鉛酸蓄電池培訓講義

1、鉛酸蓄電池培訓講義一、 鉛酸蓄電池基本原理1 蓄電池也稱為二次電池，是相對于原電池（一次電池）而言。原電池是將化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，當其內(nèi)部參與化學反應(yīng)的物質(zhì)耗損到一定程度，其壽命便告終止，無法再將原來的化學能予以恢復(fù)。蓄電池是其將儲存化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芎螅ǚ烹姡夯瘜W能轉(zhuǎn)變成電能），當采用充電裝置對其輸入直流電能時，又可將耗損的化學能予以恢復(fù)（充電：電能轉(zhuǎn)變成化學能）。可以完成多次充放電循環(huán)。2鉛酸蓄電池是以鉛及其合金、硫酸為主要原料的蓄電池，其正極活性物質(zhì)為深褐色或棕褐色二氧化鉛，負極活性物質(zhì)為灰色絨狀鉛，電解質(zhì)為稀硫酸。閥控式密封鉛酸蓄電池基本結(jié)構(gòu)為：電池槽蓋、正負極板、匯流排、玻璃纖維隔

2、板、稀硫酸電解液、鉛零件、端極柱、安全閥等。3鉛酸蓄電池的型號命名與識別，見表1。 表1符號含義型號舉例G固定型或管式GAF-300：固定型、干荷式、防酸隔爆型，10h率額定容量為300AhA干荷電（負極板無氧狀態(tài)干燥）加入電解液后，無需初充電，可直接使用F防酸或閥控（電池蓋上裝有防酸帽或安全閥）GFF-2000：傳統(tǒng)防酸電池，帽有阻擋電池中酸霧竄至空間作用M密封式GFM-500：固定型閥控密封式，10h率額定容量為500AhQ起動型（汽車起動電源）6-QA-60：3個單格串聯(lián)，干荷式起動電池，20h率額定容量為60AhN內(nèi)燃機車用NM-450：內(nèi)燃機車用密封電池，5h率額定容量為450AhT

3、鐵路客車用6-TM-60：6個單格串聯(lián)，鐵路客車用密封電池，10h率額定容量為60AhD電力機車用DM-170：電力機車用密封電池，10h率額定容量為170AhDZ電動助力型6-DZM-10：6個單格串聯(lián)，電動助力車用密封電池，2h率額定容量為10Ah4鉛酸蓄電池充放電機理： 放電：加負載將蓄電池正負極連通后，由于正極電勢高，電子從負極流向正極，通過負載產(chǎn)生電流。同時電池負極發(fā)生氧化反應(yīng)，絨狀鉛被氧化，釋放出電子，其電化學反應(yīng)式為： Pb+HSO4-2e=PbSO4+H+；電池正極發(fā)生還原反應(yīng)，接受從電池負極輸送過來的電子，二氧化鉛被還原，其電化學反應(yīng)式為：PbO2+3H+HSO4-+2e=P

4、bSO4+2H2O。伴隨著電化學反應(yīng)的發(fā)生，正極（進行陰極過程）的二氧化鉛活性物質(zhì)和負極（進行陽極過程）的絨狀鉛活性物質(zhì)均轉(zhuǎn)化成硫酸鉛，電解液中硫酸被消耗，視比重變低。 充電：給電池附加一電壓值高于電池電動勢的外部直流電源回路，電源正極與電池正極相連、電源負極與電池負極相連，電子從電源負極流向蓄電池負極，蓄電池負極發(fā)生還原反應(yīng)，其電化學反應(yīng)式為：PbSO4+H+2e=Pb+HSO4-；蓄電池正極發(fā)生氧化反應(yīng)，其電化學反應(yīng)式為：PbSO4+2H2O-2e= PbO2+3H+HSO4-。伴隨著電化學反應(yīng)的發(fā)生，正極（進行陽極過程）和負極（進行陰極過程）的硫酸鉛逐漸被溶解，分別生成二氧化鉛和絨狀鉛，

5、同時發(fā)生水的電解和硫酸的生成，電解液濃度增加。由于蓄電池在放電過程中,正負極的的活性物質(zhì)均轉(zhuǎn)化成硫酸鉛,電化學上將此理論稱之為“雙極硫酸鹽化理論”。5鉛酸蓄電池充電過程中的附加反應(yīng)(副反應(yīng))：鉛酸蓄電池在充電后期或鉛酸蓄電池極板化成后期，當正負極電壓升高至2.4V以上時,正極發(fā)生水的電解反應(yīng),消耗部分電能,其電化學反應(yīng)式為:H2O-2e=2H+1/2O2。這種不需要的反應(yīng)稱為附加反應(yīng)或副反應(yīng),由于副反應(yīng)的存在,使蓄電池在充電或極板化成時實際消耗的電量大于理論消耗的電量。產(chǎn)生的氧氣穿過隔板孔隙及其它通道進入負極進行復(fù)合，此時負極發(fā)生還原反應(yīng)，為陰極，故亦稱閥控式密封鉛酸蓄電池為陰極吸收式電池。其

