我国镉镍电池经历了一个高速发展过程

钜大LARGE  |  点击量：1906次  |  2019年04月16日镉镍蓄电池在铁道系统中的应用余国华四川长虹电源有限责任公司（四川621000）通信信号系统、电子守车、高速列车、轨道检测车和地铁系统等方面的应用及国内外铁道专用电池的现状和发展趋势。0前言我国镉镍蓄电池是1955年开始研制、1960年开始批量生产的。当时研制这一类电池的目的，是为了满足国防建设整机配套电源的需要。这一产品刚刚延生不久，还未大批生产之前，于1958年就被株洲电力机车厂选作我国第一台电力机车的升弓电源，这是我国铁道部门最早选用的镉镍电池，即GN100型。众所周知，铁道上应用电池的地方很多，原来是清一色的铅酸电池，自从镉镍电池出现后，使用者逐渐认识到镉镍电池的优越性和铅酸电池的弊病，致使镉镍电池在铁道系统应用范围不断扩大。如继电力机车使用后，又用于客车照明、铁道信号系统、内燃机车启动和列车尾部安全监控电子守车等。这样，既促进了镉镍电池的技术发展，也使我国铁道系统应用电池上了新台阶。同时，也形成了铅酸电池与镉镍电池的竞争局面，有利于镉镍和铅酸电池的改进和提高。1镉镍电池的类型及技术发展1.1镉镍电池的类型镉镍电池是以金属镉为负极，氧化镍为正极，氢氧化钾（或氢氧化钠）水溶液为电解液的碱性蓄电池。我国镉镍电池从1955年开始研制至今已有45年了，45年来我国镉镍电池经历了一个高速发展过程，目前镉镍电池已开发出6大类产品（几百个品种）即袋式镉镍电池、矩形烧结和全密封镉镍电池。目前国内生产量较大，技术较成熟应用较广泛的是前3类镉镍电池，而且这3类镉镍电池，在铁道系统也都得到广泛应用。因此，我们将对这3类镉镍电池进行专门介绍，而后3类镉镍电池生产较少应用范围较窄，如全密封镉镍电池只用于卫星上与太阳能电池匹配组成电源系统。1.23类镉镍电池的技术进展1311.2.1袋式镉镍电池的技术进展袋式镉镍电池是将正极活性物质（氢氧化镍）和负极活性物质（氧化镉和四氧化三铁）分别用穿孔钢带包起来，制成类似口袋的极板盒。极板盒在专用设备和工装上经拼条、压纹、剪切、装筋、订筋、压槽、切筋头和焊接等工序做成正、负极板（组），再装配成袋式镉镍电池。袋式镉镍电池的技术发展大致可分为4个阶段，即仿造研制阶段、塑壳化阶段、中倍率电池系列化阶段，第4阶段就是目前正在研制开发的高倍率袋式镉镍电池和少维护、免维护的袋式镉镍电池。1.2.2矩形烧结式（半烧结）镉镍电池的技术发展13矩形烧结式镉镍电池是采用冲孔镀镍钢带在低密度镍粉和粘合剂（发孔剂）制成的镍浆中拉浆，经刮浆、干燥和烧结而成烧结基带。然后，分别在硝酸镍（正极）和硝酸镉（负极）溶液中负压浸渍，经干燥、碱化、水洗和再干燥而获得正、负极片。用这种正、负极片和隔膜装配成的电池就是烧结式电池，烧结式电池的比能量比袋式电池高50%左右。烧结式极板较薄，仅为袋式电池的1/4~16内阻小，所以烧结式电池能高倍率和超高倍率电流放电，广泛用于各类飞机上的应急启动和随航备用电源，也用于电力部门的分合闸直流系统配套电源以及铁道内燃机车的启动电源。矩形烧结式电池的技术发展大致可分为4个阶段，即仿制阶段、技术改进阶段（主要对电极性能改进、热板焊接新技术应用和新材料聚乙烯辐射接枝膜的采用）、矩形半烧结镉镍电池开发阶段（主要为电力部门开发的经济实用型电池，即负极不采用烧结式而是粘结式电极）。第4阶段就是少维护和免维护（密封型）矩形烧结（半烧结）电池开发。少维护矩形烧结式电池。为了达到少维护的目的，在技术上主要从3个方面采取措施，一是加大电池壳体尺寸，降低电极高度，增加盛装电解液的空间。二是对电池气塞设计要进行特殊处理，既要便于排气，又要避免电解液的损失和空气中二氧化碳的进入。三是根据不同的用户要求选择好浮充电压。只要这三项措施有效就能达到少维护目的。免维护（密封型）矩形烧结式电池。免维护电池属于密封型电池，在设计原理上与圆柱密封电池类似，即利用“镉氧循环”原理，采取负极容量过量以利于吸收正极产生的氧气，在两极间增设了二次防爆装置。