VRLA电池的半个世纪

VRLA电池的半个世纪：

尽管它的发明历史和革命性化学是一个迷人的故事，但VRLA电池的商业成功之路同样复杂而迷人。其中一些预示着电池国际，但故事一直持续到今天。

从构思到大规模生产……到起止

ATLASBX第一家认真考虑进一步开发VRLA电池的公司是盖茨橡胶公司，该公司也在1972年注册了这方面的第一项专利——详情请见第110页。

盖茨公司是美国大的私营公司之一，其业务主要集中在汽车行业、工业橡胶产品和石油资产开发。盖茨橡胶公司是其最大的子公司，约占公司总收入的75%，被认为是世界上最大的非轮胎橡胶公司。

该公司于20世纪60年代进入电池制造领域，并开发了最初的VRLA电池——如前一篇文章所述。但是它最终的商业化是由于20世纪70年代一次不太可能的相遇和最终与氯的技术合作。

亚瑟·德·利特尔组织建议盖茨，适合在无绳工具中使用的小型密封充电电池将是一种很好的产品，可以和其他汽车设备一起在前院销售。该公司雇佣了一组研究人员和科学家，他们大多对镍镉电池等小型碱性电池有经验，这些电池当时很受欢迎，但价格昂贵。

20世纪50年代，德国AFA的科学家开发并生产了小型镍镉电池，这种电池的工作原理是在充电过程中放出的氧气在镉负极重新结合，产生水。它们不需要维护，可以密封，在便携式工具、设备和报警器中很受欢迎。

盖茨团队包括约翰·德维特和已故的唐·麦克利兰，他们是1972年专利的共同发明人。他们的工作从1965年开始，主要集中在低成本电池上，如镍锌和铅酸。

除了这个项目，该公司几乎没有主流电池制造和生产的背景或经验。

另外，氯已经研究类似的概念一段时间了。这项工作的催化剂是镍镉电池的成功，现在镍镉电池越来越多地用于便携式工具和设备。除了是密封装置，免维护，并能在镉电极充电期间将氧气转化为水，它们还能防止泄漏，不会排放有毒和危险气体。

氯化物研究探索了类似的设计和机制是否会在铅酸电池中发挥作用。当时，带有固定电解质的凝胶电池被用于该市场，主要制造商是伏卡拉托伦索南施。它们是不可柱撑的，但是凝胶容易干燥和破裂，性能迅速下降。

肯·彼得斯将在VRLA电池的商业开发中发挥重要作用。他在蒙特菲奥雷·巴拉克的指导下加入了氯化物电存储公司的新R&D工厂，蒙特菲奥雷·巴拉克是一位魅力非凡的新西兰人，是他那一代杰出的研究领导人之一。

他早期的任务包括为英国海军部开发鱼雷电池电镀工艺，为SLI电池开发浸渍纤维素隔板。随后在氯化物工厂生产，并在新设计的氧化物磨中对铅氧化物进行评估和鉴定。

1957年，他被任命为铅酸开发集团经理，手下有一批化学师、工程师和技术人员，从事工艺和产品开发，包括氧化物、添加剂/膨胀剂、合金、网格、板和电池设计的研究。

高锑合金是行业标准，随着晶粒的使用，精炼添加剂以提高铸件和延展性，锑含量逐渐降低，从而形成耐腐蚀网格，并减少使用中的水损失。

为了优化负极板的性能和提高其稳定性，对各种膨胀器进行了研究。几项专利已经提交，在某些情况下，这项工作对外公布。1997年为先进铅酸电池联盟(ALABC)编写了一份关于负极板的报告。

1958年，氯集团、美国的蓄电池公司和当时三大电池制造商德国的阿库塔隆公司(AFA，后来的瓦尔塔)签订了技术交换协议。

这两家公司的高管定期在美国、德国或英国开会，与知名电化学学家讨论和交流技术。这一安排随后被裁定为非法，几年后被取消。

早期的研究课题包括通过测量不同充电速率和温度下阴极氢和阳极氧的释放速率来研究正负极板的电荷接受和充电效率。

它展示了负极板的高充电效率，根据速率和温度，在一段时间内保持在100%。

该研究报告于1970年在国际能源研讨会(IPSS)上发表。除此之外，彼得斯还研究了负极板的氧化，主要是为了评估与密封镍镉电池类似的氧复合循环的可行性……在高充电速率下发现良好的复合效率是可行的，饱和是主要的控制参数。

