| 摘要：免维护蓄电池具有体积小、质量轻、自放电小、少维护、寿命长、使用方便、对环境无腐蚀及污染等优良特性，与传统的铅酸蓄电池相比，在使用维护和管理上有着明显的优点。 |
免维护蓄电池按容量分为3类，即大型、中性、小型。单体在200Ah及以上为大型，20~200Ah为中型，20Ah以下为小型。UPS在设计上则选用中型免维护蓄电池。免维护蓄电池的极板在制造过程中，对生极板进行充电化成，使正极板上的铅变成二氧化铅，负极板上的铅变成海绵状铅。但由于在制造厂对极板进行化成的时间有限，不可能将所有的物质均转化成活性物质，为此，国家标准规定新免维护蓄电池达到90%容量为合格，只有在今后的日常使用中，容量逐渐达到正常值，安装两年后要求达到100%。
中国、日本、德国免维护蓄电池采用10小时率，美国的免维护蓄电池标准为8小时率。中国电力、邮电标准规定，10小时率免维护蓄电池，1小时率时容量为0.55C10。日本工业标准规定2V,10小时率免维护蓄电池，1小时率时容量为0.65C10；6、12V,10小时率免维护蓄电池，1小时率时容量为0.6C10。20小时率免维护蓄电池，10小时率时容量为0.93C20，1小时率时容量为0.56C20。电力系统一般在设计上均选用10小时率免维护蓄电池，UPS在设计上则选用20小时率免维护蓄电池。
1.铅酸蓄电池的工作原理
19世纪中期，铅酸蓄电池的问世解决了部分用电设备的随机用电问题。但历经100多年的发展，其工作原理基本上没有什么变化，它的正常充放电的化学方程式为：
以上正常充放电化学方程式为理想化的原理方程式，似乎只要不受到机械损伤，一块铅酸蓄电池可无休止地使用下去，完成充放电过程。
蓄电池在充电时，正极由硫酸铅(PbSO4)转化为二氧化铅(PbO2)后将电能转化为化学能储存在正极板中;负极由硫酸铅(PbSO4)转化为海绵状铅(海绵状Pb)后将电能转化为化学能储存在负极板中。
蓄电池在放电时，正极由二氧化铅(PbO2)变成硫酸铅(PbSO4)而将化学能转换成电能向负载供电，负极由海绵状铅(海绵状Pb)变成硫酸铅(PbSO4)而将化学能转换成电能向负载供电。
当然，肯定要在正极和负极同时以同当量同状态下(如充电或放电态)进行电化学反应才能实现上述充电或放电过程的，任何时候任何情况下都不可能由正极单独或由负极单独来完成上述电化学反应的。由此可知，如果一只铅酸蓄电池中正极板是好的，而负极板坏了的话，那就等于这只铅酸蓄电池变成了报废铅酸蓄电池了。同样，如果一只铅酸蓄电池中的负极板是好的，而正极板坏了的话，这只铅酸蓄电池也只能是一只报废铅酸蓄电池了。除此之外，正极板中可以参加能量转换的物质量(活性物质的量)与负极板中可以参加能量转换的物质量(活性物质的量)要互相匹配。如果不匹配，一个多，一个少的话，那个多出来的部分是一种浪费，而且每一种参加电化学反应的物质与另一物质相匹配的量都是不同的，为此把每一种物质可将一个安培小时的电量转化为化学能储存起来的量叫做电化当量(即电能与化学能相互转换的相当物质的量)，每一种活性物质的电化当量都是由其电化反应方程式计算出来的。
当蓄电池的电化学反应式由左向右进行时，是铅酸蓄电池的放电反应。当蓄电池的电化学反应式由右向左进行时，是铅酸蓄电池的充电反应。
