鉛酸蓄電池原理講解

關(guān)于鉛酸蓄電池原理講解第1頁，共36頁，2022年，5月20日，12點9分，星期六作用：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(fù)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(qiáng)；④充電效率高；⑤少維護(hù)或免維護(hù)；⑥工作溫度范圍寬；⑦價格低廉。第2頁，共36頁，2022年，5月20日，12點9分，星期六一、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(xì)螺旋作隔板，浸在10%的硫酸(H2SO4)溶液(密度1.06g/cm3)中，構(gòu)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(xué)院提交了一個由9個單體電池構(gòu)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(zhì)利用率低、化成時間相當(dāng)長、電池放電容量不大等問題，所以沒有獲得工業(yè)上的應(yīng)用。第3頁，共36頁，2022年，5月20日，12點9分，星期六

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(yán)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(shè)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(zhì)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(qiáng)了硬度。

鉛粉、鉛膏、合金板柵作為現(xiàn)代鉛酸蓄電池極板結(jié)構(gòu)就此確定下來。第4頁，共36頁，2022年，5月20日，12點9分，星期六傳統(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(chǎn)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(shè)計靈活等優(yōu)勢。板柵的制造第5頁，共36頁，2022年，5月20日，12點9分，星期六第6頁，共36頁，2022年，5月20日，12點9分，星期六

1910年開始，鉛酸蓄電池生產(chǎn)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(biāo)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(chǎn)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(yīng)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(jīng)過多年的努力，其設(shè)計技術(shù)有了很大的發(fā)展，并沿用至今。第7頁，共36頁，2022年，5月20日，12點9分，星期六二、VRLA電池的結(jié)構(gòu)和原理（一）結(jié)構(gòu)第8頁，共36頁，2022年，5月20日，12點9分，星期六負(fù)極板隔板正極板第9頁，共36頁，2022年，5月20日，12點9分，星期六殼體采用耐酸、耐熱和耐震的硬橡膠或聚丙稀塑料制成整體式結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)分成６個互不相通的單格，每個單格內(nèi)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(zhì)落入凹槽中，防止極板短路。殼體第10頁，共36頁，2022年，5月20日，12點9分，星期六（1）極板(板柵):以鉛銻合金為骨架，上面緊密地涂上鉛膏，經(jīng)過化學(xué)處理后，正、負(fù)極板上形成各自的活性物質(zhì)，正極的活性物質(zhì)是PbO2，負(fù)極的活性物質(zhì)是海綿鉛，在成流過程中，負(fù)極被氧化，正極被還原，負(fù)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(fù)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(zhì)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(jī)械強(qiáng)度。（二）主要零部件及作用第11頁，共36頁，2022年，5月20日，12點9分，星期六（3）電解液：鉛酸蓄電池一律采用硫酸電解質(zhì)，是電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)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(zhì)，此時硫酸不僅是反應(yīng)電解質(zhì)，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(zhì)。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(jié)構(gòu)，殼內(nèi)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(zhì)，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12頁，共36頁，2022年，5月20日，12點9分，星期六（三）基本反應(yīng)原理當(dāng)用連有電流計的導(dǎo)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(dǎo)線中有電流流過此反應(yīng)的實質(zhì)是：ZnZn2++2e-(氧化反應(yīng))2H++2e-(還原反應(yīng))H2組成蓄電池需要有兩個條件：一是必須把化學(xué)反應(yīng)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(jìn)行；二是物質(zhì)在進(jìn)行轉(zhuǎn)變的過程中，電子必須通過外線路。第13頁，共36頁，2022年，5月20日，12點9分，星期六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(fù)極板:一方面鉛板有溶于電解液的傾向，因此有少量鉛進(jìn)入溶液生成Pb2+(被氧化)而在極板帶負(fù)電；另一方面，由于Pb2+帶正電荷，極板帶負(fù)電荷，正、負(fù)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(dá)到動態(tài)平衡時，負(fù)極板相對于電解液具有負(fù)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(yīng)，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(yīng)式為：2H2SO44H++2SO42-Pb-2e-Pb2+Pb2++