6、電化學反應(yīng)式為：1/2O2+Pb+H2SO4=PbSO4+H2O。當負極電勢達到析氫電勢值時，負極上有氫氣析出，其電化學反應(yīng)式為：2H+2e=H2。鉛酸蓄電池中玻璃纖維隔板吸附電解液飽合度一般不高于90%，若太高，隔板孔隙被電解液填滿，正極產(chǎn)生的氧氣便無法通過隔板孔隙到達負極進行復(fù)合，復(fù)合反應(yīng)效率低，電池內(nèi)壓升高，安全閥頻繁開啟，造成電池失水嚴重，壽命縮短。6鉛酸蓄電池電特性：（1） 電動勢：蓄電池正極平衡電極電勢與負極平衡電極電勢之差。蓄電池電動勢值由電池進行反應(yīng)的性質(zhì)和條件決定，與電池的大小和形狀無關(guān)。（2） 平衡電極電勢的產(chǎn)生：將一金屬電極插入含有該金屬離子的溶液中，由于該金屬離子在金屬

7、中與在溶液中的化學勢不同，因而發(fā)生金屬離子在金屬電極和溶液之間的轉(zhuǎn)移。在靜電力的的作用下，這種轉(zhuǎn)移很快達到動態(tài)平衡，這時金屬電極表面所帶符號與金屬電極表面附近溶液中離子所帶電荷符號相反，數(shù)量相等，于是在金屬電極與溶液界面處形成雙電層，對應(yīng)于雙電層的建立，金屬電極和溶液內(nèi)便產(chǎn)生一定的電勢差，稱為平衡電極電勢，其絕對值無法測得，只能是相對值。（3） 開路電壓：電池處于開路時正極的穩(wěn)定電極電勢與負極的穩(wěn)定電極電勢之差。開路電壓范圍：2V系列單體，2.132.18V。（4） 穩(wěn)定電極電勢：如上述平衡電極電勢建立所述，當電極處在可逆狀態(tài)下，金屬與金屬離子處于動態(tài)平衡，這是一種理想狀態(tài)，事實上，在電解質(zhì)水

8、溶液中，電極上不但存在著金屬與金屬離子一對氧化還原反應(yīng)，同時還存在著H+的還原和H2的氧化（或者是H2O的氧化和O2的還原）的另一對電化學反應(yīng)。其電化學反應(yīng)式為：Me-ze Mez+H2-2e 2H+H2O-2e 2H+1/2O2 理想狀態(tài)下，只存在著反應(yīng)，實際上反應(yīng)和或同時存在，氧化反應(yīng)所失去的電子為還原反應(yīng)所得，這樣就能保持電極上電子的平衡，然而其荷電狀態(tài)與只存在反應(yīng)不同，這時建立的電極電勢稱為穩(wěn)定電極電勢。由于反應(yīng)和同時存在，金屬將不斷溶解，H2將不斷析出，但金屬溶解和H2析出的速度均很慢，電極電荷狀態(tài)與只有反應(yīng)時變化不大，故穩(wěn)定電極電勢與平衡電極電勢值很接近，但如果析氫過電位很小的情況

9、下，二者電勢值的差別將很明顯。所以在一般情況下，可將電池的開路電壓視同為電池的電動勢。（5） 開路電壓的應(yīng)用：A：從充足電并開路擱置48h以上電池所測得的開路電壓值可以大略判斷該電池電解液密度（開路電壓值=0.85+，為電解液密度）。B：判斷電池的荷電狀態(tài)，估算電池自放電程度，確定電池是否需要補充電。C：判斷電池失效原因：若為極板硫酸鹽化電池，其開路電壓值下降，充電時電壓值高；若為活性物質(zhì)軟化脫落電池，其開路電壓值正常，但放電容量低。（6） 容量：蓄電池以一定的放電電流，在規(guī)定的放電終止電壓條件下，放電時能釋放出的電能。A：不同種類和用途電池，其額定容量規(guī)定不同，如固定型閥控式密封鉛酸蓄電池的

