摘要：目前煤礦井下隔爆電源所用電池種類較多，包括了鉛酸電池、鎳氫電池、鋰電池等多種電池，針對(duì)此類情況，文章對(duì)后備電池的種類、技術(shù)特點(diǎn)、充放電曲線等做了相關(guān)的技術(shù)分析，指出了隔爆電源中后備電池的發(fā)展方向，為六大系統(tǒng)的有效、可靠、安全的運(yùn)行保駕護(hù)航。

　　1.引言

　　電源是礦井監(jiān)控系統(tǒng)（含甲烷斷電儀、甲烷風(fēng)電閉鎖裝置）的重要設(shè)備之一。礦用隔爆電源（指礦井監(jiān)控系統(tǒng)電源、甲烷斷電儀電源、甲烷風(fēng)電閉鎖電源，以下同）除向分站、傳感器、聲光報(bào)警器、斷電器等提供本質(zhì)安全防爆直流電源外，還必須保證井下交流電網(wǎng)停電后，維持系統(tǒng)正常工作時(shí)間不少于2小時(shí)。因此礦井監(jiān)控系統(tǒng)電源除具有將交流電轉(zhuǎn)換成本質(zhì)安全防爆直流電源外，還必須具有備用電池。本文介紹了鉛酸電池、鎳氫電池、鋰電池在隔爆電源中應(yīng)用的現(xiàn)狀、使用效果，并指出了后備電池的發(fā)展方向。

　　2.鉛酸電池

　　2.1 鉛酸電池介紹

　　鉛酸蓄電池制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，容量大，可大電流放電，無(wú)記憶效應(yīng)。近年來(lái)使用的全密封免維護(hù)鉛酸蓄電池特別適用于井下長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人看守的場(chǎng)合。鉛酸蓄電池對(duì)充放電電路要求不高，只要求充電時(shí)穩(wěn)壓限流，不過(guò)放電即可，因此可簡(jiǎn)化充放電電路。由于鉛酸蓄電池的比能量不是很高，因此相對(duì)同容量的鎘鎳、鎳氫等蓄電池體積、重量較大。總之，鉛酸蓄電池可用做礦用備用電源。

　　鉛酸蓄電池的電池反應(yīng)可用如下化學(xué)方程式表示：

　　鉛酸蓄電池正極板上的活性物質(zhì)是二氧化鉛（PbO2），負(fù)極板活性物質(zhì)為海綿狀純鉛（Pb），電解液由蒸餾水和純硫酸按一定比例配置而成。放電過(guò)程中，正、負(fù)極板上的活性物質(zhì)都轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩徙U（PbS04）。由于硫酸鉛的導(dǎo)電性能比較差，而且在放電過(guò)程中，硫酸逐漸變?yōu)樗�，使電解液濃度下降，因此蓄電池�?nèi)阻增加，電動(dòng)勢(shì)降低。充電過(guò)程中，正極板上的硫酸鉛逐漸變?yōu)槎�氧化鉛，負(fù)極板上的硫酸鉛逐漸變?yōu)楹＞d狀鉛，同時(shí)，電解液中的硫酸分子逐漸增加，水分子逐漸減少，電解液濃度逐漸增加，電池電動(dòng)勢(shì)也逐漸增加。

　　全密封免維護(hù)鉛酸蓄電池正負(fù)極板均采用涂漿式極板，活性材料涂在鉛鈣合金骨架上，耐酸性強(qiáng)，導(dǎo)電性好，壽命較長(zhǎng)，自放電速率較小。隔板采用超細(xì)玻璃纖維制成，全部電解液吸附在極板和隔板中，電池內(nèi)沒(méi)有流動(dòng)的電解液，即使外殼破裂也能正常工作。電池頂部裝有安全閥，當(dāng)電池內(nèi)部壓力達(dá)到一定值時(shí)，安全閥自動(dòng)開(kāi)啟，排出多余氣體，當(dāng)壓力低于一定數(shù)值時(shí)，安全閥自動(dòng)關(guān)閉。頂蓋上還有內(nèi)裝陶瓷過(guò)濾器的氣塞，可防止酸霧從電池中逸出。電解液全部吸附在隔板和極板中，負(fù)極活性物質(zhì)（海綿狀鉛）在潮濕的條件下活性很高，能與氧氣快速反應(yīng)。充電過(guò)程中，正極板產(chǎn)生的氧氣通過(guò)隔板擴(kuò)散到負(fù)極板，與負(fù)極板活性物質(zhì)快速反應(yīng)，化合成水。因此，在整個(gè)使用過(guò)程中，不需要加水補(bǔ)酸。

