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蓄电池结构与充放电基本原理

蓄电池定义及原理（storagebattery）

定义：

放电到一定程度后，经过充电又能复原续用的电池。

蓄电池是电池中的一种，它的作用是能把有限的电能储存起来，在合适的地方使用。

它的工作原理就是把化学能转化为电能。

它用填满海绵状铅的铅板作负极，填满二氧化铅的铅板作正极，并用1.28%的稀硫酸作电解质。

在充电时，电能转化为化学能，放电时化学能又转化为电能。

电池在放电时，金属铅是负极，发生氧化反应，被氧化为硫酸铅；二氧化铅是正极，发生还原反应，被还原为硫酸铅。

电池在用直流电充电时，两极分别生成铅和二氧化铅。

移去电源后，它又恢复到放电前的状态，组成化学电池。

铅蓄电池是能反复充电、放电的电池，叫做二次电池。

它的电压是2V，通常把三个铅蓄电池串联起来使用，电压是6V。

汽车上用的是6个[2]铅蓄电池串联成12V的电池组。

蓄电池在充电过程中，或在充电终了时，电极上会伴随着水的分解反应。

其原因是因为铅酸电池正极充电接受能力较差，一旦正极充电状态达到70%时，氧气开始在正极上析出。

负极充电状态超过90%时，氢气在负极上析出。

一般地讲，正电极充电到额定电量的120%时。

才能达到完全充电状态，所以，铅酸电池每次充电均会产生水的分解反应消耗水，因此定期补水维护不可避免。

铅蓄电池在使用一段时间后要补充蒸馏水，使电解质保持含有22～28%的稀硫酸。

放电时,电极反应为:

PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+2H2O

　　负极反应:

Pb+SO42--2e-=PbSO4

　　总反应:

PbO2+Pb+2H2SO4===2PbSO4+2H2O（向右反应是放电,向左反应是充电）

升失氧（化合价升高，失去电子，被氧化，氧化反应，还原剂）

降得还（化合价降低，得到电子，被还原，还原反应，氧化剂）

蓄电池分类

铅酸蓄电池产品主要有下列几种，其用途分布如下：

起动型蓄电池：

主要用于汽车、摩托车、拖拉机、柴油机等起动和照明；

　　固定型蓄电池：

主要用于通讯、发电厂、计算机系统作为保护、自动控制的备用电源；

　　牵引型蓄电池：

主要用于各种蓄电池车、叉车、铲车等动力电源；

　　铁路用蓄电池：

主要用于铁路内燃机车、电力机车、客车起动、照明之动力；

储能用蓄电池：

主要用于风力、太阳能等发电用电能储存；

蓄电池结构：

构成铅蓄电池之主要成份如下：

阳极板（过氧化铅.PbO2）--->活性物质

　　阴极板（海绵状铅.Pb）--->活性物质

　　电解液（稀硫酸）--->硫酸（H2SO4）+水（H2O）

　　电池外壳

　　隔离板

其它（液口栓.盖子等）

蓄电池专用语：

额定电压，容量，放电率，工作电流

W是功，P是功率，W=Pt=UIt

20HR12V24Ah与30HR12V24Ah两种参数的电池有什么区别

AH：

代表容量，24Ah是标准的容量，只是电流与时间的乘积，20/30HR：

代表放电率，测试容量时的放电电流的大小，数值越小越好。

或者说：

放电时间（HR）含义是：

该电池从额定电压以某电流开始放电，当放电20HR时，电池电压刚好降为电池的终止电压，由此测得总的安培小时数。

所以20/30HR是表示放电速率，即表示电瓶里的电量建议以什么速度放完，比如20HR就是说，适合用20小时放完24Ah的电量，30HR应该适合用30小时放完。

所以相当于20HR的建议放电速率大于30HR的，因为同样的容量，放电时间越短，电流就越大。

如果你的工作电流小于24Ah/30HR=0.8A，那么就用30HR的，没必要用20HR的，但如果你要求电流超过0.8A而又不超过1.2A的话，就得用20HR的了。

