鉛酸蓄電池介紹課件

閥控式鉛酸蓄電池介紹Chris2019.1.51閥控式鉛酸蓄電池介紹Chris1電池的基本知識鉛酸蓄電池的簡介閥控式鉛酸蓄電池(VRLA)如何正確使用VRLAVRLA的安全問題2電池的基本知識2電池：通過化學反應提供直流電能的電化學裝置3一次電池：不可充電，如鋅錳、堿性、鋰電池二次電池：可充電，如鉛酸、鎳氫、鋰離子電池高級電池：結(jié)構(gòu)特殊，性能卓越，如鋅空電池，以空氣做正極，體積很小，用于助聽器什么是電池？電池：通過化學反應提供直流電能的電化學裝置3一次電池：不可充燃料電池：FuelCell,FC,將存在于燃料(氫氣)和氧化劑(氧氣)中的化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置不是蓄電池，是發(fā)電機1839年由英國的Grove發(fā)明4太陽能電池：物理電源，通過光電效應或光化學效應直接把光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置1883年Charles發(fā)明首塊太陽能電池前景廣闊，目前成本高，限制了應用什么是電池？燃料電池：FuelCell,FC,將存在于燃料(氫氣)51800年Vote伏打電堆1859年法國Plante鉛酸蓄電池丹尼爾電池英國Daniel1835年鋅錳電池法國Leclanche1866年1899年瑞典Jungner鎳鎘電池堿性電池Urry1950年1990年索尼公司鋰離子電池電池的歷史51800年1859年丹尼爾電池鋅錳電池1899年堿性電池1電池由外殼、正極、負極、端子、隔膜等組成6電池結(jié)構(gòu)示意圖外殼：一般是塑料或金屬材質(zhì)正極：電流的流出端負極：電流的流入端端子：內(nèi)部與活性物質(zhì)相連，外接用電器隔膜：防止正、負極短路，并提供電子的內(nèi)部傳遞通道電池的結(jié)構(gòu)電池由外殼、正極、負極、端子、隔膜等組成6電池結(jié)構(gòu)示意圖外殼電池的基本知識鉛酸蓄電池的簡介閥控式鉛酸蓄電池(VRLA)如何正確使用VRLAVRLA的安全問題7電池的基本知識7鉛酸蓄電池(Lead-AcidBattery,LAB)，是指正負極活性物質(zhì)分別是鉛和二氧化鉛、由硫酸水溶液做電解液的二次電池分富液式和貧液式兩大類，貧液式就是目前廣泛應用的閥控式密閉鉛酸蓄電池，事實上它不并是完全密閉的主要應用于交通、通信、后備電源等領(lǐng)域具有價格低廉、可靠性高、維護簡單等優(yōu)點由于鉛對人體有害、硫酸污染環(huán)境、腐蝕設備，因此應用領(lǐng)域受到限制雖然有被鎳氫、鋰離子電池等取代的趨勢，但由于價格、安全、可靠性等原因仍將長期占據(jù)二次電池的大部分市場8什么是鉛酸蓄電池？鉛酸蓄電池(Lead-AcidBattery,LAB)，91859年法國Plante發(fā)明鉛酸蓄電池AGM隔離板美國Gate公司1971年P(guān)SOC技術(shù)NorthStar2019年盧森堡第一座鉛蓄廠Trible雙極硫酸鹽化理論1882年1957年德國陽光公司膠體技術(shù)1890年P(guān)hillipart管式極板鉛鈣合金Haring1935年鉛酸蓄電池的歷史91859年AGM隔離板PSOC技術(shù)盧森堡第一座鉛蓄廠195富液式：不能臥式放置，需經(jīng)常加水加酸和調(diào)整酸的濃度等復雜維護；酸液揮發(fā)會污染環(huán)境并腐蝕設備涂膏式極板：工藝簡單，

是最古老的鉛蓄管式正極板：壽命長主要是OPzS型10閥控式：也叫貧液式，電池以安全閥密封，內(nèi)壓過大時開閥排氣，內(nèi)部無游離酸AGM(AbsorbedGlassMat)：目前使用最廣的技術(shù)，吸附電解液的AGM做隔離板膠體(Gel)：低溫性能更好，壽命更長鉛酸蓄電池的分類富液式：不能臥式放置，需經(jīng)常加水加酸和調(diào)整酸的濃度等復雜維護電池的基本知識鉛酸電池的簡介閥控式鉛酸蓄電池(VRLA)如何正確使用VRLAVRLA的安全問題11電池的基本知識11閥控式鉛酸蓄電池(ValveRegulatedLead-AcidBattery,VRLA)，廣泛使用的一種鉛酸蓄電池，主要特點是：電解質(zhì)吸附于AGM隔板中或者變成膠體狀態(tài)，內(nèi)部無游離酸每個單體有一個安全閥，大部分時間處于密封狀態(tài)，內(nèi)壓過大時開閥排氣降壓1938年Dassler提出的氣體復合原理是VRLA的理論基礎1957年德國陽光公司的膠體(GEL)技術(shù)和1971年美國Gates公司的AGM技術(shù)是VRLA的實踐基礎目前主要有AGM技術(shù)和GEL技術(shù)兩種12什么是閥控式鉛酸蓄電池？