蓄電池分類及工作原理

第一節(jié)概述一、蓄電池的分類把物質(zhì)的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿脑O(shè)備，稱為化學(xué)電池，一般簡稱為電池。以酸性水溶液為電解質(zhì)稱為酸蓄電池，以堿性水溶液為電解質(zhì)者稱為堿電池。因?yàn)樗嵝铍姵仉姌O是以鉛及其氧化物為材料，故又稱為鉛蓄電池。鉛蓄電池按其工作環(huán)境又可分為移動式和固定式兩大類。固定型鉛蓄電池按電池槽結(jié)構(gòu)分為半密封式及密封式，半密封式又有防酸式及消氫式。依據(jù)電解液數(shù)量還可將鉛酸電池分為貧液式和富液式，密封式電池均為貧液式，半密封式電池均為富液式。鉛酸電池分類可歸納如下：/h f防酸隔爆，例GGF—2000^u 傳統(tǒng)型固定式『消氫型'例GGX-1000^固定型/（又稱富液式/干荷電W例CAF—3Q00+JL濕荷電，例GGM—15^0^密封型J全密封U七t惆控式（又稱貧液式或陰極吸附式）.+） I起動型；普通型，例6—口一9眼鉛酸電池 " *干荷電，例3-QA-150^電瓶車用，例DG—400^內(nèi)燃機(jī)車用，例NG-462^鐵路車;弓，例TG—450+J摩托車用，例町一1膈密封型：全密型wV< =閥控型w鉛酸蓄電池自發(fā)明后，在化學(xué)電源中一直占有絕對優(yōu)勢。這是因?yàn)槠鋬r格低廉、原材料易于獲得，使用上有充分的可靠性，適用于大電流放電及廣泛的環(huán)境溫度范圍等優(yōu)點(diǎn)。到20世紀(jì)初，鉛酸蓄電池歷經(jīng)了許多重大的改進(jìn)，提高了能量密度、循環(huán)壽命、高倍率放電等性能。然而，開口式鉛酸蓄電池有兩個主要缺點(diǎn)：①充電末期水會分解為氫、氧氣體析出，需經(jīng)常加酸、加水，維護(hù)工作繁重；②氣體溢出時攜帶酸霧，腐蝕周圍設(shè)備，并污染環(huán)境，限制了電池的應(yīng)用。近二十年來，為了解決以上的兩個問題，世界各國竟相開發(fā)密封鉛酸蓄電池，希望實(shí)現(xiàn)電池的密封，獲得干凈的綠色能源。20世紀(jì)90年代后電信部門大量使用了閥控式鉛蓄電池作為后備電源，閥控式鉛蓄電池在電源產(chǎn)品中占有重要地位。二、閥控式鉛酸蓄電池的定義閥控式鉛酸蓄電池的英文名稱為ValveRegulatedLeadBattery（簡稱VRLA電池），其基本特點(diǎn)是使用期間不用加酸加水維護(hù)，電池為密封結(jié)構(gòu)，不會漏酸，也不會排酸霧，電池蓋子上設(shè)有單向排氣閥（也叫安全閥），該閥的作用是當(dāng)電池內(nèi)部氣體量超過一定值（通常用氣壓值表示），即當(dāng)電池內(nèi)部氣壓升高到一定值時，排氣閥自動打開，排出氣體，然后自動關(guān)閉，防止水份蒸發(fā)。第二節(jié)閥控鉛酸蓄電池結(jié)構(gòu)和工作原理閥控鉛蓄電池的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。它由正負(fù)極板、隔板、電解液、安全閥、氣塞、外殼等部分組成。正負(fù)極板均采用涂漿式極板，活性材料涂在特制的鉛鈣合金骨架上。這種極板具有很強(qiáng)的耐酸性、很好的導(dǎo)電性和較長的壽命，自放電速率也較小。隔板彩超細(xì)玻璃纖維制成，全部電解液注入極板和隔板中，電池內(nèi)沒有流動的電解液，即使外殼破裂，電池也能正常工作。電池頂部裝有安全閥，當(dāng)電池內(nèi)部氣壓達(dá)到一定數(shù)值時，安全閥自動開啟，排出氣體。