当然如果是短时间的大电流使用，偶尔超过一会并不会有问题，这只是连续放电时最有效的推荐放电率。

总之，20HR和30HR的实际容量都是24Ah的，所以容量就是相同的，如果说得出了小时率和容量有关的结论，那肯定是选错了小时率，因为在不按照推荐的放电率使用时，超过小时率会降低电瓶中电能的利用率，容量会变小。

例如不同放电率实际容量

20小时率:

12.0Ah

10小时率：

11.4Ah

5小时率：

9.6Ah

1小时率：

7.8Ah

附属：

溶质、溶剂、密度、溶液、质量分数也叫质量百分浓度（溶液的浓度用溶质的质量占全部溶液质量的百分率表示的叫质量百分浓度，用符号%表示。

例如，25%的葡萄糖注射液就是指100克注射液中含葡萄糖25克。

质量百分浓度（%）=溶质质量/溶液质量100%，%），摩尔浓度（C，mol/L摩尔浓度（mol/L）=溶质摩尔数/溶液体积（升））、摩尔数（也叫物质的量n，mol）、体积、总质量（m，g）、摩尔质量（M，g/mol）之间的关系

溶液的密度＊总体积＝总质量　　　　　　　　　　　　　（１）

物质摩尔浓度＊物质的摩尔质量＊总体积＝溶质质量　　　（２）

溶质质量／总质量＝质量分数　　　　　　　　　　　　　（３）

由（１），（２）可得

摩尔浓度＊摩尔质量＊总质量＝密度＊溶质质量　　　　　（４）

由（３），（４）可得

摩尔浓度＊摩尔质量＝密度＊质量分数　

溶液百分比浓度的计算公式为:

溶质质量

C%（w）=———————————×100%

溶质质量+溶剂质量

*其中溶质质量+溶剂质量=溶液质量

溶质质量=溶液的密度×溶液体积×百分比浓度

蓄电池容量：

电动车用蓄电池的容量以下列条件表示之：

蓄电池

◎电解液比值　1.280/20℃（电解液是稀释的硫酸，1.28是指硫酸和水混合后的密度单位g/ml。

◎30℃时候盐酸的密度

浓度%102030405060708090100

密度g/mL1.071.141.221.301.401.501.611.731.811.83

　　◎放电电流　5小时的电流

　　◎放电终止电压　1.70V/Cell

　　◎放电中的电解液温度　30±2℃

　　1.放电中电压下降放电中端子电压比放电前之无负载电压（开路电压）低，理由如下：

（1）V=E-I.R

　　V：

端子电压（V）　I：

放电电流（A）

　　E：

开路电压（V）　R：

内部阻抗（Ω）

（2）放电时，电解液比重下降，电压也降低。

　　（3）放电时，电池内部阻抗即随之增强，完全充电时若为1倍，则当完全放电时，即会增强2～3倍。

　　用于起重时之电瓶电压之所以比用于行走时的电压低，乃是由于起重用之油压马达比行走用之驱动马达功率大，因此放电流大，则上式的I.R亦变大。

　　2.蓄电池之容量表示

　　在容量试验中，放电率与容量的关系如下：

　　5HR....1.7V/cell

　　3HR....1.65V/cell

　　1HR....1.55V/cell

　　严禁到达上述电压时还继续继续放电，放电愈深，电瓶内温会升高，则活性物质劣化愈严重，进而缩短蓄

　　蓄电池电池寿命。

　　因此，堆高机无负重扬升时的电池电压若已达1.75v/cell（24cell的42v,12cell的21v），则应停止使用，马上充电。

　　3.蓄电池温度与容量

　　当蓄电池温度降低，则其容量亦会因以下理由而显著减少。

　　（A）电解液不易扩散，两极活性物质的化学反应速率变慢。

　　（B）电解液之阻抗增加，电瓶电压下降，蓄电池的5HR容量会随蓄电池温度下降而减少。

　　因此:

（1）冬季比夏季的使用时间短。

（2）特别是使用于冷冻库的蓄电池由于放电量大，而使一天的实际使用时间显著减短。

　　若欲延长使用时间，则在冬季或是进入冷冻库前，应先提高其温度。

　　4.放电量与寿命

　　每日反复充放电以供使用时，则电池寿命将会因放电量的深浅，而受到影响。

　　5.放电量与比重

　　蓄电池之电解液比重几乎与放电量成比例。

因此，根据蓄电池完全放电时的比重及10%放电时的比重，即可推算出蓄电池的放电量。

　　测定铅蓄电池之电解液比重为得知放电量的最佳方式。

因此，定期性的测定使用后的比重，以避免过度放电，测比重的同时，亦测电解液的温度，以20℃所换算出的比重，切勿使其降到80%放电量的数值以下。

　　6.放电状态与内部阻抗

　　内部阻抗会因放电量增加而加大，尤其放电终点时，阻抗最大，主因为放电的进行使得极板内产生电流的不良导体─硫酸铅及电解液比重的下降，都导致内部阻抗增强，故放电后，务必马上充电，若任其持续放电状态，则硫酸铅形成安定的白色结晶后（此即文献上所说的硫化现象），即使充电，极板的活性物资亦无法恢复原状，而将缩短电瓶的使用年限。

　　★白色硫酸铅化

　　蓄电池放电，则阴、阳极板同时产生硫酸铅（PbS04），若任其持续放电，不予充电，则最后会形成安定的白色硫酸铅结晶（即使再充电，亦难再恢复原来的活性物质）此状态称为白色硫化现象。

　　7.放电中的温度

　　当电池过度放电，内部阻抗即显著增加，因此蓄电池温度也会上升。

放电时的温度高，会提高充电完成时温度，因此，将放电终了时的温度控制在40℃以下为最理想。

胶体电池和AGM电池对比

VRLA：

valve-regulatedlead-acidbattery阀控式密封铅蓄电池，就是所说的免维护电池，分成Absorbedglassmatbattery（AGM）电池和Gelbattery（胶体电池）二种。

现在常见的都是AGM，胶体电池少，所以AGM电池＝免维护电池，这两种电池分别采用玻璃纤维隔板和硅凝胶二种不同方式来“固定”硫酸电解液。

它们都是利用阴极吸收原理使电池得以密封的，但给阳极析出的氧到达阴极提供的通道是不同的，因而二种电池的性能各有千秋。

1历史的简单回顾

铅酸蓄电池从问世到如今，一直是军用民用领域中使用最广泛的化学电源。

由于它使用硫酸电解液，运输过程中会有酸液流出，充电时会有酸雾析出来，对环境和设备造成损害，人们就试图将电解硅酸钠

初期的胶体铅蓄电池使用的胶体电解液是由水玻璃（硅酸钠）制成的，然后直接加到干态铅蓄电池中。

这样虽然达到了“固定”电解液或减少酸雾析出的目的，但却使电池的容量较原来使用自由电解液时的电池容量要低20%左右，因而没有被人们所接受。

2电池的工作原理

不论是采用玻璃纤维隔膜的阀控式密封铅蓄电池（以下简称AGM（多为贫液）密封铅蓄电池）还是采用胶体电解液的阀控式密封铅蓄电池（以下简称胶体密封铅蓄电池），它们都是利用阴极吸收原理使电池得以密封的。