閥控式鉛酸蓄電池(ValveRegulatedLead-閥控式鉛酸蓄電池：通過安全閥排出內(nèi)部生成的多余氣體的鉛酸蓄電池13鉛酸蓄電池結(jié)構(gòu)示意圖外殼：一般是塑料外殼如ABS，PP等，也有外部再加鋼殼的正極：主要是紅棕色氧化鉛(PbO2)負極：主要是海綿狀的金屬鉛(Pb)端子：鉛或銅質(zhì)，銅端子更常見隔膜：AGM或膠體，吸附硫酸水溶液安全閥：內(nèi)部氣體溢出通道，一般加防爆石和濾酸器高端電池有時配備排氣孔和導氣管，保證電池柜內(nèi)氫氣的零積累閥控式鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)閥控式鉛酸蓄電池：通過安全閥排出內(nèi)部生成的多余氣體的鉛酸蓄電卷繞式極板結(jié)構(gòu)特點裝配緊密極板更薄優(yōu)點較寬的工作溫度范圍(-50~70℃)大電流充放電性能更好搞震性能良好可靠性高缺點工藝復雜，造價高不適用于浮充適用范圍國防，醫(yī)療器械，儀表14特殊的閥控式鉛酸蓄電池卷繞式極板結(jié)構(gòu)特點14特殊的閥控式鉛酸蓄電池板柵：占蓄電池總質(zhì)量的20%~30%，主要作用是：活性物質(zhì)的載體：鉛膏靠板柵保持和支撐集流體：擔負著電流的傳導、集散作用并使電池分布均勻性能要求：導電性好，耐腐蝕，與活性物質(zhì)結(jié)合性好，足夠的強度15閥控式鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)目前最廣泛使用的Pb-Sb和Pb-Ca合金：Pb-Sb合金循環(huán)性能好，但易失水，正極板柵腐蝕快Pb-Ca合金浮充性能好，板氫電位高因此失水率低，導電性能好，但易出現(xiàn)PCL-1及板柵膨脹而導致的活性物質(zhì)脫落Pb-Ca-Sn-Al合金：鉛鈣系合金的代表，目前使用最廣泛其它：德國曾生產(chǎn)用于軍事的鍍鉛的銅板柵以及導電塑料板柵，成本高昂板柵：占蓄電池總質(zhì)量的20%~30%，主要作用是：15閥控式正極：由網(wǎng)格狀金屬板柵上涂覆鉛膏組成，鉛膏是正極活性物質(zhì)，主要成分是氧化鉛，紅棕色正極活性物質(zhì)的泥化失效以及正極板柵的腐蝕是VRLA失效的重要原因正極板一般較厚，以應對活性物質(zhì)的泥化脫落，而且比負極板少一片常溫低率放電時，電池容量受限于正極16閥控式鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)二氧化鉛有α-PbO2和β-PbO2兩種晶體：α-PbO2是斜方晶系，晶粒較大，可以形成網(wǎng)絡或骨骼，使正極活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)完整從而有較長的壽命β-PbO2是正方晶系，晶粒較小因此有更大的比表面積，放電時給出的容量是α-PbO2的1.5~3倍正極：由網(wǎng)格狀金屬板柵上涂覆鉛膏組成，鉛膏是正極活性物質(zhì)，主電池壽命初期，活性物質(zhì)以α-PbO2為主，壽命末期以β-PbO2為主：電池壽命初期，正極活性物質(zhì)以為α-PbO2主放電時α-PbO2生成PbSO4，充電時PbSO4生成β-PbO2，因此在初期循環(huán)中電池的容量越來越高隨著循環(huán)的進行，β-PbO2的比例增加，活性物質(zhì)間的結(jié)合慢慢減弱，充電過程中在析氧的沖擊下，正極活性物質(zhì)密度下降，最后軟化成泥狀物脫落，導致壽命終止由于α-PbO2有較好的機械強度和結(jié)構(gòu)，由其形成的多晶網(wǎng)絡可作為活性物質(zhì)的骨骼，而β-PbO2有較小的尺寸和較大的比表面積，可給出較大的比容量，二者最優(yōu)的比例是0.8，此時電池有最好的深放電性能17閥控式鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)電池壽命初期，活性物質(zhì)以α-PbO2為主，壽命末期以β-Pb負極：由負極板柵及涂覆其上的負極活性物質(zhì)組成，負極活性物質(zhì)主要是海綿狀金屬鉛，呈金屬灰色低溫(-15℃)、高率(1HR)放電時，電池容量受限于負極，原因是鉛電池的鈍化即生成的硫酸鉛將電解液與活性物質(zhì)隔離18閥控式鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)負極添加劑主要包括膨脹劑、阻化劑：膨脹劑：防止在循環(huán)過程中負極活性物質(zhì)表面積收縮，同時起去鈍化作用，常用的無機膨脹劑是硫酸鋇、乙炔黑等，有機膨脹劑腐殖酸、木質(zhì)素等阻化劑：提高析氫過電位，阻滯鉛電池在制造過程中的氧化負極的不可逆硫酸鹽化是電池提前失效的重要原因之一負極：由負極板柵及涂覆其上的負極活性物質(zhì)組成，負極活性物質(zhì)主不可逆硫酸鹽化：簡稱硫化，是負極活性物質(zhì)在一定條件下生成堅硬而粗大的、幾乎不溶解的硫酸鉛，所以在充電時不能轉(zhuǎn)化為海綿狀鉛，使電池容量大大降低的現(xiàn)象原因：通常是長期充電不足或放電狀態(tài)下長期儲存等使用或維護不當造成防止：及時充電，不要過放電19不可逆硫酸鹽化正常的負極活性物質(zhì)粗大的硫酸鉛晶體不可逆硫酸鹽化：簡稱硫化，是負極活性物質(zhì)在一定條件下生成堅硬額定電壓最常見的是12V系列，2V的主要應用在工業(yè)上，6V的不常見，用于某些設備如醫(yī)療設備等額定容量在一定標準下，由生產(chǎn)廠商定義的電池的容量通信用鉛酸電池的額定標準標準是25℃時以10HR放電至1.80VPC實際容量因溫度、放電率和終止電壓的不同而不同終止電壓FinalVoltage,F.V.，為了保護電池，放電至F.V.時應停止放電終止電壓與放電電流大小有關(guān)：電流越小，終止電壓越高0.1C放電的F.V.一般為1.80VPC20鉛酸電池的相關(guān)定義額定電壓20鉛酸電池的相關(guān)定義充電電壓分均充(Boost)和浮充(Float)，充電電壓值主要跟電解液濃度有關(guān)均充電壓：25℃時約為2.35VPC，充電速度快，根據(jù)電流不同，可在5~10小時內(nèi)充滿電浮充電壓：25℃時一般為2.23~2.27VPC，在該電壓下充電速度和自放電速度相當溫度不同時，電壓應做相應的調(diào)整，叫做溫度補償放電深度是指放出電量占電池額定容量的百分比(DepthofDischarge,DOD)；不同放電深度下，電池的循環(huán)壽命差異較大，放電深度越深，壽命越短溫度補償系數(shù)環(huán)境溫度變化1℃時充電電壓的改變值叫溫補系數(shù)，通常為-2~4mV/℃該值為負表示溫度升高時充電電壓降低溫度補償范圍一般為0~50℃21鉛酸電池的相關(guān)定義充電電壓21鉛酸電池的相關(guān)定義重量可以用來衡量電池的含鉛量VRLA含鉛的質(zhì)量分數(shù)約60%12V100Ah電池質(zhì)量約33千克內(nèi)阻一般在充滿電的狀態(tài)下以1000Hz的交流電測量內(nèi)阻反映了電池用料的純度內(nèi)阻小的電池壽命長12V100Ah電池的內(nèi)阻約3.5~6mΩ2V系列的、容量大的電池內(nèi)阻更小一致性串聯(lián)使用時，某些落后電池會使整組電池容量降低、使用壽命縮短先進的制造工藝提高電池的一致性22鉛酸電池的相關(guān)定義重量22鉛酸電池的相關(guān)定義開路電壓(OpenCircuitVoltage,OCV)最大意義在于能衡量電池的荷電狀態(tài)(StateofCharge,SOC)需要在充電或放電結(jié)束后兩小時測量因廠商、應用領(lǐng)域、技術(shù)等因素，100%SOC的電壓不同23鉛酸電池的相關(guān)定義某國外品牌VRLA開路電壓和荷電狀態(tài)關(guān)系圖開路電壓(OpenCircuitVoltage,OCV雙極硫酸鹽化理論：1882年由Tribe和Gladstone提出，簡稱雙硫化理論，該理論認為電池在放電時正、負極都生成硫酸鉛：充電時反應逆向24正極：PbO2+3H++HSO4－+2e－→PbSO4+2H2O負極：Pb+HSO4

－→PbSO4+H++2e－總反應：Pb+PbO2+2H++2HSO4

－→2PbSO4+2H2O鉛酸蓄電池的工作原理雙極硫酸鹽化理論：1882年由Tribe和Gladstone副反應：主要包括充電時負極的析氫反應、正極的析氧反應以及析柵的腐蝕25負極的析氫反應：2H++2e－→H2過充電時析氫速率加快采用鉛鈣合金以提高析氫過電位正極的析氧反應：2H2O→4H++O2+4e－貧液設計，隔離板預留通道，氧氣擴散到負極進行復合目前的氧氣復合效率為93%~99%板柵的腐蝕反應：Pb+2H2O→Pb(OH)2+H2采用含銻合金板柵的腐蝕是電池浮充使用壽命終止的重要原因鉛酸蓄電池的工作原理副反應：主要包括充電時負極的析氫反應、正極的析氧反應以及析柵充電時部分電量用于電解水；充電容量到80%后，該反應加劇氧的復合反應：正極生成的氧氣通過AGM隔板的孔隙擴散到負極，與鉛反應生成氧化鉛，氧化鉛和硫酸反應生成硫酸鉛和水，硫酸鉛經(jīng)充電變成負極活性物質(zhì)鉛，水則進入電解液：關(guān)鍵工藝：高孔隙率的AGM隔板：孔隙率93%以上定量加酸：AGM隔板吸酸后仍有10%左右的孔隙率