電池內(nèi)氣壓低于一定數(shù)值時，安全閥自動關(guān)閉，頂蓋上還備有內(nèi)裝陶瓷過濾器的氣塞，它可以防止酸霧從蓄電池中逸出。正負(fù)極接線端子用鉛合金制成，采用全密封結(jié)構(gòu)，并且用瀝青封口。在閥控鉛蓄電池中，電解液全部吸附在隔板和極板中，負(fù)極活性物質(zhì)（海綿狀鉛）在潮濕條件下活性很多，能與氧氣快速反應(yīng)。充電過程中，正極板產(chǎn)生的氧氣通過隔板擴(kuò)散到負(fù)極板，與負(fù)極活性物質(zhì)快速反應(yīng)，化合成水。因此，在整個使用過程中，不需要加水補(bǔ)酸。閥控式鉛酸蓄電池的基本原理一、化學(xué)反應(yīng)原理閥控式鉛酸蓄電池的化學(xué)反應(yīng)原理就是充電時將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能在電池內(nèi)儲存起來，放電時將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能供給外系統(tǒng)。其充電和放電過程是通過化學(xué)反應(yīng)完成的，化學(xué)反應(yīng)式如下：正根PLSG4+H20 FbO：2+。家擴(kuò)散/ 喜 I員根 |—Pb?04 PbQ2+Jf)-"H20^H2S04+PbOriu從上面反應(yīng)式可看出，充電過程中存在水分解反應(yīng)，當(dāng)正極充電到70%時，開始析出氧氣，負(fù)極充電到90%時開始析出氫氣，由于氫氧氣的析出，如果反應(yīng)產(chǎn)生的氣體不能重新復(fù)合利用,電池就會失水干涸；對于早期的傳統(tǒng)式鉛酸蓄電池，由于氫氧氣的析出及從電池內(nèi)部逸出，不能進(jìn)行氣體的再復(fù)合，是需經(jīng)常加酸加水維護(hù)的重要原因；而閥控式鉛酸蓄電池能在電池內(nèi)部對氧氣再復(fù)合利用，同時抑制氫氣的析出，克服了傳統(tǒng)式鉛酸蓄電池的主要缺點(diǎn)。二、氧循環(huán)原理閥控式鉛酸蓄電池采用負(fù)極活性物質(zhì)過量設(shè)計(jì)，AGM或GEL電解液吸附系統(tǒng)，正極在充電后期產(chǎn)生的氧氣通過AGM或GEL空隙擴(kuò)散到負(fù)極，與負(fù)極海綿狀鉛發(fā)生反應(yīng)變成水，使負(fù)極處于去極化狀態(tài)或充電不足狀態(tài)，達(dá)不到析氫過電位，所以負(fù)極不會由于充電而析出氫氣，電池失水量很小，故使用期間不需加酸加水維護(hù)。閥控式鉛酸蓄電池氧循環(huán)圖示如下:正極：薩充電/PbSe+2壓口PbO-+壓SO；正極：薩充電/PbSe+2壓口PbO-+壓SO；+2H'+2e'副反應(yīng)壓口1/20.+2H"+2e"PbSO^H^e-Pb+HzSOi+J放電+J充電+J副反應(yīng)2H'+2e-可以看出，在閥控式鉛酸蓄電池中，負(fù)極起著雙重作用，即在充電末期或過充電時，一方面極板中的海綿狀鉛與正極產(chǎn)生的O2反應(yīng)而被氧化成一氧化鉛，另一方面是極板中的硫酸鉛又要接受外電路傳輸來的電子進(jìn)行還原反應(yīng)，由硫酸鉛反應(yīng)成海綿狀鉛。在電池內(nèi)部，若要使氧的復(fù)合反應(yīng)能夠進(jìn)行，必須使氧氣從正極擴(kuò)散到負(fù)極。氧的移動過程越容易，氧循環(huán)就越容易建立。在閥控式蓄電池內(nèi)部，氧以兩種方式傳輸：一是溶解在電解液中的方式，即通過在液相中的擴(kuò)散，到達(dá)負(fù)極表面；二是以氣相的形式擴(kuò)散到負(fù)極表面。