　　2.2 充放電特性

　　單體鉛酸蓄電池的標(biāo)稱電壓為12V,放電終止電壓隨放電率的不同而不同，一般為10V.

　　在充電過(guò)程中，鉛酸電池負(fù)極板上的硫酸鉛逐漸變?yōu)殂U，正極板上的硫酸鉛逐漸變?yōu)槎�氧化鉛。當(dāng)正負(fù)極板上的硫酸鉛完全變成鉛和二氧化鉛后，電池開(kāi)始發(fā)生過(guò)充電反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣和氧氣。這樣，在非密封鉛酸蓄電池中，電解液中的水將逐漸減少。在密封鉛酸蓄電池中，采用中等充電速率時(shí)，氫氣和氧氣能夠重新化合為水。

　　過(guò)充電開(kāi)始的時(shí)間與充電速率有關(guān)。當(dāng)充電速率大于C/5時(shí)，電池容量恢復(fù)到放出容量的80%以前，即開(kāi)始過(guò)充電反應(yīng)，如圖2.1所示。

　　只有充電速率小于C/100,才能使電池容量恢復(fù)到100%后，才開(kāi)始過(guò)充電反應(yīng)。由圖2.2還可以看出，采用較大充電速率時(shí)，為了使電池容量恢復(fù)到100%,必須允許一定的過(guò)充電反應(yīng)。過(guò)充電反應(yīng)發(fā)生后，單格電池的電壓迅速上升，達(dá)到一定數(shù)值后，上升速率減小，然后電池電壓開(kāi)始緩慢下降。

　　鉛酸蓄電池的充電方法主要有：恒流充電法、分階段電流充電法、恒壓限流充電法和快速充電法。

　�。�1）恒流充電法是用一恒定不變的電流對(duì)電池進(jìn)行充電。隨著充電的進(jìn)行，電池的端電壓將逐步升高。因此，如果充電電源的電壓不變，隨著電池端電壓的升高，充電電流會(huì)隨之減小。

　�。�2）分階段電流充電法是在充電過(guò)程中分階段逐步減小充電電流，以更有效地利用電能的充電方法，又稱為遞減電流充電法。

　�。�3）恒壓限流充電法：在充電全過(guò)程中保持充電電源的電壓恒定不變的一種充電方法，其電源電壓按每個(gè)單體電池的充電電壓為13.8-14.4V進(jìn)行計(jì)算。因此，充電初期的電流很大，隨著充電的進(jìn)行，充電電流隨電池端電壓的升高而降低，到充電末期幾乎沒(méi)有電流通過(guò)。

　�。�4）快速充電法：可采用脈沖快速充電法，使正常充電時(shí)間由12-15小時(shí)，縮短到1小時(shí)左右，但設(shè)備復(fù)雜。

　　3.鎳氫電池

　　3.1 鎳氫電池介紹

　　鎳氫蓄電池對(duì)充放電電路要求較高，在充電時(shí)，鎳氫電池的溫度較高，尤其是在過(guò)充電時(shí)，內(nèi)部溫度急劇上升，可能使電池冒氣。因此要求充電電路具有計(jì)算電池電壓變化曲線斜率的功能，準(zhǔn)確判斷充電時(shí)電壓拐點(diǎn)的出現(xiàn)，改變充電狀態(tài)。同時(shí)要求在電池組中裝入溫度開(kāi)關(guān)，防止電池溫度過(guò)高，影響防爆性能。鎳氫蓄電池的價(jià)格相對(duì)較貴，且單體容量越高，價(jià)格增加越大。總之，鎳氫電池?zé)o記憶效應(yīng)，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格控制充放電過(guò)程，可避免氫氣的析出，可用于礦用備用電源。

