一、前言
　　
　　目前我國在數據中心等UPS系統大多采用VRLA蓄電池作為后備應急電源。VRLA蓄電池具有技術成熟、性價比高、使用維護方便、生產工藝成熟、可再生而且與環境友好等特點。匯流排作為VRLA蓄電池內部正極板或負極板并聯的連接部件,其受腐蝕程度直接影響到蓄電池的性能穩定和使用壽命,在影響蓄電池穩定性和壽命的諸多因素中,負極匯流排腐蝕是最不可忽視的潛在隱患。負極匯流排腐蝕斷裂或者腐蝕造成極板板耳與匯流排間全部脫落內部就會形成開路,從而使整個電池組斷路,若市電停電,會導致備用電源和用戶設備及系統的服務中斷,特別是對數據中心等UPS備電使用場合影響巨大。
　　
　　二、VRLA蓄電池匯流排結構
　　
　　VRLA蓄電池匯流排是把多片正極板或負極板極耳熔接起來進行匯流,熔接后的集流體統稱為匯流排,如圖1VRLA蓄電池匯流排結構。匯流排是VRLA蓄電池的重要組成部分之一,材料主要是鉛錫合金。匯流排的作用就是將正極或負極并聯導出和下一個集流體相連,相當于蓄電池的內部導電部件。匯流排截面積與電流成正比關系,放電電流越大匯流排截面積越大,放電電流越小匯流排截面積越小。
　　
　　三、VRLA蓄電池負極匯流排腐蝕現象
　　
　　VRLA蓄電池負極匯流排因為不像富液式蓄電池般浸入硫酸電解液中,失去了陰極保護,且板耳與匯流排熔接處有微小縫隙,在蓄電池使用過程中腐蝕會侵入這些縫隙,腐蝕板耳與匯流排焊接處,時間久了,板耳焊接處就會被腐蝕脫開,蓄電池會因連接極板的數量減少而容量減少,若所有板耳全部從匯流排腐蝕脫開,則會形成開路。若在充放電過程中板耳從匯流排腐蝕脫開產生火花還會引爆電池。如圖2負極板耳與匯流排因腐蝕全部脫開所示:
　　
　　對手工燒焊匯流排的VRLA蓄電池,其匯流排有時會出現小裂紋和分層。腐蝕和斷裂的路徑幾乎是一條沿著這些裂紋和分層的暢通的直線(圖3負極匯流排縫隙處被腐蝕斷裂)。經研究發現腐蝕過程是晶界或晶體之間的路徑。手工焊接匯流排最長的晶體尺寸是垂直定向的,許多晶界幾乎跨越匯流排的厚度。這種晶體取向提供了一條彎曲度小、抗體積膨脹和腐蝕產生的應力的路徑。對從現場返回的電池進行目視觀察表明,頂部匯流排表面首先受到攻擊。該表面嚴重腐蝕(大部分分析為PbSO4)并開裂。隨著時間的推移,斷裂會通過匯流排的厚度傳播,破壞極板和匯流排之間的連接。在大多數情況下,斷裂發生在結構最弱的焊縫處。
　　
　　四、VRLA蓄電池負極匯流排腐蝕機理
　　
　　在富液式鉛酸蓄電池中,由于陰極腐蝕保護,負極板柵及其所有連接部件在浮充期間不會受到腐蝕。負極的電位保持在Pb/PbSO4平衡以下(即在鉛穩定的區域),無法形成Pb2+離子。
　　
　　陰極腐蝕保護也適用于電解質表面上方的導電部件,除非它們與電解質表面的距離過大。有這種保護是因為電解質表面上方的導電部件表面有層電解液潤濕膜,該潤濕膜在這些元件表面爬行,并通過酸霧不斷更新。因此,離子電導率足以保持該潤濕膜的電勢幾乎均勻,并非常接近電解質的大部分電勢。到達這些零件的氧氣不會引起腐蝕,只能在導電部件表面產生以下反應,氧氣被還原并與最初通過析氧在正極釋放的H+離子復合。
　　
　　O+4e-+4H+—>2HO（式1）
　　
　　當然當電解液液面水平已很低很長一段時間,導致大多數導電部件遠高于電解質表面,其表面不再保留有潤濕層,負極匯流排等導電部件可能會失去陰極保護而被腐蝕。當導電部件的成分和結構不均勻時,局部電位差會加劇腐蝕。
　　
　　在VRLA蓄電池中,匯流排不能浸沒在電解液中,電解液被完全吸附在AGM隔板中,幾乎不存在更新濕潤層的酸霧。因此,潤濕膜的均勻性更容易受到氧還原的干擾。電解液上面的導電部件存在著三個區域,如圖4所示。
　　
　　濕鉛零件處的連續氧氣還原具有以下結果:
　　
　　板耳和匯流排上的氧氣還原會消耗H+離子,并沿潤濕膜產生電流,從而沿潤濕膜產生電壓降,將膜上部的電位移到更負值。
　　
