電池結(jié)構(gòu)及原理

1、 閥控式鉛酸蓄電池的英文名稱為Valve Regulated Lead Acid Battery(簡稱VRLAB)，其基本特點(diǎn)是使用期間不用加酸加水維護(hù)，電池為密封結(jié)構(gòu)，不會(huì)漏酸，也不會(huì)排酸霧，電池蓋子上設(shè)有單向排氣閥(也叫安全閥)，該閥的作用是當(dāng)電池內(nèi)部氣體量超過一定值(通常用氣壓值表示)，即當(dāng)電池內(nèi)部氣壓升高到一定值時(shí)，排氣閥自動(dòng)打開，排出氣體，然后自動(dòng)關(guān)閥，防止空氣進(jìn)入電池內(nèi)部。 一、一、VRLAB VRLAB 定義定義二、二、 VRLAB VRLAB 分類分類 閥控式鉛酸蓄電池分為AGM和GEL（膠體）電池兩種：AGM電池采用吸附式玻璃纖維棉(Absorbed Glass Mat)作隔

2、膜，電解液吸附在極板和隔膜中，貧電液設(shè)計(jì)，電池內(nèi)無流動(dòng)的電解液，電池可以立放工作，也可以臥放工作；GEL（膠體）電池SiO2作凝固劑，電解液吸附在極板和膠體內(nèi)，采用PVC或其他多孔隔板，電池可以立放工作，也可以臥放工作。壽命較AGM電池長。三、三、 VRLABVRLAB組成及結(jié)構(gòu)組成及結(jié)構(gòu)3.1 3.1 極板極板 極板是蓄電池的核心部分，蓄電池充、放電的化學(xué)反應(yīng)主要是依靠極板上的活性物質(zhì)與電解液進(jìn)行的。極板分為正極板和負(fù)極板，均由柵架和活性物質(zhì)組成。柵架的作用是固結(jié)活性物質(zhì)。柵架一般由鉛鈣合金鑄成，具有良好的導(dǎo)電性、耐蝕性和一定的機(jī)械強(qiáng)度。柵架的結(jié)構(gòu)右上圖所示。為了降低蓄電池的內(nèi)阻，改善蓄電池

3、的起動(dòng)性能，有些鉛蓄電池采用了放射形柵架，右下圖為放射形柵架的結(jié)構(gòu)。正交板柵圖正交板柵圖放射板柵圖放射板柵圖3.2 3.2 極板極板 正熟極板上的活性物質(zhì)是二氧化鉛（PbO2），呈深棕色；負(fù)熟極板上的活性物質(zhì)是海綿狀的純鉛（Pb），呈青灰色。將活性物質(zhì)調(diào)成糊狀填充在柵架的空隙里并進(jìn)行干燥即形成極板。如右上圖所示。 將正、負(fù)極板各一片浸入電解液中，可獲得2V左右的電動(dòng)勢。為了增大蓄電池的容量，常將多片正、負(fù)極板分別并聯(lián)，組成正、負(fù)極板組，如右下圖所示。在每個(gè)單格電池中，正極板的片數(shù)要比負(fù)極板少一片，這樣每片正極板都處于兩片負(fù)極板之間，可以使正極板兩側(cè)放電均勻，避免因放電不均勻造成極板拱曲。1極組

4、總圖 ;2負(fù)極板;3隔板; 4正極板;5匯流排及鉛零件 極板圖極板圖極組圖極組圖3.3 3.3 極板極板正熟極板圖正熟極板圖負(fù)熟極板圖負(fù)熟極板圖正生極板圖正生極板圖負(fù)生極板圖負(fù)生極板圖3.4 3.4 隔板隔板 隔板插放在正、負(fù)極板之間，以防止正、負(fù)極板互相接觸造成短路。閥控式鉛酸蓄電池目前有兩種形式，一種是在兩極間灌注的電解液能被高孔率的隔板吸收，例如AGM隔板，另一種是將電解液制成膠體的形式，例如：火成二氧化硅被制成一種三維晶格，所采用的隔板與AGM不同，現(xiàn)在所用的是溶劑法的PVC隔板。 AGM隔板圖隔板圖PVC隔板圖隔板圖3.5 3.5 電解液電解液 電解液在蓄電池的化學(xué)反應(yīng)中，起到離子間