傳統(tǒng)富液式電池中，氧的傳輸只能依賴于氧在正極區(qū)H2SO4溶液中溶解，然后依靠在液相中擴(kuò)散到負(fù)極。如果氧呈氣相在電極間直接通過開放的通道移動，那么氧的遷移速率就比單靠液相中擴(kuò)散大得多。充電末期正極析出氧氣，在正極附近有輕微的過壓，而負(fù)極化合了氧，產(chǎn)生一輕微的真空，于是正、負(fù)間的壓差將推動氣相氧經(jīng)過電極間的氣體通道向負(fù)極移動。閥控式鉛蓄電池的設(shè)計(jì)提供了這種通道，從而使閥控式電池在浮充所要求的電壓范圍下工作，而不損失水。對于氧循環(huán)反應(yīng)效率，AGM電池具有良好的密封反應(yīng)效率，在貧液狀態(tài)下氧復(fù)合效率可達(dá)99%以上；膠體電池氧再復(fù)合效率相對小些，在干裂狀態(tài)下，可達(dá)70-90%；富液式電池幾乎不建立氧再化合反應(yīng)，其密封反應(yīng)效率幾乎為零。第三節(jié)充放電特性一、 放電中電壓的變化電池在放電之前活性物質(zhì)微孔中的硫酸濃度與極板外主體溶液濃度相同，電池的開路電壓與此濃度相對應(yīng)。放電一開始，活性物質(zhì)表面處（包括孔內(nèi)表面）的硫酸被消耗，酸濃度立即下降，而硫酸由主體溶液向電極表面的擴(kuò)散是緩慢過程，不能立即補(bǔ)償所消耗的硫酸，故活性物質(zhì)表面處的硫酸濃度繼續(xù)下降，而決定電極電勢數(shù)值的正是活性物質(zhì)表面處的硫酸濃度，結(jié)果導(dǎo)致電池端電壓明顯下降，見曲線OE段。隨著活性物質(zhì)表面處硫酸濃度的繼續(xù)下降，與主體溶液之間的濃度差加大，促進(jìn)了硫酸向電極表面的擴(kuò)散過程，于是活性物質(zhì)表面和微孔內(nèi)的硫酸得到補(bǔ)充。在一定的電流放電時，在某一段時間內(nèi)，單位時間消耗的硫酸量大部分可由擴(kuò)散的硫酸予以補(bǔ)充，所以活性物質(zhì)表面處的硫酸濃度變化緩慢，電池端電壓比較穩(wěn)定。但是由于硫酸被消耗，整體的硫酸濃度下降，又由于放電過程中活性物質(zhì)的消耗，其作用面積不斷減少，真實(shí)電流密度不斷增加，過電位也不斷加大，故放電電壓隨著時間還是緩慢地下降，見曲線EFG段。隨著放電繼續(xù)進(jìn)行，正、負(fù)極活性物質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩徙U，并向活性物質(zhì)深處擴(kuò)展。硫酸鉛的生成使活化物質(zhì)的孔隙率降低，加劇了硫酸向微孔內(nèi)部擴(kuò)散的困難，硫酸鉛的導(dǎo)電性不良，電池內(nèi)阻增加，這些原因最后導(dǎo)致在放電曲線的G點(diǎn)（1.85V左右）后，電池端電壓急劇下降，達(dá)到所規(guī)定的放電終止電壓。二、 充電中的電壓變化在充電開始時，由于硫酸鉛轉(zhuǎn)化為二氧化鉛和鉛，有硫酸生成，因而活性物質(zhì)表面硫酸濃度迅速增大，電池端電壓沿著OA急劇上升。當(dāng)達(dá)到A點(diǎn)后，由于擴(kuò)散、活性物質(zhì)表面及微孔內(nèi)的硫酸濃度不再急劇上升，端電壓的上升就較為緩慢（ABC）。這樣活性物質(zhì)逐漸從硫酸鉛轉(zhuǎn)化為二氧化鉛和鉛，活性物質(zhì)的孔隙也逐漸擴(kuò)大，孔隙率增加。隨著充電的進(jìn)行，逐漸接近電化學(xué)反應(yīng)的終點(diǎn)，即充電曲線的C點(diǎn)（2.35V左右）。到達(dá)C點(diǎn)以后，繼續(xù)充電將產(chǎn)生大量氣體。當(dāng)極板上所存硫酸鉛不多，通過硫酸鉛的溶解提供電化學(xué)氧化和還原所需的Pb2+極度