铅酸蓄电池的结构与维护,伦国瑞 2010年11月,2,学时：6学时 主要内容： 铅酸蓄电池概述 铅酸蓄电池使用维护 供电系统中蓄电池的地位,3,一、蓄电池基念知识,1、基本定义 电能可由多种形式的能量变化得来，其中把化学能转换成电能的装置叫化学电池，一般简称为电池，电池有原电池和蓄电池之分。 放电后不能用充电的方式使内部活性物质再生的叫原电池，也称一次性电池。 放电后可以用充电的方式使内部活性物质再生，把电能储存为化学能，需要放电时再次把化学能转换为电能的电池，叫蓄电池，也称二次电池。,第一章 铅酸蓄电池概述,4,2、常用技术术语 充电：蓄电池从其它直流电源获得电能叫做充电。 放电：蓄电池对外电路输出电能时叫做放电。 浮充放电：蓄电池和其他直流电源并联，对外电路输出电能叫做浮充放电。有不间断供电要求的设备，起备用电源作用的蓄电池都处于该种放电状态。 电动势：外电路断开，即没有电流通过电池时在正负极间量得的电位差，叫电池的电动式。 端电压：电路闭合后电池正负极间的电位差叫做电池的电压或端电压 安时容量：电池的容量单位为安时，即： 电池容量Q（安时）=I放t放 I放为放电电流（安） t放为放电时间（小时）,5,电量效率（安时效率）：输出电量与输入电量之间的比叫做电池的电量效率，也叫作安时效率。 电量效率（%） =（Q放Q充）100% =（I放t放）（I充I充）100% Q放和Q充：分别是放电和充电容量（安时） 自由放电：由于电池的局部作用造成的电池容量的消耗。容量损失搁置之前的容量之比，叫做蓄电池的自由放电率 自由放电率（%）= （Q1Q2）Q1100% Q1为搁置前放电容量（安时） Q2为搁置后放电容量（安时） 使用寿命：蓄电池每充电、放电一次，叫做一次充放电循环，蓄电池在保持输出一定容量的情况下所能进行的充放电循环次数，叫做蓄电池的使用寿命。,6,二、铅酸蓄电池的工作原理,电池表达式：,电池的化学反应：,7,放电时正极1mol的二氧化铅，负极1mol的海绵状纯铅，同时有2mol的硫酸参与反应。 放电时,正极二氧化铅(Pbo2)变成硫酸铅(PbSO4),负极由海绵状纯铅(Pb) 变成硫酸铅(PbSO4)。 充电时,正极由硫酸铅(PbSO4)转化为二氧化铅(Pbo2),负极由硫酸铅(PbSO4)转化为海绵状纯铅(Pb)。 上式中的水被分解：2H2O=2H2 +O2 因此，这种电池有大量的氢与氧析出。,8,9,1、蓄电池的放电过程,10,蓄电池的放电过程说明,11,2、蓄电池的充电过程,12,蓄电池的充电过程说明,13,三、铅酸蓄电池,1、定义 铅酸蓄电池是是蓄电池的一种，主要特点是采用稀硫酸做电解液，用二氧化铅和绒状铅分别做为电池的正极和负极的一种酸性蓄电池。 2、分类： 工业蓄电池分为两类： 一类为深循环使用的蓄电池。以深循环次数表示其使用寿命，一般可达1200次以上； 另一类为浮充使用的“备用电源”蓄电池。其使用寿命可达1012年，甚至更长。一般地，蓄电池只有80容量时就认为寿命终止。,14,三、铅酸蓄电池,常用的蓄电池一般分为三类： 普通铅酸蓄电池：电极板由铅和氧化铅构成，电解液是稀硫酸。主要优点是电压稳定，价格低廉。缺点是比能低，使用寿命短，维护频繁。 干式荷电畜电池：特点是负极有较高的储电能力，在完全干燥状态下能在两年内保存所得的电能，使用时只需加入电解液，等待2030分钟就可使用； 阀控密封式铅酸蓄电池：密封结构，盖子上设有单向排气阀。当蓄电池内部气体量超过一定值时，排气阀自动打开，排出气体，然后自动关闭，防止空气进入蓄电池内部。,15,按我国有关标准规定主要蓄电池系列产品有： 固定型防酸式蓄电池（GF）：主要用于通讯、发电厂、计算机系统作为保护、自动控制的备用电源。 牵引型蓄电池（D）：主要用于各种蓄电池车、叉车、铲车等动力电源。 起动型蓄电池（Q）：主要用于汽车、拖拉机、柴油机船舶等起动和照明。 