从蓄电池的电化学反应式中可以看出，在铅酸蓄电池放电时，正极必须有1个克分子量的二氧化铅，负极必须有1个克分子量的海绵状铅，同时还应有2个克分子量的硫酸参与这个放电过程才能顺利进行。利用法拉第定律中的法拉第常数，通过上述电化学反应方程式，经过计算后得知：二氧化铅的电化当量为41.46g/Ah，海绵状铅的电化当量为33.87g/Ah。这就是说：要使铅酸蓄电池放出一个安培小时的电量来，正极必须有41.46g的二氧化铅活性物质，同时负极必须有33.87g海绵状铅活性物质在有足够量的硫酸存在下才能实现。要使铅酸蓄电池放出l00Ah的电量来，正极必须有4146g二氧化铅，负极要有3387g海绵状铅才能实现。这就从原理上说明了铅酸蓄电池的电容量为什么会是由活性物质量的多少来决定的道理。这也是用户在购买铅酸蓄电池时，为什么说质量大的铅酸蓄电池比质量小的铅酸蓄电池质量好的根本原因所在。当然，这里列出的电化当量只是一个理论值。
事实上，铅酸蓄电池在充电时会有气体析出，因为在其完成正常充放电过程的同时，伴随着许多其他的化学反应，在电解液中含有Pb+ 、H+ 、HO- 、SO42-等带电荷离子，特别在充电末期，铅酸蓄电池正负极分别还原为PbO2和Pb时，部分H+与HO-会在充电状态下产生H2与O2两种气体，其方程式为
2.免维护蓄电池的工作原理
免维护蓄电池的工作原理基本上仍沿袭于传统的铅酸蓄电池，它的正极活性物质是二氧化铅(PbO2)，负极活性物质是海绵状金属铅(Pb)，电解液是稀硫酸(H2SO4)，其电极反应方程式如下。
免维护蓄电池的设计原理是把所需分量的电解液注入极板和隔板中，没有游离的电解液，通过负极板潮湿来提高吸收氧的能力，为防止电解液减少把蓄电池密封，故免维护蓄电池又称“贫液蓄电池”。
免维护蓄电池在结构、材料上作了重要的改进，如图1所示，正极板采用铅钙合金、铅镉合金、低锑合金，负极板采用铅钙合金，隔板采用超细玻纤隔板，并使用紧装配和贫液设计工艺技术，整个蓄电池化学反应密封在蓄电池的内部，出气孔上加上单向的安全阀。这种蓄电池结构，在规定充电电压下进行充电时，正极析出的氧(O2)可通过隔板通道传送到负极板表面，还原为水(H2O)，由于免维护蓄电池负极板比正极多出10%的容量，便氢气析出时电位提高，加上反应区域和反应速度的不同，使正极出现氧气先于负极出现氢气，正极电解水反应式为
这是免维护蓄电池特有的内部氧循环反应机理，这种充电过程，电解液中的水几乎不损失，便免维护蓄电池在使用过程中达到不需加水的目的。
尽管生产厂家采取各种办法极力减少H2与O2两种气体的析出，使它们尽量消化在免维护蓄电池内部。如让负极板的活性物质过剩吸收部分先行析出的O2，从而有效控制水的电解，减少电解液的消耗。方程式为
但是，绝对控制H2与O2的析出是不可能的。事实上，电解液仍有少量的消耗，仍会有少量的氢气与氧气析出。从这方面说，免维护蓄电池不是“免维护”而是少维护，随着科学技术工艺水平的发展。经验的积累对电解液消耗的控制能力越来越强，从而有效地减少了对免维护蓄电池的维护量。
免维护蓄电池的极栅主要采用铅钙合金，以提高其正负极析气(H2和O2)过电位，达到减少其充电过程中析气量的目的。正极板在充电达到70%时，氧气就开始发生，而负极板达到90%时才开始发生氢气。在生产工艺上，一般情况下正负极板的厚度之比为6：4，根据这一正、负极活性物质量比的变化，当负极上海绵状Pb达到90%时，正极上的PbO2，接近90%，再经少许的充电，正、负极上的活性物质分别氧化还原达95%，接近完全充电，这样可使H2、O2气体析出减少。采用超细玻璃纤维(或硅胶)来吸储电解液，并同时为正极上析出的氧气向负极扩散提供通道。这样，氧一旦扩散到负极上，立即为负极吸收，从而抑制了负极上氧气的产生，导致浮充电过程中产生的气体90%以上被消除(少量气体通过安全阀排放出去)。
免维护蓄电池在开路状态下，正负极活性物质PbO2和海绵状金属铅与电解液稀硫酸的反应都趋于稳定，即电极的氧化速率和还原速率相等，此时的电极电动势为平衡电极电动势。当有充放电反应进行时，正负极活性物质PbO2和海绵状金属铅分别通过电解液与其放电态物质硫酸铅来回转化。
