第十一講化學(xué)與新能源

第十一講化學(xué)與新能源1第1頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四汽車上一般采用鉛酸蓄電池，其主要目的使啟動發(fā)動機(jī)。車用蓄電池可分為以下4種：濕荷電蓄電池干荷電蓄電池少維護(hù)蓄電池免維護(hù)蓄電池。蓄電池的分類

2第2頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四蓄電池的功用1.發(fā)動機(jī)啟動時，向啟動機(jī)和點火系統(tǒng)供電2.發(fā)動機(jī)低速運轉(zhuǎn)時，向用電設(shè)備和發(fā)電機(jī)磁場繞組供電。（應(yīng)用中應(yīng)避免）3.發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)時，將發(fā)電機(jī)剩余電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來；4.發(fā)電機(jī)過載時，協(xié)助發(fā)電機(jī)向用電設(shè)備供電5.蓄電池相當(dāng)于一個大電容器，能吸收電路中出現(xiàn)的舒瞬時過電壓，保護(hù)電子元件，保持汽車電器系統(tǒng)電壓穩(wěn)定3第3頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四對蓄電池的要求啟動發(fā)動機(jī)時，蓄電池在5～10S內(nèi)，要向啟動機(jī)連續(xù)供給強(qiáng)大電流（汽油機(jī)200～600A，柴油機(jī)800～1000A）因此，對蓄電池的要求是：容量大、內(nèi)阻小、有足夠的啟動能力。4第4頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四

蓄電池的構(gòu)造與型號

蓄電池的構(gòu)造55第5頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四蓄電池的基本構(gòu)造

極板隔板外殼電解液

6第6頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四極板極板：是蓄電池的基本部件，由它接受充入的電能和向外釋放電能。極板分正極板和負(fù)極板兩種。正極板上的活性物質(zhì)是二氧化鉛，呈棕紅色；負(fù)極板上的活性物質(zhì)是海綿狀純鉛，呈青灰色。

7第7頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四柵架活性物質(zhì)8第8頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四

隔板

為了避免相互接觸而短路，正負(fù)極板之間要用絕緣的隔板隔開。隔板材料應(yīng)具有多孔性結(jié)構(gòu)，以便電解液自由滲透，而且化學(xué)性能應(yīng)穩(wěn)定，具有良好的耐酸性和抗氧化性。9第9頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四隔板10第10頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四電解液鉛酸蓄電池的電解液，是由相對密度1.84的純硫酸和蒸餾水配制而成。密度一般在1.24－1.31g／cm的范圍之內(nèi)。電解液的純度是影響蓄電池的電氣性能和使用壽命的重要因素，一般工業(yè)用硫酸和普通水中，因含有鐵、銅等有害雜質(zhì)，絕對不能加入到蓄電池中去，否則容易自行放電，并且容易損壞極板。因此，蓄電池電解液要用規(guī)定的蓄電池專用硫酸和蒸餾水配制。11第11頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四外殼

蓄電池外殼為一整體式結(jié)構(gòu)的容器，極板、隔板和電解液均裝入外殼內(nèi)。蓄電池電壓一般有6V和12V兩種規(guī)格，因此，外殼內(nèi)由間壁分成3個和6個互不相通的單格。外殼應(yīng)耐酸、耐熱、耐寒、抗震動，并具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。12第12頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四蓄電池的型號、規(guī)格

蓄電池的產(chǎn)品型號按照原機(jī)械工業(yè)部部頒標(biāo)準(zhǔn)JB2599－85的規(guī)定，鉛蓄電地產(chǎn)品型號分為三段，13第13頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四解放CA141汽車用蓄電池6-QA-100即是6個單格電池額定電壓12伏額定容量100Ah起動型干荷蓄電池14第14頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四蓄電池的工作原理及特性雙極硫酸鹽化理論蓄電池中參與化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)，正極板上是pbO2負(fù)極板上是pb電解液是硫酸水溶液蓄電池放電時，正極板上的pbo2和負(fù)極板上的pb都變成pbso4水溶液電解液中的H2SO4減少，相對密度下降。蓄電池充電時，則按相反的方向變化。15第15頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四工作原理

