鉛酸電池再生應用分析

前言

近年來半導體產業蓬勃發展，產品元件已邁入奈米級時代，產品必須仰賴高規格製程設計穩定製造環境，也意味產品生產過程中要求更高的電力供應品質。

電力系統供電線路橫跨區域廣設備眾多，常常會有不可預期事故造成電力中斷，而讓晶圓廠生產系統能夠持續穩定供電方法是使用雙饋線供電模式，但是仍不能防止電壓降(Voltage drop)影響電力品質，除此之外仍有如諧波、電壓突波等可能影響精密儀器或設備運作等問題，可藉由不斷電系統安裝，提供穩定電源達成有效解決。^[1]

不斷電系統有如此功效，主要是依賴鉛酸電池儲存電能，而要讓鉛酸電池在最關鍵時刻發揮效益，是需要掌握電池運作特性，才能提早進行故障預知與防範。現今十年期鉛酸電池，根據廠商經驗建議電池運用至五年即需作更換，若能讓電池延長使用期限將有助於降低開銷成本並減少大量廢棄物，因此電池再生技術探討也成為相當受注重的議題。

鉛酸電池病因探討

如何確保鉛酸電池關鍵時刻發揮效益，並健檢時達到有效提早防範措施，首先需先瞭解電池特性與病因才能有效對症下藥。影響電池『健康狀態』病因包含:

電解液水分減少^[2,3]

電池充放電能量大小是會直接影響電池的健康狀態。公式1為電池反應化學式，電池充、放電化學反應會消耗到鉛酸電池中電解液的水份，因反應效率並不完全，部份水會以氣態直接經由排氣栓排出電池外，使電解液中水分逐漸減少。另外當電池放電時，或電池溫度較外界溫度為高時，亦可能發生水蒸氣滲透電解槽壁面，而洩漏至電池外。

......公式1

負極板硫酸化^[4]

負極板生成白色粗晶粒硫酸化之現象，稱為硫酸鉛結晶或極化，如 圖一，當鉛酸電池未能加以完全充電，平常又在部份性放電狀態下使用時，最容易產生。硫酸鉛結晶覆蓋極板將使化學反應的面積減少，造成內部電阻增加。內部電阻增加是發熱的原因。此外硫酸鉛形成硫酸鉛結晶將使硫酸濃度降低，因儲存電量硫酸變少而造成蓄存電量降低。

正極板劣化

正極板劣化的原因，可分為活性物質的軟化、格子之腐蝕，及格子與活性物質介面之阻礙(Barrier)等三種。正極活性物質經由充放電，反覆進行二氧化鉛之溶解與硫酸鉛之析出，而凝聚成較大之空洞，且發展成膠質狀(Colloidal)組織。若膠質狀組織與活性物質微粒結合，此時活性物質轉變成非活性化而降低放電容量。

影響『電池壽命』因素包含：

電池放電深度

鉛酸電池的循環壽命最大影響因素就是放電深度(DOD, Depth of Discharge)，當放電深度越深時，電池所能循環使用次數便越少，其關係如 圖二所示，此圖以鉛酸電池CSB (HRL12390W)型號作範例，當放電深度為50%時，循環使用次數約為400次，當放電深度為100%時，循環使用次數便降至約為200次。

環境溫度

電池定電壓充電狀態下，周遭溫度過高時會加速電池內部材料的惡化，導致電池壽命縮短。但若低溫充電狀態下會有氫氣產生，使內部壓力增大，也會導致壽命縮短。一般而言，電池的工作溫度在20℃到25℃為最佳環境。其關係如 圖三所示，此圖以鉛酸電池CSB (HRL12390W)電池壽命與溫度的關係作為解說，電池操作於環境溫度25℃時，使用壽命為10年，環境溫度30℃時，使用壽命降為8年。

鉛酸電池健檢

現今鉛酸電池健康檢查方式分別為電池容量、內阻、極柱等檢測方式。

電池容量檢測^[5,6]

電池能力衰退快與慢取決於電池使用環境與方式，而有不同生命週期。並且根據IEEE-Std 1188建議，當電池容量降至原容量80%時進行電池汰換，若再繼續使用可能會有電池快速劣化風險。而容量的檢測方式分兩類：截止電壓判斷法、深度放電，兩者檢測方式差別與優缺點分析如 表一，其中深度放電法雖然可以得到較準確的電池狀態但相對傷害較高，若非必要準確電池全容量健康狀態，不建議以此方式做檢測。

內阻檢測

電池一般的失效模式是極板格子體腐蝕，極板活性物質劣化和電解液乾涸，這些情況都會影響電池內阻。如果電池內阻比初始增加30%，該電池便應該再進行檢驗以確定其原因，必要時可對該電池或系統進行容量試驗以保證其可靠性。