過量的負極活性物質(zhì)：比正極的容量多10%~20%極群的緊裝配、高純度的鉛鈣合金、穩(wěn)定可靠的安全閥等26閥控式鉛酸蓄電池的關(guān)鍵技術(shù)——氧的復合反應充電時部分電量用于電解水；充電容量到80%后，該反應加劇26負極自放電生成氣體，充電至80%后電解水也生成氣體：安全閥的作用：開閥降壓防止膨脹，隔絕空氣減緩自放電開閥壓力10~49kPa，閉閥壓力1~10kPa有柱型和帽型兩種安全閥失效是電池膨脹的原因之一27H2O→H2↑+O2↑安全閥負極自放電生成氣體，充電至80%后電解水也生成氣體：27H2電池的基本知識鉛酸電池的簡介閥控式鉛酸蓄電池(VRLA)如何正確使用VRLAVRLA的安全問題28電池的基本知識28汽車、摩托車的啟動、點火、照明：SLI電池通信、電力行業(yè)：前者多為48V系統(tǒng)，后者多用384VUPS行業(yè)：如應急照明系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫的不間斷電源系統(tǒng)電動車行業(yè)：電動汽車(EV)和電動自行車29鉛酸蓄電池的應用汽車、摩托車的啟動、點火、照明：SLI電池29鉛酸蓄電池的應循環(huán)使用電池頻繁的進行放電和充電，如電動自行車主要受放電深度的影響，跟充電方式也有關(guān)普通電池的100%DOD放電壽命為300~800次30浮充使用長期進行在浮充狀態(tài)，偶爾進行放電，如UPS主要受環(huán)境溫度影響，跟浮充關(guān)系密切根據(jù)定位不同，壽命從5年到20年不等鉛酸蓄電池的工作方式循環(huán)使用30浮充使用鉛酸蓄電池的工作方式高溫理想工作溫度是15~25℃較高的溫度可提高容量，但縮短壽命溫度每升高10℃，浮充壽命縮短一半，循環(huán)壽命縮短約15%31頻繁的充放電除前幾次循環(huán)外，每次充放電都會導致電池的容量下降部分高性能AGM電池的淺循環(huán)壽命可達數(shù)千甚至上萬次，但幾乎所有AGM電池的100%DOD循環(huán)壽命均只有300~500次鉛酸蓄電池的兩大天敵高溫31頻繁的充放電鉛酸蓄電池的兩大天敵早期容量損失(PrematureCapacityLoss,PCL)，是鉛酸蓄電池深循環(huán)使用時的極大障礙，主要表現(xiàn)是電池使用期間過早地出現(xiàn)容量衰退(C10<0.8C10)，并在一般的充電方式下容量難以恢復PCL有三種模式PCL-1：界面的影響，表現(xiàn)在最初的數(shù)十次循環(huán)內(nèi)電池性能迅速下降，是由于正極板柵和活性物質(zhì)的界面形成了非導電層，產(chǎn)生了較大的電阻，在充放電時發(fā)熱使板柵附近的正極活性物質(zhì)膨脹失去活性；解決辦法是選擇正確的板柵合金以提高界面的導電性PCL-2：正極活性物質(zhì)的影響，循環(huán)使用時正極活性物質(zhì)顆粒膨脹引起它們之間的連接破壞、導電性變差；放電越深、越快，膨脹趨勢越大，導致了氧化鉛的軟化和脫落，在高率放電時更明顯；解決辦法是采用回彈性能好的AGM板、增加群壓PCL-3：負極的影響，一般在200多個循環(huán)后發(fā)生，負極板下部硫酸鹽化；解決辦法是采用高純度的膨脹劑、提高初始充電電流32鉛酸蓄電池的早期容量損失早期容量損失(PrematureCapacityLoss價格低：得益于所有成分都是常用化學物質(zhì)負載大：可以大電流充電和放電耐用：耐過充電和過放電溫度要求低：工作溫度范圍廣，-40℃~+65℃可靠：是目前最可靠的二次電源型號全：從數(shù)安時到數(shù)千安時，從數(shù)百克到數(shù)百千克33鉛酸蓄電池的優(yōu)勢價格低：得益于所有成分都是常用化學物質(zhì)33鉛酸蓄電池的優(yōu)勢笨重：12V100Ah電池重量約35千克，相同規(guī)格的鋰離子電池不足10千克循環(huán)壽命短：100%DOD循環(huán)壽命通常只有幾百次高溫性能差：溫度升高10℃，浮充壽命減半硫化：即失效，放電狀態(tài)存儲導導致硫化污染：鉛和硫酸都是高污染物質(zhì)，VRLA含60%的鉛和10%的硫酸34鉛酸蓄電池的缺點笨重：12V100Ah電池重量約35千克，相同規(guī)格的鋰離子電VRLA有AGM和GEL兩種技術(shù)，二者的差異主要是：內(nèi)阻：GEL技術(shù)需要采用傳統(tǒng)的隔板雙防止枝晶增長造成的短路，因此內(nèi)阻較大，在某些較大負載應用中例如SLI等性能稍差重力效應：GEL技術(shù)由于酸的固定更堅實而受重力影響較小，AGM技術(shù)中30cm的隔板即存在重力效應而GEL技術(shù)需要300cm才能看到，因此GEL技術(shù)的循環(huán)效果更好什么是重力效應？