随后，几百个D电池用卷绕电极制成，但是性能相对较差，并且由于氯在小型消费电池市场上很少出现，所以开发被搁置。在1972年IPSS会议上介绍了它的工作，并与类似尺寸的镍镉电池和莱克伦切电池的性能进行了比较。

“Torquestarter was a good battery with distinctly beneficial features but the higher cost of purchase was difficult to justify,” says Peters.

“Some 20 years later with demands for improved fuel economy and low emissions, car manufacturers are now prepared to modify the car’s electrical system and the improved features of VRLA designs can be very advantageous.

“Since these batteries are truly maintenance free and unspillable, designers are amenable to locating the battery away from the engine compartment and in positions where easy access is not essential.

“The support provided by the compressed glass separator results in a more durable battery with service life much improved on cycling and on difficult terrain. They are lighter than flooded designs and with the low internal resistance, starting power is much superior. As a consequence they are usually preferred in the cleaner stop-start mini-hybrid vehicles.”

偶然相遇

这是1972年会议上的一次偶然会议，使两家公司走到了一起。

在那次会议上，盖茨橡胶公司的唐·麦克莱兰与彼得斯讨论了这个概念。麦克莱兰和他的共同发明人约翰·德维特一直在沿着类似的路线工作，随后送彼得斯大约50 D大小的密封铅电池进行测试。

他们使用高度多孔和可压缩的玻璃滤纸作为分离器(1975年公布的美国专利3862861的主要发明权利要求)，并且电池具有高功率能力，循环良好，并且可以在没有水损失的情况下广泛充电。

曼彻斯特克利夫顿路口的氯化物工厂

经过测试，彼得斯向他的管理层建议，类似的方法，但棱柱形设计，而不是缠绕圆柱形，可以用于氯化物的主要工业和汽车行业，以获得巨大的利益。1973年初，他被邀请到科罗拉多州丹佛市参加盖茨管理委员会的一次会议。他们几乎没有电池行业的经验或背景，并详细解释了该技术和潜在市场。

与盖茨成立了一个联合工作组来考虑前进的道路。盖茨热衷于保留卷绕式电池的设计，但其制造过程缓慢、昂贵且废品率高，很难看出这种方法如何能够以所需的数量和可接受的成本制造工业和汽车应用所需的更大电池。

与会者商定了不同的方法。盖茨将继续按照最初的目标开发和生产小型卷绕式消费电池，氯代公司将为汽车和工业市场开发和制造更大的棱柱形设计，不受专利限制和版税的影响，以此换取改善盖茨生产运营的建议。

科罗拉多州丹佛市的大门工厂(拆除前)

那一年是1974年，此时氯化物已经获得了开始开发工业规模原型的许可。

在接下来的几个月里，原始技术在几个方面得到了改进。一个关键突破是提高分离器技术。

这是设计和专利权利要求的关键组成部分。纯度、在腐蚀性环境中的稳定性以及容纳必要量电解质并允许足够气体传输的高度多孔微毛细管结构至关重要。

盖茨使用了定制的昂贵的超细玻璃滤纸。氯化物提炼出所需的产品，并在英国找到合适的供应商，以可接受的成本进行生产。进行了大量试验来确定设计参数。开发了充酸方法、地层时间表和组装程序，低压单向阀与容器结构改进一起设计。

首次使用

最初考虑了快速增长的电信和不间断电源市场，并联系了主要客户英国电信。当时传统的备用电源是位于中央车站的大型普朗泰电池，通常位于大型城市的建筑物地下室，通常顶部敞开，需要经常维护，导致有害和危险的工作环境。

