铅酸蓄电池原理讲解

1、铅酸蓄电池第一节铅酸蓄电池基本知识作用：是贮存太阳能电池方阵受光照时所发出 电能并可随时向负载供电。太阳能光伏发电系统对蓄电池的基本要求是: 彳更用寿命长； 自方攵电率祗； 深放电能力殛;S5衣电楚85衣电池GFM-500(2V 500Ah) 雕式密锵精电池GFM-500 (2V 500AK) 冊跌密湘翳电池充电效率同;少维护或免维护;工作温度范围宽;价阁氐廉。新乡楠太电池科技删公司新乡市新太电池科技帥公司一、铅酸蓄电池的发展铅酸蓄电池是1859年卡斯通和普朗特(Gasto n&Plante) 发明的。他们用两片铅片作电极，中间隔以橡皮卷成的细螺旋 作隔板，浸在10%的硫酸(H2SO4)溶液(

2、密度1.06g/cm3沖, 扁成一个铅酸蓄电池。1906年，普朗特向法国科学院提交了一个由9个单体电池构成的铅酸蓄电池，这是世界上第一个铅蓄电池 普朗特电池。由于它的主要原料是铅和酸，因而称为铅酸蓄电池或 简称为铅蓄电池。但普朗特电池存在着电极活性物质利用率低.化成 时间相当长、电池放电容量不大等问题，所以没有获得 工业上的应用。铅的氧化物和硫酸混合可制成膏剂膏，涂在铅片上可大大缩短化成时间，电极利用率和电池放电容量 也大为提高。1881年，富(Faure)发明了涂膏式极板，但它的一个 严重缺陷是铅膏容易从铅板上脱落。1881年末，有人提出了栅形板栅的设计，即将整体的平 面铅板改成多孔板栅，将

3、铅膏塞在小孔中。这种极板在 保持活性物质不脱落方面比整体平面铅板好。1882年，以铅锌合金(PbSb)作板栅，增强了硬度。铅粉.铅膏.合金板栅作为现代铅酸蓄电池极板结构 就此确定下来。板栅的制造图1书本钠遥方式的恳理及聊切后的板栅外现III传统的浇铸方式是将熔融的铅液注入板栅模具中铸造而成O 一般是一次铸成2片板栅，因凝固时间长，生产效率低下。 另外，1mm以下的薄型板栅铸造成形有一定岛难度。但这种 模具也有体积小、便于倒班、成本低.设计灵活等优势。压祖田事配煤踐切口 基厶红H解ts锐拥略I*图2拉两方式及剪切后的扳.栅外观册S3连销方式及專切后的板柵外观1910年开始，铅酸蓄电池生产得到充分

4、发展。原因：一是汽车数量的快速增长，带动了用于启动、 照明和点火的蓄电池的发展；其次是电话业采用铅酸蓄 电池作为备用电源，并要求安全可靠又能使用多年，使 得蓄电池开始广泛用于汽车、铁道、通信等工业。1957年原西德阳光公司制成胶体密封铅酸蓄电池并投 入市场，标志着实用的密封铅酸蓄电池的诞生。1971年美国Gates公司生产出玻璃纤维隔板的吸液式电池，这就是阀控式密封铅酸蓄电池（VRLA电池）。VRLA电池商业化应用30年来，尽管出现过一些问题，如漏液、早期容量损失.寿命短等，曾一度引起人们的 怀疑，但经过多年的努力，其设计技术有了很大的发展, 并沿用至今。二.VRLA电池的结构和原理（一）结构

5、汇流导体溢气阀负极板负隔板正极板壳体壳体采用耐酸、耐热和 耐震的硬橡胶或聚丙稀塑料制成整体式结构，壳体内分 成6个互不相通的单格，每 个单格内装有极板组和电解 液组成一个单格的蓄电池。.丿壳体的底部有凸起的筋, 用来支撑极板组，并使极板 上脱落下来的活性物质落入一y凹槽中，防止极板短路。丿(二)主要零部件及作用(1) 极板(板栅):以铅铢合金为骨架，上面紧密地涂上 铅膏，经过化学处理后，正、负极板上形成各自的活性 物质，正极的活性物质是PbC2，负极的活性物质是海绵 铅，在成流过程中，负极被氧化，正极被还原，负极板 一般为深灰色，正极板为暗棕色。(2) 隔板：隔板有水隔板、玻璃纤维隔板、微孔橡