5、導(dǎo)電的作用，并參與蓄電池的化學(xué)反應(yīng)。電解液由純硫酸（H2SO4）與蒸餾水按一定比例配制而成，其密度一般為1.231.32g/cm3 (20)。電解液的密度對蓄電池的工作有重要影響，密度大，可減少結(jié)冰的危險(xiǎn)并提高蓄電池的容量，但密度過大，則粘度增加，反而降低蓄電池的容量，縮短使用壽命。硫酸密度檢測圖硫酸密度檢測圖硫酸配制安全圖硫酸配制安全圖3.6 3.6 殼體殼體 殼體用于盛放電解液和極板組，應(yīng)該耐酸、耐熱、耐震。殼體多采用ABS或PP塑料制成，為整體式結(jié)構(gòu)，殼內(nèi)由間壁分成3個(gè)或6個(gè)互不相通的單格，各單格之間用鉛質(zhì)聯(lián)條串聯(lián)起來，如右圖所示。殼體上部使用相同材料的電池蓋密封。 ABS材料的殼體硬，

6、電池內(nèi)部壓力較大時(shí)，使用ABS材料不易鼓肚變形。ABS材料的缺點(diǎn)就是耐候性差，水蒸氣的滲透性很高。ABS槽蓋配合圖槽蓋配合圖ABS槽蓋配合操作圖槽蓋配合操作圖3.7 3.7 殼體殼體 PP有優(yōu)異的耐沖擊性能、耐熱性能、熱融接性和適宜的價(jià)格。主要用于起動(dòng)蓄電池殼體的制造，同時(shí)也用于閥控鉛酸蓄電池。其主要缺點(diǎn)是，沖擊強(qiáng)度雖溫度變化大，耐低溫性差、機(jī)械強(qiáng)度低、易氧化和老化。PP槽蓋配合圖槽蓋配合圖電池槽圖電池槽圖電池蓋圖電池蓋圖PP槽蓋配合操作圖槽蓋配合操作圖3.8安全閥 安全閥：密封式鉛酸蓄電池增加了安全閥（耐酸性橡膠），由于內(nèi)部氣體使用P安全閥打開釋放氣體，安全閥 關(guān)閉，外面的氣體進(jìn)不來，保證電

7、池正常使用 四、四、 VRLABVRLAB電化學(xué)原理電化學(xué)原理 閥控式鉛酸蓄電池的電化學(xué)反應(yīng)原理就是充電時(shí)將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能在電池內(nèi)儲(chǔ)存起來，放電時(shí)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能供給外系統(tǒng)。其充電和放電過程是通過電化學(xué)反應(yīng)完成的，電化學(xué)反應(yīng)式如下：4.1 VRLAB4.1 VRLAB電化學(xué)原理電化學(xué)原理充電時(shí)，正、負(fù)極板上的PbSO4還原成PbO2和Pb，電解液中的H2SO4增多，密度上升。充電過程中存在水分解反應(yīng)，當(dāng)正極充電到70時(shí)，開始析出氧氣，負(fù)極充電到90時(shí)開始析出氫氣，由于氫氧氣的析出，如果反應(yīng)產(chǎn)生的氣體不能重新復(fù)合得用，電池就會(huì)失水干涸；對于早期的傳統(tǒng)式鉛酸蓄電池，由于氫氧氣的析出及從電池內(nèi)部

8、逸出，不能進(jìn)行氣體的再復(fù)合，是需經(jīng)常加酸加水維護(hù)的重要原因；而閥控式鉛酸蓄電池能在電池內(nèi)部對氧氣再復(fù)合利用，同時(shí)抑制氫氣的析出，克服了傳統(tǒng)式鉛酸蓄電池的主要缺點(diǎn)。 4.2 VRLAB4.2 VRLAB電化學(xué)原理電化學(xué)原理 蓄電池補(bǔ)充電充足的標(biāo)志是：限流限壓（恒流恒壓）。即先限定電流，將充電電流限制在0.25 C10以下（一般用0.1 C100.2 C10），待電池端電壓上升到2.352.40V/Cell時(shí)，立即以2.352.40V/Cell電壓改為限壓連續(xù)充電，在充電電流降到0.006C10以下3小時(shí)不變，即認(rèn)為充足電。恒壓限流充電。在2.302.35V/Cell電壓下充電，同時(shí)充電電流不超過