　　金屬零件的電勢是均勻的,由于電位沿潤濕膜移動,該膜與金屬表面之間的電位隨著與電解質表面的距離延長而增加。金屬的電位越來越正,在一定距離處,達到甚至超過Pb/PbSO4平衡值(圖4中的2區)。
　　
　　因此,從圖4VRLA電池導電部件表面不同區域氧還原反應[可以觀察到三個不同的區域:
　　
　　1區:1區有層硫酸潤濕膜，金屬相對于其電解質膜的電勢低于Pb/PbSO4平衡電位。鉛是穩定的，氧的還原通過與H+離子的復合而中和，根據：O２+4e-+4H+—>2H２O(式1)；所需的H+離子通過正極的逆反應（制氧）產生，并通過擴散達到負極。
　　
　　2區:當金屬及其潤濕層之間的電位差達到Pb/PbSO平衡電位或更正值時,形成Pb2+離子,氧還原由PbSO4平衡,形成依據:
　　
　　氧還原O+4e-+4H+—>2HO(式1)
　　
　　鉛腐蝕2Pb+2HSO—>2PbSO+4H++4e-(式2)
　　
　　總反應2Pb+O2+2H2SO4—>2PbSO4+2H2O(式3)
　　
　　當板耳和匯流排潤濕層中的酸被生成的水稀釋時,情況會加劇。這種稀釋降低了潤濕層的電導率,并增加了沿該層的電壓降。此外,腐蝕會使表面變得粗糙,從而再次增加電流和電壓降。因此,腐蝕加劇了這一過程。
　　
　　3區:3區以缺乏HSO-離子為特征。根據式3形成硫酸鉛需要HSO-離子可用。因為3區HSO-離子被消耗,HSO-離子不再可用。因此,鉛只能根據
　　
　　氧還原O+4e-+4H+—>2HO（式1）
　　
　　逆反應2Pb+2HO—>2Pb(OH)+4e-+4H+（式4）
　　
　　總反應2Pb+O2+2H2O—>2Pb(OH)2（式5）
　　
　　由于與酸性電解質相比,接近中性區域的蒸汽壓更高,因此干燥會將Pb(OH)2轉化為PbO,并最終停止進一步氧化。
　　
　　腐蝕過程相當復雜,取決于包括潤濕層內的離子傳輸速率等許多參數。因此,三個區域的位置和大小差異很大,腐蝕通常發生在狹窄范圍內。
　　
　　巴甫洛夫及其同事在鉛/錫和鉛/錫/硒合金的部分浸入電極上測量了潤濕膜和金屬表面之間的電壓降,并觀察到在電解質水平以上2至4厘米處達到臨界電位。他們還顯示了添加硒的復雜影響。這種復雜的影響有時是由底層材料的結構引起的,例如,結構不均勻的焊接區域受到威脅,并且在板耳/匯流排燒焊區域經常觀察到所述腐蝕。導電部件中的銻含量促進了這種腐蝕,因為銻增強了氧還原。因此,VRLA蓄電池匯流排及極柱等導電部件應采用無銻合金主要是鉛/錫合金及適當的焊接技術相結合。
　　
　　這種腐蝕機制主要是在電池連續充電(浮充)的情況下觀察到的,因為會不斷發生氧還原。當電池循環或長時間處于開路狀態時,可能會減少,但也存在潛在危險。
　　
　　五、VRLA蓄電池負極匯流排腐蝕的改善措施
　　
　　了解VRLA蓄電池匯流排腐蝕機理,為減少負極匯流排在使用過程中的腐蝕,通常有以下幾種改善措施:
　　
　　1)用濕潤的隔板包裹負極匯流排
　　
　　通過用電解液潤濕匯流排來提供匯流排的陰極保護。潤濕作用是通過將AGM隔板包裹在匯流排周圍,使其與匯流排頂面接觸來實現的。包裹端與隔板接觸,以使其保持濕潤狀態。在蓄電池的正常電解液加注過程中,包裹隔板被弄濕。弄濕匯流排的酸增加其陰極保護,并降低頂部表面的氧復合速率。
　　
　　2)改進手工燒焊
　　
　　手工燒焊的匯流排含有各種類型的空隙，這一缺陷可能導致匯流排提早失效。應提高焊接工操作手法，減少焊接分層及縫隙；尋找合適的火源，減少焊接過程中熔融焊料的氧化，采用合適的機械方法去除板耳表面氧化物，使焊接更可靠，匯流排中的任何氧化物、夾雜物都會加速匯流排腐蝕斷裂。
　　
　　3)采用鑄焊代替手工焊接
　　