铁路客车用蓄电池（T）：主要用于铁路客车照明和车上电器设备。 内燃机车用蓄电池（N）：主要供内燃机车启动和照明用。,16,摩托车蓄电池（M）：主要用于各种规格摩托车起动和照明。 航空用电池（HK）：用于飞机启动、照明、通信。 潜艇用电池（JC）：用于潜艇水下航行的动力、照明、电器设备。 坦克用电池（TK）：用于坦克的启动、用电设备、照明。 矿灯用电池（K）：供井下矿工安全帽上的矿灯照明。 航标用电池（B）：航道夜间航标照明。 其他用途电池：大小容量不一，放电率多样，如摄像机、闪光灯、应急灯、风力发电电能储存等。,17,3、产品型号含义：,根据JB2599-85部颁标准，我国铅酸电池型号分为三段，其安排和含义如下： 串联的单体电池数电池的类型和特征额定容量 当电池数为1时，称为单体电池，第一段可以省略。 电池的类型是根据主要用途划分，代号用汉语拼音第一个字母，如下表：,18,19,例：6QA-120 表示有6个单体电池（12伏），启动用电池，装有干式荷电击板，额定容量为120安时。,20,4、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 发展趋势： 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。,21,5、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,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。,22,6、基本构造：,23,铅酸蓄电池的极板，依构造和活性物质化成方法，可分为四类：涂膏式极板，管式极板，化成式极板，半化成式极板。 涂膏式极板（涂浆式极板）由板栅和活性物质构成的。 板栅的作用为支承活性物质和传导电流、使电流分布均匀。 板栅的材料一般采用铅锑合金，免维护电池采用铅钙合金。 正极活性物质主要成份为二氧化铅（PbO2), 棕红色；负极活性物质主要成为绒状（海绵状）纯铅，深灰色。,注意：负极板比正极板多一块。,(1)极板,24,极板组,25,隔板是由微孔橡胶、颜料玻璃纤维等材料制成的，在正、负极板间起绝缘作用，可使电池结构紧凑,它的主要作用是： 防止正负极板短路。 隔板有许多微孔，让电解液畅通无阻,使电解液中正负离子顺利通过。 阻缓正负极板活性物质的脱落，防止正负极板因震动而损伤。隔板一面平整，一面有沟槽，沟槽面对着正极板。当正极板上的活性物质PbO2脱落时能迅速通过沟槽沉入容器底部。 要求隔板要有孔率高、孔径小、耐酸、不分泌有害杂质，有一定强度，在电解液中电阻小，具有化学稳定性的特点。,(2)隔板,26,（3）电解液,电解液是蓄电池的重要组成部份，它的作用是传导电流和参加电化学反应； 电解液是由浓硫酸和净化水（去离子水）配制而成的，电解液的纯度和密度对电池容量和寿命有重要影响； 比重一般在1.241.30g/ cm3之间。 例如：汽车用铅酸蓄电池采用电解液密度为1.2800.005g/cm(25)稀硫酸。,27,（4）电池壳、盖,电池壳、盖是装正、负极板和电解液的容器，一般由塑料和橡胶材料制成。外壳上有链条和加液孔。,（5）附件,联条：串联各单格电池 ， 材料为铅。 加液孔盖：（ 注意孔盖上小孔的作用） 蓄电池的每一个单格都有一个加液孔，为加注电解液和检测电解液密度所用，孔盖上有通气孔，该小孔应经常保持畅通，一便随时排除蓄电池化学反应放出的氢气和氧气，防止外壳涨裂或发生事故。,28,（7）安全阀,安全阀是阀控蓄电池的关键部件之一，它位于阀控铅酸蓄电池的顶部，主要作用： 安全作用：即当阀控铅酸蓄电池在使用过程中内部产生气体且压力达到安全阀设定的开阀压力时，打开安全阀，防止蓄电池变形、开裂； 密封作用：防止空气进入电池内部而造成不良影响； 保持压力：保持电池内部一定的压力，促进电池内氧复合，减少失水； 防爆作用：某些安全阀装有防酸、防爆片。