在數(shù)據(jù)中心和通信行業(yè)，會(huì)用到很多蓄電池，這些蓄電池可作為交流不間斷電源系統(tǒng)、直流電源系統(tǒng)備用電源，又可作為油機(jī)等起動(dòng)動(dòng)力電源，還可作為高壓配電系統(tǒng)中的直流操作及控制電源。通信行業(yè)會(huì)最早使用的是干電池，最常用的是鉛酸電池，隨著技術(shù)的進(jìn)步和行業(yè)的發(fā)展，鐵鋰電池、燃料電池和光伏電池等新技術(shù)電池也在逐漸推廣和應(yīng)用中。

一、干電池

        干電池結(jié)構(gòu)：這是最早被使用的電池，普通干電池大都是錳鋅電池，中間是正極碳棒，外包石墨和二氧化錳的混合物，再外是一層纖維網(wǎng)，網(wǎng)上涂有很厚的電解質(zhì)糊，其構(gòu)成是氯化氨溶液和淀粉，另有少量防腐劑，結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 干電池結(jié)構(gòu)

        干電池工作原理： 干電池的主要工作原理就是氧化還原反應(yīng)在閉合回路中實(shí)現(xiàn)，化學(xué)方程式為：Zn+2MnO2+2NH4Cl=ZnCl2++Mn2O3+2NH3+H2O，金屬鋅皮做的筒，也就是負(fù)極，電池放電就是氯化氨與鋅的電解反應(yīng)，釋放出的電荷由石墨傳導(dǎo)給正極碳棒，鋅的電解反應(yīng)會(huì)釋放氫氣的，這氣體是會(huì)增加電池內(nèi)阻的，和石墨相混的二氧化錳就是用來(lái)吸收氫氣。

二、鉛酸蓄電池

 2.1鉛酸蓄電池結(jié)構(gòu)

        主要由正極板、負(fù)極板、電解液、隔板、電池槽和安全閥等組成，結(jié)構(gòu)如下圖2所示，正常情況，電池單體標(biāo)稱電壓2V，電池充滿電后單體端電壓為2.1V，如圖3。通信用閥控電池的單體浮充電壓為2.23-2.25V，均充電壓為2.3-2.4V，通常由24節(jié)電池串聯(lián)組成-48V電池組。

圖2 蓄電池結(jié)構(gòu)  

  圖3 蓄電池電壓

 2.2鉛酸蓄電池工作原理

        “雙極硫酸鹽化理論”最能說(shuō)明鉛酸蓄電池工作原理，鉛酸蓄電池在放電時(shí)，正負(fù)極的活性物質(zhì)均變成硫酸鉛（PbSO4），充電后又恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，即正極轉(zhuǎn)變成二氧化鉛（PbO2），負(fù)極轉(zhuǎn)變成海綿狀鉛（Pb）。如下圖4所示。

圖4 蓄電池工作原理

2.3蓄電池放電

        電流從正極經(jīng)外電路流向負(fù)極，再由負(fù)極經(jīng)內(nèi)電路流向正極，電池向外電路輸送電流的過(guò)程，叫做電池的放電。在放電過(guò)程中，兩極活性物質(zhì)逐漸被消耗，放電過(guò)程中兩極都生成了硫酸鉛，隨著放電的不斷進(jìn)行，硫酸逐漸被消耗，同時(shí)生成水，使電解液的濃度逐漸降低，圖5。

圖5 蓄電池放電

2.4蓄電池充電

        放電以后，外來(lái)直流電源以適當(dāng)?shù)姆聪螂娏髯⑷?，這種反向電流使活性物質(zhì)還原的過(guò)程叫做充電。鉛酸蓄電池的充電反應(yīng)是放電反應(yīng)的逆反應(yīng)，正負(fù)極板上的硫酸鉛分別變成二氧化鉛和海綿狀鉛，電解液中的水分子不斷消耗，硫酸分子不斷生成，電解液密度不斷升高，圖6。

圖6 蓄電池充電

2.5蓄電池容量下降原因

        電池池失水、硫酸鹽化、極板腐蝕、正極板腐蝕和泥化脫落等情況會(huì)導(dǎo)致電池容量下降或者提前失效。

        1）電池失水

        電池充電后期存在副反應(yīng)，電解水反應(yīng)導(dǎo)致氣體析出，水分損失一定程度后，內(nèi)阻增大，電池容量下降，圖7。 

圖7 電解液濃縮導(dǎo)致容量下降

    導(dǎo)致電池失水原因：充電電壓過(guò)高；充電電流大；電池內(nèi)部溫度高；運(yùn)行環(huán)境溫度高；電池密封不良（安全閥、端子、槽蓋）；殼體裂紋等。