　　鎳氫蓄電池有兩種類型：一種是以氣體氫為活性物質(zhì)，因電池內(nèi)部處于較高壓力，稱為高壓鎳氫蓄電池；另一種是以具有吸、脫氫能力的金屬氫化物為活性物質(zhì)的電池，表示為MH-Ni,因電池內(nèi)壓較低，也稱為低壓鎳氫蓄電池。在這兩種電池中，電解液是堿性水溶液。高壓鎳氫蓄電池主要用于航天部門(mén)，投資大，電池內(nèi)部壓力達(dá)3Mpa-4Mpa,且為易爆的氧氣。因此，高壓鎳氫蓄電池不適用于礦用備用電源，下面僅介紹MH-Ni蓄電池，以下簡(jiǎn)稱鎳氫蓄電池。

　　鎳氫蓄電池是以金屬氫化物為負(fù)極、氧化鎳為正極組成的堿性蓄電池。反應(yīng)方程式為：

　　鎳氫蓄電池與鎘鎳蓄電池的反應(yīng)類似，只是負(fù)極充放電過(guò)程中生成物不同，堿性電解液不直接參加反應(yīng)。

　　3.2 充放電特性

　　單體鎳氫蓄電池的標(biāo)稱電壓為1.25V,充電終止電壓為1.5V,放電終止電壓為1V.

　　在常溫（20℃）以下，采用lC、0.2C和0.5C充電速率時(shí)，電池電壓隨充入電量的變化規(guī)律如圖3.1所示。鎳氫電池充足電后，電壓基本上保持不變，開(kāi)始過(guò)充電時(shí)，電池電壓出現(xiàn)很小負(fù)增量。通常，采用1C充電速率時(shí)，70分鐘以內(nèi)，鎳氫電池可以充足電，采用0.2C充電速率時(shí)，充電時(shí)間約為7小時(shí)。

　　在常溫（20℃）下，采用3C、1C和0.2C放電速率時(shí)，鎳氫電池的電壓隨放電容量的變化規(guī)律如圖3.2所示。由圖可以看出，采用0.2C放電速率時(shí)，電壓下降到1.2V時(shí)，鎳氫電池已放出標(biāo)稱容量的90%以上。采用大電流放電速率為（lC）放電時(shí)，電池電壓降到1.2V時(shí)，放出的容量也已達(dá)到70%以上。鎳氫電池具有較好的低溫放電特性。

　　當(dāng)環(huán)境溫度為-20°C時(shí)，采用0.2C放電速率時(shí)，鎳氫電池放出的容量可達(dá)到標(biāo)稱容量的90%,采用大電流放電速率為1C）放電時(shí)，鎳氫電池放出的容量也能達(dá)到標(biāo)稱容量的85%以上。鎳氫電池的自放電率很小，在常溫下，鎳氫電池充滿后，放置28天，電池容量仍能保持在標(biāo)稱容量的75%-80%之間。

　　4.鋰電池

　　4.1 鋰電池介紹

　　鋰離子蓄電池相對(duì)體積小，重量輕，比能量高，性能好，無(wú)記憶效應(yīng)，但價(jià)格較鎳氫蓄電池更貴（約2倍以上）。鋰離子電池目前的容量較小。鋰離子蓄電池對(duì)充放電電路要求也很高，過(guò)充電不但會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池的性損壞，而且會(huì)在陰極析出金屬鋰，若遇高溫或內(nèi)部短路，就會(huì)發(fā)生爆炸。

　　在過(guò)放電時(shí)，電解液將被分解，電池內(nèi)壓力上升。在電池組內(nèi)部需增加檢測(cè)過(guò)充電與過(guò)放電的集成電路。因此，鋰離子蓄電池可用于礦用備用電源。

　　鋰離子電池的陽(yáng)極為石墨晶體，陰極通常為二氧化鈷鋰（LiCoO2）。石墨晶體和LiCoO2都具有層狀結(jié)構(gòu)。這種層狀結(jié)構(gòu)化合物，允許鋰離子進(jìn)出，而材料結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生不可逆變化。LiCoO2為一層氧（O）原子緊鄰一層Li鋰原子，再緊鄰一層氧原子和鈷（Co）原子，即O-Li-O-Co-O-Li-O.陽(yáng)極采用碳電極，從理論上講，每六個(gè)碳原了可吸藏一個(gè)鋰離子。