英国电信对这一安排表示担忧，并希望转向分布式和局部供电，认真考虑使用更昂贵的镍镉电池代替铅酸。

新设计的阀控式铅酸蓄电池比现有的蓄电池小得多，额定功率也高得多，并且没有水损失或气体逸出。它们可以放在办公室的电源架或橱柜上，也可以放在最终用户最方便的地方。氯化物开始开发专门用于电信行业的塑料容器设计。

细胞在1978/1979年被提供给英国电信进行试验并生产。“诉讼始于1983年。到1989年，英国电信公司已经在他们的X系统数字电话交换机的电源机架上安装了500，000个2V/100Ah阀门调节电池，并以每年120，000个的速度安装它们。1990年，他们报告了可靠性，基于平均故障间隔时间超过他们的目标。

几年内，世界范围内采用了具有类似阀门调节电池的分布式电源。在需要的地方安装在架子和橱柜中，零维护，无有害气体，节省空间，更可靠。氯化物在20世纪80年代和90年代是该行业最大的供应商。

钨酮公司将成为霍克西德利集团的一部分，它也瞄准电信部门，提供非常相似的产品，并直接与氯竞争。它与英国电信广泛合作，并在业务中占有很大份额。

随后，类似的VRLA设计在世界范围内被用于电信系统，也用于应急电源，其中低内阻和高功率性能是主要优势。

除日本汤浅电池公司外，其他制造商向盖茨公司支付了20年专利使用费。汤浅对盖茨的专利提出上诉

它拥有使用玻璃微纤维分离器的现有技术，这是盖茨专利的主要权利要求。它成功地在法庭上起诉了盖茨。

这种专利的一面很有趣。盖茨的原始专利于1992年正式到期，但是商业引进的延期是可能的。因为他们的协议，氯化物从未支付盖茨版税。包括钨酮在内的其他公司也这样做了，而汤浅则赢得了针对盖茨的专利诉讼，声称自己了解一些现有技术

杰弗里·梅现在是一名顾问，但以前是氯化物和钨酮公司的高管，他说电信行业是第一个真正理解并接受这项技术潜力的行业。“他们开发了一种6伏电池，非常成功。英国电信大规模推出这项服务，其他电信公司紧随其后，”梅说。

所有这些都与电池的AGM形式有关。凝胶版本的开发由德国的Accumulatorenfabrik Sonnenschein公司承担。

使用凝胶电解质，隔膜不再是一个关键的、难以制造的部件，并且循环寿命增加了，在某些情况下显著增加。

进军汽车行业

在备用电池工作的同时，20世纪80年代中后期，氯化物开始研究一种适用于汽车的设计。出于同样的原因，这项技术在电信领域取得了成功，人们相信它也能彻底改变汽车用电池。

该公司开始开发阀控式汽车电池，这些电池具有类似的有益特性，即防漏和防溢、零维护、改进的循环性能、大大提高的起动性能以及双端子(顶部和侧面)、多个压紧装置、提手和可堆叠功能，所有这些在当时都很新颖。

肯·彼得斯将在VRLA电池的商业开发中发挥重要作用。

第一个真正进行测试的市场是澳大利亚，主要是因为担心其主要竞争对手太平洋邓洛普公司将推出其新开发的脉冲星电池并威胁其业务。

该电池(TorqueStarter)于1984年在澳大利亚布里斯班开始生产。这种电池取得了成功——不是在原始设备市场，而是作为更好的替代产品在市场上销售。

在强大的市场运作的支持下，这种电池繁荣了几年，之后太平洋邓洛普公司在澳大利亚收购了氯，并逐步淘汰这种电池，转而采用自己的技术，包括脉冲星。

氯公司随后希望在其他工厂推广这一设计，包括英国的达格南工厂、南非的贝诺尼工厂和美国佛罗里达州的坦帕工厂。成功的制造需要更严格的部件公差和更高的纯度水平，所有这些都需要更高的成本，估计约为10%。

