铅酸蓄电池科普(一)
铅酸蓄电池科普
铅酸蓄电池是一种采用稀硫酸作为电解液,以二氧化铅为正极,绒状铅为负极的酸性蓄电池。这种电池通过化学反应存储和释放电能。
蓄电池是1859年由普兰特(Plante)发明的,至今已有一百多年的历史。铅酸蓄电池自发明后,在化学电源中一直占有绝对优势。这是因为其价格低廉、原材料易于获得,使用上有充分的可靠性,适用于大电流放电及广泛的环境温度范围等优点。
到20世纪初,铅酸蓄电池历经了许多重大的改进,提高了能量密度、循环寿命、高倍率放电等性能。然而,开口式铅酸蓄电池有两个主要缺点:①充电末期水会分解为氢,氧气体析出,需经常加酸、加水,维护工作繁重;②气体溢出时携带酸雾,腐蚀周围设备,并污染环境,限制了电池的应用。近二十年来,为了解决以上的两个问题,世界各国竞相开发密封铅酸蓄电池,希望实现电池的密封,获得干净的绿色能源。
1912年ThomasEdison发表专利,提出在单体电池的上部空间使用铂丝,在有电流通过时,铂被加热,成为氢、氧化合的催化剂,使析出的H2与O2重新化合,返回电解液中。但该专利未能付诸实现:①铂催化剂很快失效;②气体不是按H201的化学计量数析出,电池内部仍有气体发生;③存在爆炸的危险。
60年代,美国Gates公司发明铅钙合金,引起了密封铅酸蓄电池开发热,世界各大电池公司投入大量人力物力进行开发。
1969年,美国登月计划实施,密封阀控铅酸蓄电池和镉镍电池被列入月球车用动力电源,最后镉镍电池被采用,但密封铅酸蓄电池技术从此得到发展。
1969-1970年,美国EC公司制造了大约350,000只小型密封铅酸蓄电池,该电池采用玻璃纤维棉隔板,贫液式系统,这是最早的商业用阀控式铅酸蓄电池,但当时尚未认识到其氧再化合原理。
1975年,GatesRutter公司在经过许多年努力并付出高昂代价的情况下,获得了一项D型密封铅酸干电池的发明专利,成为今天VRLA的电池原型。
1979年,GNB公司在购买Gates公司的专利后,又发明了MFX正板栅专利合金,开始大规模宣传并生产大容量吸液式密封免维护铅酸蓄电池。
1984年,VRLA电池在美国和欧洲得到小范围应用。
1987年,随着电信业的飞速发展,VRLA电池在电信部门得到迅速推广使用。
1991年,英国电信部门对正在使用的VRLA电池进行了检查和测试,发现VRLA电池并不象厂商宣传的那样,电池出现了热失控、燃烧和早期容量失效等现象,这引起了电池工业界的广泛讨论,并对VRLA电池的发展前途、容量监测技术、热失控和可靠性表示了疑问,此时,VRLA电池市场占有率还不到富液式电池的50%,原来提到的“密封免推护铅酸电池”名称正式被“VRLA电池”取代,原因是VRLA电池是一种还需要管理的电池,采用“免维护”容易引起误解。
1992年,针对1991年提出的问题,电池专家和生产厂家的技术员纷纷发表文章提出对策和看法,其中DrDaridFeder提出利用测电导的方法对VRLA电池进行监测。I.c.Bearinger从技术方面评述VRLA电池的先进性。这些文章对VRLA电池的发展和推广应用起了很大的促进作用。
1992年,世界上VRLA电池用量在欧洲和美洲都大幅度增加,在亚洲国家电信部门提倡全部采用VRLA电池;1996年VRLA电池基本取代传统的富液式电池,VRLA电池已经得到了广大用户的认可。
阀控电池的中文全称:阀控式密封铅酸蓄电池,其英文名称为“Valve-Regulated Lead Acid Battery”(简称“VRLA”电池),其基本特点是使用期间不用加酸加水维护,电池为密封结构,不漏酸,可任意位置使用(垂直倒立使用应禁止),使用过程中无酸雾析出,电池寿命长,自放电率低等。
电池盖子上设有单向排气阀,亦称安全阀。该阀的作用是当电池内部气体量超过一定值(通常用气压值表示),即当电池内部气压升高到一定值时,排气阀自动打开,排出气体;待电池内部压力降低到安全压力后,阀门自动关闭,防止空气进入电池内部。
