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铅酸蓄电池工作原理

电源技术 | 发布时间:2018-11-18 | 人气: | #评论# | 本文关键字:蓄电池,工作原理,铅酸电池
摘要:铅酸蓄电池目前主要分为密封型与非密封型两种,最重要的差别在于使用时所产生的气体是否会散逸到外界,因此非密封型电池需要补充电解液。在本文中,将选用CSB BATTERY CO., LTD.所推出的G

铅酸蓄电池目前主要分为密封型与非密封型两种,最重要的差别在于使用时所产生的气体是否会散逸到外界,因此非密封型电池需要补充电解液。在本文中,将选用CSB BATTERY CO., LTD.所推出的GP1272 密封型铅酸电池作为实验之用,供电12V、容量7.2Ah。这类型的电池使用超声波特殊密封,在使用时不受方向、位置所限制,在安全的使用环境下,免保养、免加水、可重复循环使用,不管是应用在循环使用或是浮充使用的环境,都具有自行放电率低、回充速度快、高效率放电性能等优异特性。本文将针对铅酸蓄电池进行介绍。

       图1 CSB 电池产品图

1, 铅酸电池的组成结构
电池是一种将电能以化学能储存的装置,必须具备体积小、可携带,耐震、耐冲击以及寿命长、高能量密度等特性,因此在许多的领域受到普遍的应用,尤其是铅酸蓄电池更是累积了相当多的技术,构成铅酸电池的四个主要部分为电极板(阳极板与阴极板)、电解液、隔离板、与外部的电槽,下面分别描述各部分的主要材质与功能:
 (1)电极
电池中最为重要的材料就是极板,构成极板的原料为铅粉,亦是可变化成正、负极活性物质的材料,较为代表性的铅粉制造机最早由日本电池公司创设人发明,将铅块表面的氧化物去除,收集充分磨细之铅粉。铅粉中的主要成分为一氧化铅,其百分比含量将会是影响电池性能的重要指针。在极板中所使用的蕊条,形状如格子般的板栅,主要材质为铅锑(Pb-Sb)系与铅钙( Pb-Ca )系合金,用以附着活性物质,具有充作集电体的作用。锑(Sb)的加入可以改善正极与活性物质间的接和,有助于耐蚀性之提升、延长寿命,缺点在于锑若溶解于电解液中成为 SbO-3离子,而在负极板上产生Sb,将会产生氢气造成自放电。Pb-Ca系合金之结晶组织则因添加适当的钙后,促使铅结晶细小、提升硬度,而且不会产生自放电,目前普遍使用于小型密封型铅酸电池。极板的制造上则有两种方式,第一种方式是涂浆式极板,将稀硫酸与添加材料,添加于铅粉调制成膏状,并均匀涂覆在格子状极板上,进行金属铅之氧化、干燥,造成活性物质之结晶成长,最后置于稀硫酸电解液中进行氧化,这种方式形成的极板,通常采用在铅酸电池的阴极板上。第二种方式则是包层式极板,将直径9μm之微细玻璃长纤维当作纺织丝,将其编成圆筒型之管子,与配置在管子中心的铝合金蕊条间,填充铅粉,接着浸渍于稀硫酸中,使铅粉一部分变成硫酸铅后,置于空中干燥,这种方式所形成的极板具有良好的弹性,是铅酸电池中阳极板最佳的选择。
因此在电池充放电时,两极的活化物质会随着化学变化而反复膨胀与收缩,电极必须根据电池的容量,选择适当的规格与数量。但是在两极活性物质中,阴极板的海绵状铅的结合力较强,阳极板的过氧化铅结合力弱,使得在长期使用之后,会不断脱落,这就是铅酸电池寿命受到限制的主要原因,因此若要设法延长铅酸电池的使用期限,从阳极板的改良下手是当务之急。

