鉛酸蓄電池的原理與性能

1、鉛酸蓄電池的原理與性能一、鉛酸蓄電池的工作原理蓄電池是一種化學(xué)電源，它的構(gòu)造可以是各式各樣的，可是從原理上講所有的電池都甲方有義務(wù)監(jiān)督用工單位在確定乙方的勞動(dòng)定額應(yīng)當(dāng)是用工單位同崗位百分之九十以上勞動(dòng)者在法定工作時(shí)間內(nèi)能夠完成的including incentives) to ensure the achievement of the quality objectives. According to the company's quality system documents, combined with the specific circumstances of the projec

2、t, preparation of project quality manual, procedures and work related to the project implementation rules to improve the quality management system of the project. A management review meeting held each year, on the implementation of the quality policy, objectives and review of the problems and propos

3、e corrective measures. Efforts and resources necessary for optimal allocation of project construction management (personnel, finance, facilities, information, etc). 3.2 with customer focus project staff establish a "customer-focused" thinking, fully aware that meet their customers ' ne

4、eds and expectations is the fundamental pursuit of production and services projects. Projects in production and service processes, to: 3.2.1 identify and determine the needs and expectations of the project legal person, interests as the interests of the customer, with customer satisfaction as satisf

5、ied, good faith and cooperation, win-win and development; 3.2.2 needs and expectations of the project legal person into production and service management or technical requirements, and allocation of appropriate resources; 3.2.3 meet legal requirements and strive to exceed their expectations. 3.2.4 c

6、ustomers on the quality of projects put into operation for standards, in accordance with the national standard of quality works. 3.2.5 regulations and standards requires the State and issued by the Ministry of the project related to the current version of the technical specifications, procedures, de

7、sign institutes and287是由正極、負(fù)極、電解質(zhì)、隔離物和容器組成的，其中正負(fù)兩極的活性物質(zhì)和電解質(zhì)起電化反應(yīng)，對(duì)電池產(chǎn)生電流起著主要作用，如圖4-1所示。在電池內(nèi)部，正極和負(fù)極通過(guò)電解質(zhì)構(gòu)成電池的內(nèi)電路，在電池外部接通兩極的導(dǎo)線(xiàn)和負(fù)荷構(gòu)成電池的外電路。在電極和電解液的接觸面有電極電位產(chǎn)生，不同的兩極活性物質(zhì)產(chǎn)生不同的電極電位，有著較高電位的電極叫做正極，有著較低電位的電極叫做負(fù)極，這樣在正負(fù)極之間產(chǎn)生了電位差，當(dāng)外電路接通時(shí)，就有電流從正極經(jīng)過(guò)外電路流向負(fù)極，再由負(fù)極經(jīng)過(guò)內(nèi)電路流向正極，電池向外電路輸送電流的過(guò)程，叫做電池的放電。在放電過(guò)程中，兩極活性物質(zhì)逐漸消耗，負(fù)極活性

8、物質(zhì)1.電解質(zhì)2.負(fù)極3.容量4.正極5.隔離物6.導(dǎo)線(xiàn)7.負(fù)荷圖4-1 電池構(gòu)造示意圖放出電子而被氧化，正極活性物質(zhì)吸收從外電路流回的電子而被還原，這樣負(fù)極電位逐漸升高，正極電位逐漸降低，兩極間的電位差也就逐漸降低，而且由于電化反應(yīng)形成新的化合物增加了電池的內(nèi)阻，使電池輸出電流逐漸減少，直至不能滿(mǎn)足使用要求時(shí)，或在外電路兩電極之間端電壓低于一定限度時(shí)，電池放電即告終。電池放電以后，用外來(lái)直流電源以適當(dāng)?shù)姆聪螂娏魍ㄈ?，可以使已形成的新化合物還原成為原來(lái)的活性物質(zhì)，而電池又能放電，這種用反向電流使活性物質(zhì)還原的過(guò)程叫做充電。蓄電池可以反復(fù)多次充電、放電，循環(huán)使用，使用壽命長(zhǎng)，成本較低，能輸出較大

