鉛酸蓄電池原理講解PPT

1、關于鉛酸蓄電池原理講解第一張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 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：使用壽命長；自放電率低；深放電能力強；充電效率高；少維護或免維護；工作溫度范圍寬；價格低廉。第二張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月一、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

2、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。第三張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 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，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

3、比整體平面鉛板好。1882年，以鉛銻合金(PbSb)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。第四張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 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。 板柵的制造第五張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第六張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 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，

4、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。第七張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月二、VRLA電池的結構和原理（一）結構第八張，PPT共三十六頁

5、，創(chuàng)作于2022年6月負極板隔 板正極板第九張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 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。殼體第十張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月（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，負極板一般為深灰色，正極板為暗棕色

6、。（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）主要零部件及作用第十一張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月（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

7、體狀的硅膠電解質。堿性蓄電池的電解液是2240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。第十二張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月（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：ZnZn2+2e- (氧化反應)2H+2e-(還原反應)H

8、2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。第十三張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月鉛酸蓄電池的工作原理：包括放電過程和充電過程。(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-

9、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：2H2SO44H+2 SO42-Pb - 2e-Pb2+Pb2+ SO42-PbSO4第十四張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 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。PbO2 +2H2OPb(OH)4Pb4+ +4OH-Pb(OH)4Pb2+ SO42-PbSO4電解液中存在的H+ 和SO42-在電場的作用下分別移向電池 當

10、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：H+ +OH-H2OPb4+ +2e-Pb2+第十五張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 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PbO2 + 2H2SO

11、4 + PbPbSO4 + 2H2O + PbSO4(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H2O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 。正極活性物負極活性物負極生成物正極生成物電解液電解液生成物第十六張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月PbSO4Pb2+ SO42-負極反應為：PbPb2+ 2e-H2SO42H+ SO42- 正極板上的Pb2+在外電源作用下被氧化，失去兩個電子變

12、為Pb4+，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H2SO4PbSO4Pb2+ SO42-Pb2+ - 2e-Pb4+Pb4+ +4OH-Pb(OH)4PbO2 +2H2OPb(OH)4H2SO42H+ SO42-第十七張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月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，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

13、電流。2H2O2H2+O2 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H2PbO2 + 2H2SO4 + PbPbSO4 + 2H2O + PbSO4正極物質負極物質負極生成物正極生成物電解液電解液生成物第十八張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月三、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

14、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(800Ah以上的電池)，由于極板比較高而厚，采用內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。第十九張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月四、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

15、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。第二十一張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月(二)蓄電池的命名方法、型號組成及其代表意義代號漢字全稱G固固定型F閥閥控式M密

16、密封J膠膠體D動動力型N內內燃機車用T鐵鐵路客車用D電電力機車用3 G F M 500固定型閥控式密 封500A.h三個單體6V6 G F M J 100固定型閥控式密 封100A.h六個單體12V膠體第二十二張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月(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：C2、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、0.5hC20=100Ah放電電流為5A啟動型，以20h率標定，表示C2020h放電率例：C=120Ah固定型，以10h率標定，表示C10第二十三張，PPT共三十六

17、頁，創(chuàng)作于2022年6月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%中等循環(huán)60%80%深循環(huán)第二十四張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月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

18、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。第二十五張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月(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PVCSiO2隔板，電解質為已經凝膠的膠體電解質。第二十六張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 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0.350.6小于1.0g/cm2第二十七張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月二、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

19、板在1.3g/cm3電解液中經驗公式C極板容量，Ahb極板寬度，mmh極板高度，mm極板厚度，mm根據所需功率與時間確定容量第二十八張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月三、電解液濃度和用量計算 電解液密度太低，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1.2801.310g/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

20、，作為氧氣傳輸?shù)耐ǖ馈５诙艔?，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第三節(jié) 目前存在的問題一、目前存在的主要問題（一）水損失1、原因：氧復合不能達到100%；安全閥失效或頻繁開啟，向外排氣導致失水；電池泄漏和外殼材料選擇不當導致水的滲透；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。第三十張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月（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。 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

21、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)。第三十一張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月PCL-1:表現(xiàn)為電池在最初的1050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200250個循環(huán)時發(fā)生。第三十二張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月預防PCL可采取措施:(