鉛酸蓄電池的主要組成結構

鉛酸蓄電池主要由正極板組?負極板組?隔板?容器和電解液等構成,其結構如下圖所示：

1.極板

鉛酸蓄電池的正?負極極板由純鉛制成,上面直接形成有效物質,有些極板用鉛鎳合金制成柵架,上面涂以有效物質?正極(陽極)的有效物質為褐色的二氧化鉛,這層二氧化鉛由結合氧化的鉛細粒構成,在這些細粒之間能夠自由地通過電解液,將正極材料磨成細粒的原因是可以增大其與電解液的接觸面積,這樣可以增加反應面積,從而減小蓄電池的內阻?負極(陰極)的有效物質為深灰色的海綿狀鉛?在同一個電池內,同極性的極板片數超過兩片者,用金屬條連接起來,稱為極板組或極板群?至于極板組內的極板數的多少,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?負極板分別并聯,組成正?負極板組。

安裝時,將正?負極板組相互嵌合,中間插入隔板,就形成了單格電池?在每個單格電池中,負極板的片數總要比正極板的片數多一片,從而使每片正極板都處于兩片負極板之間,使正極板兩側放電均勻,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?負極板相互接觸而發生短路?這種隔板上密布著細小的孔,既可以保證電解液的通過,又可以阻隔正?負極板之間的接觸,控制反應速度,保護電池?隔板有木質?橡膠?微孔橡膠?微孔塑料?玻璃等數種,可根據蓄電池的類型適當選定?吸附式密封蓄電池的隔板是由超細玻璃絲綿制作的,這種隔板可以把電解液吸附在隔板內,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,為整體式結構,底部有凸起的肋條以擱置極板組?殼內由間壁分成3個或6個互不相通的單格,各單格之間用鉛質聯條串聯起來?容器上部使用相同材料的電池蓋密封,電池蓋上設有對應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?電解液的作用是給正?負電極之間流動的離子創造一個液體環境,或者說充當離子流動的介質?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?應根據當地最低氣溫或制造廠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。

加液孔蓋上有通氣孔,可使蓄電池化學反應中產生的氣體順利排出?加液孔蓋上的通氣孔應經常保持暢通,使蓄電池內部的氫氣與氧氣排出,防止蓄電池過早損壞或爆炸?

6.聯條

由于蓄電池各單格為串聯連接,因此不同極性的極柱要用聯條連接起來?聯條用鉛銻合金鑄成,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?外露式是指聯條外露在蓄電池的上面;跨橋式是指聯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?穿壁式聯條的連接方式如下圖所示：

鉛酸蓄電池的工作原理

1.充電

充電是外電路給蓄電池供電,使電池內發生化學反應,從而把電能轉化為化學能儲存起來的操作?充電時,蓄電池的正?負極分別與直流電源的正?負極相連,當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?負極流出,這一過程稱為充電?蓄電池充電過程是將電能轉換為化學能的過程?充電時,正?負極板上的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,使正極板附近產生O2從電解液中逸出,負極板附近產生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?

蓄電池充足電的標志是:

(1)電解液中有大量氣泡冒出,呈沸騰狀態;

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

2.放電

放電是在規定的條件下,電池向外電路輸出電能的過程?當鉛酸蓄電池接上負載后,在電動勢的作用下,電流就會從蓄電池的正極經外電路的用電設備流向蓄電池的負極,這一過程稱為放電,蓄電池的放電過程是將化學能轉化為電能的過程?放電時,正極板上的 PbO2和負極板上的Pb都與電解液中的 H2SO4反應生成硫酸鉛(PbSO4),沉附在正?負極板上?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內層滲透,使得內層活性物質因缺少電解液而不能參加反應,因此在使用中放完電時蓄電池活性物質的利用率也只有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,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

在電池放電時發生化學反應從而產生電能的物質,或者說是正極和負極儲存電能的物質的統稱?

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,無法恢復原來的狀態,導致板極硫化后充電就會變得困難?

8.容量

容量是在規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?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確測量密度,融入過程大約需要數小時或者數天,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,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,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熱性?當運行溫度超過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比外界低,在溫度變化超過±5℃的情況下最好?

鉛酸蓄電池充、放電基本原理

在鉛酸蓄電池中,正極板為PbO2,負極板為 Pb,電解液為 H2SO4?將其正?負極板插入電解液中,正?負極板與電解液相互作用,在正?負極板間就會產生約2.1V的電勢?電池在完成充電后,正極板為二氧化鉛,負極板為海綿狀鉛?放電后,在兩極板上都產生細小而松軟的硫酸鉛,充電后又恢復為原來物質?鉛酸蓄電池在充電和放電過程中的可逆反應理論比較復雜,目前公認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?負電極的有效物質和硫酸發生反應,均轉變為硫酸化合物(硫酸鉛),充電時又會轉化為原來的鉛和二氧化鉛?其具體的化學反應方程式如下:

正極

2PbO2 2H2SO4 →2PbSO4 O2↑ 2H2O

負極

Pb H2SO4 →PbSO4 H2↑

總反應

2PbO2 3H2SO4 Pb →3PbSO4 2H2O O2↑ H2↑

從以上的化學反應方程式中可以看出,鉛酸蓄電池在放電時,正極的活性物質二氧化鉛和負極的活性物質鉛都與硫酸電解液反應,生成硫酸鉛,在電化學上把這種反應叫做“雙硫酸鹽化反應”?在蓄電池剛放電結束時,正?負極活性物質轉化成的硫酸鉛是一種結構疏松?晶體細密的物質,活性程度非常高?在蓄電池充電過程中,正?負極疏松細密的硫酸鉛,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?

由此可知以上反應是可逆的?正是這種可逆的電化學反應,使蓄電池實現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化學物質的活性,而在蓄電池放電以后,如果不及時充足電,電池內的活性物質很快就會失去活性,使電池內部產生不可逆的化學反應?所以對太陽能蓄電池和其他用途的鉛酸蓄電池,應充足電保存,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構如圖所示。它由正負極板、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是二氧化鉛(PbO2)，負極板上的活性物質為海綿狀純鉛(Pb)。電解液由蒸餾水和純硫酸(H2SO4)按一定比例配制而成。鉛酸電池電化學反應式為：

Pb Pb02 2H2S04 = 2PbS04 2H20

放電時，鉛和二氧化鉛都與電解液反應生成硫酸鉛。充電時，反應過程相反。參加電化學反應的電解液即硫酸濃度隨電池荷電狀態的變化而變化。實際上，鉛酸電池的開路電壓，即電動勢僅與硫酸濃度有關，而與電池中的鉛、二氧化鉛以及硫酸鉛的量無關。鉛酸電池的開路電壓與硫酸濃度存在著密切關系，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。另外，鉛酸電池開路電壓也受環境溫度的影響。

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，充電電流應作適當的控制以維持電池充電電壓低于冒氣電壓(約為2.4V)，否則就會出現過充電反應，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，使得電池負極析出的氧氣能夠到達電池正極與氫氣反應生成水，實現了免維護。而且，凝膠電解液的不移動性和吸附式超細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漏液現象。