(2)电解液
电解液中的硫酸,是参与电动反应的活性物质,除了导电用之外,也参与电极的反应,经放电而消耗,充电即可生成。若是电池中电解液比重较高时,会因为能量密度的关系可以提供较佳的电力特性,但却有可能加速极板的腐蚀与劣化,若是要延长电池的使用寿命与可靠性,则在比重上必须有所限制。
另外,在电解液中还有很重要的一环就是杂质含量,杂质含量的增加也会加速极板的腐蚀与劣化,减少电池使用的性能与寿命。不过,却有些杂质被适当的添加,是为了要避免电解液处于过放电时,发生格离板被贯穿,而造成短路的情况。
(3)隔离板
所谓隔离板,就是放置于两极之间,除了作为隔离电极的装置,还必须防止正、负极间之短路。实际安装时,正、负两极板的距离相当靠近,在中间插入以绝缘物质制造的多孔性格离板,防止两极板接触。因此隔离板必须具备良好的离子导电性,也就是低电组的特性,还有优异的耐酸性以及抗氧化性,且不得溶出杂质;防止活性物质的脱落,造成短路。
(4)电槽
在电池外部的电解槽与槽盖,均采用热可塑性塑料,以加压射出成型为主,必须具有耐电压、耐冲击性、耐热性以及耐酸性等特性。至于电解槽及其槽盖的接合,必须做到完全密封的状态,除了以往常见的接合剂与热熔接法外,还有采用超音波特殊封装,具有相当良好的安全性。
2,铅酸电池的基本原理
铅酸电池的正极为多孔性的二氧化铅,负极为海绵状的铅,极板上面的活性物质与电解液中的硫酸产生化学变化而放出电子,每一单位(Cell)至少可提供2.04 伏特(V)的电压,下面列出电化学反应:

全反应:

电动势:

在非封闭型的铅酸电池中,我们可以发现当电池经充电完成之后,若再继续充电将会导致电解液中之水份进行分解,而水分解的结果将使得正极部分产生氢气,负极的部分产生氧气,当这些过多的气体被产生后,便会释放到外界,因此必须定期适当的补充水份。

封闭型的铅酸电池,这一类型的电池不需保养,更不需添加水份,其中最重要的关键在于电池的阴极板被设计为不会完全饱和反应,以致于没有氢气产生,但是阳极板一旦全反应后,便会出现氧气,此时阳极所产生的氧气会和阴极的海绵状铅反应成一氧化铅,此时生成的一氧化铅再与电解液内的硫酸反应变成硫酸铅,而允许阴极板部分放电。换句话说,由阳极所产生的氧气并不会被释出,反而被阴极给吸收了,因此电池内部的容量并不会因此而减少,这就是所谓的密闭原理,下面列出反应方程式:


3,寿命特性
所有铅酸电池,经过长时间的使用后,都会有寿命减短的情况发生,除了两极板会发生变化,杂质的累积也会造成性能的衰减,要如何延长一颗电池的寿命,电池的使用方式是相当重要的,通常对一颗铅酸电池来说,会有两种不同的使用方式,一种是浮充使用,另一种是循环使用。
在循环使用的模式下,放电深度(Depth of Discharge)扮演相当重要的脚色,放电深度是针对额定容量之放电电量比率,通常这种模式是操作在电动车辆与独立电源上,使用者往往会将电池的电量消耗至一定比例才又充电,如图2所示,此时电池的寿命会因为放电深度的不同,而具有不同的使用寿命及性能。


            图2 循环使用寿命
浮充使用的方式则是把电池当成备用电源,连接在主电源端,例如不断电系统或紧急照明设备等,以备不时之需,因此很少遇到放电深度的问题。此时我们必须要注意的就是电池置放的环境温度,若周遭温度过高将加速电池各部分劣化,过于低温则会在电池内部产生氢气,造成内部压力增大或电解液减少,减短寿命,图3显示了不同的环境温度对电池寿命的影响。
浮充使用寿命

            图3 浮充使用寿命
4,充电特性
在电池的充电过程中,阳极板上的硫酸铅变成二氧化铅,当持续充电一段时间后,氧气便开始产生而引起电压急速上升,因此在充电的过程中必须注意电压上限值。若是以大电流对电池充电,则会造成内部产生气化的情况,当超过电池的吸收速率,便会破坏电池,减短寿命,以下列出CSB BATTERY CO., LTD.的电池在充电上的限制及规范:

