铅酸蓄电池基本知识.docx

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铅酸蓄电池基本知识

铅酸蓄电池根本知识

电池：

通过化学反响提供直流电能的电化学装置

电池是一种能量转化与储存的装置，它主要通过化学反响将化学能或物理能转化为电能。

它由两种不同成分的电化学活性电极分别组成正负极，两电极浸泡在能提供媒体传导作用的电解质中，当连接在某一外部载体上时，通过转换其内部的化学能来提供电能。

Cell和Battery的区别：

Cell是指一般的小型和单个电池，更强调单个单元;

②Battery是指蓄电池和电池组,更强调系统或者组;

Battery运用得更加广泛，是电池的通用名称，包括锂电池、镍氢电池、蓄电池、干电池等等。

一次电池与二次电池的异同点：

一次电池只能放电一次，二次电池（也叫可充电电池），可反复充放电循环使用，可充电电池在放电时电极体积和构造之间发生可逆变化，一次电池的质量比容量和体积比容量均大于一般充电电池，但内阻远比二次电池大，因此负载能力较低，另外，一次电池的自放电远小于二次电池。

电池种类

一次电池：

不可充电，如锌锰、碱性、锂电池

二次电池：

可充电，如铅酸、镍氢、锂离子电池

高级电池：

构造特殊，性能卓越，如锌空电池，以空气做正极，体积很小，用于助听器。

燃料电池：

FuelCell,FC,将存在于燃料（氢气）和氧化剂（氧气）中的化学能转化为电能的装置，不是蓄电池，是发电机，1839年由英国的Grove创造。

太阳能电池：

物理电源，通过光电效应或光化学效应直接把光能转化为电能的装置，1883年Charles创造首块太阳能电池，前景广阔，目前本钱高，限制了应用。

电池由外壳、正极、负极、端子、隔膜等组成

外壳：

一般是塑料或金属材质

正极：

电流的流出端

负极：

电流的流入端

端子：

内部与活性物质相连，外接用电器

隔膜：

防止正、负极短路，并提供电子的内部传递通道

蓄电池：

蓄电池（StorageBattery）,也称二次电池,是通过充电将电能转换为化学能贮存起来，使用时再将化学能转换为电能释放出来的化学电源装置。

铅酸蓄电池：

铅酸蓄电池，又称铅蓄电池，是蓄电池的一种，电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的一种蓄电池。

荷电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；放电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。

