金技术
由于锑能促进氧的氧化还原反应,而汇流排中如果添加锑,则会加速这种腐蚀反应,因此往往采用无锑合金,主要采用铅锡合金,这样也能明显地减少腐蚀作用。
(3)放置润湿酸液的隔板或者毡片
为了能够产生使汇流排表面有“阴极腐蚀保护”,可以在蓄电池制造过程中,在负极汇流排的表面放置一片浸有酸液的隔板,使得蓄电池表面保持一定的酸度，在负极产生“阴极腐蚀保护”的作用。
采用方法(3)只是一种补救的办法,并不能彻底解决负极汇流排腐蚀的问题,而采用方法(1)与(2)则将会从原理上解决这一难题。
4 结束语
目前,在大型数据中心中,蓄电池基本上都处于长期浮充中,而且其放电是高倍率放电,这些条件都使得在大型数据中心中蓄电池的负极汇流排腐蚀问题更不能被忽视。因此,在大型数据中心的蓄电池应用中,应该重视电池制造上是否拥有解决这些问题的技术,从而提高蓄电池的使用寿命。
友情链接：科华UPS电源；【www.stk-ups.cn】
ACPups电源；【www.apc010.com】
松下蓄电池 www.santakbattery.com.cn
德国恒安UPS电源-www.henganups.com.cn
风帆蓄电池-www.sailbattery.com.cn
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