铅酸蓄电池原理

1、铅酸蓄电池,学时：5学时 主要内容： 铅酸电池概述 热力学原理 二氧化铅正极 铅负极 铅酸电池的电性能 铅酸电池制作工艺,本章重点： 蓄电池：工作原理 正极：板栅的腐蚀和变形 负极：钝化；负极添加剂；负极极板的不可逆硫酸化 制造工艺：与原电池相比蓄电池制造工艺的复杂性，活性物质的制备、极板的化成。,一、概述,铅酸蓄电池的组成、用途及发展,蓄电池（二次电池）: 电池的放电产物可借助于通反向直流电流的方法使其复原. 其充放电过程是一个电能和化学能相互转换的过程.,一个电池体系满足哪些条件才能作为蓄电池？ 电池反应可逆； 只能采用一种电解质溶液 ； 电池放电时固体产物难溶解于电解液中. 铅酸蓄电池的

2、标称电压是2V，理论比能量是166.9Wh/kg，实际比能量为3545Wh/kg,铅酸蓄电池的主要用途 启动用铅酸蓄电池 固定型铅酸蓄电池 蓄电池车用电池（牵引型铅酸蓄电池） 便携设备及其他设备用铅酸蓄电池 铅酸蓄电池的发展历史和趋势 发展历史： 涂膏式极板、铅锑板栅合金、管状电极、铅钙板栅合金、胶体电解液及阀控式铅酸蓄电池 趋势： 要求蓄电池是免维护型的，更便于使用； 进一步提高电池的比能量； 进一步提高电池的比功率； 进一步提高电池的循环寿命,铅酸蓄电池的优缺点 优点： 原料易得，价格相对低廉； 高倍率放电性能良好； 温度性能良好,可在-4060的环境下工作； 适合于浮充电使用,使用寿命长

3、,无记忆效应； 废旧电池容易回收,有利于保护环境. 缺点： 比能量低,一般为3040Wh/kg； 使用寿命不及Cd/Ni电池； 制造过程容易污染环境,必须配备三废处理设备.,二、铅酸蓄电池的热力学基础,电池反应、电动势及电极电势 双硫酸盐理论 对放电前后活性物质的物相分析 对电解液浓度变化的精确测量,电极反应 电解液中存在的离子大部分是H+和HSO4- .,铅酸蓄电池的电动势只与酸的浓度有关，与蓄电池中含有的铅、二氧化铅或硫酸铅的量无关； 正负极的稳定电势接近于它们的平衡电极电势，故电池的开路电压与电池的电动势接近 .,铅酸蓄电池正常工作的条件 电极反应可逆； 氢气和氧气在电极上具有较高的过电

4、位才有可能使电池正常充放电； 放电产物PbSO4在H2SO4水溶液中的溶解度较低。,活性物质PbO2：疏松的多孔体 板栅：Pb合金铸造成的栅栏片状物体 活性物质PbO2 液相反应机理,三、二氧化铅电极,氧化/还原反应发生在电极与溶液的界面 中间步骤是溶液中的Pb2+进行氧化还原反应。,PbO2的结晶变体及其特性,正极板栅的腐蚀 正极板栅腐蚀的原因 正极板栅中的Pb和其他成分如Sb处于热力学不稳定状态 铅的阳极腐蚀机理,正极板栅的长大 正极板栅的长大是由于其表面氧化膜的生成造成的 正极板栅长大的后果是其线性尺寸增加、弯曲以及个别筋条的断裂,从而造成板栅的破坏和电池正极板栅在使用过程中的变形称为板

5、栅的长大 寿命的终止,四、铅负极,铅负极的反应机理,铅负极的钝化 铅负极钝化的原因 影响因素 铅负极活性物质的收缩 铅负极的添加剂 无机类添加剂：炭黑、BaSO4 有机类添加剂：木素、腐殖酸,BaSO4的作用机理 BaSO4与PbSO4的晶格参数非常接近; BaSO4在负极中高度分散 放电时：BaSO4是PbSO4的结晶中心, 降低PbSO4结晶时的过饱和度、使生成的PbSO4覆盖金属铅的可能性减小推迟负极的钝化 充电时：使生成的海绵状铅具有高度的分散性防止其收缩,有机添加剂的作用机理 吸附在活性物质上，降低电极/溶液界面的自由能阻止海绵状铅表面的收缩 吸附在铅上，增加PbSO4 在铅上的结晶

6、中心生成能推迟负极的钝化 有机添加剂的选择得当,铅负极的不可逆硫酸盐化 活性物质在一定条件下生成坚硬而粗大的PbSO4，它不同于正常放电时生成的PbSO4，几乎不溶解。因此在充电时不能转化为活性物质，造成电池容量减小 常常是在电池组长期充电不足或过放电状态下长期储存形成的 硫酸盐化的根本原因一般认为是PbSO4的重结晶 防止措施 发生硫酸盐化后的处理方法,五、铅酸蓄电池的电性能,铅酸蓄电池的充放电特性,铅酸蓄电池的容量及其影响因素 电池容量主要取决于活性物质的数量及其利用率 活性物质的利用率与放电制度、电极和电池的结构、制造工艺等有关,铅酸蓄电池的失效模式与循环寿命 失效模式 正极板栅的腐蚀与

7、长大 正极活性物质的软化、脱落 负极的不可逆硫酸盐化 早期容量损失 影响电池循环寿命的外在因素 放电深度 过充电程度 电解液浓度及温度,铅酸蓄电池的荷电保持能力,负极的自放电反应 氢的析出反应 氧的还原反应 正极板栅合金组分向负极的迁移,正极的自放电反应 氧气的析出 铅腐蚀,铅酸蓄电池的低温充电接受能力 铅酸电池在低温下的充电效率很低,原因是什么? 为什么低温下正极的充电接受能力比负极好?,六、铅酸蓄电池制造工艺,负极板栅浇铸,正极板栅浇铸,涂膏,淋酸、压板 表面干燥,极板固化 干燥,极板化成,电池装配,铅粉制备,和膏,板栅制造 板栅的作用 对板栅的要求 板栅合金的选择 铅粉制造 铅粉的制备方法 铅膏的配制 进行的化学反应,铅膏主要为硫酸铅和氧化铅的混合物， 含有8%12%的硫酸铅。,极板化成 用通入直流电的方法使正极板上的活性物质发生