也叫分層效應，指蓄電池在充放電期間不同高度的電解液濃度的改變在富液電池中，酸的分層會引起嚴重后果，但VRLA中電解液的固定很大程度的降低了分層效應循環(huán)使用時，如果電解液得不到混合，酸的分層會使電流分布不均衡，特別是較高的電池55cm高、1.24g/cm3的硫酸的電池中，經(jīng)6次循環(huán)，頂部和底部酸的濃度會分別變?yōu)?.13和1.31g/cm3底部酸的濃度變大會損害負極板，高濃度酸使負極板更容易硫酸鹽化35兩類閥控式鉛酸蓄電池的對比VRLA有AGM和GEL兩種技術(shù)，二者的差異主要是：35兩類優(yōu)點循環(huán)性能好深放電恢復性能好電解液幾乎不分層，可以做得較高較好的高溫性能，不易熱失控，因為是富液可以用于管式極板缺點內(nèi)阻較大初期有酸霧溢出不適合快速充電和高倍率放電低溫性能不理想不適合于薄型極板36膠體技術(shù)的特點優(yōu)點36膠體技術(shù)的特點電池的基本知識鉛酸電池的簡介閥控式鉛酸蓄電池(VRLA)如何正確使用VRLAVRLA的安全問題37電池的基本知識37危險性：普通塑料外殼在熱失控時會燃燒防范：采用UL94HB以上標準的阻燃外殼38危險性：密閉環(huán)境導致H2積累，遇明火爆炸防范：保持環(huán)境通風，禁止明火危險性：外殼破裂時，充放電循環(huán)后酸液泄漏防范：輕拿輕放，不要撞擊鉛酸蓄電池的安全使用危險性：普通塑料外殼在熱失控時會燃燒38危險性：密閉環(huán)境導致陸運：震動，撞擊海運：高溫空運：低氣壓，震動，低溫IATADGR(InternationalAirTransportAssociation,DangerousGoodsRegulations)ICAO

(InternationalCivilAviationOrganization)39鉛酸蓄電池的運輸安全陸運：震動，撞擊39鉛酸蓄電池的運輸安全謝謝！問題？40謝謝！40閥控式鉛酸蓄電池介紹Chris2019.1.541閥控式鉛酸蓄電池介紹Chris1電池的基本知識鉛酸蓄電池的簡介閥控式鉛酸蓄電池(VRLA)如何正確使用VRLAVRLA的安全問題42電池的基本知識2電池：通過化學反應提供直流電能的電化學裝置43一次電池：不可充電，如鋅錳、堿性、鋰電池二次電池：可充電，如鉛酸、鎳氫、鋰離子電池高級電池：結(jié)構(gòu)特殊，性能卓越，如鋅空電池，以空氣做正極，體積很小，用于助聽器什么是電池？電池：通過化學反應提供直流電能的電化學裝置3一次電池：不可充燃料電池：FuelCell,FC,將存在于燃料(氫氣)和氧化劑(氧氣)中的化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置不是蓄電池，是發(fā)電機1839年由英國的Grove發(fā)明44太陽能電池：物理電源，通過光電效應或光化學效應直接把光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置1883年Charles發(fā)明首塊太陽能電池前景廣闊，目前成本高，限制了應用什么是電池？燃料電池：FuelCell,FC,將存在于燃料(氫氣)451800年Vote伏打電堆1859年法國Plante鉛酸蓄電池丹尼爾電池英國Daniel1835年鋅錳電池法國Leclanche1866年1899年瑞典Jungner鎳鎘電池堿性電池Urry1950年1990年索尼公司鋰離子電池電池的歷史51800年1859年丹尼爾電池鋅錳電池1899年堿性電池1電池由外殼、正極、負極、端子、隔膜等組成46電池結(jié)構(gòu)示意圖外殼：一般是塑料或金屬材質(zhì)正極：電流的流出端負極：電流的流入端端子：內(nèi)部與活性物質(zhì)相連，外接用電器隔膜：防止正、負極短路，并提供電子的內(nèi)部傳遞通道電池的結(jié)構(gòu)電池由外殼、正極、負極、端子、隔膜等組成6電池結(jié)構(gòu)示意圖外殼電池的基本知識鉛酸蓄電池的簡介閥控式鉛酸蓄電池(VRLA)如何正確使用VRLAVRLA的安全問題47電池的基本知識7鉛酸蓄電池(Lead-AcidBattery,LAB)，是指正負極活性物質(zhì)分別是鉛和二氧化鉛、由硫酸水溶液做電解液的二次電池分富液式和貧液式兩大類，貧液式就是目前廣泛應用的閥控式密閉鉛酸蓄電池，事實上它不并是完全密閉的主要應用于交通、通信、后備電源等領(lǐng)域具有價格低廉、可靠性高、維護簡單等優(yōu)點由于鉛對人體有害、硫酸污染環(huán)境、腐蝕設備，因此應用領(lǐng)域受到限制雖然有被鎳氫、鋰離子電池等取代的趨勢，但由于價格、安全、可靠性等原因仍將長期占據(jù)二次電池的大部分市場48什么是鉛酸蓄電池？