鉛酸蓄電池原理講解

1、鉛酸蓄電池,第一節(jié) 鉛酸蓄電池基本知識,作用：是貯存太陽能電池方陣受光照時所發(fā)出電能并可隨時向負載供電。,太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)對蓄電池的基本要求是：,①使用壽命長；,②自放電率低；,③深放電能力強；,④充電效率高；,⑤少維護或免維護；,⑥工作溫度范圍寬；,⑦價格低廉。,一、鉛酸蓄電池的發(fā)展,鉛酸蓄電池是1859年卡斯通和普朗特(Gaston&Plante) 發(fā)明的。,他們用兩片鉛片作電極，中間隔以橡皮卷成的細螺旋作隔板，浸

2、在10%的硫酸(H2SO4)溶液(密度1.06g/cm3)中，構成一個鉛酸蓄電池。,由于它的主要原料是鉛和酸，因而稱為鉛酸蓄電池或簡稱為鉛蓄電池。,1906年，普朗特向法國科學院提交了一個由9個單體電池構成的鉛酸蓄電池，這是世界上第一個鉛蓄電池——普朗特電池。,但普朗特電池存在著電極活性物質利用率低、化成時間相當長、電池放電容量不大等問題，所以沒有獲得工業(yè)上的應用。,鉛的氧化物和硫酸混合可制成膏劑——鉛膏，涂在鉛片上可大大縮短化成時間，

3、電極利用率和電池放電容量也大為提高。,1881年，富爾(Faure)發(fā)明了涂膏式極板，但它的一個嚴重缺陷是鉛膏容易從鉛板上脫落。,1881年末，有人提出了柵形板柵的設計，即將整體的平面鉛板改成多孔板柵，將鉛膏塞在小孔中。這種極板在保持活性物質不脫落方面比整體平面鉛板好。,1882年，以鉛銻合金(Pb—Sb)作板柵，增強了硬度。,鉛粉、鉛膏、合金板柵作為現(xiàn)代鉛酸蓄電池極板結構就此確定下來。,傳統(tǒng)的澆鑄方式是將熔融的鉛液注入板柵模具中鑄造而

4、成。一般是一次鑄成2片板柵，因凝固時間長，生產效率低下。另外，1mm以下的薄型板柵鑄造成形有一定的難度。但這種模具也有體積小、便于倒班、成本低、設計靈活等優(yōu)勢。,板柵的制造,1910年開始，鉛酸蓄電池生產得到充分發(fā)展。,1957年原西德陽光公司制成膠體密封鉛酸蓄電池并投入市場，標志著實用的密封鉛酸蓄電池的誕生。,原因：一是汽車數(shù)量的快速增長，帶動了用于啟動、照明和點火的蓄電池的發(fā)展；其次是電話業(yè)采用鉛酸蓄電池作為備用電源，并要求安全可靠

5、又能使用多年，使得蓄電池開始廣泛用于汽車、鐵道、通信等工業(yè)。,1971年美國Gates公司生產出玻璃纖維隔板的吸液式電池，這就是閥控式密封鉛酸蓄電池(VRLA電池)。,VRLA電池商業(yè)化應用30年來，盡管出現(xiàn)過一些問題，如漏液、早期容量損失、壽命短等，曾一度引起人們的懷疑，但經過多年的努力，其設計技術有了很大的發(fā)展，并沿用至今。,二、VRLA電池的結構和原理,（一）結構,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,負極板,隔 板,正極板

6、,殼體采用耐酸、耐熱和耐震的硬橡膠或聚丙稀塑料制成整體式結構，殼體內分成６個互不相通的單格，每個單格內裝有極板組和電解液組成一個單格的蓄電池。,殼體的底部有凸起的筋，用來支撐極板組，并使極板上脫落下來的活性物質落入凹槽中，防止極板短路。,殼體,（1）極板(板柵 ):以鉛銻合金為骨架，上面緊密地涂上鉛膏，經過化學處理后，正、負極板上形成各自的活性物質，正極的活性物質是PbO2，負極的活性物質是海綿鉛，在成流過程中，負極被氧化，正極被還原，

7、負極板一般為深灰色，正極板為暗棕色。,（2）隔板：隔板有水隔板、玻璃纖維隔板、微孔橡膠隔板、塑料隔板等，隔板的作用是儲存電解液，氣體通道，使正、負極間的距離縮到最小而互不短路；隔板可以防止極板的彎曲和變形，防止活性物質的脫落，要起到這些作用，就要求隔板具有高度的多孔性、耐酸、不易變形、絕緣性能要好，并且有良好的親水性及足夠的機械強度。,（二）主要零部件及作用,（3）電解液：鉛酸蓄電池一律采用硫酸電解質，是電化學反應產生的必需條件。,對于