蓄電池的化學(xué)反應(yīng)方程式為:充電：2PbSO4+2H2O＝PbO2+Pb+2H2SO4（電解池）

陽極：PbSO4+2H2O-

2e

===PbO2+4H++SO42-

陰極：PbSO4+2e=Pb+SO42-放電：PbO2+Pb+2H2SO4＝2PbSO4+2H2O（原電池）

負(fù)極：Pb+SO42-－

2e=PbSO4

正極：PbO2+4H++SO42-

+2e=PbSO4+2H2O16第16頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四電動勢的建立正極板：PbO2溶于電解液

PbO2+2H2O→Pb(OH)4Pb(OH)4→Pb4++4OH-OH-留在電解液中，Pb4+沉附在正極表面,使正極板有+2.0V在外電路未接通時，反應(yīng)達(dá)到動態(tài)平衡時，靜止電動勢為：E=2.0－(－0.1)=2.1V17第17頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四一、放電過程將蓄電池的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的過程稱為放電過程。18第18頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四如果將蓄電池與外電路的負(fù)荷接通，電子e從負(fù)極板經(jīng)過外電路的負(fù)荷流往正極板，使正極板的電位下降，從而破壞了原有的平衡狀態(tài)。發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。從理論上說，蓄電池這種放電過將極板上所有物質(zhì)全部轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩徙U，但實際轉(zhuǎn)化的只有20-30%。19第19頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四二、充電過程將電能轉(zhuǎn)換成蓄電池化學(xué)能的過程稱為充電過程，它是放電反應(yīng)的逆過程。20第20頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四充電時蓄電池的正負(fù)兩極接通直流電源當(dāng)電源電壓高于蓄電池的電動勢E時，電流由蓄電池的正極流入，從蓄電池的負(fù)極流出，也就是電子由正極板經(jīng)外電路流往負(fù)極板。這時正負(fù)極板發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)正好與放電過程相反，其化學(xué)反應(yīng)過程如圖所示。21第21頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四蓄電池充放電過程結(jié)論

蓄電池在放電時，電解液中的硫酸將逐漸減少，而水將逐漸增多，電解液相對密度下降。蓄電池在充電時，電解液中的硫酸將逐漸增多，而水將逐漸減少，電解液相對密度增加。在充放電時，電解液濃度發(fā)生變化，主要是由于正極板的活性物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，因此要求正極極處的電解液流動性要好。在裝配蓄電池時，應(yīng)將隔板有溝槽的一面對著正極板，以便電解液流通。22第22頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四蓄電池的工作特性

蓄電池的靜止電動勢及基本電特性蓄電池的內(nèi)阻蓄電池的放電特性蓄電池的充電特性

23第23頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四

1、蓄電池的靜止電動勢及基本電特性

靜止電動勢ES蓄電池處于靜止?fàn)顟B(tài)時，正負(fù)極板之間的電位差（即開路電壓）稱為靜止電動勢。開路電壓：理論上，開路狀態(tài)下的端電壓并不等于電池的電動勢。但是，開路電壓在數(shù)值上很接近蓄電池的靜止電動勢，可以用開路電壓代替靜止電動勢。一般規(guī)定鉛蓄電池的額定開路電壓為2.0V。開路電壓（靜止電動勢）公式ES=0.85+ρ25°C（V）(25攝氏度的電解液相對密度

)汽車用蓄電池的電解液密度一般在1.12-1.30g/cm3之間，因此ES=1.97～2.15（V）24第24頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四蓄電池端電壓的測量：端電壓包括開路電壓、放電電壓和充電電壓，取決于蓄電池的工作狀況。一般發(fā)動機(jī)未工作時測量蓄電池電壓為開路電壓為12V。一般發(fā)動機(jī)工作時測量蓄電池電壓為充電電壓為14V。啟動時測量蓄電池電壓為放電電電壓約為8-11V。實際測量時采用放電計模擬啟動狀態(tài)。25第25頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四2、蓄電池的放電特性