应用 

充电电压(V/Cell) 

最大充电电流

温度(℃)设定值 容许范围 
循环使用 25℃ 2.452.4~2.5 0.3C 
浮充使用 25℃ 2.2752.25~2.3 0.3C 

表1 最大充电电压及最大充电电流
由图4及图5中,我们则可以发现,不管电池是操作在循环使用还是浮充使用的状态下,充电量往往必须是放电量的110%~ 120%,才能够将电池再度完全充饱,这表示有一部分的能量在电池内部被消耗掉了,实际充电的时候必须注意,否则没有办法将电池的电量回复到原本的状态。
定电压14.7V(2.45V/Cell)下循环使用的充电特性
图4 定电压14.7V(2.45V/Cell)下循环使用的充电特性
定电压13.65V(2.275V/Cell)下浮充使用的充电
图5 定电压13.65V(2.275V/Cell)下浮充使用的充电特性

5,放电特性
铅酸电池上面通常会标示着容量(Ah)的符号,这个容量表示放电电流及放电至终止电压时间之积分,若是放电电流随着放电时间而改变大小,代表电池容量就会随着放电电流而改变,公式如下:
电池容量
选取一颗容量固定的电池,以不同的电流大小来放电,将会造成容量变化上的不同,同时也会导致放电时的终止电压有所不同,因此电池在放电的时候必须注意电池的状态,不可低于限定的放电终止电压,否则将会产生过放电的情况,多次的过放电发生将会使得电池容量失效,甚至无法充电,这一部分在CSB BATTERY CO., LTD.亦有详细规范,如表2所示,图6则显示在不同放电电流下的放电终止电压与放电时间的关系。

放电电流与放电终止电压限制
表2-2 放电电流与放电终止电压限制
不同放电率下放电特性
   图6 不同放电率下放电特性

铅酸电池与一般电池比较起来,还有个特别的不同之处,那就是对过放电的情况非常敏感,每一次的过放电都会对铅酸电池造成极大的损害,这从先前对铅酸电池的介绍中便可略知一二。因此当电池过放电之后,便不可能再回复正常的容量,通常这种原因会发生,是因为电池长时间处于放电状态。在我们实验中所使用的CSB密闭式铅酸电池,可以承受短暂时间的过放电,而且次数仅有2-3次,在过放电后,仍可由适当的充电来回复原本的容量。对于我们要设计的充电器来说,要如何得知电池已经发生过放电的形情,可以由图7可以得知,在充电初期会发生充电电流不变,充电电压却大幅下降的情况,经充饱电后尚可恢复其初期的容量。
过放电及静置放电后之充电特性
   图7 过放电及静置放电后之充电特性
6,铅酸电池的等效电路
铅酸电池的电气特性,就像个大电容一样,若是要将电池拿来充电,势必要对电池的瞬时特性进行分析。铅酸电池的等效电路,如图8所示:
铅酸电池等效电路
图8 铅酸电池等效电路
图8 中,E是铅酸电池的电动势,L为电池内部之电感,通常这电感量很小,会随着电池容量增大而稍微增加,但通常在分析中予以忽略。R是极板与电解液之间所形成的电阻,通常称之为内阻,在实际充放电的时候,会因为电解液与极板均发生复杂的化学反应,以及电解液中许多杂质的因素,使得这个内阻值会不断上升,然后直接影响温度,因此内阻值是铅酸电池研究中最重要的参数。C则是电极上之活性物质与电解液接口之间,所形成的电容,这个值非常大,而且容量越大的电池也具有越大的电容值。至于Zf则是与通电电流频率有关的阻抗,称之为法拉第阻抗,由电阻与电容成分构成。在铅酸电池的分析上,最主要在于侦测内部电压与内阻的变化,因此把电池视为电压源,并将等效电路简化为图9。

铅酸电池等效简化电路
图9 铅酸电池等效简化电路

铅酸蓄电池工作原理-铅酸蓄电池极板-铅酸蓄电瓶



责任编辑:铅酸蓄电池
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