铅酸蓄电池介绍

阀控式铅酸蓄电池介绍Chris2011.1.51•电池的基本知识•铅酸蓄电池的简介•阀控式铅酸蓄电池(VRLA)•如何正确使用VRLA•VRLA的安全问题2•电池：通过化学反应提供直流电能的电化学装置3一次电池：不可充电，如锌锰、碱性、锂电池二次电池：可充电，如铅酸、镍氢、锂离子电池高级电池：结构特殊，性能卓越，如锌空电池，以空气做正极，体积很小，用于助听器什么是电池？•燃料电池：FuelCell,FC,将存在于燃料(氢气)和氧化剂(氧气)中的化学能转化为电能的装置•不是蓄电池，是发电机•1839年由英国的Grove发明4•太阳能电池：物理电源，通过光电效应或光化学效应直接把光能转化为电能的装置•1883年Charles发明首块太阳能电池•前景广阔，目前成本高，限制了应用什么是电池？51800年Vote伏打电堆1859年法国Plante铅酸蓄电池丹尼尔电池英国Daniel1835年锌锰电池法国Leclanche1866年1899年瑞典Jungner镍镉电池碱性电池Urry1950年1990年索尼公司锂离子电池电池的历史•电池由外壳、正极、负极、端子、隔膜等组成6电池结构示意图–外壳：一般是塑料或金属材质–正极：电流的流出端–负极：电流的流入端–端子：内部与活性物质相连，外接用电器–隔膜：防止正、负极短路，并提供电子的内部传递通道电池的结构•电池的基本知识•铅酸蓄电池的简介•阀控式铅酸蓄电池(VRLA)•如何正确使用VRLA•VRLA的安全问题7•铅酸蓄电池(Lead-AcidBattery,LAB)，是指正负极活性物质分别是铅和二氧化铅、由硫酸水溶液做电解液的二次电池•分富液式和贫液式两大类，贫液式就是目前广泛应用的阀控式密闭铅酸蓄电池，事实上它不并是完全密闭的•主要应用于交通、通信、后备电源等领域•具有价格低廉、可靠性高、维护简单等优点•由于铅对人体有害、硫酸污染环境、腐蚀设备，因此应用领域受到限制•虽然有被镍氢、锂离子电池等取代的趋势，但由于价格、安全、可靠性等原因仍将长期占据二次电池的大部分市场8什么是铅酸蓄电池？91859年法国Plante发明铅酸蓄电池AGM隔离板美国Gate公司1971年PSOC技术NorthStar2001年卢森堡第一座铅蓄厂Trible双极硫酸盐化理论1882年1957年德国阳光公司胶体技术1890年Phillipart管式极板铅钙合金Haring1935年铅酸蓄电池的历史•富液式：不能卧式放置，需经常加水加酸和调整酸的浓度等复杂维护；酸液挥发会污染环境并腐蚀设备–涂膏式极板：工艺简单，是最古老的铅蓄–管式正极板：寿命长主要是OPzS型10•阀控式：也叫贫液式，电池以安全阀密封，内压过大时开阀排气，内部无游离酸–AGM(AbsorbedGlassMat)：目前使用最广的技术，吸附电解液的AGM做隔离板–胶体(Gel)：低温性能更好，寿命更长铅酸蓄电池的分类•电池的基本知识•铅酸电池的简介•阀控式铅酸蓄电池(VRLA)•如何正确使用VRLA•VRLA的安全问题11•阀控式铅酸蓄电池(ValveRegulatedLead-AcidBattery,VRLA)，广泛使用的一种铅酸蓄电池，主要特点是：–电解质吸附于AGM隔板中或者变成胶体状态，内部无游离酸–每个单体有一个安全阀，大部分时间处于密封状态，内压过大时开阀排气降压•1938年Dassler提出的气体复合原理是VRLA的理论基础•1957年德国阳光公司的胶体(GEL)技术和1971年美国Gates公司的AGM技术是VRLA的实践基础•目前主要有AGM技术和GEL技术两种12什么是阀控式铅酸蓄电池？