已经进行了几次尝试，特别是在美国，以说服车辆制造商接受转矩起动器设计作为原始设备，但是现有的电池是足够的，更高的成本是不可接受的。

坦帕和贝诺尼生产的电池因早期故障出现质量问题，一年后停产。

在澳大利亚和英国，经过良好的早期销售后，需求因价格下降，三年后生产停止。

彼得斯说:“转矩起动器是一种很好的电池，具有明显的优点，但是较高的购买成本很难证明是合理的。”。

“大约20年后，随着对提高燃油经济性和低排放的需求，汽车制造商现在准备修改汽车的电气系统，VRLA设计的改进功能可能非常有利。

“由于这些电池是真正免维护且不可拆卸的，因此设计人员可以将电池放置在远离发动机舱的位置，并且放置在不需要方便接近的位置。

“压缩玻璃隔板提供的支撑使电池更加耐用，在骑行和困难的地形上使用寿命大大提高。它们比淹没式设计轻，内阻低，启动功率更高。因此，它们通常在清洁的启停小型混合动力汽车中更受青睐。”

最近，类似的阀门调节设计已经用于汽车的高级设计中，为定位提供了自由，提高了循环性能，并支持旨在提高燃油经济性和减少排放的变化。

彼得斯说:“你必须记住，在20世纪80年代和90年代，使用阀控电池本身并没有真正的好处，因为人们对它们的好处并不敏感。制造商和客户只是基于价格而不是其他因素购买。他们只是想要任何电池来做这项工作。”

彼得斯说，如果制造正确，这是一个非常好的产品。“这是一个优秀的设计。电池可堆叠，易于操作，它们有多个端子。我们还开发了非常高质量的制造业，但在世界其他地方并不总是那么容易。”

尽管有好处，但10%到20%的额外成本被视为令人望而却步。“市场完全基于价格，对汽车制造商没有任何好处，人们认为现有电池足够了。很难获得牵引力，”彼得斯说。

直到过去十年，VRLA电池才在汽车市场取得突破，而这些突破是由制造商降低排放和减少汽车碳足迹的压力推动的。

彼得斯和电池传奇恩斯特·沃斯在20世纪70年代的一次会议上

梅同意，汽车市场根本不愿意购买更贵的产品，尽管事实证明它性能更好。“那个市场对价格非常敏感，无论他们是否有更好的技术规格，在那个时候都不可能取得商业成功，”他说。

“这与备用电源业务形成鲜明对比，备用电源业务对生命和性能优势有容忍度。汽车工业花了几年时间才意识到它可以提供的技术解决方案。此外，启停技术的发展和采用对VRLA电池在这一领域的发展尤为重要。”

彼得斯说，虽然不同的汽车制造商对他们更喜欢哪种电池有不同的看法，但他相信VRLA电池在汽车市场仍有很大的前景。

“现在的设计允许巨大的功率密度，这一概念仍然具有巨大的潜力。我认为这将是铅酸电池的未来，”他说。

盖茨后来将其英国业务出售给霍克电池公司，后来成为霍克能源产品公司，成为BTR/英维思公司的一部分。它将棱形电池的范围从飞机电池范围扩大到备用电源，成为业务的支柱。

盖茨那时已经将其美国电池制造业从丹佛转移到密苏里州的沃伦斯堡，当盖茨关于VRLA电池的原始专利到期时，它所享受的收入流枯竭了，它也将这项业务卖给了霍克。

这两家公司多年来都在扩张，现在都是EnerSys的一部分，后者是从英维思收购的。

彼得斯与AFA研究主任汉斯·博德(中)和氯化物
技术主任蒙特菲奥雷·巴拉克，
20世纪60年代的某个时候

它提供的薄板纯铅产品仅由有限的几家公司制造，与其他类型的VRLA电池相比，是一种优质产品。

在过去的15年或更长时间里，VRLA AGM电池已经成为备用电池的主要产品，对于汽车的微型混合动力/启停应用非常重要，并且广泛用于循环服务的电池中。

中国作为小型和大型备用电池的领先供应商占据主导地位，所有主要电池制造商都有完整的产品组合。

彼得斯于1991年从氯公司退休，此后一直为美国和欧洲的电池公司和供应商提供建议。他是《电源杂志》编辑委员会成员20年，在欧洲铅酸电池会议技术咨询委员会任职25年。

梅继续在该行业的许多方面担任顾问。