电池结构及原理.ppt

阀控式铅酸蓄电池的英文名称为 Valve Regulated Lead Acid Battery(简称 VRLAB)，其基本特点是 使用期间不用加酸加水维护，电池为密封结构， 不会漏酸，也不会排酸雾，电池盖子上设有单向 排气阀 (也叫安全阀 )，该阀的作用是当电池内部 气体量超过一定值 (通常用气压值表示 )，即当电 池内部气压升高到一定值时，排气阀自动打开， 排出气体，然后自动关阀，防止空气进入电池内 部。 一、 VRLAB 定义 二、 VRLAB 分类 阀控式铅酸蓄电池分为 AGM和 GEL （胶体）电池两种： AGM电池采用吸附式玻璃纤维棉 (Absorbed Glass Mat)作隔膜，电解液吸附在极板和隔 膜中，贫电液设计，电池内无流动的电解液， 电池可以立放工作，也可以卧放工作； GEL（胶体）电池 SiO2作凝固剂，电解液吸 附在极板和胶体内，采用 PVC或其他多孔隔 板，电池可以立放工作，也可以卧放工作。 寿命较 AGM电池长。 三、 VRLAB组成及结构 3.1 极板 极板是蓄电池的核心部分 ， 蓄 电池充 、 放电的化学反应主要是依 靠极板上的活性物质与电解液进行 的 。 极板分为正极板和负极板 ， 均 由栅架和活性物质组成 。 栅架的作 用是固结活性物质 。 栅架一般由铅 钙合金铸成 ， 具有良好的导电性 、 耐蚀性和一定的机械强度 。 栅架的 结构右上图所示 。 为了降低蓄电池 的内阻 ， 改善蓄电池的起动性能 ， 有些铅蓄电池采用了放射形栅架 ， 右下图为放射形栅架的结构 。 正交板栅图 放射板栅图 3.2 极板 正熟极板上的活性物质是二氧化铅 （ PbO2），呈深棕色；负熟极板上的活性 物质是海绵状的纯铅（ Pb），呈青灰色。 将活性物质调成糊状填充在栅架的空隙里 并进行干燥即形成极板。如右上图所示。 将正、负极板各一片浸入电解液中， 可获得 2V左右的电动势。为了增大蓄电池 的容量，常将多片正、负极板分别并联， 组成正、负极板组，如右下图所示。在每 个单格电池中，正极板的片数要比负极板 少一片，这样每片正极板都处于两片负极 板之间，可以使正极板两侧放电均匀，避 免因放电不均匀造成极板拱曲。 1极组总图 ;2负极板 ; 3隔板 ; 4正极板 ; 5汇流排及铅零件 极板图 极组图 3.3 极板 正熟极板图 负熟极板图 正生极板图 负生极板图 3.4 隔板 隔板插放在正、负极板之间， 以防止正、负极板互相接触造成 短路。 阀控式铅酸蓄电池目前有 两种形式，一种是在两极间灌注 的电解液能被高孔率的隔板吸收， 例如 AGM隔板，另一种是将电 解液制成胶体的形式，例如：火 成二氧化硅被制成一种三维晶格， 所采用的隔板与 AGM不同，现 在所用的是溶剂法的 PVC隔板。 AGM隔板图 PVC隔板图 3.5 电解液 电解液在蓄电池的化学反应 中 ， 起到离子间导电的作用 ， 并 参与蓄电池的化学反应 。 电解液 由纯硫酸 （ H2SO4） 与蒸馏水按一 定比例配制而成 ， 其密度一般为 1.23 1.32g/cm3 (20 )。 电解 液的密度对蓄电池的工作有重要 影响 ， 密度大 ， 可减少结冰的危 险并提高蓄电池的容量 ， 但密度 过大 ， 则粘度增加 ， 反而降低蓄 电池的容量 ， 缩短使用寿命 。 硫酸密度检测图 硫酸配制安全图 3.6 壳体 壳体用于盛放电解液和极板组 ， 应该耐酸 、 耐热 、 耐震 。 壳体多采 用 ABS或 PP塑料制成 ， 为整体式结构 ， 壳内由间壁分成 3个或 6个互不相通 的单格 ， 各单格之间用铅质联条串 联起来 ， 如右图所示 。 壳体上部使 用相同材料的电池盖密封 。 ABS材料的壳体硬 ， 电池内部压 力较大时 ， 使用 ABS材料不易鼓肚 变形 。 ABS材料的缺点就是耐候性 差 ， 水蒸气的渗透性很高 。 ABS槽盖配合图 ABS槽盖配合操作图 3.7 壳体 PP有优异的耐冲击性能 、 耐热性 能 、 热融接性和适宜的价格 。 主要用 于起动蓄电池壳体的制造 ， 同时也用 于阀控铅酸蓄电池 。 其主要缺点是 ， 冲击强度虽温度变化大 ， 耐低温性差 、 机械强度低 、 易氧化和老化 。 