铅酸蓄电池基本知识.docx

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铅酸蓄电池基本知识

铅酸蓄电池根本知识

电池：

通过化学反响提供直流电能的电化学装置

电池是一种能量转化与储存的装置，它主要通过化学反响将化学能或物理能转化为电能。

它由两种不同成分的电化学活性电极分别组成正负极，两电极浸泡在能提供媒体传导作用的电解质中，当连接在某一外部载体上时，通过转换其内部的化学能来提供电能。

Cell和Battery的区别：

①Cell是指一般的小型和单个电池，更强调单个单元;

②Battery是指蓄电池和电池组,更强调系统或者组;

③Battery运用得更加广泛，是电池的通用名称，包括锂电池、镍氢电池、蓄电池、干电池等等。

一次电池与二次电池的异同点：

一次电池只能放电一次，二次电池（也叫可充电电池），可反复充放电循环使用，可充电电池在放电时电极体积和结构之间发生可逆变化，一次电池的质量比容量和体积比容量均大于一般充电电池，但内阻远比二次电池大，因此负载能力较低，另外，一次电池的自放电远小于二次电池。

电池种类

一次电池：

不可充电，如锌锰、碱性、锂电池

二次电池：

可充电，如铅酸、镍氢、锂离子电池

高级电池：

结构特殊，性能卓越，如锌空电池，以空气做正极，体积很小，用于助听器。

燃料电池：

FuelCell,FC,将存在于燃料（氢气）和氧化剂（氧气）中的化学能转化为电能的装置，不是蓄电池，是发电机，1839年由英国的Grove发明。

太阳能电池：

物理电源，通过光电效应或光化学效应直接把光能转化为电能的装置，1883年Charles发明首块太阳能电池，前景广阔，目前本钱高，限制了应用。

电池由外壳、正极、负极、端子、隔膜等组成

外壳：

一般是塑料或金属材质

正极：

电流的流出端

负极：

电流的流入端

端子：

内部与活性物质相连，外接用电器

隔膜：

防止正、负极短路，并提供电子的内部传递通道

蓄电池：

蓄电池（StorageBattery）,也称二次电池,是通过充电将电能转换为化学能贮存起来，使用时再将化学能转换为电能释放出来的化学电源装置。

铅酸蓄电池：

铅酸蓄电池，又称铅蓄电池，是蓄电池的一种，电极主要由铅与其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的一种蓄电池。

荷电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；放电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。