6、胶隔板、塑料隔板等，隔板的作用是储存电解液，气体通道, 使正、负极间的距离缩到最小而互不短路；隔板可以防 止极板的弯曲和变形，防止活性物质的脱落，要起到这 些作用，就要求隔板具有高度的多孔性、耐酸、不易变 形、绝缘性能要好，并且有良好的亲水性及足够的机械 强度。(3) 电解液：铅酸蓄电池一律采用硫酸电解质，是电化 学反应产生的必需条件。对于胶体蓄电池，还需要添加胶体，以便与硫酸凝胶 形成胶体电聲质，此时硫酸不仅是反应电解质，还是胶 律所需卑凝胶剂。一定浓度的硫酸配比_楚浓度的硅凝 辱,即成为软固体状的硅胶电解质。碱性蓄电池的电解 液是22 %40 %浓度的氢氧化钾溶液。(4) 电池槽及槽盖：蓄

7、电池外壳，它为整体结构，壳内由隔壁分成三格或六格互不相通的单格；其底部有突起的 肋条，用来搁置极板组；肋条间的空隙用来堆放从极板上 脱落下来的活性物质，以防止极板短路。槽的厚度及材料 直接影响到电池是否鼓胀变形。外壳材料一般是用橡胶或 工程塑料，如PVC或ABS槽盖。（三）基本反应原理当用连有电流计的导线连接两极时，可以观察到三个重要的现象:Zn棒逐渐溶解，铜棒上有气体溢 出，导线中有电流流过此反应的实质是:Zn Zn2+2e（氧化反应）2H+2e， HJ （还原反应）组成蓄电池需要有两个条件：一是必须把化学反应中失去电子的过程（氧化过程）和得 到电子的过程（还原过程）分割在两个区域进行； 二

8、是物质在进行转变的过程中，电子必须通过外线路。铅酸蓄电池的工作原理：包括放电过程和充电过程。放电过程Pb2+和电解液中解离出来的SO/- 发生反应，生成PbSCXp且PbSC4 的溶解度彳艮小，所以生成后从溶液 中析出，附着在电极上，反应式为:2H2SO4 4H+2 SO42-Pb - 2e_ Pb2+Pb2+ SO42- PbSO4负极板:一方面铅板有溶于电解液的倾向，因此有少量铅 进入溶液生成Pb2+（被氧化）而在极板带负电；另一方面， 由于Pb?+带正电荷，极板带负电荷，正、负电荷又要相 互吸引，这时Pb2+离子又有沉附于极板的倾向。这两者 达到动态平衡时，负极板相对于电解液具有负电位，

9、其 电极电位约为-O.lVo正极放电时有少量PbC2进入电解液与H2O Pb(OH)4 Pb(OH)4 Pb4+ +4OH-Pb4+ +2eEMwlQr一 rli _ s -Pb2+ SO42 PbSO4 Pb2+ H+ +OH- H2O所以放电过程总的反应正极活性物 电解液 负极活性物 正极生成物 电解液生成物负极生成物PbO2 + 2H2SO4 + Pb PbSO4 + 2H2O + PbSO4放电过程是化学能变成电能的过程，这时正极的活性物 质Pb。?变为PbSO4,负极的活性物质海绵铅变为PbSO4, 电解液中H2SO4分子不断减少，逐渐消耗生成氏0,氏0分 子相应增加，虽解液的相对密

10、度降低。(2)充电过程：即将电能变成化学能。充电时，负极板上的PbS(进人溶液，解离成Pb2+与SO42电解液申的电0解离成H+与OH)在负极上， 充电时贵极板上的Pb?+这时获得两个电子，被还原成Pb(以海绵状固态析 出)，这时电解液中的H+移向负极， 在负极附近与SO42-结合成H2SO4 o负极反应为：PbSO4 Pb2+4- SO42-Pb2+ 2e Pb2H+ SO42- H2SO4W H正极板上的Pb2+在外电源作用下被氧化，失去两个电子 变为Pb4+,它又与OH结合生成Pb(OH)4，然后又分解为 PbO2和氏0,而SO42-离子移向正极与H+结合生成H2SO4PbSO4 Pb2