        2）硫化

        負(fù)極板的表面附著一層白色堅(jiān)硬的硫酸鉛結(jié)晶體，充電后依舊無(wú)法轉(zhuǎn)化為活性物質(zhì)，簡(jiǎn)稱“硫化”，圖8。

圖8 極板硫化

        硫化的原因：蓄電池長(zhǎng)期充電不足或放電后沒有及時(shí)充電，部分PbSO4溶解后析出并在極板結(jié)晶形成硫化；電解液液面過(guò)低，使極板上部與空氣接觸而被氧化后硫化；長(zhǎng)期過(guò)量放電或小電流深度放電，使極板深處活性物質(zhì)的孔隙內(nèi)生成PbSO4。

3）極板腐蝕

        電池極板發(fā)生腐蝕，導(dǎo)致電池失效。

        極板柵腐蝕的因素：參數(shù)設(shè)置不合理，充電電壓過(guò)高，電池過(guò)充電，板柵腐蝕速率越快。電池使用環(huán)境溫度過(guò)高，腐蝕速度加快。電解液密度越高，板柵腐蝕速率越快。 板柵合金材質(zhì)不純，或鑄造工藝不合理，板柵內(nèi)部存在氣孔。板柵厚度設(shè)計(jì)太薄，設(shè)計(jì)板柵厚度應(yīng)高于3.0 mm。

4）熱失控

        電池工作環(huán)境溫度過(guò)高或充電電壓過(guò)高，沒有配置溫度補(bǔ)償功能，蓄電池內(nèi)部溫度升高，電池內(nèi)阻下降，充電電流又升高，電池內(nèi)阻進(jìn)一步降低 ，形成惡性循環(huán)。

        引起電池?zé)崾Э氐脑颍涵h(huán)境溫度過(guò)高；電池參數(shù)設(shè)置不合理，導(dǎo)致電池過(guò)充電。安全閥失效，電池內(nèi)部壓力過(guò)大。

5）正極板泥化脫落

        泥化原因：電池充放電過(guò)程中，正極活性物質(zhì)在PbO2和PbSO4之間轉(zhuǎn)化。正極反應(yīng)物的體積變化，PbSO4體積是PbO2體積的2.68倍。正極活性物質(zhì)是非常堅(jiān)硬的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，正極活性物質(zhì)的體積在不斷反復(fù)收縮和膨脹，就使二氧化鉛粒子之間的相互結(jié)合逐漸減弱，造成正極活性物質(zhì)泥化。 

        影響因素：頻繁放電，加速正極活性物質(zhì)的體積膨脹和收縮，從而導(dǎo)致電池極板的快速軟化。參數(shù)設(shè)置不合理，電池過(guò)充電或過(guò)度放電，正極活性物質(zhì)體積變化過(guò)大，加快活性物質(zhì)軟化速率，提前失效。

三、鐵鋰電池

       磷酸鐵鋰電池簡(jiǎn)稱鐵鋰電池，采用橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4作為電池的正極，由鋁箔與電池正極連接，中間是聚合物的隔膜，它把正極與負(fù)極隔開，但鋰離子可以通過(guò)而電子不能通過(guò)，右邊是由石墨組成的電池負(fù)極，由銅箔與電池的負(fù)極連接。電池的上下端之間是電解質(zhì)，電池由金屬外殼密閉封裝，如圖9。電池在充電時(shí)，正極中的鋰離子通過(guò)聚合物隔膜向負(fù)極遷移；在放電過(guò)程中，負(fù)極中的鋰離子通過(guò)隔膜向正極遷移，鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時(shí)來(lái)回遷移而命名的。

  圖9 鐵鋰電池結(jié)構(gòu)圖  

3.1電池充電

        充電時(shí)，鋰離子在電場(chǎng)力的作用下，從磷酸鐵鋰晶體表面，進(jìn)入電解液，穿過(guò)隔膜，再遷移到石墨晶體的表面，然后嵌入石墨晶格中。鋰離子從磷酸鐵鋰脫嵌后，磷酸鐵鋰轉(zhuǎn)化成磷酸鐵，過(guò)程如圖10。

圖10 電池充電模式

3.2電池放電

        放電時(shí)，鋰離子從石墨晶體中脫嵌出來(lái)，進(jìn)入電解液，穿過(guò)隔膜，遷移到磷酸鐵鋰晶體的表面，然后重新嵌入到磷酸鐵鋰的晶格內(nèi)。過(guò)程如圖11。

圖11 電池放電模式

        磷酸鐵鋰電池單體標(biāo)稱電壓3.2V，單體充電電壓為3.7V，放電終止電壓為2.5V，電池模組由電池單體和電池管理系統(tǒng)（BMS）組成，通常由15節(jié)或16節(jié)單體串聯(lián)組成-48V電池模組，推薦15節(jié)。

四、燃料電池