鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)

鉛酸蓄電池主要由正極板組?負(fù)極板組?隔板?容器和電解液等構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)如下圖所示：

1.極板

鉛酸蓄電池的正?負(fù)極極板由純鉛制成,上面直接形成有效物質(zhì),有些極板用鉛鎳合金制成柵架,上面涂以有效物質(zhì)?正極(陽極)的有效物質(zhì)為褐色的二氧化鉛,這層二氧化鉛由結(jié)合氧化的鉛細(xì)粒構(gòu)成,在這些細(xì)粒之間能夠自由地通過電解液,將正極材料磨成細(xì)粒的原因是可以增大其與電解液的接觸面積,這樣可以增加反應(yīng)面積,從而減小蓄電池的內(nèi)阻?負(fù)極(陰極)的有效物質(zhì)為深灰色的海綿狀鉛?在同一個電池內(nèi),同極性的極板片數(shù)超過兩片者,用金屬條連接起來,稱為極板組或極板群?至于極板組內(nèi)的極板數(shù)的多少,隨其容量(蓄電能力)的大小而異?為了獲得較大的蓄電池容量,常將多片正?負(fù)極板分別并聯(lián),組成正?負(fù)極板組。

安裝時,將正?負(fù)極板組相互嵌合,中間插入隔板,就形成了單格電池?在每個單格電池中,負(fù)極板的片數(shù)總要比正極板的片數(shù)多一片,從而使每片正極板都處于兩片負(fù)極板之間,使正極板兩側(cè)放電均勻,避免因放電不均勻造成極板拱曲?

2.隔板

在各種類型的鉛酸蓄電池中,除少數(shù)特殊組合的極板間留有寬大的空隙外,在兩極板間均需插入隔板,以防止正?負(fù)極板相互接觸而發(fā)生短路?這種隔板上密布著細(xì)小的孔,既可以保證電解液的通過,又可以阻隔正?負(fù)極板之間的接觸,控制反應(yīng)速度,保護電池?隔板有木質(zhì)?橡膠?微孔橡膠?微孔塑料?玻璃等數(shù)種,可根據(jù)蓄電池的類型適當(dāng)選定?吸附式密封蓄電池的隔板是由超細(xì)玻璃絲綿制作的,這種隔板可以把電解液吸附在隔板內(nèi),吸附式密封蓄電池的名稱也是由此而來的?

3.容器

容器是用來盛裝電解液和支撐極板的,通常有玻璃容器?襯鉛木質(zhì)容器?硬橡膠容器和塑料容器四種?容器用于盛放電解液和極板組,應(yīng)該耐酸?耐熱?耐震?容器多采用硬橡膠或聚丙烯塑料制成,為整體式結(jié)構(gòu),底部有凸起的肋條以擱置極板組?殼內(nèi)由間壁分成3個或6個互不相通的單格,各單格之間用鉛質(zhì)聯(lián)條串聯(lián)起來?容器上部使用相同材料的電池蓋密封,電池蓋上設(shè)有對應(yīng)于每個單格電池的加液孔,用于添加電解液和蒸餾水以及測量電解液密度?溫度和液面高度?

4.電解液

鉛酸蓄電池的電解液是用蒸餾水稀釋高純濃硫酸而成的?它的密度高低視鉛蓄電池類型和所用極板而定,一般在15℃時為1.200～1.300g/cm3?蓄電池用的電解液(稀硫酸)必須保持純凈,不能含有危害鉛酸蓄電池的任何雜質(zhì)?電解液的作用是給正?負(fù)電極之間流動的離子創(chuàng)造一個液體環(huán)境,或者說充當(dāng)離子流動的介質(zhì)?電解液的相對密度對蓄電池的工作有重要影響,相對密度大,可減少結(jié)冰的危險并提高蓄電池容量,但相對密度過大,則黏度增加,反而降低蓄電池容量,縮短使用壽命?應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)刈畹蜌鉁鼗蛑圃鞆S家的要求選擇電解液相對密度?

5.加液孔蓋

加液孔蓋用橡膠或塑料制成,旋在電池蓋的加液孔內(nèi)。

加液孔蓋上有通氣孔,可使蓄電池化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的氣體順利排出?加液孔蓋上的通氣孔應(yīng)經(jīng)常保持暢通,使蓄電池內(nèi)部的氫氣與氧氣排出,防止蓄電池過早損壞或爆炸?