8、膠體蓄電池，還需要添加膠體，以便與硫酸凝膠形成膠體電解質，此時硫酸不僅是反應電解質，還是膠體所需的凝膠劑。一定濃度的硫酸配比一定濃度的硅凝膠，即成為軟固體狀的硅膠電解質。堿性蓄電池的電解液是22％～40％濃度的氫氧化鉀溶液。,（4）電池槽及槽蓋：蓄電池外殼，它為整體結構，殼內由隔壁分成三格或六格互不相通的單格；其底部有突起的肋條，用來擱置極板組；肋條間的空隙用來堆放從極板上脫落下來的活性物質，以防止極板短路。槽的厚度及材料直接影響到電池

9、是否鼓脹變形。外殼材料一般是用橡膠或工程塑料，如PVC或ABS槽蓋。,（三）基本反應原理,當用連有電流計的導線連接兩極時，可以觀察到三個重要的現(xiàn)象：,Zn棒逐漸溶解，銅棒上有氣體溢出，導線中有電流流過,此反應的實質是：,組成蓄電池需要有兩個條件：,一是必須把化學反應中失去電子的過程(氧化過程)和得到電子的過程(還原過程)分割在兩個區(qū)域進行；,二是物質在進行轉變的過程中，電子必須通過外線路。,鉛酸蓄電池的工作原理：,包括放電過程和充電過程

10、。,(1)放電過程,負極板:一方面鉛板有溶于電解液的傾向，因此有少量鉛進入溶液生成Pb2+(被氧化)而在極板帶負電；另一方面，由于Pb2+帶正電荷，極板帶負電荷，正、負電荷又要相互吸引，這時Pb2+離子又有沉附于極板的傾向。這兩者達到動態(tài)平衡時，負極板相對于電解液具有負電位，其電極電位約為-0.1V。,Pb2+和電解液中解離出來的SO42-發(fā)生反應，生成PbSO4，且PbSO4的溶解度很小，所以生成后從溶液中析出，附著在電極上，反應式為

11、：,正極放電時有少量PbO2進入電解液與H2O發(fā)生作用，生成Pb(OH)4；而它不穩(wěn)定，又很快電解成為Pb4+和OH-， Pb4+沉附在正極板上，使正極板具有正電位，達到動態(tài)平衡時，其電極電位約為+2.0V。,電解液中存在的H+ 和SO42-在電場的作用下分別移向電池,當Pb4+沉附到正極板上時，這時通過外線路來的2個電子被Pb4+俘獲，生成Pb2+又與電解液中的SO42-發(fā)生反應，變?yōu)镻bSO4 ，這些PbSO4以固體形式被吸附在正極

12、板上。,的正負極，在電池內部產生電流，形成回路，使蓄電池向外持續(xù)放電。所以正極上的反應為：,放電過程是化學能變成電能的過程，這時正極的活性物質PbO2變?yōu)镻bSO4，負極的活性物質海綿鉛變?yōu)镻bSO4，電解液中H2SO4分子不斷減少，逐漸消耗生成H2O，H2O分子相應增加，電解液的相對密度降低。,所以放電過程總的反應,(2)充電過程：,即將電能變成化學能。,充電時，負極板上的PbSO4進人溶液，解離成Pb2+與SO42-。電解液中的H2

13、O解離成H+與OH-。在負極上，充電時負極板上的Pb2+這時獲得兩個電子，被還原成Pb(以海綿狀固態(tài)析出)，這時電解液中的H+移向負極，在負極附近與SO42-結合成H2SO4 。,負極反應為：,正極板上的Pb2+在外電源作用下被氧化，失去兩個電子變?yōu)镻b4+，它又與OH結合生成Pb(OH)4，然后又分解為PbO2和H2O，而SO42-離子移向正極與H+結合生成H2SO4,所以充電過程總的反應,充電過程中，正、負極板上的有效物質逐漸恢復，

14、電解液H2SO4比重逐漸增加，所以從比重升高的數(shù)值也可以判斷它充電的程度。電解液中，正極不斷產生游離的H+和SO42- ，負極不斷產生SO42- ，在電場的作用下，H+向負極移動， SO42-向正極移動，形成電流。,到充電終期，PbSO4絕大部分反應為PbO2和海綿狀Pb，如繼續(xù)充電，就要引起水的分解，正極放出O2，負極放出H2,三、鉛酸蓄電池制造的工藝流程,按化成方式的不同，將電池工藝流程分為生極板系列電池和熟極板系列電池。其中熟極板