9、的能量，放電時(shí)電壓下降很慢。1.電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生鉛蓄電池的正極是二氧化鉛(PbO2)，負(fù)極是絨狀鉛(Pb)，它們是兩種不同的活性物質(zhì)，故和稀硫酸(H2SO4)起化學(xué)作用的結(jié)果也不同。在未接通負(fù)載時(shí)，由于化學(xué)作用使正極板上缺少電子，負(fù)極板上卻多余電子，如圖4-2所 圖4-2 鉛蓄電池電勢(shì)產(chǎn)生過(guò)程示，兩極間就產(chǎn)生了一定的電位差。2.放電過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)當(dāng)外電路接上負(fù)載(比如燈泡)后，鉛蓄電池在正、負(fù)極板間電位差(電動(dòng)勢(shì))的作用下，電流從正極流出，經(jīng)負(fù)載流向負(fù)極，也就是說(shuō)，負(fù)極上的電子經(jīng)負(fù)載進(jìn)入正極，如圖4-3。同時(shí)在蓄電池內(nèi)部產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)：在負(fù)極板上，每個(gè)鉛原子(Pb)放出二個(gè)電子，而成鉛正離子(Pb)

10、，因此負(fù)極板上出現(xiàn)若干多余的電子，這些電子在電位差的作用下，不斷地經(jīng)外電路進(jìn)入正極板。而在電解液內(nèi)部，因硫酸分子的電離便有氫正離子(H)和硫酸根負(fù)離子(SO4)存在。 圖4-3 鉛蓄電池放電時(shí)的化學(xué)反應(yīng)這時(shí)因電荷(離子)的靜電作用，氫正離子(H)移向正極板，硫酸根負(fù)離子(SO4) 移向負(fù)極板，于是形成電池內(nèi)部的離子電流。當(dāng)硫酸根負(fù)離子(SO4)與負(fù)極板上的鉛正離子(Pb)相遇時(shí)，便生成硫酸鉛(PbSO4)分子附在負(fù)極板上。在正極板上， 由于電子自外電路進(jìn)入， (PbO2)與水作用離解出來(lái)的四價(jià)的鉛正離子(P)在取得二個(gè)電子后化合變成二價(jià)鉛的正離子(Pb)，再和正極板附近的硫酸根負(fù)離子(SO4)

11、結(jié)合在一起，生成硫酸鉛分子(PbSO4)附在正極板上。與此同時(shí)，移向正極板的氫正離子(H)便和氧負(fù)離子(O)結(jié)合，生成水分子(H2O)。于是，放電時(shí)總的化學(xué)反應(yīng)為：PbO22H2SO4Pb PbSO42H2OPbSO4 (4-1)(正極)（硫酸）(負(fù)極) (正極) (水) (負(fù)極)從放電反應(yīng)式看出，隨著蓄電池放電，硫酸逐漸消耗，電解液的比重逐漸下降。因此，在實(shí)際工作中我們可以根據(jù)電解液比重變化，判斷鉛蓄電池的放電程度。3.充電過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)充電是放電過(guò)程的逆過(guò)程，如圖4-4所示。圖4-4 鉛蓄電池在充電時(shí)的化學(xué)反應(yīng)充電時(shí)，應(yīng)在蓄電池上外接充電電源(整流器)，使正、負(fù)極板在放電時(shí)消耗了的活性物質(zhì)

12、還原，并把外加的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)。在充電電源作用下，外電路的電流I自蓄電池的正極板流入，經(jīng)電解液和負(fù)極板流出。于是，電源從正極板中不斷取得電子輸送給負(fù)極板，促使正、負(fù)極板上的硫酸鉛(PbSO4)不斷進(jìn)入電解液而被游離，因此在電池內(nèi)部產(chǎn)生如下的化學(xué)反應(yīng)：在負(fù)極板上，因獲得了電子，所以二價(jià)的鉛離子(Pb)被中和為鉛(Pb)，并以固體狀態(tài)附在負(fù)極板上。在正極板上失去的電子，則由電解液中位于極板附近處于游離狀態(tài)的二價(jià)鉛離子(Pb)不斷放出二個(gè)電子來(lái)補(bǔ)充。當(dāng)它變成四價(jià)鉛離子(Pb)以后，再和水中的氫氧根離子(10H)結(jié)合，生成過(guò)渡狀態(tài)的而且可離解的物質(zhì)(Pb(OH)4)和游離狀態(tài)的氫離子(H)。

13、(Pb(OH)4)又繼續(xù)被分解為二氧化鉛(PbO2)和水。在電流作用下向負(fù)極板移動(dòng)，同時(shí)向正極板移動(dòng)，兩種離子因靜電引力而結(jié)合成硫酸。于是，充電時(shí)總的化學(xué)反應(yīng)式為： PbSO42H2OPbSO4PbO22H2SO4Pb (4-2)(正極) (水) (負(fù)極) (正極) (硫酸) (負(fù)極)從充電反應(yīng)式看出，當(dāng)蓄電池充電后，兩極上原來(lái)被消耗的活性物質(zhì)復(fù)原了，同時(shí)電解液中的硫酸成分增加，水分減少，電解液的比重升高，因此，在實(shí)際工作中可根據(jù)電解液比重變化，來(lái)判斷鉛蓄電池的充電的程度。二、鉛酸蓄電池容量蓄電池的容量不是恒定的常數(shù)，它與極板活性物質(zhì)的多少、充電程度、放電電流的大小、放電時(shí)間長(zhǎng)短、電液比重和溫