6.聯(lián)條

由于蓄電池各單格為串聯(lián)連接,因此不同極性的極柱要用聯(lián)條連接起來?聯(lián)條用鉛銻合金鑄成,有外露式?跨橋式和穿壁式三種,前者用在硬橡膠外殼和蓋上,后兩者用在塑料外殼和蓋上?外露式是指聯(lián)條外露在蓄電池的上面;跨橋式是指聯(lián)條下部在蓄電池的平面上或埋在蓋下,連接部分跨接在各單格電池的中間壁上;穿壁式是指在中間壁上打孔,使極板組柄直接穿過中間隔壁將各單格電池連接起來?穿壁式聯(lián)條的連接方式如下圖所示：

鉛酸蓄電池的基本概念

1.充電

充電是外電路給蓄電池供電,使電池內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),從而把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來的操作?充電時,蓄電池的正?負(fù)極分別與直流電源的正?負(fù)極相連,當(dāng)充電電源的端電壓高于蓄電池的電動勢時,在電場的作用下,電流從蓄電池的正極流入?負(fù)極流出,這一過程稱為充電?蓄電池充電過程是將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能的過程?充電時,正?負(fù)極板上的PbSO4還原為PbO2和Pb,電解液中的H2SO4不斷增多,電解液密度不斷上升?當(dāng)充電接近終了時,PbSO4已基本還原成 Pb?過剩的充電電流將電解水,使正極板附近產(chǎn)生O2從電解液中逸出,負(fù)極板附近產(chǎn)生H2從電解液中逸出,電解液液面高度降低?因此,鉛酸蓄電池需要定期加蒸餾水?

蓄電池充足電的標(biāo)志是:

(1)電解液中有大量氣泡冒出,呈沸騰狀態(tài);

(2)電解液的相對密度和蓄電池的端電壓上升到規(guī)定值,且在2～3h內(nèi)保持不變?

2.放電

放電是在規(guī)定的條件下,電池向外電路輸出電能的過程?當(dāng)鉛酸蓄電池接上負(fù)載后,在電動勢的作用下,電流就會從蓄電池的正極經(jīng)外電路的用電設(shè)備流向蓄電池的負(fù)極,這一過程稱為放電,蓄電池的放電過程是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的過程?放電時,正極板上的 PbO2和負(fù)極板上的Pb都與電解液中的 H2SO4反應(yīng)生成硫酸鉛(PbSO4),沉附在正?負(fù)極板上?在這個過程中,電解液中的H2SO4不斷減少,電解液密度不斷下降?理論上,放電過程可以進行到極板上的活性物質(zhì)被耗盡為止,但由于生成的 PbSO4沉附于極板表面,阻礙電解液向活性物質(zhì)內(nèi)層滲透,使得內(nèi)層活性物質(zhì)因缺少電解液而不能參加反應(yīng),因此在使用中放完電時蓄電池活性物質(zhì)的利用率也只有20% ～30%?因此,采用薄型極板,增加極板的多孔性,可以提高活性物質(zhì)的利用率,增大蓄電池的容量?

蓄電池放電終了的特征是:

(1)單格電池電壓降到放電終止電壓;

(2)電解液相對密度降到最小許可值?

放電終止電壓與放電電流的大小有關(guān),放電電流越大,允許的放電時間就越短,放電終止電壓也越低?

3.過充電

過充電是對完全充電的蓄電池或蓄電池組繼續(xù)充電?

4.自放電

自放電是電池的能量沒有通過放電就進入外電路,造成一定能量的損失?

5.活性物質(zhì)

在電池放電時發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而產(chǎn)生電能的物質(zhì),或者說是正極和負(fù)極儲存電能的物質(zhì)的統(tǒng)稱?

6.放電深度

放電深度是指蓄電池使用過程中放電到什么程度才停止放電?

7.板極硫化

在使用鉛酸蓄電池時要特別注意的是:電池放電后要及時充電,如果長時間處于半放電或充電不足甚至過充的情況,或長時間充電和放電都會形成 PbSO4晶體?這種大塊晶體很難溶解,無法恢復(fù)原來的狀態(tài),導(dǎo)致板極硫化后充電就會變得困難?

8.容量

容量是在規(guī)定的放電條件下電流輸出的電荷,其單位常用安時(A·h)表示?

9.相對密度

相對密度是指電解液與水的密度比值,用來檢驗電解液的強度?相對密度與溫度變化有關(guān)?25℃時充滿的電池電解液相對密度值為1.265?密封式電池,相對密度值無法測量?純酸溶液的密度為1.835g/cm3,完全放電后降至1.120g/cm3?電解液注入水后,只有待水完全融合電解液后才能準(zhǔn)確測量密度,融入過程大約需要數(shù)小時或者數(shù)天,但是可以通過充電來縮短時間?每個電池的電解液密度均不相同,即使是同一個電池在不同的季節(jié),電解液的密度也會不一樣?大部分鉛酸蓄電池的電解液密度在1.1～1.3g/cm3范圍內(nèi),充滿電之后一般為1.23～1.3g/cm3?

10.運行溫度

電池在使用一段時間后,會感覺燙手,這是因為鉛酸蓄電池具有很強的發(fā)熱性?當(dāng)運行溫度超過25℃,每升高10℃,鉛酸電池的使用壽命就減少50%,所以電池的最高運行溫度應(yīng)比外界低,在溫度變化超過±5℃的情況下最好?