鉛酸蓄電池(Lead-AcidBattery,LAB)，491859年法國Plante發(fā)明鉛酸蓄電池AGM隔離板美國Gate公司1971年P(guān)SOC技術(shù)NorthStar2019年盧森堡第一座鉛蓄廠Trible雙極硫酸鹽化理論1882年1957年德國陽光公司膠體技術(shù)1890年P(guān)hillipart管式極板鉛鈣合金Haring1935年鉛酸蓄電池的歷史91859年AGM隔離板PSOC技術(shù)盧森堡第一座鉛蓄廠195富液式：不能臥式放置，需經(jīng)常加水加酸和調(diào)整酸的濃度等復雜維護；酸液揮發(fā)會污染環(huán)境并腐蝕設備涂膏式極板：工藝簡單，

是最古老的鉛蓄管式正極板：壽命長主要是OPzS型50閥控式：也叫貧液式，電池以安全閥密封，內(nèi)壓過大時開閥排氣，內(nèi)部無游離酸AGM(AbsorbedGlassMat)：目前使用最廣的技術(shù)，吸附電解液的AGM做隔離板膠體(Gel)：低溫性能更好，壽命更長鉛酸蓄電池的分類富液式：不能臥式放置，需經(jīng)常加水加酸和調(diào)整酸的濃度等復雜維護電池的基本知識鉛酸電池的簡介閥控式鉛酸蓄電池(VRLA)如何正確使用VRLAVRLA的安全問題51電池的基本知識11閥控式鉛酸蓄電池(ValveRegulatedLead-AcidBattery,VRLA)，廣泛使用的一種鉛酸蓄電池，主要特點是：電解質(zhì)吸附于AGM隔板中或者變成膠體狀態(tài)，內(nèi)部無游離酸每個單體有一個安全閥，大部分時間處于密封狀態(tài)，內(nèi)壓過大時開閥排氣降壓1938年Dassler提出的氣體復合原理是VRLA的理論基礎1957年德國陽光公司的膠體(GEL)技術(shù)和1971年美國Gates公司的AGM技術(shù)是VRLA的實踐基礎目前主要有AGM技術(shù)和GEL技術(shù)兩種52什么是閥控式鉛酸蓄電池？閥控式鉛酸蓄電池(ValveRegulatedLead-閥控式鉛酸蓄電池：通過安全閥排出內(nèi)部生成的多余氣體的鉛酸蓄電池53鉛酸蓄電池結(jié)構(gòu)示意圖外殼：一般是塑料外殼如ABS，PP等，也有外部再加鋼殼的正極：主要是紅棕色氧化鉛(PbO2)負極：主要是海綿狀的金屬鉛(Pb)端子：鉛或銅質(zhì)，銅端子更常見隔膜：AGM或膠體，吸附硫酸水溶液安全閥：內(nèi)部氣體溢出通道，一般加防爆石和濾酸器高端電池有時配備排氣孔和導氣管，保證電池柜內(nèi)氫氣的零積累閥控式鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)閥控式鉛酸蓄電池：通過安全閥排出內(nèi)部生成的多余氣體的鉛酸蓄電卷繞式極板結(jié)構(gòu)特點裝配緊密極板更薄優(yōu)點較寬的工作溫度范圍(-50~70℃)大電流充放電性能更好搞震性能良好可靠性高缺點工藝復雜，造價高不適用于浮充適用范圍國防，醫(yī)療器械，儀表54特殊的閥控式鉛酸蓄電池卷繞式極板結(jié)構(gòu)特點14特殊的閥控式鉛酸蓄電池板柵：占蓄電池總質(zhì)量的20%~30%，主要作用是：活性物質(zhì)的載體：鉛膏靠板柵保持和支撐集流體：擔負著電流的傳導、集散作用并使電池分布均勻性能要求：導電性好，耐腐蝕，與活性物質(zhì)結(jié)合性好，足夠的強度55閥控式鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)目前最廣泛使用的Pb-Sb和Pb-Ca合金：Pb-Sb合金循環(huán)性能好，但易失水，正極板柵腐蝕快Pb-Ca合金浮充性能好，板氫電位高因此失水率低，導電性能好，但易出現(xiàn)PCL-1及板柵膨脹而導致的活性物質(zhì)脫落Pb-Ca-Sn-Al合金：鉛鈣系合金的代表，目前使用最廣泛其它：德國曾生產(chǎn)用于軍事的鍍鉛的銅板柵以及導電塑料板柵，成本高昂板柵：占蓄電池總質(zhì)量的20%~30%，主要作用是：15閥控式正極：由網(wǎng)格狀金屬板柵上涂覆鉛膏組成，鉛膏是正極活性物質(zhì)，主要成分是氧化鉛，紅棕色正極活性物質(zhì)的泥化失效以及正極板柵的腐蝕是VRLA失效的重要原因正極板一般較厚，以應對活性物質(zhì)的泥化脫落，而且比負極板少一片常溫低率放電時，電池容量受限于正極56閥控式鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)二氧化鉛有α-PbO2和β-PbO2兩種晶體：α-PbO2是斜方晶系，晶粒較大，可以形成網(wǎng)絡或骨骼，使正極活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)完整從而有較長的壽命β-PbO2是正方晶系，晶粒較小因此有更大的比表面積，放電時給出的容量是α-PbO2的1.5~3倍正極：由網(wǎng)格狀金屬板柵上涂覆鉛膏組成，鉛膏是正極活性物質(zhì)，主電池壽命初期，活性物質(zhì)以α-PbO2為主，壽命末期以β-PbO2為主：電池壽命初期，正極活性物質(zhì)以為α-PbO2主放電時α-PbO2生成PbSO4，充電時PbSO4生成β-PbO2，因此在初期循環(huán)中電池的容量越來越高隨著循環(huán)的進行，β-PbO2的比例增加，活性物質(zhì)間的結(jié)合慢慢減弱，充電過程中在析氧的沖擊下，正極活性物質(zhì)密度下降，最后軟化成泥狀物脫落，導致壽命終止由于α-PbO2有較好的機械強度和結(jié)構(gòu)，由其形成的多晶網(wǎng)絡可作為活性物質(zhì)的骨骼，而β-PbO2有較小的尺寸和較大的比表面積，可給出較大的比容量，二者最優(yōu)的比例是0.8，此時電池有最好的深放電性能57閥控式鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)電池壽命初期，活性物質(zhì)以α-PbO2為主，壽命末期以β-Pb負極：由負極板柵及涂覆其上的負極活性物質(zhì)組成，負極活性物質(zhì)主要是海綿狀金屬鉛，呈金屬灰色低溫(-15℃)、高率(1HR)放電時，電池容量受限于負極，原因是鉛電池的鈍化即生成的硫酸鉛將電解液與活性物質(zhì)隔離58閥控式鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)負極添加劑主要包括膨脹劑、阻化劑：膨脹劑：防止在循環(huán)過程中負極活性物質(zhì)表面積收縮，同時起去鈍化作用，常用的無機膨脹劑是硫酸鋇、乙炔黑等，有機膨脹劑腐殖酸、木質(zhì)素等阻化劑：提高析氫過電位，阻滯鉛電池在制造過程中的氧化負極的不可逆硫酸鹽化是電池提前失效的重要原因之一負極：由負極板柵及涂覆其上的負極活性物質(zhì)組成，負極活性物質(zhì)主不可逆硫酸鹽化：簡稱硫化，是負極活性物質(zhì)在一定條件下生成堅硬而粗大的、幾乎不溶解的硫酸鉛，所以在充電時不能轉(zhuǎn)化為海綿狀鉛，使電池容量大大降低的現(xiàn)象原因：通常是長期充電不足或放電狀態(tài)下長期儲存等使用或維護不當造成防止：及時充電，不要過放電59不可逆硫酸鹽化正常的負極活性物質(zhì)粗大的硫酸鉛晶體不可逆硫酸鹽化：簡稱硫化，是負極活性物質(zhì)在一定條件下生成堅硬額定電壓最常見的是12V系列，2V的主要應用在工業(yè)上，6V的不常見，用于某些設備如醫(yī)療設備等額定容量在一定標準下，由生產(chǎn)廠商定義的電池的容量通信用鉛酸電池的額定標準標準是25℃時以10HR放電至1.80VPC實際容量因溫度、放電率和終止電壓的不同而不同終止電壓FinalVoltage,F.V.，為了保護電池，放電至F.V.時應停止放電終止電壓與放電電流大小有關(guān)：電流越小，終止電壓越高0.1C放電的F.V.一般為1.80VPC60鉛酸電池的相關(guān)定義額定電壓20鉛酸電池的相關(guān)定義充電電壓分均充(Boost)和浮充(Float)，充電電壓值主要跟電解液濃度有關(guān)均充電壓：25℃時約為2.35VPC，充電速度快，根據(jù)電流不同，可在5~10小時內(nèi)充滿電浮充電壓：25℃時一般為2.23~2.27VPC，在該電壓下充電速度和自放電速度相當溫度不同時，電壓應做相應的調(diào)整，叫做溫度補償放電深度是指放出電量占電池額定容量的百分比(DepthofDischarge,DOD)；不同放電深度下，電池的循環(huán)壽命差異較大，放電深度越深，壽命越短溫度補償系數(shù)環(huán)境溫度變化1℃時充電電壓的改變值叫溫補系數(shù)，通常為-2~4mV/℃該值為負表示溫度升高時充電電壓降低溫度補償范圍一般為0~50℃61鉛酸電池的相關(guān)定義充電電壓21鉛酸電池的相關(guān)定義重量可以用來衡量電池的含鉛量VRLA含鉛的質(zhì)量分數(shù)約60%12V100Ah電池質(zhì)量約33千克內(nèi)阻一般在充滿電的狀態(tài)下以1000Hz的交流電測量內(nèi)阻反映了電池用料的純度內(nèi)阻小的電池壽命長12V100Ah電池的內(nèi)阻約3.5~6mΩ2V系列的、容量大的電池內(nèi)阻更小一致性串聯(lián)使用時，某些落后電池會使整組電池容量降低、使用