鉅大LARGE | 點擊量：3794次 | 2019年04月16日
我國鎘鎳電池經歷了一個高速發展過程
鎘鎳蓄電池在鐵道系統中的應用余國華四川長虹電源有限責任公司（四川621000）通信信號系統、電子守車、高速列車、軌道檢測車和地鐵系統等方面的應用及國內外鐵道專用電池的現狀和發展趨勢。
0前言我國鎘鎳蓄電池是1955年開始研制、1960年開始批量生產的。當時研制這一類電池的目的，是為了滿足特種建設整機配套電源的需要。這一產品剛剛延生不久，還未大批生產之前，于1958年就被株洲電力機車廠選作我國第一臺電力機車的升弓電源，這是我國鐵道部門最早選用的鎘鎳電池，即GN100型。眾所周知，鐵道上應用電池的地方很多，原來是清一色的鉛酸電池，自從鎘鎳電池出現后，使用者逐漸認識到鎘鎳電池的優越性和鉛酸電池的弊病，致使鎘鎳電池在鐵道系統應用范圍不斷擴大。如繼電力機車使用后，又用于客車照明、鐵道信號系統、內燃機車啟動和列車尾部安全監控電子守車等。這樣，既促進了鎘鎳電池的技術發展，也使我國鐵道系統應用電池上了新臺階。同時，也形成了鉛酸電池與鎘鎳電池的競爭局面，有利于鎘鎳和鉛酸電池的改進和提高。
1鎘鎳電池的類型及技術發展1.1鎘鎳電池的類型鎘鎳電池是以金屬鎘為負極，氧化鎳為正極，氫氧化鉀（或氫氧化鈉）水溶液為電解液的堿性蓄電池。
我國鎘鎳電池從1955年開始研制至今已有45年了，45年來我國鎘鎳電池經歷了一個高速發展過程，目前鎘鎳電池已開發出6大類產品（幾百個品種）即袋式鎘鎳電池、矩形燒結和全密封鎘鎳電池。目前國內生產量較大，技術較成熟應用較廣泛的是前3類鎘鎳電池，而且這3類鎘鎳電池，在鐵道系統也都得到廣泛應用。因此，我們將對這3類鎘鎳電池進行專門介紹，而后3類鎘鎳電池生產較少應用范圍較窄，如全密封鎘鎳電池只用于衛星上與太陽能電池匹配組成電源系統。
1.23類鎘鎳電池的技術進展1311.2.1袋式鎘鎳電池的技術進展袋式鎘鎳電池是將正極活性物質（氫氧化鎳）和負極活性物質（氧化鎘和四氧化三鐵）分別用穿孔鋼帶包起來，制成類似口袋的極板盒。極板盒在專用設備和工裝上經拼條、壓紋、剪切、裝筋、訂筋、壓槽、切筋頭和焊接等工序做成正、負極板（組），再裝配成袋式鎘鎳電池。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
袋式鎘鎳電池的技術發展大致可分為4個階段，即仿造研制階段、塑殼化階段、中倍率電池系列化階段，第4階段就是目前正在研制開發的高倍率袋式鎘鎳電池和少維護、免維護的袋式鎘鎳電池。
1.2.2矩形燒結式（半燒結）鎘鎳電池的技術發展13矩形燒結式鎘鎳電池是采用沖孔鍍鎳鋼帶在低密度鎳粉和粘合劑（發孔劑）制成的鎳漿中拉漿，經刮漿、干燥和燒結而成燒結基帶。然后，分別在硝酸鎳（正極）和硝酸鎘（負極）溶液中負壓浸漬，經干燥、堿化、水洗和再干燥而獲得正、負極片。用這種正、負極片和隔膜裝配成的電池就是燒結式電池，燒結式電池的比能量比袋式電池高50%左右。燒結式極板較薄，僅為袋式電池的1/4~16內阻小，所以燒結式電池能高倍率和超高倍率電流放電，廣泛用于各類飛機上的應急啟動和隨航備用電源，也用于電力部門的分合閘直流系統配套電源以及鐵道內燃機車的啟動電源。