14、度高低等有關(guān)。使用中放電率和電液溫度影響較大。1、電池容量與極板尺寸及有效物質(zhì)的關(guān)系：極板愈薄，活性物質(zhì)利用率愈高，電池容量就大；極板面積愈大，有效物質(zhì)充分利用，容量則大；有效物質(zhì)顆粒間存在微孔，使電解液接觸有效物質(zhì)的真實(shí)面積增大數(shù)百甚至幾千倍。由于正極板上的有效物質(zhì)利用率約為45，低于負(fù)極板上有效物質(zhì)利用率50的數(shù)值，故電池容量以正極板容量為標(biāo)稱(chēng)單位。正極板厚，濃差極化影響大，電解液向深處擴(kuò)散困難，有效物質(zhì)利用率變低。有效物質(zhì)的利用率即是被利用的有效物質(zhì)數(shù)量與有效物質(zhì)總量之比。2.使用因素對(duì)容量的影響：(1) 放電率影響：一般以10小時(shí)放電率的容量作為蓄電池的正常額定容量。放電率低于正常放電

15、率時(shí)，可得較大的容量；反之，容量則變小。鉛酸蓄電池因放電率引起的放電一變化見(jiàn)下面表4-1。表4-1 鉛酸蓄電池放電容量系數(shù)電池放電小時(shí)數(shù)（h）0.51234681020放電終止電壓（V）1.701.751.751.801.801.801.801.801.801.801.85放電容量系數(shù)防酸電池0.350.300.500.400.610.750.790.880.941.001.00閥控電池0.450.400.550.450.610.750.790.880.941.001.00下面以深圳華達(dá)的一組閥控型鉛酸某電池組的性能數(shù)據(jù)作為例子，來(lái)了解放電率對(duì)蓄電池放電容量的影響。恒電流放電（安培）（25C至

16、1.80VPC）電池型號(hào)放電時(shí)間（分鐘）放電時(shí)間（小時(shí)）51015203040501234568101220246GFM10012911610710090736758362722191612109656GFM200258232214200180146134116735444383225201811106GFM3003873483213002702192011741098166564838302717156GFM40051646442840036029226823214610888756551413623206GFM5006455805355004503653352901821351109481

17、64514528256GFM5807486826205805224233883362111561281099474595233293GFM8301070962888830747606556481302224183156135106847447423GFM100012901160107010009007306705803652702211891631281029057513GFM108013931252115510809727887236563942912382041761381109761553GFM15001690150613601233103591885380556441432426823

18、01831571408673 (2) 電解液溫度的影響：蓄電池若在低溫下工作，電解液擴(kuò)散能力變差，粘度增大，電池內(nèi)阻增加，容量降低。實(shí)踐證明，溫度低于一定值時(shí)，負(fù)極容量比正極容量降低得更快，尤其是大電流放電時(shí)更為明顯。以25°C時(shí)的電解液為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)電解液的溫度在10°C35°C范圍內(nèi)。每升高1°C時(shí)，電池容量將增大0.8；溫度每降低1°C時(shí)，容量平均降低約0.7。目前設(shè)計(jì)資料上，一般都取容量溫度系數(shù)為0.008。當(dāng)把電解液溫度為t°C時(shí)的電池容量Ct，換算成25°C時(shí)的標(biāo)稱(chēng)容量C25時(shí)，可按下式進(jìn)行： (4-5)(3) 終止

19、電壓的影響：電池的容量與端電壓降低的快慢有密切關(guān)系。放電過(guò)程中，若能做到濃度極化小，端電壓降低很慢，電池容量會(huì)相應(yīng)提高。終止電壓是按實(shí)際需要確定的：小電流放電時(shí)，終止電壓高些；大電流放電，終止電壓低些。因?yàn)樾‰娏鞣烹姌O化作用小，容易形成硫酸鉛結(jié)晶，充電時(shí)不易恢復(fù)成原來(lái)有效物質(zhì)，故而終止電壓規(guī)定高些。大電流放電時(shí)，擴(kuò)散速度跟不上，端電壓降低很快，容量發(fā)揮不出來(lái)，因此終止電壓定得低些。程控交換機(jī)供電系統(tǒng)，為保證設(shè)備在一定電壓范圍工作，采用較高終止電壓，有的國(guó)家定為1.86V。(4) 電液濃度的影響：容量隨硫酸電液濃度的變化而變化。極板細(xì)孔中的電液濃度，決定電極電位的變化，影響電液擴(kuò)散速度和電池內(nèi)阻