蓄電池的放電特性是指在恒流放電過程中，蓄電池的端電壓和電解液相對密度隨時間而變化的規(guī)律。將完全充足電的蓄電池以20h放電率的電流進(jìn)行放電，在放電過程中不斷地調(diào)節(jié)外接的電位器，使放電電流保持穩(wěn)定不變，每隔一定的時間，測量端電壓和電解液密度，得到如圖所示的放電特性曲線。26第26頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四（1）開始放電階段端電壓由2.14V迅速下降至2.1V極板孔隙內(nèi)硫酸迅速消耗，電解液密度迅速下降，濃差極化增大，端電壓迅速下降。（2）相對穩(wěn)定階段端電壓由緩慢下降至1.85V極板孔隙外向孔隙內(nèi)擴(kuò)散的硫酸與孔隙內(nèi)消耗的硫酸達(dá)到動態(tài)平衡，孔內(nèi)外電解液密度一起緩慢下降，所以端電壓緩慢下降。27第27頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四（3）迅速下降階段端電壓由1.85V迅速下降至1.75V。放電接近終了時，電化學(xué)極化、濃差極化、歐姆極化顯著增大，端電壓迅速下降。蓄電池放電終了的特征1)電解液相對密度下降到最小許可值。2)單體電池的端電壓降至放電終止電壓。28第28頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四（1）充電開始階段端電壓迅速上升。開始充電時，孔隙內(nèi)迅速生成硫酸，濃差極化增大，端電壓迅速上升。（2）穩(wěn)定上升階段端電壓緩慢上升至2.4V左右?？紫秲?nèi)生成的硫酸向孔隙外擴(kuò)散，當(dāng)硫酸生成的速度與擴(kuò)散速度達(dá)到平衡時，端電壓隨整個容器內(nèi)電解液密度變化而緩慢上升。（3）充電末期電壓迅速上升到2.7V左右，且穩(wěn)定不變，電解液呈沸騰狀態(tài)?；钚晕镔|(zhì)還原反應(yīng)結(jié)束后的充電稱為過充電，充電電流用于電解水，應(yīng)避免長時間過充電。3、蓄電池的充電特性

29第29頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四蓄電池的充滿電的特征端電壓上升到最大值2.7V，并在2h~3h內(nèi)不在增加。電解液相對密度上升到最大值1.27g/cm蓄電池內(nèi)產(chǎn)生大量氣泡。30第30頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四

蓄電池的容量及其影響因素一、蓄電池的容量指蓄電池在規(guī)定條件下（包括放電溫度、放電電流、放電終止電壓）放出的電量。單位：安時（A·h）理論容量、實際容量（無實際意義）額定容量、儲備容量31第31頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四額定容量用20h率容量表示。國標(biāo)GB5008.1-91《啟動用鉛蓄電池技術(shù)條件》規(guī)定：將充電的新蓄電池在電解液溫度為25±5°C條件下，以20h率的放電電流連續(xù)放至單池平均電壓降到1.75V時，輸出的電量稱為額定容量。實際測量蓄電池容量超過20小時為合格儲備容量國標(biāo)GB5008.1-91《啟動用鉛蓄電池技術(shù)條件》規(guī)定：蓄電池在25±2℃條件下，以25A恒流放電直至單池平均電壓降到1.75V時的放電時間。單位為分鐘（min）。32第32頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四影響蓄電池容量的因素極板的構(gòu)造對容量的影響放電電流對容量的影響。電解液溫度對容量的影響。電解液密度對容量的影響。33第33頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1．構(gòu)造因素對容量的影響極板厚度越薄，活性物質(zhì)的利用率就越高，容量就越高。極板面積越大，同時參與反應(yīng)的物質(zhì)就越多，容量就越大。同性極板中心距越小，蓄電池內(nèi)阻越小，容量越大。蓄電池選擇的主要標(biāo)準(zhǔn)2．使用因素對容量的影響電流34第34頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四電解液溫度對容量的影響溫度↓粘度↑滲入極板困難，活性物質(zhì)利用率↓→C↓；同時，粘度↑內(nèi)阻↑內(nèi)壓降↑端電壓↓→C↓35第35頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四電解液密度對容量的影響電解液密度ρ↑電動勢E↑，電液滲透能力↑，參加反應(yīng)的活性物質(zhì)↑→C↑ρ過高，粘度↑，內(nèi)阻↑，極板硫化↑→C↓實踐證明：電解液密度偏低有利于提高放電電流和容量。冬季使用的電解液，在不使其結(jié)冰的前提下，盡可能采用稍低的電解液密度。1.12-1.30g/cm336第36頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四蓄電池的使用與維護(hù)