矩形燒結式電池的技術發展大致可分為4個階段，即仿制階段、技術改進階段（主要對電極性能改進、熱板焊接新技術應用和新材料聚乙烯輻射接枝膜的采用）、矩形半燒結鎘鎳電池開發階段（主要為電力部門開發的經濟實用型電池，即負極不采用燒結式而是粘結式電極）。第4階段就是少維護和免維護（密封型）矩形燒結（半燒結）電池開發。
少維護矩形燒結式電池。為了達到少維護的目的，在技術上主要從3個方面采取措施，一是加大電池殼體尺寸，降低電極高度，增加盛裝電解液的空間。二是對電池氣塞設計要進行特殊處理，既要便于排氣，又要避免電解液的損失和空氣中二氧化碳的進入。三是根據不同的用戶要求選擇好浮充電壓。只要這三項措施有效就能達到少維護目的。
免維護（密封型）矩形燒結式電池。免維護電池屬于密封型電池，在設計原理上與圓柱密封電池類似，即利用“鎘氧循環”原理，采取負極容量過量以利于吸收正極產生的氧氣，在兩極間增設了二次防爆裝置。
1.2.3圓柱密封鎘鎳電池的技術發展141圓柱電池具有體積小、質量輕、密封性好、可以任意位置工作、不需維護、放電電壓平穩、使用溫度范圍寬（可在一40C~+50C下使用）、機械強度好、堅固耐用、部分器具中可以與干電池互換等特點，廣泛用于特種電臺、移動電話、無繩電話、電動工具、電動玩具、應急燈等方面。
我國圓柱密封鎘鎳電池的技術發展一般可分為5個階段，即：基礎研究階段，主要進行材料選擇、工藝參數摸索試驗，擇優選擇最佳工藝路線。
重點發展半燒結板式圓柱電池階段，擴充品種上規模、建立生產線、實現產品系列化。
箔式電極圓柱電池的研制開發階段，使電極的生產實現連續化、自動化、電池裝配單機自動化。
發泡式電極圓柱電池發展階段，發泡式電極的出現，使圓柱電池的比容量上了一個新臺階，由于制造簡單投資少，使圓柱電池的制造廠大大增加，促進了鎘鎳電池的技術發展。
不同性能圓柱電池的高速發展階段。近幾年來，由于不同性能的新電極大量涌現，這些新電極既有我國自主開發的，也有引進國外技術如正極制造的工藝方法就有6種，即袋式、壓成式、燒結式、發泡式、塑料粘結式和纖維式。而負極制造工藝方法除上述6種外還有電沉積式和拉干鎘負極共8種方法。
由于目前電極制造的工藝路線和方法較多，所以要根據用戶不同的技術要求，可選擇不同的電極制造方法，對正、負極進行優化匹配，生產出不同類型的、不同性能的圓柱密封鎘鎳電池。
2我國鎘鎳電池在鐵道系統的應用我國鎘鎳電池是1955年才開始研制生產的，所以鎘鎳電池應用市場基本上是靠擠占鉛酸電池市場，鎘鎳電池在鐵道系統的應用也是如此（電力機車除外）。鎘鎳電池為什么能擠占鉛蓄電池市場，這是因為鉛酸電池長期以來一統天下，沒有競爭對手，不利于技術發展，產品性能水平難以提高。而鎘鎳電池與傳統的鉛酸電池比較，在性能上明顯占優勢，這就為鎘鎳電池擠占鉛酸電池市場提供了條件。
袋式鎘鎳電池GN100型在電力機車上作升降弓的動力備用電源，普遍采用74只單體電池組合，機車正常運行時機車電池組處于浮充電狀態工作，浮充電壓為110V，最大浮充電流為25A，穩定的浮充電流為0.19A左右，斷電后電池組供電其負載電壓92.5伏，電流為15A左右，工作時間可達5h以上。