一般分为开口型电池及阀控型电池两种。

前者需要定期注酸维护，后者为免维护型蓄电池。

按电池型号可分为小密、中密及大密。

主要优点是电压稳定、价格廉价等等。

铅酸蓄电池（Lead-AcidBattery,LAB），是指正负极活性物质分别是铅和二氧化铅、由硫酸水溶液做电解液的二次电池。

分富液式和贫液式两大类，贫液式就是目前广泛应用的阀控式密闭铅酸蓄电池，事实上它不并是完全密闭的。

主要应用于交通、通信、后备电源等领域。

具有价格低廉、可靠性高、维护简单等优点。

由于铅对人体有害、硫酸污染环境、腐蚀设备，因此应用领域受到限制。

虽然有被镍氢、锂离子电池等取代的趋势，但由于价格、平安、可靠性等原因仍将长期占据二次电池的大局部市场。

铅酸蓄电池工作原理

阀控式铅酸蓄电池的根本构造

构成阀控铅酸蓄电池的主要部件是正负极板、电解液、隔膜、电池壳和盖、平安阀，此外还一些零件如端子、连接条、极柱等。

阀控式铅酸蓄电池的设计

1板栅合金的选择

参加电池反响的活性物质铅和二氧化铅是疏松的多孔体，需要固定在载体上。

通常，用铅或铅基合金制成的栅栏片状物为载体，使活性物质固定在其中，这种物体称之为板栅。

它的作用是支撑活性物质并传输电流。

1．1正板栅合金

阀控电池是一种新型电池，使用过程中不用加酸加水维护，要求正板栅合金耐腐蚀性好，自放电小，不同厂家采用的正板栅合金并不完全一样，主要有：

铅—钙、铅—钙—锡，铅—钙—锡—铝、铅—锑—镉等。

不同合金性能不同，铅—钙。

铅—钙—锡合金具有良好的浮充性能，但铅钙合金易形成致密的硫酸铅和硫酸钙阻挡层使电池早期失效，合金抗蠕变性差，不适合循环使用。

铅-钙-锡-铝、铅-锑-镉各方面性能相比照拟好，既适合浮充使用，又适合循环使用。

正极由网格状金属板栅上涂覆铅膏组成，铅膏是正极活性物质，主要成分是氧化铅，红棕色

正极活性物质的泥化失效以及正极板栅的腐蚀是VRLA失效的重要原因

正极板一般较厚，以应对活性物质的泥化脱落，而且比负极板少一片，常温低率放电时，电池容量受限于正极。

二氧化铅有α-PbO2和β-PbO2两种晶体：

α-PbO2是斜方晶系，晶粒较大，可以形成网络或骨骼，使正极活性物质的构造完整从而有较长的寿命。

β-PbO2是正方晶系，晶粒较小因此有更大的比外表积，放电时给出的容量是α-PbO2的1.5~3倍。

电池寿命初期，活性物质以α-PbO2为主，寿命末期以β-PbO2为主：

电池寿命初期，正极活性物质以为α-PbO2主，放电时α-PbO2生成PbSO4，充电时PbSO4生成β-PbO2，因此在初期循环中电池的容量越来越高。

随着循环的进展，β-PbO2的比例增加，活性物质间的结合慢慢减弱，充电过程中在析氧的冲击下，正极活性物质密度下降，最后软化成泥状物脱落，导致寿命终止。

由于α-PbO2有较好的机械强度和构造，由其形成的多晶网络可作为活性物质的骨骼，而β-PbO2有较小的尺寸和较大的比外表积，可给出较大的比容量，二者最优的比例是0.8，此时电池有最好的深放电性能。

1．2负板栅合金

阀控电池负板栅合金一般采用铅-钙合金，尽量减少析氢量。

负极由负极板栅及涂覆其上的负极活性物质组成，负极活性物质主要是海绵状金属铅，呈金属灰色。

低温（-15℃）、高率（1HR）放电时，电池容量受限于负极，原因是铅电池的钝化即生成的硫酸铅将电解液与活性物质隔离。

负极添加剂主要包括膨胀剂、阻化剂：

膨胀剂：

防止在循环过程中负极活性物质外表积收缩，同时起去钝化作用，常用的无机膨胀剂是硫酸钡、乙炔黑等，有机膨胀剂腐殖酸、木质素等

阻化剂：

提高析氢过电位，阻滞铅电池在制造过程中的氧化

负极的不可逆硫酸盐化是电池提前失效的重要原因之一。

不可逆硫酸盐化：

简称硫化，是负极活性物质在一定条件下生成坚硬而粗大的、几乎不溶解的硫酸铅，所以在充电时不能转化为海绵状铅，使电池容量大大降低的现象。

原因：

通常是长期充电缺乏或放电状态下长期储存等使用或维护不当造成。

防止：

及时充电，不要过放电。

2板栅厚度

正极板厚度决定电池寿命，极板厚度与电池预计寿命的关系见下表：

正板栅厚度〔mm〕循环寿命〔次〕

[10h率80%放电深度，25℃]预计浮充寿命〔年〕

〔正常浮充使用〕

2．01502

3．02574

3．44006

4．580012

3正负极活性物质比例

铅酸蓄电池设计上正负极活性物质利用率一般按30—33％计算，正负极活性物质比例为1：

1，实际应用中，负极活性物质利用率一般比正极高，对于阀控铅酸蓄电池，考虑到氧再化合的需要，负极活性物质设计过量，一般宜为1：

1．0—1．2。

4隔膜的选择

阀控铅酸蓄电池中隔膜采用的是玻璃纤维棉〔AGM〕，应该具有如下特征：

①优良的耐酸性能和抗氧化能力；②厚度均匀一致，外观无针孔、无机械杂质；

③孔径小且孔率大；④优良的吸收和保存电解液能力；

⑤电阻小；⑥具有一定的机械强度，以保证工艺操作要求；

⑦杂质含量低，尤其是铁、铜的含量要低。

5壳盖构造和材料选择

阀控电池壳盖构造设计主要是强度设计，散热设计和盖上的极柱密封设计。

强度设计要求电池外壁在紧装配和承受内气压时外壁不应有明显的气胀变形，对于PP外壳，应加钢壳加固，对于2V系列电池，ABS和PVC外壳，壁厚一般要到达8—10mm。