20、。所以電池容量隨電液濃度的增大而提高，且近似成直線(xiàn)關(guān)系。但也不可濃度過(guò)大，因濃度高粘度增加，反而影響電液擴(kuò)散，降低輸出容量。三、鉛酸蓄電池的自放電1.自放電的產(chǎn)生 電池的自放電是指電池在存儲(chǔ)期間容量降低的現(xiàn)象。電池開(kāi)路時(shí)由于自放電使電池容量損失。 自放電通常主要在負(fù)極，因?yàn)樨?fù)極活性物質(zhì)為較活潑的海綿狀鉛電極，在電解液中其電勢(shì)比氫負(fù)，可發(fā)生置換反應(yīng)。若在電極中存在著析氫過(guò)電位低的金屬雜質(zhì)，這些雜質(zhì)和負(fù)極活性物質(zhì)能給成腐蝕微電池，結(jié)果負(fù)極金屬自溶解，并伴有氫氣析出，從而容量減少。在電解液中雜質(zhì)起著同樣的有害作用。一般正極的自放電不大。正極為強(qiáng)氧化劑，若在電解液中或隔膜上存在易于被氧化的雜質(zhì)，也會(huì)引

21、起正極活性物質(zhì)的還原，從而減少容量。蓄電池在未接通負(fù)載的情況下，內(nèi)部存在著微電池的作用，它要消耗活性物質(zhì)，導(dǎo)致使用的困難。鉛蓄電池兩極版上的活性物質(zhì)，在電解液中都會(huì)有一定程度的自溶性，反應(yīng)式如下： Pb+SO42- = PbSO4+2e PbO2+4H+SO42-+2e = PbSO4+2H2O在外界因素的影響下自溶速度會(huì)加快，結(jié)果使Pb和PbO2無(wú)益消耗。自放電的深度和電解液中的雜質(zhì)的性質(zhì)和數(shù)量密切有關(guān)，如鐵的影響、銻的影響、隔板的影響。閥控式密封鉛蓄電池由于是荷電出廠，在儲(chǔ)存期，正極板和負(fù)極板上活性物質(zhì)小孔內(nèi)都已吸滿(mǎn)了電介液，可產(chǎn)生多重附加電極反應(yīng)，如在負(fù)極上存在下列自放電反應(yīng)，正極板在儲(chǔ)

22、存期間也產(chǎn)生放電，存在多重反應(yīng)。2.影響自放電速率大小的因素自放電性能不好的電池，有的只能儲(chǔ)存23個(gè)月，而電池容量就沒(méi)有了，這對(duì)于電池容量恢復(fù)性能是不利的，另一方面也增加了電池浮充工作的困難。閥控鉛酸電池之所以能做到密封不漏液，儲(chǔ)存性能好，其主要因素為板柵材料。各種材料的板柵性能，以自放電性能來(lái)比較：以鉛鈣板柵最小，純鉛板柵次之，低銻板柵最大。3.雜質(zhì)對(duì)自放電的影響電池活性物質(zhì)添加劑、隔板、硫酸電解液中的有害雜質(zhì)含量偏高，是使電池自放電高的重要原因。雜質(zhì)MnO4和Mn2的物質(zhì)都溶解于電解液，雜質(zhì)CI也很容易進(jìn)入電解液，它們也對(duì)鉛酸電池正極或負(fù)極的自放電有影響。有些溶于電解液的雜質(zhì)只對(duì)正極或者只

23、對(duì)負(fù)極自放電有影響。例如，危及負(fù)極的雜質(zhì)有鉑、銅、鉍、銻、砷等。它們除消耗部分活性物質(zhì)外，還對(duì)析氫有加速作用。又例如，酒精及易氧化的有機(jī)物質(zhì)它們?cè)谡龢O板上發(fā)生自放電，除耗損活性物質(zhì)外，還析出CO2等氣體。4.溫度對(duì)自放電速度的影響閥控式密封鉛酸電池在2545°C環(huán)境溫度下自放電速度是很小的，每天自放電量平均為0.1左右，溫度愈低，自放電速度越小，所以低溫條件有利于電池儲(chǔ)存。5.電解液濃度對(duì)自放電影響由試驗(yàn)資料報(bào)道，儲(chǔ)存在10°下的試驗(yàn)用閥控鉛酸蓄電池(板柵材料為PbCaSn)，自放電速度隨電解液密度增加而增加，且正極板受電解液密度影響最大。如密度增高0.01gcm2時(shí)，正極