第1代產品：為鐵殼GN100型電池，在電力機車上已經使用30余年，能滿足電力機車使用的要求，電池工業bookmark4但在使用過程中，也有個別電池在焊縫處滲漏電解液造成爬堿問題。還有因鐵殼電池既觀察不到電解液不便維護又容易引起接地導致短路的問題。
電池采用高強度耐沖擊振動的透明或半透明工程塑料作殼體材料。這樣，既解決了鐵殼焊縫滲漏爬堿問題，又能觀察電解液高度，便于維護，同時還避免了鐵殼易接地導致短路的問題，這一產品，已在江油馬角壩機務段、豐臺西機務段和大同機務段試甩反映良好。
第3代產品：即免維護塑殼堿性鎘鎳蓄電池，長虹電源公司（756廠）已完成實驗室工作，正準備與株洲電力機車廠合作投入生產，裝車試用?，F將三代產品的主要指標列于表1.三代鎘鎳電池的主要指標額定最大外形尺寸質量極柱電池型號容量備注（干態）螺紋第一代產品第二代產品第三代產品（2）在鐵道客車上的應用我國鐵道客車，采用軸驅發電機供電系統，長期以來一直沿用鉛酸電池做配套電源，在使用過程中，鉛酸電池存在的主要問題有壽命短；維護工作量大；充電時酸霧大，腐蝕性強；電池漏液，造成絕緣電阻低，影響列車安全；放電后容量恢復慢等。為此，引起有關單位的注意，最早在鐵道客車上試驗的是國營756廠研制的袋式GN400型鎘鎳電池，于1986年7月在烏魯木齊車輛段鐵道客車上進行了試驗，采用38只單體電池組合，列車運行時由軸驅發電機供電并給電池組浮充電，浮充電壓在60V左右，浮充電流最大40A，最小5A左右，列車停站時由電池組給客車供電（包括照明、電扇等），負載電壓在50伏左右，根據車廂情況不同（如餐車、軟臥、普通）負載電流不一致，最大達40A左右，最小10A左右。試驗結果表明堿性鎘鎳蓄電池完全可以替代鉛酸電池，性能指標也優于鉛酸電池。
1986年11月底，鐵道部機車車輛工業總公司和鐵道部車輛局，在河南新鄉755廠召開了“鐵道客車采用堿性鎘鎳蓄電池可行性探討會議”。會后國營755廠和756廠先后與鐵道部有關單位聯合進行了大量的研制工作，根據不同要求，開發出鐵道客車電池系列產品如GN250-（2）、GN300-、GN40（H2）和GN400-G）等產品，滿足了鐵道客車的需要。電池主要指標要求見表2.表2鐵道客車用鎘鎳電池的主要指標額定最大外形尺寸極柱最大質量電池型號容量（含電液）備注螺紋鐵道客車空調車德國進口車在電氣化鐵道供配電控制系統（含通信信號系統）上應用在電氣化鐵道供配電控制系統（含通信信號系統）中一般選用袋倍率鎘鎳電池，不同于電力機車和鐵道客車上使用的是袋式低倍率電池，因為這類控制系統要求供電電流相對較大。電池工作一般與UPS電源系統或直流屏配合使用，當外電網正常供電時由外電網經UPS電源系統供電，并給電池組浮充電，當外電網出現故障時，由電池組經UPS電源系統供電，電池組作為應急備用電源，這就要求電池具有長期的可靠性和最少的維護。