散热设计要求电池外壳散热面积大、材料导热性好且壁厚越薄越好。

壳体构造相比照拟简单，只需考虑强度和盖子封装配合即可。

6壳盖密封和极柱密封构造

电池壳盖密封分为热封和胶封，热封是最可靠的密封方式，PP材料采用热封；ABS和PVC材料一般采用胶封，胶封关键是要采用适宜的环氧树脂。

极柱密封技术是阀控电池生产的一项关键技术，不同的厂家采用的方式不完全一样。

7电解液

阀控电池电解液中硫酸含量一般按理论量的1.5倍设计，电解液比重一般为1．30g/m1左右。

密度为1.200g/cm3~1.350g/cm3的稀硫酸水溶液。

8平安阀

平安阀是阀控电池的一个关键部件，平安阀质量的好坏直接影响电池使用寿命，均匀性和平安性。

根据有关标准和阀控电池的使用情况，平安阀应满足如下技术条件：

①单向开阀；

②单向密封，可防止空气进入电池内部；

③同一组电池各平安阀之间的开闭压力之差不应超过平均值的20％；

④寿命不应低于15年；

⑤滤酸，可防止酸和酸雾从平安阀排气口排出；

⑥隔爆，电池外部遇明火时电池内部不应引爆；

⑦抗震，在运输和使用期间，平安阀不会因震动和屡次开闭而松动失效；

⑧耐酸；

⑨耐高、低温。

高端电池有时配备排气孔和导气管，保证电池柜内氢气的零积累。

铅酸蓄电池种类

富液式：

不能卧式放置，需经常加水加酸和调整酸的浓度等复杂维护；酸液挥发会污染环境并腐蚀设备。

涂膏式极板：

工艺简单，是最古老的铅蓄。

管式正极板：

寿命长，主要是OPzS型。

阀控式：

也叫贫液式，电池以平安阀密封，内压过大时开阀排气，内部无游离酸。

AGM（AbsorbedGlassMat）：

目前使用最广的技术，吸附电解液的AGM做隔离板。

胶体（Gel）：

低温性能更好，寿命更长。

阀控式密封铅酸蓄电池的定义--ValveRegulatedLeadAcidBattery（VRLA）。

蓄电池正常使用时保持气密和液密状态。

当内部气压超过预定值时，单向平安阀自动开启释放气体。

当内部气压降低后，平安阀自动闭合使其密封，防止外部空气进入蓄电池内部。

蓄电池在使用寿命期间，正常使用情况下无需补加电解液。

蓄电池具有防爆、防酸雾、耐过充电能力。

1938年Dassler提出的气体复合原理是VRLA的理论根底。

1957年德国阳光公司的胶体（GEL）技术和1971年美国Gates公司的AGM技术是VRLA的实践根底。

目前主要有AGM技术和GEL技术两种。

1.AGM电池：

AbsorbedGlassMat采用吸附式玻璃纤维作隔膜，电解液吸附于极板和隔膜，电池内无流动电解液。

AGM电池可以立式或卧式安装。

2.GEL电池：

胶体电池

采用SiO2作凝固剂。

电解液吸附于极板和胶体内，胶体电池一般立式安装。

常识备注：

VRLA蓄电池一般情况下都是指AGM电池，胶体电池都需特别指明

密封蓄电池 sealed cell ：

 当蓄电池在规定的设计X围内工作时保持密封状态，但是内部压力超过规定值时，允许气体通过一个可复位或不可复位的压力释放装置逸出。

全密封蓄电池 hermetically sealed cell  没有压力释放装置的一种蓄电池。

免维护蓄电池 maintenance-free battery  在规定的运行条件下，使用期间不需要维护的一种蓄电池。

大中小密

电压

平均电压 mean voltage 在充电或放电期间，电压的平均值。

充电终止电压 end-of-charge voltage 在规定的恒流充电期间，蓄电池到达完全充电时的电压。

放电终止电压

额定电压最常见的是12V系列，2V的主要应用在工业上，6V的不常见，用于某些设备如医疗设备等。

一个铅酸蓄电池额定电压等于2V乘以cell〔小格子〕数。

开路电压（OpenCircuitVoltage,OCV）最大意义在于能衡量电池的荷电状态（StateofCharge,SOC），需要在充电或放电完毕后两小时测量，因厂商、应用领域、技术等因素，100%SOC的电压不同。

终止电压FinalVoltage,F.V.，为了保护电池，放电至F.V.时应停顿放电终止电压与放电电流大小有关：

电流越小，终止电压越高，0.1C放电的F.V.一般为1.80VPC。

充电电压分均充（Boost）和浮充（Float），充电电压值主要跟电解液浓度有关。

均充电压：

25℃时约为2.35VPC，充电速度快，根据电流不同，可在5~10小时内充满电

浮充电压：

25℃时一般为2.23~2.27VPC，在该电压下充电速度和自放电速度相当

温度不同时，电压应做相应的调整，叫做温度补偿

温度补偿系数

环境温度变化1℃时充电电压的改变值叫温补系数，通常为-2~4mV/℃

该值为负表示温度升高时充电电压降低

温度补偿X围一般为0~50℃

重量可以用来衡量电池的含铅量，VRLA含铅的质量分数约60%，12V100Ah电池质量约33千克。

一致性

串联使用时，某些落后电池会使整组电池容量降低、使用寿命缩短，先进的制造工艺提高电池的一致性。

容量

容量 〔 battery 〕 capacity 在规定的条件下，完全充电的蓄电池能够提供的电量，通常用安时〔 A.h 〕表示。

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。

为了比拟不同系列的电池，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公布的标准，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。