　　采用鑄焊的匯流排其具有隨機晶體取向,最長晶體尺寸通常平行于匯流排厚度。晶體的重疊或層疊導致晶界路徑曲折。這種晶體取向將為沿晶界的腐蝕發展提供最大阻力路徑。在鑄焊中,手工燒焊匯流排中觀察到的垂直腐蝕不存在。相反,這些鑄件表現出剝落或腐蝕產物剝落。雖然腐蝕仍沿晶界進行,但鉛表層的剝落導致應力消除,并且沒有加速斷裂擴展。剝落是平行于匯流排厚度作用的應力腐蝕力的結果,而手工燒焊匯流排因力垂直而發生斷裂。
　　
　　以上幾項措施單獨或結合使用能夠有效改善負極匯流排的腐蝕,但是不能從根本上杜絕。匯流排包裹隔板時間久了隔板干涸或者隔板未能有效包裹都可能導致失去陰極保護而使匯流排腐蝕;手工燒焊取決于操作工的技能,無法保證所有操作工都能焊接的十分完美;鑄焊采用機器自動化操作相對穩定,但前提是需要把板耳上的氧化物處理干凈,并調整好鑄焊參數,保證板耳與匯流排可靠熔融在一起,否則易出現批量性質量事故。
　　
　　4)匯流排完全密封
　　
　　為從根本上解決匯流排腐蝕問題,我們通過改進VRLA蓄電池的電池蓋結構,將匯流排與鉛零件及板耳焊接處用環氧樹脂或其它密封膠完全密封,這樣極群上部的匯流排及鉛零件等導電部件就與電池內部的電解液及氧氣完全隔離,電池在使用過程中匯流排及鉛零件等導電部件就不會被腐蝕,徹底解決了蓄電池使用期間匯流排腐蝕問題。具體結構如下圖四:
　　
　　通過圖5VRLA電池匯流排密封結構可以看出，用密封膠將負極匯流排、部分板耳及極柱等導電部件密封，即將3區與酸和氧氣完全隔離，徹底解決3區的腐蝕問題；通過將隔板延長到匯流排底部，使板耳表面均勻覆蓋一層潤濕層，這樣密封結構底部區域就變成了1區，鉛呈穩定狀態不會被腐蝕。
　　
　　六、結語
　　
　　本文闡述了VRLA蓄電池負極匯流排結構、腐蝕現象和腐蝕機理,提出可以通過隔板包裹潤濕負極匯流排、改善手工焊接方法或用鑄焊代替手工焊接來延緩負極匯流排的腐蝕。為了確保匯流排的使用壽命,本文提出一種將匯流排用密封膠完全密封的方法來防止匯流排腐蝕。
　　
　　參考文獻
　　
　　[1]周志敏等閥控式密封鉛酸蓄電池實用技術[M],北京:中國電力出版社,2004.10
　　
　　[2]朱松然,鉛蓄電池手冊[M],北京:機械工業出版社,1993.2
　　
　　[3]陳紅雨等先進鉛酸蓄電池制造工藝[M],北京:化學工業出版社,2010.1
　　
　　[4]F.J.VaccaroJ.Rhoades,R.Malley,B.Le,andK.Marion,IEEE1995,p.70
　　
　　[5]D.Berndt,SthERABatteryConferenceandExhibition,Solihull,WestMidlands.UK.1994,Paper2.3.1
　　
　　[6]D.Pavlov,M.Dimitrov,G.Petkova,H.Giess,andC.Gnehm,J.Electrochcm.Soc.,142(1995),p.2919
　　
　　[7]G.BaudoandG.B.Cecchinato,Proc.11thIntelecMeeting,Florence,IEEEComm.Soc.1989,Paper12.3
　　
　　[8]S.Warrell,J.PowerSources,31(1990),p.36
　　
　　[9]R.D.Prengaman,BatteriesInternational,Issue13,October1992,p.24
　　
　　[10]R.D.Prengaman,Proc.4thIntern.LeadAcidBatterySeminar,SanFrancisco,ILZRO,1990,p.19
　　
　　[11]R.D.Prengaman,citedinBatteriesInternational,IssueJuly1990,p.67
　　
　　作者簡介
　　
　　陳蘇祥,臥龍電氣集團浙江燈塔電源有限公司總工程師,高級工程師,畢業于天津大學電化學專業,1996年開始從事鉛酸蓄電池技術研究與產品開發,具有20余年鉛酸蓄電池行業工作經驗。
　　
　　編輯：Harris