SO42-PbSO4第14頁，共36頁，2022年，5月20日，12點9分，星期六正極放電時有少量PbO2進(jìn)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(dá)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(dāng)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(yīng)，變?yōu)镻bSO4

，這些PbSO4以固體形式被吸附在正極板上。的正負(fù)極，在電池內(nèi)部產(chǎn)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(yīng)為：H++OH-H2OPb4++2e-Pb2+第15頁，共36頁，2022年，5月20日，12點9分，星期六放電過程是化學(xué)能變成電能的過程，這時正極的活性物質(zhì)PbO2變?yōu)镻bSO4，負(fù)極的活性物質(zhì)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(yīng)增加，電解液的相對密度降低。所以放電過程總的反應(yīng)PbO2+2H2SO4+PbPbSO4+2H2O+PbSO4(2)充電過程：即將電能變成化學(xué)能。充電時，負(fù)極板上的PbSO4進(jìn)人溶液，解離成Pb2+與SO42-。電解液中的H2O解離成H+與OH-。在負(fù)極上，充電時負(fù)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(fù)極，在負(fù)極附近與SO42-結(jié)合成H2SO4

。正極活性物負(fù)極活性物負(fù)極生成物正極生成物電解液電解液生成物第16頁，共36頁，2022年，5月20日，12點9分，星期六PbSO4Pb2++

SO42-負(fù)極反應(yīng)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?yōu)镻b4+，它又與OH結(jié)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(jié)合生成H2SO4PbSO4Pb2++

SO42-Pb2+

-2e-Pb4+Pb4++4OH-Pb(OH)4PbO2+2H2OPb(OH)4H2SO42H++SO42-第17頁，共36頁，2022年，5月20日，12點9分，星期六所以充電過程總的反應(yīng)充電過程中，正、負(fù)極板上的有效物質(zhì)逐漸恢復(fù)，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(chǎn)生游離的H+和SO42-