,29,三、阀控铅酸蓄电池的工作原理,1、化学原理： 阀控铅酸蓄电池的工作原理基本上仍沿袭传统的铅酸蓄电池，它的正极是二氧化铅，负极是海绵状纯铅，电解液是稀硫酸，其电极反应如下：,整个阀控铅酸蓄电池的反应方程式如下：,阀控铅酸蓄电池的设计原理是把所需质量的电解液注入极板和隔板中，没有游离的电解液，通过负极潮湿来提高吸收氧的能力。为了防止电解液减少而把蓄电池密封，故阀控铅酸蓄电池又称贫液蓄电池。,30,阀控铅酸蓄电池工作原理示意图,31,阀控密封式铅酸蓄电池在结构、材料上进行了重要的改进，如图所示。 正极板材料采用铅钙合金或铅镉合金、低锑合金，负极板材料采用铅钙合金，隔板采用超细玻璃纤维，并采用紧凑装配和贫液设计工艺技术，整个蓄电池的化学反应在密封的塑料壳内进行，出气孔上加单向的安全阀。 对于这种蓄电池结构，在规定的充电电压下进行充电时，正极析出的氧可通过隔板通道传送到负极板表面还原为水。由于阀控密封式铅酸蓄电池的负极板比正极板多出10的容量，氢气析出时电位提高，加上反应区域和反应速度的不同，正极出现氧气先于负极出现氢气。,32,氧气通过隔板通道或顶部到达负极进行化学反应。,负极被氧化成硫酸铅，经过充电又变成海绵状铅。,正极电解水反应式如下：,33,这种蓄电池在充电过程中，电解液中的水几乎不损失，从而使阀控密封式铅酸蓄电池在使用过程中达到不需加水的目的。生产厂家采取各种办法极力减少氢与氧两种气体的析出，使它们尽量消化在阀控密封式铅酸蓄电池内部。 但是，绝对控制氢气与氧气的析出是不可能的。事实上，电解液仍有少量的消耗，仍会有少量的氢气与氧气析出。从这方面说，阀控密封式铅酸蓄电池不是免维护而是少维护。 （1）阀控密封式铅酸蓄电池的板栅主要采用铅钙合金，以提高其正负极析气(氢气和氧气)过电位，达到减少其充电过程中析气量的目的。 正极板在充电到70时，氧气就开始产生，而负极板达到90时才开始产生氢气。在生产工艺上，一般情况下正负极板的厚度之比为3：2，根据这一正负极活性物质量比的变化，当负极上海绵状铅达到90时，正极上的二氧化铅接近90，再经少许的充电，正负极上的活性物质分别氧化还原达95，接近完全充电，这样可使氢气、氧气的析出减少。,电池免维护机理：,34,（2）采用超细玻璃纤维(或硅胶)来吸储电解液，并同时为正极上析出的氧气向负极扩散提供通道。 这样，氧气一旦扩散到负极上就立即为负极所吸收，从而抑制了负极上氢气的产生，导致浮充电过程中产生的气体90以上被消除(少量气体通过安全阀排放出去)。 阀控密封式铅酸蓄电池在开路状态下，正负极活性物质二氧化铅和海绵状铅与电解液稀硫酸的反应都趋于稳定，即电极的氧化速率和还原速率相等，此时的电极电势为平衡电极电势。当有充放电反应进行时，正负极活性物质二氧化铅和海绵状铅分别通过电解液与其放电态物质硫酸铅来回转化。,35,2、内部氧循环反应机理：,36,在阀控密封式铅酸蓄电池中负极起着双重作用，即在充电末期或过充电时，一方面极板中的海绵状铅与正极产生的氧气反应而被氧化成一氧化铅，另一方面极板中的硫酸铅又要接受外电路传输来的电子进行还原反应，由硫酸铅变为海绵状铅。 在蓄电池内部，若要使氧的复合反应能够进行，必须使氧气从正极扩散到负极。氧的移动过程越容易，氧循环就越容易建立。,37,在阀控密封式铅酸蓄电池内部，氧以两种方式传输：一是溶解在电解液中，即通过在液相中扩散到达负极表面：二是以气相的形式扩散到负极表面。 在传统的富液式蓄电池中，氧的传输只能依赖于它在正极区硫酸溶液中的溶解，然后依靠在液相中扩散到达负极。 如果氧呈气相在电极间直接通过开放的通道移动，那么氧的迁移速率就比单靠液相中扩散大得多。充电末期正极析出氧气，在正极附近有轻微的过压，而负极化合了氧，产生一轻微的真空，于是正负极间的压差将推动气