1.2.3圆柱密封镉镍电池的技术发展141圆柱电池具有体积小、质量轻、密封性好、可以任意位置工作、不需维护、放电电压平稳、使用温度范围宽（可在一40C~+50C下使用）、机械强度好、坚固耐用、部分器具中可以与干电池互换等特点，广泛用于军用电台、移动电话、无绳电话、电动工具、电动玩具、应急灯等方面。我国圆柱密封镉镍电池的技术发展一般可分为5个阶段，即：基础研究阶段，主要进行材料选择、工艺参数摸索试验，择优选择最佳工艺路线。重点发展半烧结板式圆柱电池阶段，扩充品种上规模、建立生产线、实现产品系列化。箔式电极圆柱电池的研制开发阶段，使电极的生产实现连续化、自动化、电池装配单机自动化。发泡式电极圆柱电池发展阶段，发泡式电极的出现，使圆柱电池的比容量上了一个新台阶，由于制造简单投资少，使圆柱电池的制造厂大大增加，促进了镉镍电池的技术发展。不同性能圆柱电池的高速发展阶段。近几年来，由于不同性能的新电极大量涌现，这些新电极既有我国自主开发的，也有引进国外技术如正极制造的工艺方法就有6种，即袋式、压成式、烧结式、发泡式、塑料粘结式和纤维式。而负极制造工艺方法除上述6种外还有电沉积式和拉干镉负极共8种方法。由于目前电极制造的工艺路线和方法较多，所以要根据用户不同的技术要求，可选择不同的电极制造方法，对正、负极进行优化匹配，生产出不同类型的、不同性能的圆柱密封镉镍电池。2我国镉镍电池在铁道系统的应用我国镉镍电池是1955年才开始研制生产的，所以镉镍电池应用市场基本上是靠挤占铅酸电池市场，镉镍电池在铁道系统的应用也是如此（电力机车除外）。镉镍电池为什么能挤占铅蓄电池市场，这是因为铅酸电池长期以来一统天下，没有竞争对手，不利于技术发展，产品性能水平难以提高。而镉镍电池与传统的铅酸电池比较，在性能上明显占优势，这就为镉镍电池挤占铅酸电池市场提供了条件。袋式镉镍电池GN100型在电力机车上作升降弓的动力备用电源，普遍采用74只单体电池组合，机车正常运行时机车电池组处于浮充电状态工作，浮充电压为110V，最大浮充电流为25A，稳定的浮充电流为0.19A左右，断电后电池组供电其负载电压92.5伏，电流为15A左右，工作时间可达5h以上。第1代产品：为铁壳GN100型电池，在电力机车上已经使用30余年，能满足电力机车使用的要求，电池工业bookmark4但在使用过程中，也有个别电池在焊缝处渗漏电解液造成爬碱问题。还有因铁壳电池既观察不到电解液不便维护又容易引起接地导致短路的问题。电池采用高强度耐冲击振动的透明或半透明工程塑料作壳体材料。这样，既解决了铁壳焊缝渗漏爬碱问题，又能观察电解液高度，便于维护，同时还避免了铁壳易接地导致短路的问题，这一产品，已在江油马角坝机务段、丰台西机务段和大同机务段试甩反映良好。第3代产品：即免维护塑壳碱性镉镍蓄电池，长虹电源公司（756厂）已完成实验室工作，正准备与株洲电力机车厂合作投入生产，装车试用。现将三代产品的主要指标列于表1.三代镉镍电池的主要指标额定最大外形尺寸质量极柱电池型号容量备注（干态）螺纹第一代产品第二代产品第三代产品（2）在铁道客车上的应用我国铁道客车，采用轴驱发电机供电系统，长期以来一直沿用铅酸电池做配套电源，在使用过程中，铅酸电池存在的主要问题有寿命短；维护工作量大；充电时酸雾大，腐蚀性强；电池漏液，造成绝缘电阻低，影响列车安全；放电后容量恢复慢等。为此，引起有关单位的注意，最早在铁道客车上试验的是国营756厂研制的袋式GN400型镉镍电池，于1986年7月在乌鲁木齐车辆段铁道客车上进行了试验，采用38只单体电池组合，列车运行时由轴驱发电机供电并给电池组浮充电，浮充电压在60V左右，浮充电流最大40A，最小5A左右，列车停站时由电池组给客车供电（包括照明、电扇等），负载电压在50伏左右，根据车厢情况不同（如餐车、软卧、普通）负载电流不一致，最大达40A左右，最小10A左右。试验结果表明碱性镉镍蓄电池完全可以替代铅酸电池，性能指标也优于铅酸电池。1986年11月底，铁道部机车车辆工业总公司和铁道部车辆局，在河南新乡755厂召开了“铁道客车采用碱性镉镍蓄电池可行性探讨会议”。会后国营755厂和756厂先后与铁道部有关单位联合进行了大量的研制工作，根据不同要求，开发出铁道客车电池系列产品如GN250-（2）、GN300-、GN40（H2）和GN400-G）等产品，满足了铁道客车的需要。