目前選用袋倍率堿性鎘鎳電池的型號有GNZ75、GNZ100、GNZ150等產品，一般以180只單體電池組合使用，負載要求用0.倍率的電流放電，放電終止電壓在1.16V以上，放電時間不少于6min其浮充電電壓控制在255V~260V之間。袋倍率電池指標見表3.長期以來一直使用NG462型鉛酸電池，由于內燃機車的啟動電流比較大，達2000A左右，鉛酸電池放電倍率比較低，只有把電池做大，提高容量來彌補放電倍率低的問題。前面已介紹過燒結式鎘鎳電池具有很高的放電倍率，就比較適宜用在內燃機車上，如鉛酸電池需要462Ah（容量）的電池才能達到2000A放電要求，而燒結式電池只需要140h（容量）的電池就足以達2000A電流的放電要求，這樣不僅減少了體積和重量，還降低了費用，燒結式鎘鎳電池的體積和重量是鉛酸電池的1左右，而電池組費用僅占鉛酸電池類的23表3袋倍率鎘鎳電池指標額定最大外形尺寸干態質量極柱產品型號容量螺紋在內燃機車上選用的燒結式鎘鎳電池的型號有GNC140和GNC170型，主要用作內燃機車的啟動、照明及輔助電器的直流電源。以78只單體電池為一組，要求電池容量在80%時，仍能以2000A電流啟動內燃機車10次，每次6s，起動終止電壓>82V（每只電池終止電壓>1.05V），電池組浮充電壓110V（每只電池浮充電壓1.41V）這類電池主要指標列入表4中。
表4內燃機車用鎘鎳電池主要指標額定最大外形尺寸最大質量極柱電池型號容量（含電解液）螺紋在列車尾部安全監控裝置（電子守車）上的應用本裝置采用多項高新技術，具有在非電氣化和電氣化鐵道的強干擾下可靠工作的特點。可在列車尾鉤側快速掛拆，替代守車完成守車的各項功能，以確保列車行車安全。該裝置的直流供電電源選用了756廠高性能的箔式燒結式圓柱密封鎘鎳電池，該裝置對電池的特殊要求如下：機械強度好，能在強沖擊和振動的惡劣條件下工作。
定容量水平。
額定容量水平。
長壽命，即按IEC標準（國際電工委員會標準）的充放循環方法要求，充放循環800次，這一指標是IEC標準的2倍（EC標準為400次）。
在地鐵列車上和站上的應用在地鐵列車上作為應急照明和列車操作的備用電池，根據情況可選用袋式低倍率鎘鎳電池（型號有GN60-2等）和袋倍率鎘鎳電池（型號有GNZ130等）分別以75只和84只為一組，單只電池浮充電壓分別為1.48V和1.45V.在地鐵站上與直流屏配合使用作應急備用電源，選用的是燒結式GNG20型電池，一般以180只電池為一組。
在鐵道新研制列車上的應用/h高速列車上應用袋倍率堿性鎘鎳電池其型號為GNZ100型，以78只電池為一組，浮充電壓在1.42+40下能正常工作。
在研制的電氣化鐵路軌道檢測車上選用了袋式低倍率GN200-（3）型和燒結式超高倍率的GNC100型電池。
3結束語從國外鐵道電池應用情況可看出，鐵道專用電池的發展趨勢是由鉛酸蓄電池逐步向鎘鎳電池過渡。發展方向是少維護或免維護鎘鎳電池和長壽命鎘鎳電池以及適應不同性能要求的鎘鎳電池。
只要鎘鎳電池在技術上不斷改進，短期內其它新系列電池（如MH-Ni）蓄電池、鋰離子電池和燃料電池）還不會進入這一市場。隨著鐵道系統技術的進步和發展，預計今后市場也將逐步擴大，鎘鎳電池有望成為鐵道系統應用的主要直流電源。
鎘鎳蓄電池存在環境污染問題，應對廢舊電池進行回收處理。我國這方面工作遠不及發達國家，應該在這方面建立有關制度和法規，由政府扶持強制實施。這樣做，既有利于鎘鎳電池的持續發展，也有利于資源充份利用和減少環境污染。
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