PP槽 盖配合图 电池槽 图 电池盖 图 PP槽 盖配合操作图 3.8安全阀 安全阀：密封式铅酸蓄电池增加了安全阀 （耐酸性橡胶），由于内部气体使用 P安 全阀打开释放气体，安全阀 关闭，外面的 气体进不来，保证电池正常使用 四、 VRLAB电化学原理 阀控式铅酸蓄电池的电化学反应原理就是充电时将 电能转化为化学能在电池内储存起来，放电时将化 学能转化为电能供给外系统。其充电和放电过程是 通过电化学反应完成的，电化学反应式如下： 4.1 VRLAB电化学原理 充电时 ， 正 、 负极板上的 PbSO4还原成 PbO2和 Pb， 电 解液中的 H2SO4增多 ， 密度上升 。 充电过程中存在水分解反应，当正极充电到 70时， 开始析出氧气，负极充电到 90时开始析出氢气， 由于氢氧气的析出，如果反应产生的气体不能重新 复合得用，电池就会失水干涸；对于早期的传统式 铅酸蓄电池，由于氢氧气的析出及从电池内部逸出， 不能进行气体的再复合，是需经常加酸加水维护的 重要原因；而阀控式铅酸蓄电池能在电池内部对氧 气再复合利用，同时抑制氢气的析出，克服了传统 式铅酸蓄电池的主要缺点。 4.2 VRLAB电化学原理 蓄电池补充电充足的标志是： 限流限压（恒流恒压）。即先限定电流，将充电电流 限制在 0.25 C10以下（一般用 0.1 C10 0.2 C10），待 电池端电压上升到 2.35 2.40V/Cell时，立即以 2.35 2.40V/Cell电压改为限压连续充电，在充电电 流降到 0.006C10以下 3小时不变，即认为充足电。 恒压限流充电。在 2.30 2.35V/Cell电压下充电，同 时充电电流不超过 0.25 C10，直到充电电流降到 0.006 C10以下 3小时不变，就认为电池充足。 多步恒流充电。即进行多步恒定电流充电（恒定的电 流大小根据步骤逐步递减），一般恒定的充电电流不 大于 0.25 C10，补充的总电量为电池放出电量的 1.051.2倍，就认为电池充足。 4.3 VRLAB氧循环原理 阀控式铅酸蓄电池一般采用负极活性物质过量设计， 现在由于隔膜技术和材料的发展更新，一般采用正 极活性物质过量设计。 AGM或 GEL电解液吸附系统， 正极在充电后期产生的氧气通过 AGM或 GEL空隙扩 散到负极，与负极海绵状铅发生反应变成水，使负 极处于去极化状态或充电不足状态，达不到析氢过 电位，所以负极不会由于充电而析出氢气，电池失 水量很小，故使用期间不需加酸加水维护。阀控式 铅酸蓄电池氧循环图示如下： 4.4 VRLAB氧循环原理 在阀控式铅酸蓄电池中，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 O2反应而被氧化成一氧化铅；另一方 面，是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，由硫酸铅反应成海绵状铅。 在电池内部，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。 在阀控式蓄电池内部，氧以两种方式传输： 一是溶解在电解液中的方式，即通过在液相中的扩 散，到达负极表面； 二是以气相的形式扩散到负极表面。 4.5 VRLAB氧循环原理 传统富液式电池中，氧的传输只能依赖于氧在正极 区 H2S04溶液中溶解，然后依靠在液相中扩散到负 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 间的压差将推动气相氧经过电极间的气体通道向负 极移动。阀控式铅蓄电池的设计提供了这种通道， 从而使阀控式电池在浮充所要求的电压范围下工作， 而不损失水。对于氧循环反应效率， AGM电池具有 良好的密封反应效率，在贫液状态下氧复合效率可 达 99以上； PbO 2 H 2 SO 4 Pb HSO4- Pb + HSO4- PbSO4 + H+ + 2e- 2e- PbO2+ 3H+ + HSO4- + 2e- PbSO4 + 2H2O H+ H+ H + H+ H+ H+ H+ + H+ H+ H+ H+ H+ PbS O 4 PbSO 4 2e- 2e- H 2 O HSO4- HSO4- HSO4- HSO4- HSO4- HSO4- HSO4- HSO4- HSO4- HSO4- HSO4- HSO4- HSO4- HSO4- HSO4- Pb 2+ H + Pb 4+ OH- OH- 放電