一、蓄電池的維護(hù)1.及時、正確充電裝車使用電池定期補(bǔ)充充電，放電程度，冬季不超過25%，夏季不超過50%；帶電液存放的蓄電池定期補(bǔ)充充電。2.正確使用操作每次啟動時間不超過5s，啟動間隔時間15s，最多連續(xù)啟動3次；

3.清潔保養(yǎng)及時清除蓄電池表面的酸液，經(jīng)常疏通通氣孔

4.防止過充和充電電流過大；防止過度放；防止電解液液面過低；防止電解液密度過大；防止電解液內(nèi)混入雜質(zhì)。37第37頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四二、蓄電池的檢查1、檢查電解液密度

用吸式密度計檢測。方法見圖充電狀態(tài)(%)1007550250電解液相對密度(g/cm3)1.271.231.191.151.1138第38頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四2、模擬啟動放電檢測對于技術(shù)狀態(tài)良好的蓄電池，當(dāng)以啟動電流或規(guī)定的放電電流連續(xù)放電15s時，端電壓應(yīng)不低于規(guī)定值。綠色區(qū)域端電壓高于9.6V，狀態(tài)良好黃色區(qū)域端電壓低于9.6V，存電不足紅色區(qū)域端電壓低8V于蓄電池故障，更換蓄電池。39第39頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四3、檢查電解液液面高度1.目測：電解液液面應(yīng)在蓄電池外殼上、下液面線之間。2.用玻璃觀管測量見圖當(dāng)液面過低時，應(yīng)加注蒸餾水，以恢復(fù)正確的液面高度。除非確知電解液濺出，否則不許添加硫酸溶液。40第40頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四三、冬季使用蓄電池時的注意事項

1.應(yīng)特別注意保持其處于充足電狀態(tài)，以防結(jié)冰；2.冬季補(bǔ)加蒸餾水應(yīng)在充電時進(jìn)行，以防結(jié)冰；3.冬季容量降低，發(fā)動機(jī)啟動前應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱，每次啟動時間不超過5s，每次啟動間隔應(yīng)有15S4.冬季氣溫低，蓄電池充電困難，應(yīng)經(jīng)常檢查蓄電池存電狀況如有必要可以更換容量較大的蓄電池可以適當(dāng)調(diào)整電解液密度41第41頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四四、蓄電池的儲存1.未灌電解液的蓄電池的儲存干燥、通風(fēng)，室溫5～40°C；避免爆曬，遠(yuǎn)離熱源按行存放于木架之上旋緊加液孔蓋，通氣孔密閉2.使用過的蓄電池的長時間儲存2.使用過的蓄電池的長時間儲存干法儲存：先將其充足電，再按20h率放電至單池電壓為1.75V；倒出電解液，加入蒸餾水，3h后更換蒸餾水，反復(fù)進(jìn)行至浸不出來酸為止；倒干蒸餾水，旋緊加液孔蓋，封閉通氣孔。帶電解液的蓄電池的儲存將其充足電，旋緊加液孔蓋室內(nèi)應(yīng)通風(fēng)干燥，室溫5～30°C定期補(bǔ)充充電42第42頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1．恒流充電在充電過程中，充電電流恒定不變（通過調(diào)整電壓，保證電流不變）。恒流充電的優(yōu)點為：充電電流可任意選擇，有益于延長蓄電池壽命，可用于初充電和去硫化充電。恒流充電的缺點是充電時間長，且需要經(jīng)常調(diào)整充電電流。五、蓄電池的充電43第43頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四兩階段充電法，在第一階段用較大電流充電，當(dāng)單格電池電壓升到2.4V，電解液開始產(chǎn)生氣泡，將充電電流減小一半進(jìn)行第二階段恒流充電，直到蓄電池完全充足電為止44第44頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四2．恒壓充電在充電過程中，充電電壓恒定不變。是蓄電池在汽車上由發(fā)電機(jī)對其充電的方法。恒壓充電特性曲線見圖45第45頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四恒壓充電的優(yōu)點為：充電速度快，充電時間短，充電電流IC會隨著電動勢E的上升，而逐漸減小到零，使充電自動停止，不必人工調(diào)整和照管。恒壓充電的缺點是：充電電流大小不能調(diào)整，所以不能保證蓄電池徹底充足電，也不能用于初充電和去硫化充電。對于就車使用的蓄電池，為了防止其產(chǎn)生硫化故障，必須定期（每兩個月）拆下用改進(jìn)恒流充電的方法充電一次。46第46頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四3．脈沖快速充電以脈沖大電流充電來實現(xiàn)快速充電的方法。其充電電流波形大電流恒流充電IC=（0.8～1）C20至單池電壓升至2.4V；前停充15～25ms；反向脈沖充電IC=（1.5～2.0）C20t=150～1000us；后停充25～40ms，如此循環(huán)，直至充足電47第47頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四4、充電的種類