11、+ SO42-Pb2+ - 2e_ Pb4+Pb4+ +4OH- Pb(OH)4Pb(OH)4 PbO2 +2H2O 2H+SCV- H2SO4所以充电过程总的反应正极物质电解液 负极物质正极生成物 电解液生成物负极生成物PbSO4 + 2H2O + PbSO4 PbO2 + 2H2SO4 + Pb充电过程中，正.负极板上的有效物质逐渐恢复， 电解液H2SO4比重逐渐增加，所以从比重升高的数值 也可以判断它充电的程度。电解液中，正极不断产生 游离的H+和SO/，负极不断产生SO42-,在电场的作 用下，H+向负极移动，SO42-向正极移动，形成电流。到充电终期，PbSO4绝大部分反应为Pb。?

12、和海绵状 Pb,如继续充电，就要引起水的分解，正极放出。2， 负极放出II?2H2O 2H2t +O2f三、铅酸蓄电池制造的工艺流程 按化成方式的不同，将电池工艺流程分为生极板系列电 池和熟极板系列电池。其中熟极板系列需要进行槽式化 成，即将极板放在专门的化成槽中，多片正、负极板相 间连接，灌入电解液，与直流电源连接，进彳亍充放电化 成。生极板不需要专门的化成槽，而是将生极板装配成 极群组装入电池壳内，灌满电解液，通电进行化成。生极板的化成工艺流程，避免了生极板在槽化成中化成时 析出气体携带酸雾造成的环境污染，同时也减少了化成后 的洗涤干燥等工序，相对于槽化成工艺有明显的优越性。 但对于高型蓄

13、电池（800A-h以上的电池），由于极板比较高 而厚，采用内化成工艺极板较难化透，容量往往不合格, 因此还是采用槽化成工艺。L抓板紐側瞇应孵個伽UZ)斛熾嘲紳釦唧4敲卿卜熾#张十肛册弭唄側板)四、铅酸蓄电池的分类、命名和一些常用术语（一）铅酸蓄电池的分类1. 按照电解液数量和电池槽结构分为传统开口铅酸蓄电 池和阀控式密封铅酸蓄电池。前者为开口半密封式结构， 电解液是处于富液状态，使用过程中需要加水调节酸密度。 后者为全密封式结构，电解液为贫液状态，使用过程中不 需要进行加水或加酸维护，简称VRLA电池。2. 按照电池的用途分为循环使用电池和浮充使用电池。 浮充电池主要是后备电池。循环和启动使用

14、的电池有铁路 电池、汽车电池、太阳能蓄电池、等类型。3. 按照电池的使用环境分为移动型电池和固定型电池。 固定型电池主要用于后备电源，广泛用于邮电、电站和医 院等,主要是密封型VRLA电池和传统富液电池。移动型 电池主要有内燃机车用电池、铁路客车用电池、摩托车用 电池、电动汽车等。（二）蓄电池的命名方法、型号组成及其代表意义CH TI黒建空 电池功能池格数 或形状等S1代号汉字全称G固固定型F阀阀控式M密密封J胶胶体D动,动力型N内内燃机车用T铁:铁路客车用D电电力机车用3 GrFM-1-5001个固阀密1500单体定控封Ah6V型式O 004-h1 1 A J胶体M密封F 阀控式 G固定型

15、-诊2V六单1（三）蓄电池的常用术语1、蓄电池容量完全充电后放电到规定的终止电压时所能给出的电量。符号：C例：C=120A h2、放电率以某电流放电到规定的终止电压时所经历的时间 标识：20h、10h、5h、3h、lh、05hC2O=100Ah20h放电率放电电流为5A启动型，以20h率标定，表示C20固定型，以10h率标定，表示Ci。3、终止电压电池放电时电压下降到不宜再放电时（至少能再反 复充电使用）的最低工作电压。一般的终止电压为1.80V /单体。4放电深度（DOD）17%25%浅循环指蓄电池放出的容量占该30 %-50 %中等循环电池额定容量的比值。60%80%深循环5循环寿命蓄电池