铅酸电池内的阳极(PbO2),阴极(Pb)浸到电解液(稀硫酸)中,两极间会产生2V的化学电势,铅酸蓄电池的电化学反应原理就是充电时将电能转化为化学能在电池内储存起来,放电时将化学能转化为电能供给外系统。其充电和放电过程是通过电化学反应完成的。
构成阀控铅酸蓄电池的主要部件是正负极板、电解液、隔板、电池壳和盖、安全阀,此外还有一些零件如端子、连接条、极柱等。
铅酸蓄电池型号的表示方法主要依赖于特定的字母和数字组合,这些组合具有特定的含义,以便于识别电池的类型、尺寸、容量等关键信息。
型号中的字母代表电池的类型和特性:
"G"代表固定型电池。
"F"表示阀控式电池。
"M"表示密封电池。
数字部分则提供了关于电池的具体信息:
数字在型号的前面,如"6"在"6GFM-300"中,表示单体电池的数量。
后面的数字,如"300"在"6GFM-300"中,代表电池的额定容量,单位为安时(AH)。
此外,还有一些其他的标识方法,例如:
尺寸可以用数字表示,如"6"可能代表电池的尺寸(以英寸为单位)。
类型可以通过特定的代码表示,如"QW"可能代表湿式铅酸电池的一种类型。
容量通常用数字表示,如"54"在"6-QW-54"中,代表电池的容量(以安培小时为单位)。
生产日期和制造商的代号也可能包含在型号中,如数字"8"可能代表电池制造商的代号。
1. 原料易得,成本相对较低;
2. 高倍率放电性能优越;
3. 工作温度范围宽(-40℃~+60℃);
4. 浮充使用寿命长,无记忆效应;
5. 废旧电池易于回收,环保性好。
1. 比能量相对较低,一般为30-40Wh/kg;
2. 使用寿命较其他类型电池短;
3. 生产回收过程中产生环境污染,需配备相应的处理设备。
铅酸电池可以分为普通铅酸电池、卷绕式铅酸电池、胶体铅酸电池、汽车用铅酸电池、电动自行车用铅酸电池、储能用铅酸电池、深循环铅酸电池和免维护铅酸电池等主要类型。
1.开路电压与工作电压
1.1开路电压
电池在开路状态下的端电压称为开路电压。电池的开路电压等于电池的正极的电极电势与负极电极电势之差。
1.2工作电压
工作电压指电池接通负载后在放电过程中显示的电压,又称放电电压。在电池放电初始的工作电压称为初始电压。电池在接通负载后,由于欧姆电阻和极化过电位的存在,电池的工作电压低于开路电压。
2.容量
电池在一定放电条件下所能给出的电量称为电池的容量,以符号C表示。常用的单位为安培小时,简称安时(Ah)或毫安时(mAh)。电池的容量可以分为理论容量,额定容量,实际容量。
理论容量是把活性物质的质量按法拉第定律计算而得的最高理论值。为了比较不同系列的电池,常用比容量的概念,即单位体积或单位质量电池所能给出的理论电量,单位为Ah/1或Ah/kg。
实际容量是指电池在一定条件下所能输出的电量。它等于放电电流与放电时间的乘积,单位为Ah,其值小于理论容量。
额定容量也叫保证容量,是按国家或有关部门颁布的标准,保证电池在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量。
3.内阻
电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻,极化内阻又包括电化学极化与浓差极化。内阻的存在,使电池放电时的端电压低于电池电动势和开路电压,充电时端电压高于电动势和开路电压。电池的内阻不是常数,在充放电过程中随时间不断变化,因为活性物质的组成、电解液浓度和不断地改变。
欧姆电阻遵守欧姆定律;极化电阻随电流密度增加而增大,但不是线性关系,常随电流密度和温度都在不断地改变。
4.能量
电池的能量是指在一定放电制度下,蓄电池所能给出的电能,通常用瓦时(Wh)表示。