电池主要指标要求见表2.表2铁道客车用镉镍电池的主要指标额定最大外形尺寸极柱最大质量电池型号容量（含电液）备注螺纹铁道客车空调车德国进口车在电气化铁道供配电控制系统（含通信信号系统）上应用在电气化铁道供配电控制系统（含通信信号系统）中一般选用袋倍率镉镍电池，不同于电力机车和铁道客车上使用的是袋式低倍率电池，因为这类控制系统要求供电电流相对较大。电池工作一般与UPS电源系统或直流屏配合使用，当外电网正常供电时由外电网经UPS电源系统供电，并给电池组浮充电，当外电网出现故障时，由电池组经UPS电源系统供电，电池组作为应急备用电源，这就要求电池具有长期的可靠性和最少的维护。目前选用袋倍率碱性镉镍电池的型号有GNZ75、GNZ100、GNZ150等产品，一般以180只单体电池组合使用，负载要求用0.倍率的电流放电，放电终止电压在1.16V以上，放电时间不少于6min其浮充电电压控制在255V~260V之间。袋倍率电池指标见表3.长期以来一直使用NG462型铅酸电池，由于内燃机车的启动电流比较大，达2000A左右，铅酸电池放电倍率比较低，只有把电池做大，提高容量来弥补放电倍率低的问题。前面已介绍过烧结式镉镍电池具有很高的放电倍率，就比较适宜用在内燃机车上，如铅酸电池需要462Ah（容量）的电池才能达到2000A放电要求，而烧结式电池只需要140h（容量）的电池就足以达2000A电流的放电要求，这样不仅减少了体积和重量，还降低了费用，烧结式镉镍电池的体积和重量是铅酸电池的1左右，而电池组费用仅占铅酸电池类的23表3袋倍率镉镍电池指标额定最大外形尺寸干态质量极柱产品型号容量螺纹在内燃机车上选用的烧结式镉镍电池的型号有GNC140和GNC170型，主要用作内燃机车的启动、照明及辅助电器的直流电源。以78只单体电池为一组，要求电池容量在80%时，仍能以2000A电流启动内燃机车10次，每次6s，起动终止电压>82V（每只电池终止电压>1.05V），电池组浮充电压110V（每只电池浮充电压1.41V）这类电池主要指标列入表4中。表4内燃机车用镉镍电池主要指标额定最大外形尺寸最大质量极柱电池型号容量（含电解液）螺纹在列车尾部安全监控装置（电子守车）上的应用本装置采用多项高新技术，具有在非电气化和电气化铁道的强干扰下可靠工作的特点。可在列车尾钩侧快速挂拆，替代守车完成守车的各项功能，以确保列车行车安全。该装置的直流供电电源选用了756厂高性能的箔式烧结式圆柱密封镉镍电池，该装置对电池的特殊要求如下：机械强度好，能在强冲击和振动的恶劣条件下工作。定容量水平。额定容量水平。长寿命，即按IEC标准（国际电工委员会标准）的充放循环方法要求，充放循环800次，这一指标是IEC标准的2倍（EC标准为400次）。在地铁列车上和站上的应用在地铁列车上作为应急照明和列车操作的备用电池，根据情况可选用袋式低倍率镉镍电池（型号有GN60-2等）和袋倍率镉镍电池（型号有GNZ130等）分别以75只和84只为一组，单只电池浮充电压分别为1.48V和1.45V.在地铁站上与直流屏配合使用作应急备用电源，选用的是烧结式GNG20型电池，一般以180只电池为一组。在铁道新研制列车上的应用/h高速列车上应用袋倍率碱性镉镍电池其型号为GNZ100型，以78只电池为一组，浮充电压在1.42+40下能正常工作。在研制的电气化铁路轨道检测车上选用了袋式低倍率GN200-（3）型和烧结式超高倍率的GNC100型电池。3结束语从国外铁道电池应用情况可看出，铁道专用电池的发展趋势是由铅酸蓄电池逐步向镉镍电池过渡。发展方向是少维护或免维护镉镍电池和长寿命镉镍电池以及适应不同性能要求的镉镍电池。只要镉镍电池在技术上不断改进，短期内其它新系列电池（如MH-Ni）蓄电池、锂离子电池和燃料电池）还不会进入这一市场。随着铁道系统技术的进步和发展，预计今后市场也将逐步扩大，镉镍电池有望成为铁道系统应用的主要直流电源。镉镍蓄电池存在环境污染问题，应对废旧电池进行回收处理。我国这方面工作远不及发达国家，应该在这方面建立有关制度和法规，由政府扶持强制实施。这样做，既有利于镉镍电池的持续发展，也有利于资源充份利用和减少环境污染。