•阀控式铅酸蓄电池：通过安全阀排出内部生成的多余气体的铅酸蓄电池13铅酸蓄电池结构示意图–外壳：一般是塑料外壳如ABS，PP等，也有外部再加钢壳的–正极：主要是红棕色氧化铅(PbO2)–负极：主要是海绵状的金属铅(Pb)–端子：铅或铜质，铜端子更常见–隔膜：AGM或胶体，吸附硫酸水溶液–安全阀：内部气体溢出通道，一般加防爆石和滤酸器•高端电池有时配备排气孔和导气管，保证电池柜内氢气的零积累阀控式铅酸蓄电池的结构•卷绕式极板结构特点–装配紧密–极板更薄•优点–较宽的工作温度范围(-50~70℃)–大电流充放电性能更好–搞震性能良好–可靠性高•缺点–工艺复杂，造价高–不适用于浮充•适用范围–国防，医疗器械，仪表14特殊的阀控式铅酸蓄电池•板栅：占蓄电池总质量的20%~30%，主要作用是：–活性物质的载体：铅膏靠板栅保持和支撑–集流体：担负着电流的传导、集散作用并使电池分布均匀•性能要求：导电性好，耐腐蚀，与活性物质结合性好，足够的强度15阀控式铅酸蓄电池的结构•目前最广泛使用的Pb-Sb和Pb-Ca合金：–Pb-Sb合金循环性能好，但易失水，正极板栅腐蚀快–Pb-Ca合金浮充性能好，板氢电位高因此失水率低，导电性能好，但易出现PCL-1及板栅膨胀而导致的活性物质脱落•Pb-Ca-Sn-Al合金：铅钙系合金的代表，目前使用最广泛•其它：德国曾生产用于军事的镀铅的铜板栅以及导电塑料板栅，成本高昂•正极：由网格状金属板栅上涂覆铅膏组成，铅膏是正极活性物质，主要成分是氧化铅，红棕色•正极活性物质的泥化失效以及正极板栅的腐蚀是VRLA失效的重要原因•正极板一般较厚，以应对活性物质的泥化脱落，而且比负极板少一片•常温低率放电时，电池容量受限于正极16阀控式铅酸蓄电池的结构•二氧化铅有α-PbO2和β-PbO2两种晶体：•α-PbO2是斜方晶系，晶粒较大，可以形成网络或骨骼，使正极活性物质的结构完整从而有较长的寿命•β-PbO2是正方晶系，晶粒较小因此有更大的比表面积，放电时给出的容量是α-PbO2的1.5~3倍•电池寿命初期，活性物质以α-PbO2为主，寿命末期以β-PbO2为主：•电池寿命初期，正极活性物质以为α-PbO2主•放电时α-PbO2生成PbSO4，充电时PbSO4生成β-PbO2，因此在初期循环中电池的容量越来越高•随着循环的进行，β-PbO2的比例增加，活性物质间的结合慢慢减弱，充电过程中在析氧的冲击下，正极活性物质密度下降，最后软化成泥状物脱落，导致寿命终止•由于α-PbO2有较好的机械强度和结构，由其形成的多晶网络可作为活性物质的骨骼，而β-PbO2有较小的尺寸和较大的比表面积，可给出较大的比容量，二者最优的比例是0.8，此时电池有最好的深放电性能17阀控式铅酸蓄电池的结构•负极：由负极板栅及涂覆其上的负极活性物质组成，负极活性物质主要是海绵状金属铅，呈金属灰色•低温(-15℃)、高率(1HR)放电时，电池容量受限于负极，原因是铅电池的钝化即生成的硫酸铅将电解液与活性物质隔离18阀控式铅酸蓄电池的结构•负极添加剂主要包括膨胀剂、阻化剂：•膨胀剂：防止在循环过程中负极活性物质表面积收缩，同时起去钝化作用，常用的无机膨胀剂是硫酸钡、乙炔黑等，有机膨胀剂腐殖酸、木质素等•阻化剂：提高析氢过电位，阻滞铅电池在制造过程中的氧化•负极的不可逆硫酸盐化是电池提前失效的重要原因之一•不可逆硫酸盐化：简称硫化，是负极活性物质在一定条件下生成坚硬而粗大的、几乎不溶解的硫酸铅，所以在充电时不能转化为海绵状铅，使电池容量大大降低的现象•原因：通常是长期充电不足或放电状态下长期储存等使用或维护不当造成•防止：及时充电，不要过放电19不可逆硫酸盐化正常的负极活性物质粗大的硫酸铅晶体•额定电压–最常见的是12V系列，2V的主要应用在工业上，6V的不常见，用于某些设备如医疗设备等•额定容量–在一定标准下，由生产厂商定义的电池的容量–通信用铅酸电池的额定标准标准是25℃时以10HR放电至1.80VPC–实际容量因温度、放电率和终止电压的不同而不同•终止电压–FinalVoltage,F.V.，为了保护电池，放电至F.V.时应停止放电–终止电压与放电电流大小有关：电流越小，终止电压越高–0.1C放电的F.V.