15、系列需要進行槽式化成，即將極板放在專門的化成槽中，多片正、負極板相間連接，灌入電解液，與直流電源連接，進行充放電化成。生極板不需要專門的化成槽，而是將生極板裝配成極群組裝入電池殼內，灌滿電解液，通電進行化成。,生極板的化成工藝流程，避免了生極板在槽化成中化成時析出氣體攜帶酸霧造成的環(huán)境污染，同時也減少了化成后的洗滌干燥等工序，相對于槽化成工藝有明顯的優(yōu)越性。但對于高型蓄電池(800A·h以上的電池)，由于極板比較高而厚，采用內

16、化成工藝極板較難化透，容量往往不合格，因此還是采用槽化成工藝。,四、鉛酸蓄電池的分類、命名和一些常用術語,(一)鉛酸蓄電池的分類,1．按照電解液數(shù)量和電池槽結構分為傳統(tǒng)開口鉛酸蓄電池和閥控式密封鉛酸蓄電池。前者為開口半密封式結構，電解液是處于富液狀態(tài)，使用過程中需要加水調節(jié)酸密度。后者為全密封式結構，電解液為貧液狀態(tài)，使用過程中不需要進行加水或加酸維護，簡稱VRLA電池。,2．按照電池的用途分為循環(huán)使用電池和浮充使用電池。浮充電池主要是

17、后備電池。循環(huán)和啟動使用的電池有鐵路電池、汽車電池、太陽能蓄電池、等類型。,3．按照電池的使用環(huán)境分為移動型電池和固定型電池。固定型電池主要用于后備電源，廣泛用于郵電、電站和醫(yī)院等, 主要是密封型VRLA電池和傳統(tǒng)富液電池。移動型電池主要有內燃機車用電池、鐵路客車用電池、摩托車用電池、電動汽車等。,(二)蓄電池的命名方法、型號組成及其代表意義,3 — G F M — 500,固定型,閥控式,密 封,500A.h,三個單體,6V,,,,,

18、,6 — G F M J — 100,固定型,閥控式,密 封,100A.h,六個單體,12V,,,,,,膠體,,(三)蓄電池的常用術語,1、蓄電池容量,完全充電后放電到規(guī)定的終止電壓時所能給出的電量。,符號：C,2、放電率,——以某電流放電到規(guī)定的終止電壓時所經歷的時間,標識：20h、10h、5h、3h、1h、0.5h,C20=100A·h,放電電流為5A,啟動型，以20h率標定，表示C20,20h放電率,例：C=120A&#

19、183;h,固定型，以10h率標定，表示C10,3、終止電壓,電池放電時電壓下降到不宜再放電時(至少能再反復充電使用)的最低工作電壓。,一般的終止電壓為1.80V／單體。,5、循環(huán)壽命,蓄電池經歷一次充電和放電，稱為一次循環(huán)(一個周期)。,在一定放電條件下，電池使用至某一容量規(guī)定值之前，電池所能承受的循環(huán)次數(shù)，稱為循環(huán)壽命。,4、放電深度（DOD）,指蓄電池放出的容量占該電池額定容量的比值。,17%~25%,淺循環(huán),30%~50%,中等

20、循環(huán),60%~80%,深循環(huán),6、電池內阻,歐姆內阻：,主要由電極材料、隔膜、電解液、接線柱。,等構成，也與電池尺寸、結構及裝配有關。,極化內阻：,電池放電或充電過程中兩電極進行化學反,應時極化產生的內阻。,內阻嚴重影響電池工作性能，因而愈小愈好。,(四)VRLA電池分類,AGM電池：,主要采用AGM(玻璃纖維)隔板，電解液被吸附在隔板孔隙內。,GEL電池：,主要是采用PVC—SiO2隔板，電解質為已經凝膠的膠體電解質。,第二節(jié)

21、 鉛酸蓄電池的一般設計,一、板柵設計,在正負極活性物質、電解液、板柵體積或質量之間作出分配和平衡。,比質量：,比體積：,最佳0.35~0.6,小于1.0g/cm2,二、電池容量設計,1、厚度的選擇,2、單片電極板容量經驗公式,涂膏式極板在1.3g/cm3電解液中經驗公式,C——極板容量，A·h,b——極板寬度，mm,h——極板高度，mm,δ——極板厚度，mm,根據(jù)所需功率與時間確定容量,三、電解液濃度和用量計算,電解液密度太低

22、，電池容量降低；電解液密度太高，則板柵更容易被腐蝕。,VRLA通常在設計時充電態(tài)酸密度為1.280～1.310g/cm3。,硫酸密度為1.22g/cm3時，即質量百分比濃度為30％，電導率最高，,酸的體積通常大于隔板孔體積與干充電狀態(tài)正、負極活性物質的孔體積之和的80％。,能灌酸的空間有限，因此采用比富液電池密度高的酸.,AGM隔板中含有5％的憎水劑，保證即使有自由酸存在，隔板仍保持10％孔不被淹沒，作為氧氣傳輸?shù)耐ǖ馈?第三節(jié)

23、 目前存在的問題,一、目前存在的主要問題,（一）水損失,1、原因：,①氧復合不能達到100%；,②安全閥失效或頻繁開啟，向外排氣導致失水；,③電池泄漏和外殼材料選擇不當導致水的滲透；,④正極板柵的腐蝕而導致水的轉化。,2、后果：,電池會因水損失干涸而失效，嚴重影響壽命。,（二）負極硫酸化,鉛酸蓄電池在正常工作中，負極板上PbSO4顆粒小，充電時很容易恢復為絨狀鉛。,在充電不足或經常進行深度放電，成了難以還原的大顆粒硫酸鉛，稱為硫酸鹽化。

24、,內阻大大增加，甚至電池失效。,（三）早期容量損失,主要表現(xiàn)為:電池在使用期間，過早的出現(xiàn)容量衰退，使電池不能繼續(xù)使用，并且在一般充電制度下容量難以恢復。,3種模式：突然容量損失(PCI-1)，慢慢容量損失(PCL-2)和負極無法再充電(PCL-3)。,PCL-1:表現(xiàn)為電池在最初的10～50次循環(huán)內，電池性能快速下降從而引起容量突然下降。解決了板柵與活性物質之間的結合力和導電性，就解決了PCL-1。,主要解決途徑：板柵與活性物質之間的

25、結合力和導電性。,PCL-2:認為正極的導電性限制了電池容量。,這是由于在循環(huán)使用過程中正極PbO2的膨脹而引起活性物質顆粒之間連接的破壞，從而影響導電性。,放電越深越快，放電速率越大，活性物質膨脹和容量損失的趨勢就越大。,PCL-3：負極再充電不足導致負極板底部硫酸鹽化，從而影響負極導電與單體電池電壓。,這是一種僅在VRLA電池才有的早期容量損失模式，一般在200～250個循環(huán)時發(fā)生。,預防PCL可采取措施:,(1)高溫、高濕固化正極

26、板，形成4PbO·PbSO4鉛膏。,(2)在電池充電放電過程中采取高倍率充電。,(3)在正板柵合金中加入添加劑Sn、Sb或活性物質中加入SnSO4和Sb2O3化合物。,加入SnSO4和Sb2O3活性物質更易于生成凝膠區(qū)。,Sn、Sb加入板柵鑄造，可改善界面的電導率，同時也改善板柵的機械性能。,(4)在極板制造和電池運行中，通過制造工藝形成合適的腐蝕層結構。,(四)板柵的腐蝕,在過充電狀態(tài)下，正極由于析氧反應，水被消耗，H+濃度

27、增加，板柵腐蝕加速。,板柵腐蝕使電池的容量降低，最后失效。,在遭受腐蝕的同時板柵產生變形，甚至于個別筋條斷裂，最終導致整個電池損壞。,減緩正極板柵的腐蝕方法：,(1)增加正極板柵的厚度。,(2)采用良好的合金材料。,(3)在電池設計上采用玻璃棉緊裝配等結構，防止板柵延伸變形，提高板柵的機械支撐力。,(五)熱失控,是指蓄電池在恒壓充電時充電電流和電池溫度發(fā)生一種累積性的增強作用，并逐步損壞蓄電池。,熱量來源:其內部存在氧循環(huán)，即氧與負極反

28、應形成氧化鉛的過程是一個放熱反應；且散熱條件差。,為避免熱失控，應注意如下問題：,(1)通過適當?shù)脑O計避免熱失控。例如電池灌酸量的設計一般要能達到14mL／(A·h)。,(2)改進安裝設計，改善電池與環(huán)境媒介的熱更換。,(3)選擇合適排氣閥的開閥壓力，使析出氣體適當排出，以減少電池內部的熱積累。,(4)按照溫度變化進行溫度補償性充電。通過降低充電電流，氧氣流也降低。,(六)VRLA電池的自放電,正極：,負極：,自放電損耗正負極