，負(fù)極不斷產(chǎn)生SO42-

，在電場的作用下，H+向負(fù)極移動，SO42-向正極移動，形成電流。2H2O2H2+O2到充電終期，PbSO4絕大部分反應(yīng)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(fù)極放出H2PbO2+2H2SO4+PbPbSO4+2H2O+PbSO4正極物質(zhì)負(fù)極物質(zhì)負(fù)極生成物正極生成物電解液電解液生成物第18頁，共36頁，2022年，5月20日，12點9分，星期六三、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(jìn)行槽式化成，即將極板放在專門的化成槽中，多片正、負(fù)極板相間連接，灌入電解液，與直流電源連接，進(jìn)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(nèi)，灌滿電解液，通電進(jìn)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(nèi)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19頁，共36頁，2022年，5月20日，12點9分，星期六第20頁，共36頁，2022年，5月20日，12點9分，星期六四、鉛酸蓄電池的分類、命名和一些常用術(shù)語(一)鉛酸蓄電池的分類1．按照電解液數(shù)量和電池槽結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，電解液是處于富液狀態(tài)，使用過程中需要加水調(diào)節(jié)酸密度。后者為全密封式結(jié)構(gòu)，電解液為貧液狀態(tài)，使用過程中不需要進(jìn)行加水或加酸維護(hù)，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(nèi)燃機(jī)車用電池、鐵路客車用電池、摩托車用電池、電動汽車等。第21頁，共36頁，2022年，5月20日，12點9分，星期六(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密密封J膠膠體D動動力型N內(nèi)內(nèi)燃機(jī)車用T鐵鐵路客車用D電電力機(jī)車用3—GFM—500固定型閥控式密封500A.h三個單體6V6—GFMJ—100固定型閥控式密封100A.h六個單體12V膠體第22頁，共36頁，2022年，5月20日，12點9分，星期六(三)蓄電池的常用術(shù)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(jīng)歷的時間標(biāo)識：20h、10h、5h、3h、1h、0.5hC20=100A·h放電電流為5A啟動型，以20h率標(biāo)定，表示C2020h放電率例：C=120A·h固定型，以10h率標(biāo)定，表示C10第23頁，共36頁，2022年，5月20日，12點9分，星期六3、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(fù)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(jīng)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24頁，共36頁，2022年，5月20日，12點9分，星期六6、電池內(nèi)阻歐姆內(nèi)阻：主要由電極材料、隔膜、電解液、接線柱。等構(gòu)成，也與電池尺寸、結(jié)構(gòu)及裝配有關(guān)。極化內(nèi)阻：電池放電或充電過程中兩電極進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)時極化產(chǎn)生的內(nèi)阻。內(nèi)阻嚴(yán)重影響電池工作性能，因而愈小愈好。第25頁，共36頁，2022年，5月20日，12點9分，星期六(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(nèi)。GEL電池：主要是采用PVC—SiO2隔板，電解質(zhì)為已經(jīng)凝膠的膠體電解質(zhì)。第26頁，共36頁，2022年，5月20日，12點9分，星期六第二節(jié)鉛酸蓄電池的一般設(shè)計一、板柵設(shè)計在正負(fù)極活性物質(zhì)、電解液、板柵體積或質(zhì)量之間作出分配和平衡。比質(zhì)量：比體積：最佳0.35~0.6小于1.0g/cm2第27頁，共36頁，2022年，5月20日，12點9分，星期六二、電池容量設(shè)計1、厚度的選擇2、單片電極板容量經(jīng)驗公式涂膏式極板在1.3g/cm3電解液中經(jīng)驗公式C——極板容量，A·hb——極板寬度，mmh——極板高度，mmδ——極板厚度，mm根據(jù)所需功率與時間確定容量第28頁，共36頁，2022年，5月20日，12點9分，星期六三、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(shè)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(zhì)量百分比濃度為30％，電導(dǎo)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(fù)極活性物質(zhì)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?。?9頁，共36頁，2022年，5月20日，12點9分，星期六第三節(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：①氧復(fù)合不能達(dá)到100%；②安全閥失效或頻繁開啟，向外排氣導(dǎo)致失水；③電池泄漏和外殼材料選擇不當(dāng)導(dǎo)致水的滲透；④正極板柵的腐蝕而導(dǎo)致水的轉(zhuǎn)化。2、后果：電池會因水損失干涸而失效，嚴(yán)重影響壽命。第30頁，共36頁，2022年，5月20日，12點9分，星期六（二）負(fù)極硫酸化鉛酸蓄電池在正常工作中，負(fù)極板上PbSO4顆粒小，充電時很容易恢復(fù)為絨狀鉛。在充電不足或經(jīng)常進(jìn)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(nèi)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(fù)。3種模式：突然容量損失(PCI-1)，慢慢容量損失(PCL-2)和負(fù)極無法再充電(PCL-3)。第31頁，共36頁，2022年，5月20日，12點9分，星期六PCL-1:表現(xiàn)為電池在最初的10～50次循環(huán)內(nèi)，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(zhì)之間的結(jié)合力和導(dǎo)電性，就解決了PCL-1。主要解決途徑：板柵與活性物質(zhì)之間的結(jié)合力和導(dǎo)電性。PCL-2:認(rèn)為正極的導(dǎo)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(zhì)顆粒之間連接的破壞，從而影響導(dǎo)電性。放電越深越快，放電速率越大，活性物質(zhì)膨脹和容量損失的趨勢就越大。PCL-3：負(fù)極再充電不足導(dǎo)致負(fù)極板底部硫酸鹽化，從而影響負(fù)極導(dǎo)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。第32頁，共36頁，2022年，5月