壽命縮短先進的制造工藝提高電池的一致性62鉛酸電池的相關(guān)定義重量22鉛酸電池的相關(guān)定義開路電壓(OpenCircuitVoltage,OCV)最大意義在于能衡量電池的荷電狀態(tài)(StateofCharge,SOC)需要在充電或放電結(jié)束后兩小時測量因廠商、應用領(lǐng)域、技術(shù)等因素，100%SOC的電壓不同63鉛酸電池的相關(guān)定義某國外品牌VRLA開路電壓和荷電狀態(tài)關(guān)系圖開路電壓(OpenCircuitVoltage,OCV雙極硫酸鹽化理論：1882年由Tribe和Gladstone提出，簡稱雙硫化理論，該理論認為電池在放電時正、負極都生成硫酸鉛：充電時反應逆向64正極：PbO2+3H++HSO4－+2e－→PbSO4+2H2O負極：Pb+HSO4

－→PbSO4+H++2e－總反應：Pb+PbO2+2H++2HSO4

－→2PbSO4+2H2O鉛酸蓄電池的工作原理雙極硫酸鹽化理論：1882年由Tribe和Gladstone副反應：主要包括充電時負極的析氫反應、正極的析氧反應以及析柵的腐蝕65負極的析氫反應：2H++2e－→H2過充電時析氫速率加快采用鉛鈣合金以提高析氫過電位正極的析氧反應：2H2O→4H++O2+4e－貧液設計，隔離板預留通道，氧氣擴散到負極進行復合目前的氧氣復合效率為93%~99%板柵的腐蝕反應：Pb+2H2O→Pb(OH)2+H2采用含銻合金板柵的腐蝕是電池浮充使用壽命終止的重要原因鉛酸蓄電池的工作原理副反應：主要包括充電時負極的析氫反應、正極的析氧反應以及析柵充電時部分電量用于電解水；充電容量到80%后，該反應加劇氧的復合反應：正極生成的氧氣通過AGM隔板的孔隙擴散到負極，與鉛反應生成氧化鉛，氧化鉛和硫酸反應生成硫酸鉛和水，硫酸鉛經(jīng)充電變成負極活性物質(zhì)鉛，水則進入電解液：關(guān)鍵工藝：高孔隙率的AGM隔板：孔隙率93%以上定量加酸：AGM隔板吸酸后仍有10%左右的孔隙率過量的負極活性物質(zhì)：比正極的容量多10%~20%極群的緊裝配、高純度的鉛鈣合金、穩(wěn)定可靠的安全閥等66閥控式鉛酸蓄電池的關(guān)鍵技術(shù)——氧的復合反應充電時部分電量用于電解水；充電容量到80%后，該反應加劇26負極自放電生成氣體，充電至80%后電解水也生成氣體：安全閥的作用：開閥降壓防止膨脹，隔絕空氣減緩自放電開閥壓力10~49kPa，閉閥壓力1~10kPa有柱型和帽型兩種安全閥失效是電池膨脹的原因之一67H2O→H2↑+O2↑安全閥負極自放電生成氣體，充電至80%后電解水也生成氣體：27H2電池的基本知識鉛酸電池的簡介閥控式鉛酸蓄電池(VRLA)如何正確使用VRLAVRLA的安全問題68電池的基本知識28汽車、摩托車的啟動、點火、照明：SLI電池通信、電力行業(yè)：前者多為48V系統(tǒng)，后者多用384VUPS行業(yè)：如應急照明系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫的不間斷電源系統(tǒng)電動車行業(yè)：電動汽車(EV)和電動自行車69鉛酸蓄電池的應用汽車、摩托車的啟動、點火、照明：SLI電池29鉛酸蓄電池的應循環(huán)使用電池頻繁的進行放電和充電，如電動自行車主要受放電深度的影響，跟充電方式也有關(guān)普通電池的100%DOD放電壽命為300~800次70浮充使用長期進行在浮充狀態(tài)，偶爾進行放電，如UPS主要受環(huán)境溫度影響，跟浮充關(guān)系密切根據(jù)定位不同，壽命從5年到20年不等鉛酸蓄電池的工作方式循環(huán)使用30浮充使用鉛酸蓄電池的工作方式高溫理想工作溫度是15~25℃較高的溫度可提高容量，但縮短壽命溫度每升高10℃，浮充壽命縮短一半，循環(huán)壽命縮短約15%71頻繁的充放電除前幾次循環(huán)外，每次充放電都會導致電池的容量下降部分高性能AGM電池的淺循環(huán)壽命可達數(shù)千甚至上萬次，但幾乎所有AGM電池的100%DOD循環(huán)壽命均只有300~500次鉛酸蓄電池的兩大天敵高溫31頻繁的充放電鉛酸蓄電池的兩大天敵早期容量損失(PrematureCapacityLoss,PCL)，是鉛酸蓄電池深循環(huán)使用時的極大障礙，主要表現(xiàn)是電池使用期間過早地出現(xiàn)容量衰退(C10<0.8C10)，并在一般的充電方式下容量難以恢復PCL有三種模式PCL-1：界面的影響，表現(xiàn)在最初的數(shù)十次循環(huán)內(nèi)電池性能迅速下降，是由于正極板柵和活性物質(zhì)的界面形成了非導電層，產(chǎn)生了較