16、经历一次充电和放电，称为一次循环（一个周期）。在_定放电条件下，电池使用至某_容量规定值之前, 电池所能承受的循环次数，称为循环寿命。韬歼次数（循环）故电深度对就电池循环使用寿命的影响6.电池内阻欧姆内阻：主要由电极材料、隔膜.电解液.接线柱。 等构成，也与电池尺寸、结构及装配有关。极化内阻：电池放电或充电过程中两电极进行化学反应时极化产生的内阻。内阻严重影响电池工作性能，因而愈小愈好。（四）VRLA电池分类AGM电池:主要采用AGM（玻璃纤维）隔板，电解液被吸附在隔板孔隙内。GEL电池：主要是采用PVCSiO2隔板，电解质为已 经凝胶的胶体电解质。A（；M电GEL电池性能比较GEL电他AGM

17、电池韩充性能由于电解质的址常余性執汝 右热失控那故掘生灣充轴悅敷热储撫失控縣时有掘生循环性能IE% DOD循环箱命600次以上100% DOD 环舟佈150忒左右自放电自故电率为2%/月，电池在常矗下町M 2年自舉电率为2%5旳月带故期超 过6个月需补克充电初期复合敷來较循但循坏数次后可 以达到95%以上ZWM合效率靑达99%电解液分层现象无鮒檢度分层现需电池可以竖直 加水平安装|有电解嘶理集离罚电施只歯水第二节a铅酸蓄电池的一般设计一. 板计在正负极活性物质、电解液.板栅体积或质量之间作出分配和平衡。比质量:板栅质量活性物质量+板栅质量最佳0.350.6小于1 .Og/cm2比体积：二、电池

18、容量设计1、厚度的选择2. 单片电极板容量经验公式涂膏式极板在1.3g/cm3电解液中经验公式C极板容量，A-h h极板高度，mmC = 4.87xlO4bhVb极宽度,mm6极度，mm根据所需功率与时间确定容量电池容量(A-h )=所需瓦时电池组电压三、电解液浓度和用量计算电解液密度太低，电池容量降低；电解液密度太高，则板栅更容易被腐蚀O硫酸密度为1.22g/cm3时，即质量百分比浓度为30%,电 导率最高，酸的体豪通常大于隔板孔体积与干充电状态正.负极活 性物质的孔体积之和的80 % o能灌酸的空间有限，因此采用比富液电池密度高的酸. VRLA通常在设计时充电态酸密度为1.280 1.31

19、0g/cm AGM隔板中含有5 %的憎水剂，保证即使有自由酸存在, 隔板仍保持10 %孔不被淹没，作为氧气传输的通道。理论酸量w = 3.66X电池设计容量质量百分比浓度实际=理论x（1.12.0）第三节目前存在的问题目前存在的主要问题(_) 失1、原因:氧复合不能达到10%；妥全阀失效或频繁开启，向外排气导致失水;电池泄漏和外壳材料选择不当导致水的渗透;2、后果：电池会因水损失干涸而失效，严重影响寿命。(二) 负极硫酸化铅酸蓄电池在正常工作中，负极板上PbSC4颗粒小，充电时很容易恢复为绒状铅O在充电不足或经常进行深度放电，成了难以还原的大颗 粒硫酸铅，称为硫酸盐化。内阻大大增加，甚至电池失

20、效。(三) 早期容量损失主要表现为:电池在使用期间，过早的出现容量衰退，使 电池不能继续使用，并且在一般充电制度下容量难以恢复。3种模式：突然容量损失(PCIJ),慢慢容量损失(PCL-2)和 负极无法再充电(PCL3)。PCL1:表现为电池在最初的10-50次循环内，电池性能 快速下降从而引起容量突然下降。解决了板栅与活性物 质之间的结合力和导电性，就解决了PCL-1O主要解决途径：板栅与活性物质之间的结合力和导电性。PCL-2:认为正极的导电性限制了电池容量。这是由于在循环使用过程中正极PbC2的膨胀而引起活性 物质颗粒之间连接的破坏，从而影响导电性。放电越深越快，放电速率越大，活性物质膨胀和容量损 失的趋势就越大。PCL-3:负极再充电不足导致负极板底部硫酸盐化，从而 影响负极导电与单体电池也压。这是一种仅在VRLA电池才有的早期容量损失模式，一 般在200 250个循环时发生。预防PCL可采取措施：高温、高湿固化正极板，形成4PbOPbSC）4铅膏。在电池充电放电过程中采取高倍率充电。在正板栅合金中加入添加剂Sn、Sb或活性物质中加入 SnSO4和Sb2（）3化合物。加入S11SO4和Sb2（）3活性物质更易于生成凝胶区。Sn、Sb加入板栅铸造，可改