电池充电时，正极会析出氧气，负极会析出氢气。

正极析氧是在正极充电量达到70%时就开始了。

析出的氧到达负极，跟负极起下述反应，达到阴极吸收的目的。

2Pb十O2=2PbO

2PbO十2H2SO4：

2PbS04+2H20

负极析氢则要在充电到90%时开始，再加上氧在负极上的还原作用及负极本身氢过电位的提高，从而避免了大量析氢反应。

对AGM密封铅蓄电池而言，AGM隔膜中虽然保持了电池的大部分电解液，但必须使10%的隔膜孔隙中不进入电解液。

正极生成的氧就是通过这部分孔隙到达负极而被负极吸收的。

对胶体密封铅蓄电池而言，电池内的硅凝胶是以SiQ质点作为骨架构成的三维多孔网状结构，它将电解液包藏在里边。

电池灌注的硅溶胶变成凝胶后，骨架要进一步收缩，使凝胶出现裂缝贯穿于正负极板之间，给正极析出的氧提供了到达负极的通道。

由此看出，两种电池的密封工作原理是相同的，其区别就在于电解液的“固定”方式和提供氧气到达负极通道的方式有所不同。

3电池结构和工艺上的主要差异

AGM密封铅蓄电池使用纯的硫酸水溶液作电解液，其密度为1.29—1.3lg/cm3。

除了极板内部吸有一部分电解液外，其大部分存在于玻璃纤维膜之中。

为了给正极析出的氧提供向负极的通道，必须使隔膜保持有10%的孔隙不被电解液占有，即贫液式设计。

为了使极板充分接触电解液，极群采用紧装配的方式。

另外，为了保证电池有足够的寿命，极板应设计得较厚，正板栅合金采用Pb’-q2w-Srr--A1四元合金。

胶体密封铅蓄电池的电解液是由硅溶胶和硫酸配成的，硫酸溶液的浓度比AGM式电池要低，通常为1.26～1.28g/cm3。

电解液的量比AGM式电池要多20%，跟富液式电池相当。

这种电解质以胶体状态存在，充满在隔膜中及正负极之间，硫酸电解液由凝胶包围着，不会流出电池。

由于这种电池采用的是富液式非紧装配结构，正极板栅材料可以采用低锑合金，也可以采用管状电池正极板。

同时，为了提高电池容量而又不减少电池寿命，极板可以做得薄一些。

电池槽内部空间也可以扩大一些。

4电池放电容量

初期的胶体蓄电池的放电容量只有富液式电池的80%左右，这是由于使用性能较差的胶体电解液直接灌人未加改动的富液式电池之中，电池的内阻较大，电解质中离子迁移困难引起的。

近来的研究工作表明，改进胶体电解液配方，控制胶粒大小，掺人亲水性高分子添加剂，降低胶液浓度提高渗透性和对极板的亲合力，采用真空灌装工艺，用复合隔板或AGM隔板取代橡胶隔板，提高电池吸液性；取消电池的沉淀槽，适度增大极板面积活性物质的含量，结果可使胶体密封电池的放电容量达到或接近开口式铅蓄电池的水平。

AGM式密封铅蓄电池电解液量少，极板的厚度较厚，活性物质利用率低于开口式电池，因而电池的放电容量比开口式电池要低10%左右。

与当今的胶体密封电池相比，其放电容量要小一些。

5电池内阻及大电流放电能力

铅蓄电池的内阻是由欧姆内阻、浓差极化内阻、电化学极化内阻组成的。

前者包括极板、铅零件、电解液、隔极电阻。

AGM密封铅蓄电池所用的玻璃纤维隔板具有90%的孔率，硫酸吸附其内，且电池采用紧装配形式，离子在隔板内扩散和电迁移受到的阻碍很小，所以AGM密封铅蓄电池具有低内阻特性，大电流快速放电能力很强。

胶体密封铅蓄电池的电解液是硅凝胶，虽然离子在凝胶中的扩散速度接近在水溶液中的扩散速度，但离子的迁移和扩散要受到凝胶结构的影响，离子在凝胶中扩散的途径越弯曲，结构中孔隙越狭窄，所受到的阻碍也越大。

因而胶体密封铅蓄电池内阻要比AGM密封铅蓄电池要大。

然而试验结果表明胶体密封铅蓄电池的大电流放电性能仍然很好，完全满足有关标准中对密封电池大电流放电性能的要求。

这可能是由于多孔电极内部及极板附近液层中的酸和其他有关离子的浓度在大电流放电时起到关键性的作用。

6热失控

热失控指的是：

电池在充电后期（或浮充状态）由于没有及时调整充电电压，使电池的充电电流和温度发生一种累积性的相互增强作用，此时电池的温度急剧上升，从而导致电池槽膨胀变形，失水速度加大，甚至电池损坏。