额定容量在一定标准下，由生产厂商定义的电池的容量通信用铅酸电池的额定标准是25℃时以10HR放电至1.80VPC实际容量因温度、放电率和终止电压的不同而不同。

实际容量要大于额定容量才算合格，才能出厂。

标称容量 nominal capacity 用来鉴别蓄电池适当的近似的安时电量。

放电

放电深度是指放出电量占电池额定容量的百分比（DepthofDischarge,DOD）；不同放电深度下，电池的循环寿命差异较大，放电深度越深，寿命越短。

深度放电电池在使用时，放出容量一般要求不得超过其额定容量的80%，当电池放出容量超过80%时，我们说电池发生了深度放电。

当电池放出容量到达80%时，叉车上的容量显示器就进入了红灯区域，此时应该立即前往充电场所进展充电。

深度放电对电池的危害：

易硫化、易使极板膨胀变形活性物质脱落致使容量下降、寿命缩短等。

自放电 self-discharge 当蓄电池不与外电路连接时，由于蓄电池内自放反响而引起化学能的损失。

电池非因工作原因而发生的放电现象，称为自放电。

电池自放电通常有以下几个方面的原因：

过量补水造成电解液益出，外表放电；

参加含有杂质的酸或水；

长期放置导致电解液分层。

自放电的危害：

能量损失、易硫化。

放电率 discharge rate 蓄电池放电用安培表示的电流。

过充电 overcharge 完全充电后仍连续的充电。

蓄电池初充电

第一阶段：

用0.1C5安电流，充电至电池的端电压普遍升到2.40V；

第二阶段：

用0.05C5安电流充电至电解液剧烈冒升气泡，电压与密度稳定〔2~3〕h不变，且充电量到达额定容量的〔4.5~5〕倍。

正常充电

经过初充电正常使用的电池，再进展充电称为“正常充电〞

正常充电分两个阶段：

第一阶段：

用0.14C5安电流，充电至电池的端电压普遍升到2.40V；

第二阶段：

用0.07C5安电流充电至电解液剧烈冒升气泡，电压与密度稳定〔2~3〕h不变，充电量为上次放电量的1.2倍左右，但新电池前5次的充电量应为上次放电量的1.5倍左右。

恒流充电法

一般采用10h率或20h率电流进展恒定电流充电。

分段恒流充电法

一般开场时用3h率~5h率电流进展充电，当端电压到达约2.4V以上时，或者液温显著升高时，将电流降到10h率~20h率电流继续充电〔又称递减电流充电法〕。

恒压充电法

按每个单体电池以2.3V~2.5V恒定电压进展，因此充电初期电流相当大，随着充电的进展，电流逐渐减少，在终期几乎无电流通过。

限流恒压智能充电法

首先设定恒定电流充电，当电池电压到达一定值后，自动转为恒压充电，充电电流随着充电时间的延长不断减少。

目前比拟好的充电机，在充好电后，再增加1~2个脉冲充电，即充一小时，停一小时，再充一小时。

补充充电法

除了浮充电以外，尽管正常的充电进展的很好，但在搁置一段时间以后，由于自放电而使容量减少，因此根据搁置时间的长短，以10h率~20h率电流予以适当的充电，称为补充充电。

蓄电池做备用时，充电后长期搁置不用时，应定期〔如一个月〕进展补充充电。

均衡充电法

先将电池进展正常充电，待充电完毕，静置一小时，再用正常充电第二阶段的电流继续充电，直到产生剧烈气泡时，停充一小时。

如此反复数次，直至电压、密度保持不变，于间歇后再进展充电便立即产生剧烈气泡为止。

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。

内阻一般在充满电的状态下以1000Hz的交流电测量内阻反映了电池用料的纯度，内阻小的电池寿命长12V100Ah电池的内阻约3.5~6mΩ，2V系列的、容量大的电池内阻更小。