一般为1.80VPC20铅酸电池的相关定义•充电电压–分均充(Boost)和浮充(Float)，充电电压值主要跟电解液浓度有关–均充电压：25℃时约为2.35VPC，充电速度快，根据电流不同，可在5~10小时内充满电–浮充电压：25℃时一般为2.23~2.27VPC，在该电压下充电速度和自放电速度相当–温度不同时，电压应做相应的调整，叫做温度补偿•放电深度–是指放出电量占电池额定容量的百分比(DepthofDischarge,DOD)；–不同放电深度下，电池的循环寿命差异较大，放电深度越深，寿命越短•温度补偿系数–环境温度变化1℃时充电电压的改变值叫温补系数，通常为-2~4mV/℃–该值为负表示温度升高时充电电压降低–温度补偿范围一般为0~50℃21铅酸电池的相关定义•重量–可以用来衡量电池的含铅量–VRLA含铅的质量分数约60%–12V100Ah电池质量约33千克•内阻–一般在充满电的状态下以1000Hz的交流电测量–内阻反映了电池用料的纯度–内阻小的电池寿命长–12V100Ah电池的内阻约3.5~6mΩ–2V系列的、容量大的电池内阻更小•一致性–串联使用时，某些落后电池会使整组电池容量降低、使用寿命缩短–先进的制造工艺提高电池的一致性22铅酸电池的相关定义•开路电压(OpenCircuitVoltage,OCV)–最大意义在于能衡量电池的荷电状态(StateofCharge,SOC)–需要在充电或放电结束后两小时测量–因厂商、应用领域、技术等因素，100%SOC的电压不同23铅酸电池的相关定义某国外品牌VRLA开路电压和荷电状态关系图•双极硫酸盐化理论：1882年由Tribe和Gladstone提出，简称双硫化理论，该理论认为电池在放电时正、负极都生成硫酸铅：•充电时反应逆向24正极：PbO2+3H++HSO4－+2e－→PbSO4+2H2O负极：Pb+HSO4－→PbSO4+H++2e－总反应：Pb+PbO2+2H++2HSO4－→2PbSO4+2H2O铅酸蓄电池的工作原理•副反应：主要包括充电时负极的析氢反应、正极的析氧反应以及析栅的腐蚀25负极的析氢反应：2H++2e－→H2•过充电时析氢速率加快•采用铅钙合金以提高析氢过电位正极的析氧反应：2H2O→4H++O2+4e－•贫液设计，隔离板预留通道，氧气扩散到负极进行复合•目前的氧气复合效率为93%~99%板栅的腐蚀反应：Pb+2H2O→Pb(OH)2+H2•采用含锑合金•板栅的腐蚀是电池浮充使用寿命终止的重要原因铅酸蓄电池的工作原理•充电时部分电量用于电解水；充电容量到80%后，该反应加剧•氧的复合反应：正极生成的氧气通过AGM隔板的孔隙扩散到负极，与铅反应生成氧化铅，氧化铅和硫酸反应生成硫酸铅和水，硫酸铅经充电变成负极活性物质铅，水则进入电解液：•关键工艺：–高孔隙率的AGM隔板：孔隙率93%以上–定量加酸：AGM隔板吸酸后仍有10%左右的孔隙率–过量的负极活性物质：比正极的容量多10%~20%–极群的紧装配、高纯度的铅钙合金、稳定可靠的安全阀等26阀控式铅酸蓄电池的关键技术——氧的复合反应•负极自放电生成气体，充电至80%后电解水也生成气体：•安全阀的作用：开阀降压防止膨胀，隔绝空气减缓自放电•开阀压力10~49kPa，闭阀压力1~10kPa•有柱型和帽型两种•安全阀失效是电池膨胀的原因之一27H2O→H2↑+O2↑安全阀•电池的基本知识•铅酸电池的简介•阀控式铅酸蓄电池(VRLA)•如何正确使用VRLA•VRLA的安全问题28•汽车、摩托车的启动、点火、照明：SLI电池•通信、电力行业：前者多为48V系统，后者多用384V•UPS行业：如应急照明系统，数据库的不间断电源系统•电动车行业：电动汽车(EV)和电动自行车29铅酸蓄电池的应用•循环使用–电池频繁的进行放电和充电，如电动自行车–主要受放电深度的影响，跟充电方式也有关–普通电池的100%DOD放电寿命为300~800次30•浮充使用–长期进行在浮充状态，偶尔进行放电，如UPS–主要受环境温度影响，跟浮充关系密切–根据定位不同，寿命从5年到20