上述现象是AGM密封铅蓄电池在使用不当时而出现的一种具有很大破坏性的现象。

这是由于AGM密封铅蓄电池采用了贫液式紧装配设计，隔板中必须保持10%的孔隙不准电解液进入，因而电池内部的导热性差，热容量小。

充电时正极产生的氧到达负极和负极铅反应时会产生热量，如不及时导走，则会使电池温度升高；如若没有及时降低充电电压，则充电电流就会加大，析氧速度增大，又反过来使电池温度升高。

如此恶性循环下去，就会引起热失控现象。

对于开口式铅蓄电池而言，由于不存在阴极吸收氧气现象，再加上其电解液量比较大，电池散热容易，热容量也大，当然不会出现热失控现象。

胶体密封铅蓄电池的电解液量用得和开口式铅蓄电池相当，极群周围及与槽体之间充满凝胶电解质，有较大的热容量和散热性，不会产生热量积累现象。

德国阳光公司的胶体密封铅蓄电池进入中国市场已有十余年，几家代理商均说没有听到用户反映电池有热失控现象。

7使用寿命

影响阀控式密封铅蓄电池使用寿命的因素很多，既有电池设计和制造方面的因素，又有用户使用和维护条件方面的因素。

就前者而言，正极板栅耐腐蚀性能和电池的水损耗速度乃是两个最主要的因素。

由于正板栅的厚度加大，采用Pb—Ca—Sn--A1四元耐蚀合金，则根据板栅腐蚀速度推算，电池的使用寿命可达10～15年。

然而从电池使用结果来看，水损耗速度却成为影响密封电池使用寿命的最关键性因素。

对于AGM密封铅蓄电池而言，由于采用贫液式设计，电池容量对电解液量极为敏感。

电池失水10%，容量将降低20%；损失25%水份，电池寿命结束。

然而胶体密封铅蓄电池采用了富液式设计，电解液密度比AGM密封铅蓄电池低，降低了板栅合金腐蚀速度；电解液量也比后者多15%～20%，对失水的敏感性较低。

这些措施均有利于延长电池使用寿命。

根据德国阳光公司提供的资料，胶体电解液所含的水量足以使电池运行12～14年。

电池投入运行的第一年，水损耗4%—5%，随后逐年减少，4年之后总的水耗损只有2%。

OP2V型密封电池在2.27V/单体条件下浮充运行10年后，其容量还有90%。

从国内一些邮电通信部门的反映来看，虽然阳光公司的胶体密封铅蓄电池售价较高，但其使用寿命却长于国产的AGM密封铅蓄电池。

8复合效率

复合效率是指充电时正极产生的氧气被负极吸收复合的比率。

充电电流、电池温度、负极特性和氧气到达负极的速度等因素，均会影响密封电池的气体复合效率。

根据德国阳光公司提供的胶体密封铅蓄电池产品说明书介绍，胶体密封铅蓄电池产品使用初期，氧复合效率较低，但运行数月之后，复合效率可达95%以上。

这种现象也可以从电池的失水速度得到验证，胶体密封铅蓄电池运行第一年失水速度较大，达到4%～5%，以后逐渐减少。

造成上述特性的主要原因，看来胶体电解质在形成初期，内部没有或极少有裂缝，没有给正极析出的氧提供足够的通道。

随着胶体的逐渐收缩，则会形成越来越多的通道，那么氧气的复合效率必然逐渐提高，水损耗也必然减少。

AGM式密封铅蓄电池隔膜中有不饱和空隙，提供了大量的氧气通道，因而其氧气复合效率很高，新电池可以达到98%以上。

9选用货真价实的胶体密封铅蓄电池

以上谈及的胶体密封铅蓄电池的一些特性，乃是当今国内外新一代胶体密封铅蓄电池才具有的性质。

这种电池使用的胶体电解质在性能上有别于早期胶体电池使用的胶体电解质，后者是用普通水玻璃制成的，或由一般市售的硅溶胶配成的。

此外，新一代胶体密封铅蓄电池的结构和选材上也不同于一般的铅蓄电池。

从目前的国内外技术发展水平来看，做一个胶体铅蓄电池是不难的，然而要做一个好的胶体密封铅蓄电池却是不容易的，其中的技术诀窍是任何厂家都不愿透露的。

用户在选用胶体密封铅蓄电池时，务必小心从事。