(1)放电过程。免维护蓄电池将化学能转变为电能输出。对负极而言是失去电子被氧化，形成硫酸铅；对正极而言，则是得到电子被还原，同样是形成硫酸铅。反应的净结果是外电路中出现了定向移动的负电荷。由于放电后两极活性物质均转化为硫酸铅，所以叫“双极硫酸盐化”理论。
(2)充电过程。免维护蓄电池将外电路提供的电能转化为化学能储存起来。此时，负极上硫酸铅被还原为金属铅的速度大于硫酸铅的形成速度，导致硫酸铅转变为金属铅；同样，正极上硫酸铅被氧化为pbO2的速度也增大，正极转变为PbO2。
免维护蓄电池在充放电过程中，免维护蓄电池的电压会有很大的变化，这是因为正负极的电极电动势离开了其平衡状态发生了极化。免维护蓄电池的极化是由浓差极化、电化学极化和欧姆极化3种因素造成的，由于这3种极化的存在，才出现了免维护蓄电池使用过程中各种充放电电流和充放电电压的严格设置，以免使用不当，对免维护蓄电池的性能造成较大的影响。
普通铅酸蓄电池在充电时会生成大量的气体而导致失水，因而普通铅酸蓄电池维护要求中最重要的一条就是定期补加去离子水。而免维护蓄电池采用阀控密封结构，这就要求其在使用过程中不能有水的损失，即不能有氢气和氧气的析出，以免造成免维护蓄电池失水。
对于免维护蓄电池，板栅材料为高析氢过电位Pb-Ca系列多元合金，免维护蓄电池的负极活性物质相对正极有余，隔膜透气性好，且能吸附电解液，免维护蓄电池盖上有自动开闭的限压析气阀，基于这些条件，保证免维护蓄电池在使用过程中基本上不产生氢气，并且正极产生的氧气能以免维护蓄电池内循环的方式被阴极吸收，称为阴极吸收机理。
所谓阴极吸收原理指的是免维护蓄电池在充电时，特别是在充电末期，正极会产生氧气，由于免维护蓄电池是全密封的，产生的气体不会像普通蓄电池那样随时都可以通过开口而散发到蓄电池体外去，免维护蓄电池产生的气体会在蓄电池槽内积聚。随着免维护蓄电池内部积聚的气体量的不断增多，免维护蓄电池内部的压力逐渐上升。正因为免维护蓄电池内部存在着一定的内压，正极产生的氧气会跑到负极上。由于正极上生成的是氧原子，而氧原子又具有很强的氧化性，这种具有强氧化能力的氧原子跑到负极后，会将负极在充电时刚生成的也具有很大活性的海绵状铅氧化而生成氧化铅，氧化铅继而与硫酸反应生成硫酸铅和水，硫酸铅正好又是负极放电的产物，硫酸铅在充电时又生成海绵状铅，海绵状铅再吸收正极产生的氧而生成氧化铅，这样周而复始地反复进行着这一反应，正极上产生的氧都被负极吸收了，在正常的充电方式促进了氧的内循环过程，免维护蓄电池内部压力不会继续上升。
为了防止在特殊情况下免维护蓄电池内部由于气体的聚积而增大内部压力引起免维护蓄电池爆炸，在设计时，又特地在免维护蓄电池的上盖中设置了一个安全阀，当免维护蓄电池内部压力达到一定值时，安全阀会自动开启，释放一定量气体降低内压后，安全阀又会自动关闭。以上所述就是免维护蓄电池的阴极吸收原理。正因为发明了这种免维护蓄电池的阴极吸收原理，才可以把普通铅酸蓄电池做成全密封的，免维护蓄电池才得以问世。
当然，要使免维护蓄电池的阴极吸收原理得以维持，第一个先决条件就是免维护蓄电池必须是密封的，不是密封的，免维护蓄电池内部不存在一定的内压，正极生成的氧就不可能跑到负极被负极吸收，氧气就析出，析出氧就等于是免维护蓄电池内部的失水。免维护蓄电池失水就应补水，需要补水也就不称之为免维护蓄电池了，那就变成普通的铅酸蓄电池了。由此可见，免维护蓄电池密封性能的好坏是一个很关键的技术指标，用户在选购免维护蓄电池时应高度重视这一问题，哪怕是稍微有一点漏气或渗液，也会直接影响到免维护蓄电池的使用寿命。免维护蓄电池组中如果出现一块这样的免维护蓄电池，会因这块免维护蓄电池首先变成落后免维护蓄电池而影响整个免维护蓄电池组的综合性能，也会引起免维护蓄电池组中各免维护蓄电池电压的不均衡而形成恶性循环。