能量

电池的能量：

一定放电条件下蓄电池所能给出的电能。

单位：

Wh瓦时

比能量：

电池单位质量或单位体积所能输出的电能。

单位：

Wh/Kg

比能量反映了电池活性物质的利用率，同时也反映了电池的质量水平和制造商的技术和管理水平。

电池的能量分为理论能量和实际能量。

理论能量W理可用理论容量和电动势（E）的乘积表示，即

W理=C理E

电池的实际能量为一定放电条件下的实际容量C实与平均工作电压U平的乘积，即

W实=C实U平

常用比能量来比拟不同的电池系统。

比能量是指电池单位质量或单位体积所能输出的电能，单位分别是Wh/kg或Wh/l。

比能量有理论比能量和实际比能量之分。

前者指lkg电池反响物质完全放电时理论上所能输出的能量。

实际比能量为lkg电池反响物质所能输出的实际能量。

由于各种因素的影响，电池的实际比能量远小于理论比能量。

实际比能量和理论比能量的关系可表示如下：

W实：

W理·KV·KR·Km

式中Kv-电压效率；KR-反响效率；Km—质量效率。

电压效率是指电池的工作电压与电动势的比值。

电池放电时，由于电化学极化、浓差极化和欧姆压降，工作电压小于电动势。

反响交通用性表示活性物质的利用率。

电池的比能量是综合性指标，它反映了电池的质量水平，也说明生产厂家的技术和管理水平。

功率和比功率

功率是指电池在一定条件下于单位时间所能给出的能量的大小，单位：

W或KW

比功率是单位质量电池所能给出的功率，其单位为W/Kg或KW/Kg。

比功率越大表示电池可以承受大电流放电。

蓄电池的比能量和比功率性能是电池选型时的重要参数。

因为电池要与用电的仪器、仪表、电动机器等互相配套，为了满足要求，首先要根据用电设备要求功率大小来选择电池类型。

当然，最终确定选用电池的类型还要考虑质量、体积，比能量、使用的温度X围和价格等因素。

电池的使用寿命

在规定条件下，某电池的有效寿命期限称为该电池的使用寿命。

蓄电池发生内部短路或损坏而不能使用，以及容量达不到规X要求时蓄电池使用失效，这时电池的使用寿命终止。

电池的使用寿命包括：

使用期限和使用周期。

使用期限指电池可供使用的时间，包括电池的存放时间。

使用周期是指蓄电池可供重复使用的次数。

极板硫酸盐化

铅酸蓄电池在正常放电情况下，正、负极板上的活性物质〔PbO2及Pb），大都变为松软的硫酸铅小晶体。

这些小晶体均匀分布在多孔的极板上，在充电时很容易和电解液接触，起化学反响而恢复为原来的二氧化铅和绒状铅，但如果维护管理不当，极板上的硫酸铅结晶，就会逐渐形成为体积大而又导电不良的粗结晶硫酸铅，甚至可以结成面积较大，几乎不溶于电解液较为坚实的硫酸铅结晶层，附在极板外表，造成极板硬化。

这种结晶导电性差，体积大，会堵塞极板的微孔，阻碍电解液的渗透，增加了极板电阻，并在以后一般充电中，很难使其恢复原状，这样就使极板上的活性物质减少，容量降低，严重时将使极板失去可逆作用而损坏。

这就是所谓极板的硫酸盐化。

ActiveMaterial

Theactiveelectro-chemicalmaterialsusedinthemanufactureofpositiveandnegativeelectrodes.

AmbientTemperature

Theprevailingsurfacetemperaturetowhichabatteryisexposed.

Ampere

Unitofmeasurementforelectriccurrent.

Ampere-Hour

Theproductofcurrent（amperes）multipliedbytime（hours）.

Usedtoindicatethecapacityofabattery.AlsoAmp.Hr.orA.H.

Battery

Twoormorecellsconnectedtogether,mosttypicallyinseries.

C

Usedtosignifyachargeordischargerateequaltothecapacityofabatterydividedbyonehour.ThusCfora1600mAhbatterywouldbe1.6A.C/5forthesamebatterywouldbe320mAandC/10wouldbe160mA.

Capacity

Theelectricalenergyavailablefromacellorbatteryexpressedinampere-hours.

•Availablecapacity:

ampere-hoursthatcanbedischargedfromabatterybasedonitsstateofcharge,rateofdischarge,ambienttemperature,andspecifiedcut-offvoltage.

•Ratedcapacity（“C〞）:

thedischargecapacitythemanufacturerstatesmaybeobtainedatagivendischargerateandtemperature.

•Capacityfade:

thelossofcapacityduetoinadequaterecharging.

Cell

Thebasicbuildingblockofabattery.Thenominalvoltageofalead-acidcellis2volts.

•Cellreversal:

theactofdrivingacellintoreversepolarit