酸蓄電池充?放電基本原理

在鉛酸蓄電池中,正極板為PbO2,負(fù)極板為 Pb,電解液為 H2SO4?將其正?負(fù)極板插入電解液中,正?負(fù)極板與電解液相互作用,在正?負(fù)極板間就會產(chǎn)生約2.1V的電勢?電池在完成充電后,正極板為二氧化鉛,負(fù)極板為海綿狀鉛?放電后,在兩極板上都產(chǎn)生細(xì)小而松軟的硫酸鉛,充電后又恢復(fù)為原來物質(zhì)?鉛酸蓄電池在充電和放電過程中的可逆反應(yīng)理論比較復(fù)雜,目前公認(rèn)的是哥來德斯東和特利浦兩人提出的“雙硫酸化理論”?該理論的含義:鉛酸蓄電池在放電后,正?負(fù)電極的有效物質(zhì)和硫酸發(fā)生反應(yīng),均轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩峄衔?硫酸鉛),充電時又會轉(zhuǎn)化為原來的鉛和二氧化鉛?其具體的化學(xué)反應(yīng)方程式如下:

正極

2PbO2 2H2SO4 →2PbSO4 O2↑ 2H2O

負(fù)極

Pb H2SO4 →PbSO4 H2↑

總反應(yīng)

2PbO2 3H2SO4 Pb →3PbSO4 2H2O O2↑ H2↑

從以上的化學(xué)反應(yīng)方程式中可以看出,鉛酸蓄電池在放電時,正極的活性物質(zhì)二氧化鉛和負(fù)極的活性物質(zhì)鉛都與硫酸電解液反應(yīng),生成硫酸鉛,在電化學(xué)上把這種反應(yīng)叫做“雙硫酸鹽化反應(yīng)”?在蓄電池剛放電結(jié)束時,正?負(fù)極活性物質(zhì)轉(zhuǎn)化成的硫酸鉛是一種結(jié)構(gòu)疏松?晶體細(xì)密的物質(zhì),活性程度非常高?在蓄電池充電過程中,正?負(fù)極疏松細(xì)密的硫酸鉛,在外界充電電流的作用下會重新變成二氧化鉛和鉛,蓄電池又處于充足電的狀態(tài)?

由此可知以上反應(yīng)是可逆的?正是這種可逆的電化學(xué)反應(yīng),使蓄電池實現(xiàn)了儲存電能和釋放電能的功能?人們在日常使用中,通常使用蓄電池的放電功能,把充電作為蓄電池的維護?鉛酸蓄電池在充足電的情況下可以長時間保持電池內(nèi)化學(xué)物質(zhì)的活性,而在蓄電池放電以后,如果不及時充足電,電池內(nèi)的活性物質(zhì)很快就會失去活性,使電池內(nèi)部產(chǎn)生不可逆的化學(xué)反應(yīng)?所以對太陽能蓄電池和其他用途的鉛酸蓄電池,應(yīng)充足電保存,并定期給電池補充電?

電動汽車常用的鉛酸電池主要為閥控式密封鉛酸電池(VRLA)和水平式密封鉛酸電池。

閥控式密封鉛酸電池的基本結(jié)構(gòu)如圖所示。它由正負(fù)極板、隔板、電解液、安全閥、溢氣閥、外殼等部分組成。正極板上的活性物質(zhì)是二氧化鉛(PbO2)，負(fù)極板上的活性物質(zhì)為海綿狀純鉛(Pb)。電解液由蒸餾水和純硫酸(H2SO4)按一定比例配制而成。鉛酸電池電化學(xué)反應(yīng)式為：

Pb Pb02 2H2S04 = 2PbS04 2H20

放電時，鉛和二氧化鉛都與電解液反應(yīng)生成硫酸鉛。充電時，反應(yīng)過程相反。參加電化學(xué)反應(yīng)的電解液即硫酸濃度隨電池荷電狀態(tài)的變化而變化。實際上，鉛酸電池的開路電壓，即電動勢僅與硫酸濃度有關(guān)，而與電池中的鉛、二氧化鉛以及硫酸鉛的量無關(guān)。鉛酸電池的開路電壓與硫酸濃度存在著密切關(guān)系，因此即使以很低的放電率放電時放電電壓也難于保持為常數(shù)。另外，鉛酸電池開路電壓也受環(huán)境溫度的影響。

鉛酸電池單體的額定電壓為2V。以中等放電率放電時截至電壓取為1.75V，以極高放電率放電時截至電壓可取為1.0V。充電時，充電電流應(yīng)作適當(dāng)?shù)目刂埔跃S持電池充電電壓低于冒氣電壓(約為2.4V)，否則就會出現(xiàn)過充電反應(yīng)，電解水生成氫氣和氧氣，使電解液失去水分。

由于閥控式密封鉛酸電池采用了一種特殊的微孔隔板，使得電池負(fù)極析出的氧氣能夠到達電池正極與氫氣反應(yīng)生成水，實現(xiàn)了免維護。而且，凝膠電解液的不移動性和吸附式超細(xì)玻璃纖維氈隔板的使用，使得電池可以以不同的安裝位置工作而不會出現(xiàn)漏液現(xiàn)象。