当然，要使免维护蓄电池的阴极吸收得以很好地进行，要保证它的气体复合率高，产生的气体基木上都生成水又回到免维护蓄电池内，除了气密性是一个很重要的问题外，还应考虑与之配套的措施是否得力。例如：在结构上，免维护蓄电池必须是贫液式的，要留出足够的空间和通道让正极产生的氧能迅速而又顺畅地到负极而被负极吸收，这也是免维护蓄电池为什么没有多余电解液的原因所在。又如：采用的超细玻璃纤维隔板应该有足够大的孔率，以保证正极产生的氧能通过隔板的小孔到负极被吸收。因此，免维护蓄电池所用隔板的质量好坏也是一个至关重要的问题。
免维护蓄电池在充电时，因为正极产生的氧被负极吸收了，所以可以将开口的做成密封蓄电池了，那么负极充电时产生的氢气是通过改变负极合金配方，采用新的合金材料(如铅钙合金)，便氢在这种材料上放电(得到电子生成氢气)的电位提高了(叫作提高了氢的过电位)，本来充电电压达到某一值时氢离子就要在阴极上放电，生成氢气。由于铅钙合金的采用，充电电压达到原来数值时氢离子不放电了，不生成氢气了。但不管如何改变合金配方，也不管如何提高氢的过电位，当充电电压达到氢离子放电的电位时，氢气总是要生成的。各生产厂家为什么都会给免维护蓄电池规定一个在一定范围内的浮充电压值，其道理就是要控制氢气的产生，防止免维护蓄电池失水。
免维护蓄电池反应步骤表明了正极周围析出的氧气，理想状态可顺利扩散到负极变为固态的氧化物之后又变为液态水，经历了一次循环，之后周而复始地进行氧循环。结果负极周围无多余的氧气，且由于氧气在负极的复合又抑制了氢气的发生。但是免维护蓄电池在使用过程中，各种反应不可能完全工作在理想条件下，这就要求免维护蓄电池必须达到一定的密封性。相应的，YD/T799—1996《阀控式密封铅酸蓄电池技术要求和检验方法》标准中规定了蓄电池的氧循环效率不低于95%，并给出了密封反应效率的测量方法和计算公式。
3.免维护蓄电池的特点
免维护蓄电池具有体积小、质量轻、自放电小、少维护、寿命长、使用方便、对环境无腐蚀及污染等优良特性，与传统的铅酸蓄电池相比，在使用维护和管理上有着明显的优点。
(1)使用方便。极板之间不再采用普通隔板，而是用超细玻璃纤维作为隔膜，电解液全部吸附在隔膜和极板中，免维护蓄电池内部不再有游离的电解液，免维护蓄电池只需严格控制整流器的充电电压，根据浮充使用和循环使用的不同要求，采用规定的电压进行恒压充电，值班人员无须过多关注免维护蓄电池组的充电过程，无须添加蒸馏水，也无须经常检测免维护蓄电池端电压、电解液密度及温度，只需定期检测免维护蓄电池端电压和放电容量。
(2)安装简便。免维护蓄电池已进行过充放电处理，为荷电出厂，所以用户在安装使用时，无须再进行烦琐的初充电过程，如果放置时间超过6个月，可按生产厂规定进行补充电，在充足电后，进行一次容量试验性放电检查，以判断免维护蓄电池容量是否符合标准要求，质量是否稳定可靠。
(3)安全可靠。免维护蓄电池采用密封结构，可竖放或卧放使用，采用特殊结构设计，控制气体的产生。在正常使用时，免维护蓄电池内部不产生氢气，只产生少量氧气，且产生的氧气可在免维护蓄电池内部自行复合，无酸雾、无有毒、有害气体溢出，对环境污染小。由于免维护蓄电池内部实现氧循环过程，水损失很少，即使偶尔过充，有少量的气体可通过安全阀向外排出，不致压力过大而爆裂。
责任编辑：Kelly
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