蓄电池结构及工作原理

蓄电池 蓄电池的出现 蓄电池1859年由法国科学家加斯顿 普莱特发明 其化学反应理论一般认为是格拉斯顿和特拉普与1882年创立的双极硫酸盐化理论 简称双硫化理论 定义 蓄电池是一种可逆低压直流电源 既能将化学能转换为电能 也能将电能转换为化学能 以酸性水溶液为电解质称为酸蓄电池 铅蓄电池 以碱性水溶液为电解质者称为碱电池 铅蓄电池按其工作环境又可分为移动式和固定式两大类 固定型铅蓄电池按电池槽结构分为半密封式及密封式 半密封式又有防酸式及消氢式 依据电解液数量还可将铅酸电池分为贫液式和富液式 密封式电池均为贫液式 半密封式电池均为富液式 作用 一般情况由发电机供电 但 1 发动机起动 放电2 发电机不发电或E很低 放电3 发电机超载 放电 协助放电4 蓄电池E很低 发电机负载少 充电5 稳压 大电容的作用 吸收瞬态过压 优点 内阻小 电压稳定 可短时大电流放电 缺点 比能量低 寿命短 蓄电池的构造与型号 极板组正极板 深棕色 2 2mm 负极板 深青灰色 1 8mm隔板正负极板靠近 易短路 加绝缘隔板 多孔性橡胶塑料 壳体工程塑料联条将多个单格电池串联加液孔盖有通气孔电解液专用硫酸 纯 蒸馏水 纯 蓄电池的内阻 1 组成电解液电阻 极板电阻 隔板电阻 联条与极柱接触电阻等 2 影响因素1 放电程度放电程度越高 PbSO4越多 极板电阻越大 2 隔板电阻与材料木质隔板多孔性差 其电阻比橡胶和塑料隔板电阻大 3 联条电阻与联条形式 传统的外露式联条比内部穿壁式 跨越式联条电阻大 4 电解液密度 电解液密度一般为1 2g cm3时 电阻最小 过低或过高 粘度大 内阻均增加 5 电液温度 温度低 粘度大 电解液电阻大 隔离板能防止阴 阳极板间产生短路 但不会妨碍两极间离子的流通 而且经长时间使用 也不会劣化 或释放杂质 铅蓄电池一般都使用胶质隔离板电池外壳耐酸性强 兼具机械性强度 电动车用的蓄电池外壳乃使用材质强韧之合成树脂经特殊处理制成 其机械性强度特别强 上盖亦使用相同材质 以热熔接着 由六块2 11V电池串联而成的12 66V蓄电池 单格V 2伏对于12V 6个串联对于24V 2个12V串联 铅酸蓄电池的工作原理 放电 充电 正极 负极 电解液 正负极板 液体水 讨论 1 放电 H2SO4 H2O 电解液的比重 充电 可通过 测量来判断蓄电池的放电程度 2 实际上对于放电 PbO2 2H2SO4 Pb4 2SO42 2H2O正极板活性物 正极板 液 正电位 2VPbPb 2e 负极板 负电位 0 1V 负极物 溶于电解液中外电路断开 E 2 1V 单格电压 2 0 1 2 1V外电路接通 负极2e 正极板 与Pb4 结合 生成Pb2 理论上极板上PbO2和Pb全部变成PbSO4为止 放电结束 实际上电解液不能渗透到极板活性物质最内层 即使蓄电池无电提供 极板上的活性物质只能一部分变成硫酸铅 极板要尽可能薄 面积大 3 增大放电电流 单格电池内 多组正 负极板并联提高极板u 2 1V孔隙度 减少极板厚度 4 充电过程与放电过程相反即PbSO4 Pb2 SO42 正极 Pb4 2e Pb2 Pb2 SO42 PbSO4PbSO4 2H2O PbO2 正极板 2H2SO4负极 Pb2 SO42 PbSO4 负极板 同时 Pb Pb2 溶解 蓄电池的工作特性 蓄电池放电 蓄电池充电 静止电动势Ej和内阻Rn 静止电动势 充 放电后2 3h静止 不充电也不放电 测两极的电位差 Ej 2 1V Ej 0 84 25 C内阻 包括极板 隔板 电解液 联条 极桩等电阻 T 温度 Rn 充电特性 充电特性是指蓄电池恒流充电电压Uc E和 25 C随t时间的变化关系 Uc E IcRn充电的5个阶段 初期 1 95 2 1V 2 1 2 4V 不稳定上升 2 4 2 7V 沸腾2 7V 充电终了2 7V后 切断电源 Uc Ej 当电压到2 3 2 4V时 PbSO4几乎反应为PbO2和Pb 继续充电 2H2O 2H2 O2 产生气泡 沸腾 判断蓄电池充足的三个准则 1 充电电压Uc达到max 且2h不再增加 2 电解液密度 25 C达到max 且2h不再增加 3 蓄电池激烈放出大量气泡 电解液沸腾 放电特性 放电特性是指恒流充电蓄电池端电压Uf 电动势E和 随t时间的变化关系 Uf E IcRn放电的3个阶段 开始放电 2 11 2 0持续放电 2 0 1 85稳定迅速下降 1 85 1 75 判断放电终止的两个现象 1 单格电池电压降到放电终止电压 如表 2 最小许可值1 1g cm3 表1 3放电电流与终止电压 放电量与寿命每日反复充放电以供使用时 则电池寿命将会因放电量的深浅 而受到影响放电中的温度当电池过度放电 内部阻抗即显著增加 因此蓄电池温度也会上升 放电时的温度高 会提高充电完成时温度 因此 将放电终了时的温度控制在40 以下为最理想 蓄电池容量 定义 在放电允许的情况下 蓄电池输出的电量 I t 蓄电池容量不守恒 放电倍率 电池放电电流与额电容量的比值 影响蓄电池容量的因素 I T 温度降低容量减少 蓄电池温度与容量当蓄电池温度降低 则其容量亦会因以下理由而显著减少 A 电解液不易扩散 两极活性物质的化学反应速率变慢 B 电解液之阻抗增加 电瓶电压下降 蓄电池的5HR容量会随蓄电池温度下降而减少 因此 1 冬季比夏季的使用时间短 2 特别是使用于冷冻库的蓄电池由于放电量大 而使一天的实际使用时间显著减短 若欲延长使用时间 则在冬季或是进入冷冻库前 应先提高其温度 自我放电蓄电池当其内部发生纯化学反应 或因不纯物污染造成电化学反应 或长久不用皆会耗电 此即称为自我放电 自我放电之耗电程度乃视蓄电池构造温度 比重 不纯物 使用过等而有所不同 一般在一天内会放掉0 5 1 蓄电池在使用前的保存期间就会自我放电 消耗蓄电量 当蓄电池处于长期持续放电状态时 则一旦形成白色硫酸铅化 则即使再充电 也无法恢复其容量 库存期间务必每 个月就充电一次 一 镍氢电池 镍氢电池原理镍氢电池正极活性物质为氢氧化镍 称氧化镍电极 负极活性物质为金属氧化物 也称贮氢合金 电极称贮氢电极 电解液为氢氧化钾 在电池充放电过程中的电池反应为 正极 Ni OH 2 OH NiOOH H20 e 负极 M H2O e MHab OH Ni OH 2 M NiOOH MHab 新型蓄电池 镍氢电池过充 过放反应 过充电时 两极上的反应为 氧化镍电极上 4OH 4e 2H2O十O2贮氢电极上 2H2O O2 4e 4OH 当电池过放电时 电极反应为 氧化镍电极上 2H2O 2e H2 2OH 贮氢电极上 H2 2OH 2e 2H2O 二 燃料电池 燃料电池原理它是一种电化学装置 其组成与一般电池相同 其单体电池是由正负两个电极 负极即燃料电极和正极即氧化剂电极 以及电解质组成 不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部 因此 限制了电池容量 而燃料电