24、板的自放電速度每天增加0.06，而負(fù)極板自放電速度較小，約為0.03。總之，閥控式密封鉛酸電池在儲(chǔ)存和工作期間都存在自放電現(xiàn)象，將損耗部分活性物質(zhì)，且將增加電池容量保持的困難。其自放電速度與板柵材料，電解液密度，活性物質(zhì)純度及儲(chǔ)存期溫度等因素有關(guān)。在IEC文件中，規(guī)定固定型閥控鉛酸化池容量保存率由制造廠家自行規(guī)定。日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS87071992規(guī)定了為8以上，這個(gè)值是在環(huán)境溫度為25±5°C，電池開(kāi)路狀態(tài)保存90天，求出保存前后10小時(shí)率容量比而得出的。顯然這類(lèi)電池在保存期間，自放電損失平均每天在0.2左右。6、減小自放電的方法1）使用標(biāo)準(zhǔn)的電解液 若電解液中的有害雜質(zhì)

25、鐵、錳、氯、銻等含量為超過(guò)允許標(biāo)準(zhǔn)，自放電率就低。2）電池工作溫度 自放電率和溫度有關(guān)，蓄電池應(yīng)該在較低溫度下儲(chǔ)存，處在浮充狀態(tài)下的電池，工作溫度也不易太高。如一組6-QA-105電池分別在010和3040工作條件下儲(chǔ)存28天，發(fā)現(xiàn)在低溫下儲(chǔ)存，自放電率僅為2.08%；而在高溫下儲(chǔ)存自放電率較大，為19.5%。3）放電后應(yīng)立即充電 不管深放電或淺放電后的電池，都應(yīng)該立即履行充電，讓轉(zhuǎn)移到負(fù)極區(qū)的銻離子部分遷移到正極，以減少負(fù)極周?chē)R離子數(shù)量（上述僅對(duì)pbO3有作用）。4）隔離板質(zhì)量要有保證 隔板應(yīng)無(wú)破裂，孔隙要適當(dāng)，以防止銻離子從正極移到負(fù)極，同時(shí)裝配不要歪斜、高低不齊。5）提高板柵耐腐蝕能力

26、四、鉛酸蓄電池的電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)是指單位正電荷沿供電閉合回路運(yùn)動(dòng)一周時(shí)電源所做的功。對(duì)于蓄電池來(lái)說(shuō)，它是電極反應(yīng)強(qiáng)度的標(biāo)志，其數(shù)值等于電池兩個(gè)電極的平衡電極電勢(shì)之差。電池電動(dòng)勢(shì)可以依據(jù)電池中的電極反應(yīng)，用熱力學(xué)數(shù)據(jù)計(jì)算，也可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量。1、鉛蓄電池正極和負(fù)極電勢(shì)，用活度計(jì)算如下：（+）=1.685+0.0591/2*lg（a3 H+*a HSO4-）/(a2 H2O )（-）=1.685+0.0591/2*lg（a H+）/(a HSO4-)式中aH+ 、a HSO4-、a H2O 、分別表示H+ 、HSO4- 、 H2O的活度電池的電動(dòng)勢(shì) = （+）-（-） = 2.04+（0.0591

27、/2）* lg( a2 H2SO4/ a2 H2O)式中a H2SO4為硫酸溶液的活度。各種比重下的H2SO4和H2O的活度列于下表：H2SO4和H2O的活度（15）H2SO4的比重H2SO4摩爾濃度H2SO4活度H2O活度1.11501.99580.1000.91411.13092.3110.17670.89541.13672.4300.21770.88921.15452.8050.39680.86411.18493.4731.0610.81281.18603.5041.0890.80501.19693.7631.5810.70071.22384.4143.6620.74651.23754.

28、7675.2730.72281.25105.0287.2070.70501.25405.2209.4340.67611.29096.30336.060.59571.30106.60647.340.55501.34308.052223.80.46501）GGF蓄電池電解液比重在1.22g/ml（15）左右的查表得：a H2SO4 = 3.662 、a H2O = 0.7465 電池的電動(dòng)勢(shì) = 2.04+（0.0591/2）* lg （3.662）2/（0.7465）2 = 2.08（V）2）GGF蓄電池電解液比重在1.97g/ml（15）左右的查表得：a H2SO4 = 1.581 、a H2O = 0.7