10、額定容量為10h率放電容量，起動用鉛酸蓄電池的額定容量為20h率放電容量，內(nèi)燃機車用密封鉛酸蓄電池的額定容量為5h率放電容量，電動助力車用鉛酸蓄電池的額定容量為2h率放電容量。B：蓄電池容量與放電電流有關(guān)，放電電流愈大，其放電容量愈低。如固定型閥控式密封鉛酸蓄電池，當I=0.10C10(A)，Ce=100%C10（Ah）；當I=0.25C10(A)，Ce=75%C10（Ah）；當I=0.55C10(A)，Ce=55%C10（Ah）。這是由于放電電流愈大，電化學反應(yīng)速度愈快，極板內(nèi)硫酸電解液消耗也愈快，由于電化學反應(yīng)生成的硫酸鉛的覆蓋，大體溶液中的硫酸電解液不能迅速向深層擴散補充，反應(yīng)便提前終止

11、。放電電流愈大，活性物質(zhì)利用率愈低。C：蓄電池放電容量與放電時電池內(nèi)溫有關(guān)。電池內(nèi)溫高，電池電解液溫度高，電解液電阻率下降，使電池內(nèi)阻降低。放電時，電池電壓U = E - I（R+r），式中E為電池電動勢，R為負載電阻，r為電池內(nèi)阻，當r減小，使電池電壓值在同樣時間里相對較高，維持至終止電壓時間也相對延長，從而提高放電容量。電池放電容量與電池內(nèi)溫對應(yīng)關(guān)系：Ct=Ce1+K（t-25），式中 Ct電池內(nèi)溫為t時放電容量；Ce溫度為25時放電容量，t放電時電池內(nèi)溫；K溫度補償系數(shù)，10h率時為0.006/，3h率時為0.008/，1h率時為0.010/。在檢測電池容量時，當電池內(nèi)溫偏離25時，應(yīng)對

12、電池放電容量進行補償，內(nèi)溫高時，要求放電容量較高，內(nèi)溫低時，要求放電容量較低。（7） 電化當量：充、放電過程中，正極電化學反應(yīng)為：PbSO4 + 2 H2O 2e PbO2 + 3 H+ + HSO4-負極電化學反應(yīng)為：PbSO4 + H+ + 2e Pb + HSO4-綜合正、負極電化學反應(yīng)為：PbSO4 + 2H2O + PbSO4 PbO2 + 2H2SO4 + Pb 在化學上，1A的電流在1s內(nèi)通過的電量為1為庫侖，則1Ah = 1（A）*3600（s）= 3600As = 3600庫侖； 在上述正、負極電化學反應(yīng)中產(chǎn)生2摩爾電子參與氧化還原反應(yīng)，在化學上1摩爾電子數(shù)量為6.023*1

13、023個，每1個電子的電量為1.6*10-19庫侖，則每1摩爾電子的電量為6.023*1023*1.6*10-19 = 9.632*104庫侖 = 26.8(Ah)； 上述電化學反應(yīng)中產(chǎn)生2摩爾電子將消耗1摩爾的二氧化鉛和1摩爾的絨狀鉛，1摩爾二氧化鉛物質(zhì)量為207.6+32=239.6（g）；1摩爾絨狀鉛物質(zhì)量為207.6（g），電化學中把產(chǎn)生1Ah電量所消耗的活性物質(zhì)的量稱為該活性物質(zhì)的電化當量，則二氧化鉛的電化當量為239.6/2=119.8(g/摩爾)=119.8/26.8=4.466(g/Ah)；絨狀鉛的電化當量為207.6/2=103.8(g/摩爾)=103.8/26.8=3.86

14、8(g/Ah)。（8） 鉛酸蓄電池的失效模式： 正板柵腐蝕 熱失控 失水 容量衰竭（9） 鉛酸蓄電池的自放電負極產(chǎn)生的自放電：由于負極活性物質(zhì)鉛為活潑的金屬粉末電極，在硫酸溶液中，電極電位比氫低，可以發(fā)生置換氫氣的反應(yīng)，通常把這種現(xiàn)象叫做鉛自溶，其反應(yīng)式為：Pb+H2SO4 = PbSO4+H2 影響鉛自溶的因素：A 隨硫酸電解液濃度及溫度的增加而增大；B 蓄電池負極表面有各種金屬雜質(zhì)存在，當某種金屬雜質(zhì)的析氫超電勢值低時，就能與負極活性物質(zhì)形成腐蝕微電池，從而加速鉛自溶，如鐵、銻、銀等金屬存在時，特別是鐵的影響極大。在負極：Fe3+ + HSO4- + Pb = PbSO4 + H+ 2Fe