一般分为开口型电池与阀控型电池两种。

前者需要定期注酸维护，后者为免维护型蓄电池。

按电池型号可分为小密、中密与大密。

主要优点是电压稳定、价格廉价等等。

铅酸蓄电池（Lead-AcidBattery,LAB），是指正负极活性物质分别是铅和二氧化铅、由硫酸水溶液做电解液的二次电池。

分富液式和贫液式两大类，贫液式就是目前广泛应用的阀控式密闭铅酸蓄电池，事实上它不并是完全密闭的。

主要应用于交通、通信、后备电源等领域。

具有价格低廉、可靠性高、维护简单等优点。

由于铅对人体有害、硫酸污染环境、腐蚀设备，因此应用领域受到限制。

虽然有被镍氢、锂离子电池等取代的趋势，但由于价格、安全、可靠性等原因仍将长期占据二次电池的大局部市场。

铅酸蓄电池工作原理

阀控式铅酸蓄电池的根本结构

构成阀控铅酸蓄电池的主要部件是正负极板、电解液、隔膜、电池壳和盖、安全阀，此外还一些零件如端子、连接条、极柱等。

阀控式铅酸蓄电池的设计

1板栅合金的选择

参加电池反响的活性物质铅和二氧化铅是疏松的多孔体，需要固定在载体上。

通常，用铅或铅基合金制成的栅栏片状物为载体，使活性物质固定在其中，这种物体称之为板栅。

它的作用是支撑活性物质并传输电流。

1．1正板栅合金

阀控电池是一种新型电池，使用过程中不用加酸加水维护，要求正板栅合金耐腐蚀性好，自放电小，不同厂家采用的正板栅合金并不完全一样，主要有：

铅—钙、铅—钙—锡，铅—钙—锡—铝、铅—锑—镉等。

不同合金性能不同，铅—钙。

铅—钙—锡合金具有良好的浮充性能，但铅钙合金易形成致密的硫酸铅和硫酸钙阻挡层使电池早期失效，合金抗蠕变性差，不适合循环使用。

铅-钙-锡-铝、铅-锑-镉各方面性能相比照拟好，既适合浮充使用，又适合循环使用。

正极由网格状金属板栅上涂覆铅膏组成，铅膏是正极活性物质，主要成分是氧化铅，红棕色

正极活性物质的泥化失效以与正极板栅的腐蚀是VRLA失效的重要原因

正极板一般较厚，以应对活性物质的泥化脱落，而且比负极板少一片，常温低率放电时，电池容量受限于正极。

二氧化铅有α-PbO2和β-PbO2两种晶体：

α-PbO2是斜方晶系，晶粒较大，可以形成网络或骨骼，使正极活性物质的结构完整从而有较长的寿命。

β-PbO2是正方晶系，晶粒较小因此有更大的比外表积，放电时给出的容量是α-PbO2的1.5~3倍。

电池寿命初期，活性物质以α-PbO2为主，寿命末期以β-PbO2为主：

电池寿命初期，正极活性物质以为α-PbO2主，放电时α-PbO2生成PbSO4，充电时PbSO4生成β-PbO2，因此在初期循环中电池的容量越来越高。

随着循环的进展，β-PbO2的比例增加，活性物质间的结合慢慢减弱，充电过程中在析氧的冲击下，正极活性物质密度下降，最后软化成泥状物脱落，导致寿命终止。

由于α-PbO2有较好的机械强度和结构，由其形成的多晶网络可作为活性物质的骨骼，而β-PbO2有较小的尺寸和较大的比外表积，可给出较大的比容量，二者最优的比例是，此时电池有最好的深放电性能。

1．2负板栅合金

阀控电池负板栅合金一般采用铅-钙合金，尽量减少析氢量。

负极由负极板栅与涂覆其上的负极活性物质组成，负极活性物质主要是海绵状金属铅，呈金属灰色。

低温（-15℃）、高率（1HR）放电时，电池容量受限于负极，原因是铅电池的钝化即生成的硫酸铅将电解液与活性物质隔离。

负极添加剂主要包括膨胀剂、阻化剂：

膨胀剂：

防止在循环过程中负极活性物质外表积收缩，同时起去钝化作用，常用的无机膨胀剂是硫酸钡、乙炔黑等，有机膨胀剂腐殖酸、木质素等

阻化剂：

提高析氢过电位，阻滞铅电池在制造过程中的氧化

负极的不可逆硫酸盐化是电池提前失效的重要原因之一。

不可逆硫酸盐化：

简称硫化，是负极活性物质在一定条件下生成坚硬而粗大的、几乎不溶解的硫酸铅，所以在充电时不能转化为海绵状铅，使电池容量大大降低的现象。

原因：

通常是长期充电不足或放电状态下长期储存等使用或维护不当造成。

防止：

与时充电，不要过放电。

2板栅厚度

正极板厚度决定电池寿命，极板厚度与电池预计寿命的关系见下表：

正板栅厚度〔mm〕循环寿命〔次〕

[10h率80%放电深度，25℃]预计浮充寿命〔年〕

〔正常浮充使用〕

2．01502

3．02574

3．44006

4．580012

3正负极活性物质比例

铅酸蓄电池设计上正负极活性物质利用率一般按30—33％计算，正负极活性物质比例为1：

1，实际应用中，负极活性物质利用率一般比正极高，对于阀控铅酸蓄电池，考虑到氧再化合的需要，负极活性物质设计过量，一般宜为1：

1．0—1．2。

4隔膜的选择

阀控铅酸蓄电池中隔膜采用的是玻璃纤维棉〔AGM〕，应该具有如下特征：

①优良的耐酸性能和抗氧化能力；②厚度均匀一致，外观无针孔、无机械杂质；

③孔径小且孔率大；④优良的吸收和保存电解液能力；

⑤电阻小；⑥具有一定的机械强度，以保证工艺操作要求；

⑦杂质含量低，尤其是铁、铜的含量要低。

5壳盖结构和材料选择

阀控电池壳盖结构设计主要是强度设计，散热设计和盖上的极柱密封设计。

强度设计要求电池外壁在紧装配和承受内气压时外壁不应有明显的气胀变形，对于PP外壳，应加钢壳加固，对于2V系列电池，ABS和PVC外壳，壁厚一般要达到8—10mm。