極柱檢測

電池正、負極柱檢測會使用瞬間大電流（如5C/1秒放電），在維持最低電壓的同時，極柱需能承受最大的電流衝擊，也能保持最小之電壓壓降，並確保電池放電能力。

鉛酸電池活化可行性與方法介紹

鉛酸電池效能的降低主要因素為極板附著硫酸結晶，使得電池內阻增加造成充、放電容量效能降低，現今去除硫酸結晶方法為幾類：大電流充電法、添加活性劑、使用脈衝器，以下將分別介紹應用方法與優缺點比較。^[7]

大電流充電法

採用大電流（0.5C以內電流）能量將極板硫酸鉛結晶電解活化，以此方式消除極板附著結晶，但此方法只能獲得暫時性效果（約修復10%能力），並且會造成電池失水和正極板軟化等問題，難以達到延長電池壽命之作用。

添加活性劑

鉛酸電池加入化學劑達消除極板硫酸結晶，但此方法會改變電池原電解液之成分（約修復45%能力），使得電池獲得曇花一現的短暫修復改善。

使用脈衝器

正負脈衝充電法^[8]

此法是在充電一段時間（約1秒充電週期）後，緊接著加入短時間大電流負脈衝，之後再暫停一段時間（約毫秒）結束一循環(T)充電流程，如 圖四，而負脈衝在此法主要是讓電解液獲得緩衝時間以致改善電池充電溫升現象，藉此方式延長電池循環壽命，而在放電過程則是藉由瞬間電壓之壓差來消除硫酸結晶，但作用並不顯著（約修復20%能力），至於負脈衝電流大約為正脈衝的2.5倍。

高頻脈衝充電法^[9]

電池充電過程中加入固定高頻脈衝（根據廠商或實驗單位依經驗各有不同論述，其範圍從k~MHz之間）讓硫酸鉛粗結晶體轉化為細結晶體，如 圖五，使細結晶體重新參與充放電化學反應（約修復60%能力），此法缺點為小電流充電時間長，硫酸鉛結晶嚴重時呈現效果不佳。

複合式脈衝充電法

複合式脈衝方式是在充電中控制低頻與高頻脈衝之振幅，並利用不同振幅對硫酸結晶形成諧振擊碎結晶體，使用此方法對電池傷害小，電池修復效率高（約修復80%能力）。複合式脈衝結合兩種脈衝目的有以下幾點考量 表二，低頻脈衝其振幅大特性擊碎顆粒較大之硫酸結晶，反之高頻脈衝其振幅小特性擊碎顆粒較小之硫酸結晶，因以上兩種相互特性有效各別擊碎硫酸結晶問題，以達成電池活化之目的。

電池活化案例

廠內分別使用4~5年與7年100Ah電池做複合式脈衝充電法活化分享案例，其電池活化前使用狀況如 表三。兩種案例電池分享中，其使用環境條件有所不同分別為案例一：25~29℃/案例二：20~25℃，此試驗目的是觀察電池在不同使用年份與環境條件下，其電池經由活化後容量/內阻等分析探討電池效果變化趨勢。

圖六分別挑出應用4至5年電池（運作環境溫度約20~29℃）做電池活化，電池活化前內阻偏高導致電池容量可用度愈偏低（約10~30%），電池活化後內阻降低至標準值內(<4mΩ)，使得電池容量得到提升，如 表四，此數據結果瞭解到當電池運作在高溫環境下，電池極板上易附著硫酸結晶，使得電池內阻提高及可用容量降低，但經由電池活化後可有效除去附著硫酸結晶，使電池有顯著的提升效能。

圖七電池應用為7年電池（運作環境溫度約≦25℃），電池活化前至少有50%以上可用電量，但經過電池活化後電池可用電量反而呈現下降趨勢，如 表五。推測此現象為電池長期放電使用中所產生之熱能會逐漸使電池含水量損失，使得電池逆還原反應不完全，造成電池可用能量降低問題產生。

結論

鉛酸電池充放電方式不良及環境溫度不佳時較容易造成電池極板附著硫酸鉛結晶，附著過多硫酸鉛結晶會使電池可用容量衰退，但經由複合式脈衝充電法有機會使硫酸鉛結晶減少，提升電池可用容量。

若鉛酸電池環境溫度符合應用標準範圍內(<25℃)，但放電應用中長期使用大能量釋放，此時電池部分反應會轉化為熱能，而熱量會逐步讓電解液減少造成永久傷害，此時電池在做各種活化方式都不會有顯著效果提升。

未來將可進一部針對此批7年電池作內部極板解剖分析，探討電池容量無法修復真因，若探討出真因為電解液減少，進而影響電池效能，則可再分析放電能量與電解液相對關係，並探討適當之能量應用分析，達提升電池使用效益。