15、2+在正極：2Fe2+ + 3H+ + HSO4- + PbO2 = PbSO4 + 2H2O + 2Fe3+C 正極析出氧氣的影響1/2O2+Pb+H2SO4=PbSO4+H2O正極產(chǎn)生的自放電正極自放電的產(chǎn)生主要有以下幾個方面：A 正極板柵中金屬銻、鉛及銀的氧化：5PbO2 + 2Sb + 6H2SO4 = （SbO2）2SO4 + 5PbSO4 + 6H2OPbO2 + Pb + H2SO4 = PbSO4 + 2H2OPbO2 + Ag + H2SO4 = AgSO4 + PbSO4 + 2H2OB 極板孔隙深處和極板表面硫酸濃度差所產(chǎn)生的濃差電池產(chǎn)生自放電，這種自放電因素隨著充電完成

16、后擱置時間延長濃度差減小而逐漸減小。C 負極產(chǎn)生氫氣的影響H2 + PbO2 + H2SO4 = PbSO4 + H2OD 正極板中鐵離子的影響2Fe2+ + 3H+ + HSO4- + PbO2 = PbSO4 + 2H2O + 2Fe3+ 自放電狀況檢查A 質(zhì)量法：無論什么原因造成的自放電，都使極板的活性物質(zhì)轉(zhuǎn)化成硫酸鉛，使極板的質(zhì)量增加，因此對正、負極板測其質(zhì)量增加情況就可以比較自放電量的多少。B 測量電解液密度：容量減少后，蓄電池的電解液密度要降低，所以蓄電池擱置一段時間后測量其電解液密度可估算其容量損失。擱置環(huán)境溫度愈高其容量損失愈大。C 電壓降法： 減少自放電的措施 A 嚴格控制原

17、材料的雜質(zhì)； B 嚴格控制生產(chǎn)過程中可能混入的雜質(zhì)； C 為了避免銻的有害作用，采用無銻板柵； D 合理控制成品電池電解液密度； E 在合適環(huán)境下貯存、使用，最好能保證環(huán)境溫度在25左右。 二、 鉛酸蓄電池生產(chǎn)工藝、檢驗規(guī)范1 鉛酸蓄電池極板生產(chǎn)工藝流程。見方框圖1。2 大中密電池裝配生產(chǎn)工藝流程。見方框圖2。3 電池內(nèi)化成充電與采用熟極板組裝電池初充電差別何在？內(nèi)化成充電充入電量倍率遠高于熟極板組裝電池初充電倍率，4 內(nèi)化成與槽化成相比，優(yōu)點、缺點？內(nèi)化成充電，（1）節(jié)省場地，節(jié)?。ú刍桑┰O(shè)備；（2）省去槽化成后極板表面清洗及表面干燥，可防止負極板表面氧化；（3）極板化成質(zhì)量狀況不便于觀察

18、、檢查；A 生極板組裝電池灌酸后電池溫升與熟極板組裝電池溫升是否不同？灌酸時對電解液溫度是否有限制？電池灌酸后至開機充電對擱置時間及電池內(nèi)溫是否有限制？生極板組裝電池灌酸后有電壓嗎？熟極板組裝電池灌酸后電壓范圍是多少？B 制造鉛粉的1號電解鉛，其鉛含量99.994%；經(jīng)熔化、制成鉛塊或鉛球、磨成鉛粉后，氧化鉛（PbO）含量70%80%，鉛含量20%30%，大中小密不同、正負極板不同，其鉛粉的氧化鉛含量及視密度不同，視密度范圍為1.381.70g/cm3；經(jīng)加入純水、硫酸和制成鉛膏后，鉛膏中成份為Pb、PbO、PbSO4、PbO.PbSO4、3PbO.PbSO4.H2O、4PbO.PbSO4、H

19、2O等，大中小密不同、正負極板不同、手工機械加工工藝不同，其鉛膏的視密度不同，視密度范圍為4.004.60g/cm3；經(jīng)涂片、固化干燥后，所制成生極板中鉛膏成份為Pb、PbO、PbSO4、PbO.PbSO4、3PbO.PbSO4.H2O、4PbO.PbSO4、H2O等，要求生極板含水量0.5%，正生極板Pb含量3%，負生極板Pb含量5%；極板生產(chǎn)工藝流程1#電解鉛 純水制作鑄球磨鉛粉 稀硫酸和 膏 鉛鈣四元合金鑄板柵濃硫酸涂 片表面干燥上晾板架整理稱重分類去附耳刷耳固化干燥化 成出槽清洗負板浸防氧劑干 燥去附耳刷耳整理稱重分類注：大方框中為生極板工藝流程。裝配生產(chǎn)工藝流程正極板正極板配重負極板包 膜銅芯極柱1#電解鉛+錫鉛錫焊條焊 接電池槽印字裝 槽對 蓋電池蓋打碼配 膠灌膠封蓋固 化極柱鉛套焊接配 膠灌極柱底