　　充電時(shí)，陰極中的鋰原子電離成鋰離子和電子。得到外部輸入能量的鋰離子，在電解液中由能量較低的陰極向能量較高的陽(yáng)極遷移，并且鋰離子和電子在陽(yáng)極上復(fù)合成鋰原子。重新形成的鋰原子插入到石墨晶體的晶狀層之間。放電時(shí)，插入到石墨晶體晶狀層中的鋰原子從石墨晶體內(nèi)部向陽(yáng)極表面移動(dòng)，并在陽(yáng)極表面電離成鋰離子和電子，鋰離子和電子分別通過(guò)電解質(zhì)和負(fù)載流向陰極，在陰極表面復(fù)合成鋰原子，然后插入到二氧化鈷鋰的晶狀層中。從以上反應(yīng)可知，正常情況下在該電池中，鋰永遠(yuǎn)以離子的形態(tài)出現(xiàn)，不會(huì)以金屬的形態(tài)出現(xiàn)，所以這種電池叫做鋰離子電池。

　　4.2 充放電特性

　　單體鋰離子蓄電池的標(biāo)稱電壓為3.6V,充電終止電壓為4 . 2 V,放電終止電壓為2.5V.以500mAh的AA型鋰離子電池為例，其充電特性曲線如圖4.1所示，單體鋰離子電池的充電電壓必須嚴(yán)格保持在4.1V±50mV,充電電流通常應(yīng)限制在1C以下，若充電電壓超過(guò)4.5V,可能造成鋰離子電池性損壞。鋰離子電池通常都采用恒流轉(zhuǎn)恒壓充電模式，首先用1C（即500mA）充電速率允電，在此過(guò)程巾，充電電流穩(wěn)定不變，電池電壓逐漸上升。當(dāng)單體電池的電壓上升到4.1V（或4.2V）時(shí)，充電器應(yīng)立即轉(zhuǎn)入恒壓充電，充電電壓波動(dòng)應(yīng)控制在50mV以內(nèi)。在恒壓充電過(guò)程中，充電電流逐漸減小，當(dāng)電池充足電時(shí)，電流下降到涓流充電電流。用這種方法，大約兩小時(shí)，電池可充到額定容量門(mén)（5OOmAh）。

　　當(dāng)環(huán)境溫度為25°C時(shí)，500mAh的AA鋰離子電池的放電特性曲線如圖4.2所示。AA型鋰離子電池放電電流通常不應(yīng)超過(guò)3C.

　　放電時(shí)，單體電池電壓不得低于2.2V.電池電壓低于2.2V,就會(huì)造成性損壞。采用O.2C放電速率（即放電電流為100mA）時(shí)，單體電池電壓下降到2.7V時(shí)，可放出額定容量（500mAh）。采用1C放電速率（即放電電流為500mA）時(shí)，能夠放出額定容量的90%左右。環(huán)境溫度對(duì)電池的放電容量有較大影響，采用0.2C放電速率時(shí)，當(dāng)環(huán)境溫度為25°C時(shí)，可放出額定容量（500mAh）；當(dāng)環(huán)境溫度為-1O°C時(shí)，電池容量下降約5%,當(dāng)環(huán)境溫度為-20°C時(shí)，電池容量下降約10%,鋰離子蓄電池放電時(shí)，允許環(huán)境溫度為-20℃-+60℃。

　　5.總結(jié)與展望

　　本文介紹了三種在煤礦井下廣泛使用的隔爆電源電池特點(diǎn)及充放電特性，由于新的GB3836-2010的執(zhí)行，對(duì)電池的使用、檢驗(yàn)提出了更嚴(yán)格的規(guī)范、使用條件及檢驗(yàn)方式，同時(shí)隨著鎳氫電池、鋰電池技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是磷酸鐵鋰電池的在緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)中的大量使用，鋰電池應(yīng)為隔爆電源電池優(yōu)先選擇方案。