鉛酸電池詳細(xì)資料

蓄電池的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀

蓄電池是1859年由普蘭特(plante)發(fā)明的，至今已有一百多年的歷史。鉛酸蓄電池自發(fā)明后，在化學(xué)電源中一直占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。這是因?yàn)槠鋬r(jià)格低廉、原材料易于獲得，使用上有充分的可靠性，適用于大電流放電及廣泛的環(huán)境溫度范圍等優(yōu)點(diǎn)。到20世紀(jì)初，鉛酸蓄電池歷經(jīng)了許多重大的改進(jìn)，提高了能量密度、循環(huán)壽命、高倍率放電等性能。然而，開口式鉛酸蓄電池有兩個(gè)主要缺點(diǎn)：①充電末期水會(huì)分解為氫，氧氣體析出，需經(jīng)常加酸、加水，維護(hù)工作繁重；②氣體溢出時(shí)攜帶酸霧，腐蝕周圍設(shè)備，并污染環(huán)境，限制了電池的應(yīng)用。近二十年來，為了解決以上的兩個(gè)問題，世界各國(guó)競(jìng)相開發(fā)密封鉛酸蓄電池，希望實(shí)現(xiàn)電池的密封，獲得干凈的綠色能源。1912年ThomasEdison發(fā)表專利，提出在單體電池的上部空間使用鉑絲，在有電流通過時(shí)，鉑被加熱，成為氫、氧化合的催化劑，使析出的H2與O2重新化合，返回電解液中。但該專利未能付諸實(shí)現(xiàn)：①鉑催化劑很快失效；②氣體不是按氫2氧1的化學(xué)計(jì)量數(shù)析出，電池內(nèi)部仍有氣體發(fā)生；③存在爆炸的危險(xiǎn)。60年代，美國(guó)Gates公司發(fā)明鉛鈣合金，引起了密封鉛酸蓄電池開發(fā)熱，世界各大電池公司投入大量人力物力進(jìn)行開發(fā)。1969年，美國(guó)登月計(jì)劃實(shí)施，密封閥控鉛酸蓄電池和鎘鎳電池被列入月球車用動(dòng)力電源，最后鎘鎳電池被采用，但密封鉛酸蓄電池技術(shù)從此得到發(fā)展。1969-1970年，美國(guó)EC公司制造了大約350,000只小型密封鉛酸蓄電池，該電池采用玻璃纖維棉隔板，貧液式系統(tǒng)，這是最早的商業(yè)用閥控式鉛酸蓄電池，但當(dāng)時(shí)尚未認(rèn)識(shí)到其氧再化合原理。1975年，GatesRutter公司在經(jīng)過許多年努力并付出高昂代價(jià)的情況下，獲得了一項(xiàng)D型密封鉛酸干電池的發(fā)明專利，成為今天VRLA的電池原型。1979年，GNB公司在購買Gates公司的專利后，又發(fā)明了MFX正板柵專利合金，開始大規(guī)模宣傳并生產(chǎn)大容量吸液式密封免維護(hù)鉛酸蓄電池。1984年，VRLA電池在美國(guó)和歐洲得到小范圍應(yīng)用。1987年，隨著電信業(yè)的飛速發(fā)展，VRLA電池在電信部門得到迅速推廣使用。1991年，英國(guó)電信部門對(duì)正在使用的VRLA電池進(jìn)行了檢查和測(cè)試，發(fā)現(xiàn)VRLA電池并不象廠商宣傳的那樣，電池出現(xiàn)了熱失控、燃燒和早期容量失效等現(xiàn)象，這引起了電池工業(yè)界的廣泛討論，并對(duì)VRLA電池的發(fā)展前途、容量監(jiān)測(cè)技術(shù)、熱失控和可靠性表示了疑問，此時(shí)，VRLA電池市場(chǎng)占有率還不到富液式電池的50％，原來提到的“密封免推護(hù)鉛酸電池”名稱正式被“VRLA電池”取代，原因是VRLA電池是一種還需要管理的電池，采用“免維護(hù)”容易引起誤解。1992年，針對(duì)1991年提出的問題，電池專家和生產(chǎn)廠家的技術(shù)員紛紛發(fā)表文章提出對(duì)策和看法，其中DrDaridFeder提出利用測(cè)電導(dǎo)的方法對(duì)VRLA電池進(jìn)行監(jiān)測(cè)。I．c．Bearinger從技術(shù)方面評(píng)述VRLA電池的先進(jìn)性。這些文章對(duì)VRLA電池的發(fā)展和推廣應(yīng)用起了很大的促進(jìn)作用。1992年，世界上VRLA電池用量在歐洲和美洲都大幅度增加，在亞洲國(guó)家電信部門提倡全部采用VRLA電池；1996年VRLA電池基本取代傳統(tǒng)的富液式電池，VRLA電池已經(jīng)得到了廣大用戶的認(rèn)可。閥控式鉛酸蓄電池的定義閥控式鉛酸蓄電池的英文名稱為ValveRegulatedLeadBattery(簡(jiǎn)稱VRLA電池)，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。閥控式鉛酸蓄電池的分類閥控式鉛酸蓄電池分為AGM和GEL（膠體）電池兩種，AGM采用吸附式玻璃纖維棉(AbsorbedGlassMat)作隔膜，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；膠體（GEL）SiO2作凝固劑，電解液吸附在極板和膠體內(nèi)，一般立放工作。目前文獻(xiàn)和會(huì)議討論的VRLA電池除非特別指明，皆指AGM電池。閥控式鉛酸蓄電池的基本原理·閥控式鉛酸蓄電池的電化學(xué)反應(yīng)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：從上面反應(yīng)式可看出，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(duì)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(duì)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)。·閥控式鉛酸蓄電池的氧循環(huán)原理閥控式鉛酸蓄電池采用負(fù)極活性物質(zhì)過量設(shè)計(jì)，AG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，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：可以看出，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；二是以氣相的形式擴(kuò)散到負(fù)極表面。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(duì)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；膠體電池氧再復(fù)合效率相對(duì)小些，在干裂狀態(tài)下，可達(dá)70-90％；富液式電池幾乎不建立氧再化合反應(yīng)，其密封反應(yīng)效率幾乎為零。