初充電對新蓄電池或更換極板后的蓄電池進(jìn)行的首次充電?；謴?fù)蓄電池在存放期間，極板上部分活性物質(zhì)緩慢放電和硫化而失去的電量。初充電的特點：充電電流小，充電時間長，必須徹底充足。48第48頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四初充電初充電的程序（1）加注電解液密度符合廠家規(guī)定，液面高度符合要求。（2）選擇充電電流恒流法IC1=C20/15IC2=C20/30（3）連接蓄電池蓄電池使用后的充電。需補(bǔ)充充電情況：（1）啟動無力時（非機(jī)械故障）；（2）前照燈燈光暗淡，表示電力不足時；（3）電解液密度下降到1.20g/cm3以下時；（4）冬季放電超過25%，夏季放電超過50%時；補(bǔ)充充電49第49頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四去硫化充電消除硫化的充電工藝。蓄電池輕度硫化，可用充電的方法予以消除：倒出電解液，加入蒸餾水沖洗兩次后，再加入蒸餾水；用IC=C20/30（A）的電流進(jìn)行充電，當(dāng)密度上升到1.15g/cm3時，倒出電解液，再加蒸餾水繼續(xù)充電，直至密度不再上升；以20h率放電電流放電至單池電壓降到1.75V時，再進(jìn)行上述充電。反復(fù)進(jìn)行以上過程，直至輸出容量達(dá)到額定容量的80%以上，即可使用。50第50頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四蓄電池的故障及其排除蓄電池常見故障包括內(nèi)部故障和外部故障。外部故障：外殼裂紋、極柱腐蝕、極柱松動、封膠干裂。內(nèi)部故障：極板硫化、活性物質(zhì)脫落、極板柵架腐蝕、極板短路、自放電、極板拱曲。51第51頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四一、極板硫化極板上生成白色的粗晶粒硫酸鉛的現(xiàn)象簡稱硫化。粗晶粒硫酸鉛導(dǎo)電性差，正常充電很難還原，晶粒粗，體積大，堵塞活性物質(zhì)孔隙，內(nèi)阻增大。故障特征放電時，內(nèi)阻大，電壓急劇下降，不能持續(xù)供給啟動電流。充電時，內(nèi)阻大，單格電池的充電電壓高達(dá)2.8V以上，密度上升慢，溫度上升快，過早出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象。52第52頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四

二、活性物質(zhì)脫落

故障特征蓄電池輸出容量下降，充電時電解液混濁，有棕色物質(zhì)自底部上升。2.故障原因充電電流過大；過充時間過長低溫大電流放電；造成極板拱曲汽車行駛時顛簸、振動

53第53頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四三、自行放