9、0.25 C10，直到充電電流降到0.006 C10以下3小時(shí)不變，就認(rèn)為電池充足。多步恒流充電。即進(jìn)行多步恒定電流充電（恒定的電流大小根據(jù)步驟逐步遞減），一般恒定的充電電流不大于0.25 C10，補(bǔ)充的總電量為電池放出電量的1.051.2倍，就認(rèn)為電池充足。4.3 VRLAB4.3 VRLAB氧循環(huán)原理氧循環(huán)原理 閥控式鉛酸蓄電池一般采用負(fù)極活性物質(zhì)過量設(shè)計(jì)，現(xiàn)在由于隔膜技術(shù)和材料的發(fā)展更新，一般采用正極活性物質(zhì)過量設(shè)計(jì)。AGM或GEL電解液吸附系統(tǒng)，正極在充電后期產(chǎn)生的氧氣通過AGM或GEL空隙擴(kuò)散到負(fù)極，與負(fù)極海綿狀鉛發(fā)生反應(yīng)變成水，使負(fù)極處于去極化狀態(tài)或充電不足狀態(tài)，達(dá)不到析氫過電位，

10、所以負(fù)極不會(huì)由于充電而析出氫氣，電池失水量很小，故使用期間不需加酸加水維護(hù)。閥控式鉛酸蓄電池氧循環(huán)圖示如下：4.4 VRLAB4.4 VRLAB氧循環(huán)原理氧循環(huán)原理在閥控式鉛酸蓄電池中，負(fù)極起著雙重作用，即在充電末期或過充電時(shí)： 一方面，極板中的海綿狀鉛與正極產(chǎn)生的O2反應(yīng)而被氧化成一氧化鉛；另一方面，是極板中的硫酸鉛又要接受外電路傳輸來的電子進(jìn)行還原反應(yīng)，由硫酸鉛反應(yīng)成海綿狀鉛。 在電池內(nèi)部，若要使氧的復(fù)合反應(yīng)能夠進(jìn)行，必須使氧氣從正極擴(kuò)散到負(fù)極。氧的移動(dòng)過程越容易，氧循環(huán)就越容易建立。在閥控式蓄電池內(nèi)部，氧以兩種方式傳輸： 一是溶解在電解液中的方式，即通過在液相中的擴(kuò)散，到達(dá)負(fù)極表面； 二

11、是以氣相的形式擴(kuò)散到負(fù)極表面。4.5 VRLAB4.5 VRLAB氧循環(huán)原理氧循環(huán)原理傳統(tǒng)富液式電池中，氧的傳輸只能依賴于氧在正極區(qū)H2S04溶液中溶解，然后依靠在液相中擴(kuò)散到負(fù)極。如果氧呈氣相在電極間直接通過開放的通道移動(dòng)，那么氧的遷移速率就比單靠液相中擴(kuò)散大得多。充電末期正極析出氧氣，在正極附近有輕微的過壓，而負(fù)極化合了氧，產(chǎn)生一輕微的真空，于是正、負(fù)間的壓差將推動(dòng)氣相氧經(jīng)過電極間的氣體通道向負(fù)極移動(dòng)。閥控式鉛蓄電池的設(shè)計(jì)提供了這種通道，從而使閥控式電池在浮充所要求的電壓范圍下工作，而不損失水。對于氧循環(huán)反應(yīng)效率，AGM電池具有良好的密封反應(yīng)效率，在貧液狀態(tài)下氧復(fù)合效率可達(dá)99以上；PbO2 H2SO4 Pb HSO4-Pb + HSO4- PbSO4 + H+ + 2e-2e-