散热设计要求电池外壳散热面积大、材料导热性好且壁厚越薄越好。

壳体结构相比照拟简单，只需考虑强度和盖子封装配合即可。

6壳盖密封和极柱密封结构

电池壳盖密封分为热封和胶封，热封是最可靠的密封方式，PP材料采用热封；ABS和PVC材料一般采用胶封，胶封关键是要采用适宜的环氧树脂。

极柱密封技术是阀控电池生产的一项关键技术，不同的厂家采用的方式不完全一样。

7电解液

阀控电池电解液中硫酸含量一般按理论量的1.5倍设计，电解液比重一般为1．30g/m1左右。

密度为1.200g/cm33的稀硫酸水溶液。

8安全阀

安全阀是阀控电池的一个关键部件，安全阀质量的好坏直接影响电池使用寿命，均匀性和安全性。

根据有关标准和阀控电池的使用情况，安全阀应满足如下技术条件：

①单向开阀；

②单向密封，可防止空气进入电池内部；

③同一组电池各安全阀之间的开闭压力之差不应超过平均值的20％；

④寿命不应低于15年；

⑤滤酸，可防止酸和酸雾从安全阀排气口排出；

⑥隔爆，电池外部遇明火时电池内部不应引爆；

⑦抗震，在运输和使用期间，安全阀不会因震动和屡次开闭而松动失效；

⑧耐酸；

⑨耐高、低温。

高端电池有时配备排气孔和导气管，保证电池柜内氢气的零积累。

铅酸蓄电池种类

富液式：

不能卧式放置，需经常加水加酸和调整酸的浓度等复杂维护；酸液挥发会污染环境并腐蚀设备。

涂膏式极板：

工艺简单，是最古老的铅蓄。

管式正极板：

寿命长，主要是OPzS型。

阀控式：

也叫贫液式，电池以安全阀密封，内压过大时开阀排气，内部无游离酸。

AGM（AbsorbedGlassMat）：

目前使用最广的技术，吸附电解液的AGM做隔离板。

胶体（Gel）：

低温性能更好，寿命更长。

阀控式密封铅酸蓄电池的定义--ValveRegulatedLeadAcidBattery（VRLA）。

蓄电池正常使用时保持气密和液密状态。

当内部气压超过预定值时，单向安全阀自动开启释放气体。

当内部气压降低后，安全阀自动闭合使其密封，防止外部空气进入蓄电池内部。

蓄电池在使用寿命期间，正常使用情况下无需补加电解液。

蓄电池具有防爆、防酸雾、耐过充电能力。

1938年Dassler提出的气体复合原理是VRLA的理论根底。

1957年德国阳光公司的胶体（GEL）技术和1971年美国Gates公司的AGM技术是VRLA的实践根底。

目前主要有AGM技术和GEL技术两种。

1.AGM电池：

AbsorbedGlassMat

采用吸附式玻璃纤维作隔膜，电解液吸附于极板和隔膜，电池内无流动电解液。

AGM电池可以立式或卧式安装。

2.GEL电池：

胶体电池

采用SiO2作凝固剂。

电解液吸附于极板和胶体内，胶体电池一般立式安装。

常识备注：

VRLA蓄电池一般情况下都是指AGM电池，胶体电池都需特别指明

密封蓄电池 sealed cell ：

 当蓄电池在规定的设计X围内工作时保持密封状态，但是内部压力超过规定值时，允许气体通过一个可复位或不可复位的压力释放装置逸出。

全密封蓄电池 hermetically sealed cell  没有压力释放装置的一种蓄电池。

免维护蓄电池 maintenance-free battery  在规定的运行条件下，使用期间不需要维护的一种蓄电池。

大中小密

电压

平均电压 mean voltage 在充电或放电期间，电压的平均值。

充电终止电压 end-of-charge voltage 在规定的恒流充电期间，蓄电池达到完全充电时的电压。

放电终止电压

额定电压最常见的是12V系列，2V的主要应用在工业上，6V的不常见，用于某些设备如医疗设备等。

一个铅酸蓄电池额定电压等于2V乘以cell〔小格子〕数。

开路电压（OpenCircuitVoltage,OCV）最大意义在于能衡量电池的荷电状态（StateofCharge,SOC），需要在充电或放电完毕后两小时测量，因厂商、应用领域、技术等因素，100%SOC的电压不同。

终止电压FinalVoltage,F.V.，为了保护电池，放电至F.