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1、铅酸蓄电池的原理与性能一、铅酸蓄电池的工作原理蓄电池是一种化学电源，它的构造可以是各式各样的，可是从原理上讲所有的电池都 是由正极、负极、电解质、隔离物和容器组成的，其中 正负两极的活性物质和电解质起电化反应，对电池产生电流 起着主要作用，如图4-1 所示。在电池内部，正极和负极通过电解质构成电池的内电 路，在电池外部接通两极的导线和负荷构成电池的外电路。1.电解质 2.负极 3.容量4.正极 5.隔离物 6.导线7.负荷图 4-1 电池构造示意图在电极和电解液的接触面有电极电位产生，不同的两极 活性物质产生不同的电极电位，有着较高电位的电极叫做正 极，有着较低电位的电极叫做负极，这样在正负极
2、之间产生 了电位差，当外电路接通时，就有电流从正极经过外电路流 向负极，再由负极经过内电路流向正极，电池向外电路输送 电流的过程，叫做电池的放电。在放电过程中，两极活性物质逐渐消耗，负极活性物质 放出电子而被氧化，正极活性物质吸收从外电路流回的电子而被还原，这样负极电位逐渐 升高，正极电位逐渐降低，两极间的电位差也就逐渐降低，而且由于电化反应形成新的化 合物增加了电池的内阻，使电池输出电流逐渐减少，直至不能满足使用要求时，或在外电 路两电极之间端电压低于一定限度时，电池放电即告终。电池放电以后，用外来直流电源以适当的反向电流通入，可以使已形成的新化合物还 原成为原来的活性物质，而电池又能放电，
3、这种用反向电流使活性物质还原的过程叫做充 电。图 4-2 铅蓄电池电势产生过程蓄电池可以反复多次充电、放电，循环使用，使用寿 命长，成本较低，能输出较大的 能量，放电时电压下降很慢。1. 电动势的产生铅蓄电池的正极是二氧化铅（Pb02），负极是绒状铅 （Pb），它们是两种不同的活性物质，故和稀硫酸（H2S04）起 化学作用的结果也不同。在未接通负载时，由于化学作用 使正极板上缺少电子，负极板上却多余电子，如图4-2 所 示，两极间就产生了一定的电位差。eI 4H2O|F十I ft电子流2. 放电过程的化学反应 当外电路接上负载（比如灯泡）后，铅蓄电池在 正、负极板间电位差（电动势）的作用下，电
4、流I从 正极流出，经负载流向负极，也就是说，负极上的 电子经负载进入正极，如图4-3。同时在蓄电池内 部产生化学反应：在负极板上，每个铅原子(Pb)放出二个电子，而成铅正离子(Pb+),因此负极板上出 现若干多余的电子，这些电子在电位差的作用下，不断地经外电路进入正极板。而在电解 液内部，因硫酸分子的电离便有氢正离子(H+)和硫酸根负离子(S04)-存在。图4-3铅蓄 电池放电时的化学反应这时因电荷(离子)的静电作用，氢正离子(H+)移向正极板，硫酸根负离子(so4)移向负极板，于是形成电池内部的离子电流。当硫酸根负离 子(so4-)与负极板上的铅正离子(Pb+ + )相遇时，便生成硫酸铅(P
5、bSO4)分子附在负极板上。在正极板上，由于电子自外电路进入，(PbO2)与水作用离解出来的四价的铅正离子 (P+)在取得二个电子后化合变成二价铅的正离子(Pb+)，再和正极板附近的硫酸根负离 子(SO)结合在一起，生成硫酸铅分子(PbSO )附在正极板上。与此同时，移向正极板的氢 44正离子(H+)便和氧负离子(O-)结合，生成水分子(H2O)。 于是，放电时总的化学反应为：PbO +2H SO +Pb 电 PbSO +2HO+PbSO(4-1)224424(正极)(硫酸)(负极)(正极)(水)(负极)从放电反应式看出，随着蓄电池放电，硫酸逐渐消耗，电解液的比重逐渐下降。因此 在实际工作中我
6、们可以根据电解液比重变化，判断铅蓄电池的放电程度。3. 充电过程的化学反应充电是放电过程的逆过程，如图 4-4所示。(a)充电时的化学反应(b)充电时的情况图 4-4 铅蓄电池在充电时的化学反应充电时，应在蓄电池上外接充电电源(整流器)，使正、负极板在放电时消耗了的活性物 质还原，并把外加的电能转变为化学能储存起来。在充电电源作用下，外电路的电流I自蓄电池的正极板流入，经电解液和负极板流出。 于是，电源从正极板中不断取得电子输送给负极板，促使正、负极板上的硫酸铅(PbSO4 )不 断进入电解液而被游离，因此在电池内部产生如下的化学反应：在负极板上，因获得了电子，所以二价的铅离子(Pb+)被中和
7、为铅(Pb)，并以固体状态 附在负极板上。在正极板上失去的电子，则由电解液中位于极板附近处于游离状态的二价铅离子(Pb+) 不断放出二个电子来补充。当它变成四价铅离子(Pb+)以后，再和水中的氢氧根离子(10H) 结合，生成过渡状态的而且可离解的物质(Pb(OH)4)和游离状态的氢离子(H+)。(Pb(OH)4)又 继续被分解为二氧化铅(PbO2)和水。在电流作用下向负极板移动，同时向正极板移动，两种离子因静电引力而结合成硫酸。 于是，充电时总的化学反应式为：充电、PbSO4 + 2H2O + PbSO4 _PbO2 + 2H2SO4 + Pb件2)(正极) (水) (负极)(正极) (硫酸)
8、 (负极)从充电反应式看出，当蓄电池充电后，两极上原来被消耗的活性物质复原了，同时电 解液中的硫酸成分增加，水分减少，电解液的比重升高，因此，在实际工作中可根据电解 液比重变化，来判断铅蓄电池的充电的程度。二、铅酸蓄电池容量蓄电池的容量不是恒定的常数，它与极板活性物质的多少、充电程度、放电电流的大 小、放电时间长短、电液比重和温度高低等有关。使用中放电率和电液温度影响较大。1、电池容量与极板尺寸及有效物质的关系： 极板愈薄，活性物质利用率愈高，电池容量就大；极板面积愈大，有效物质充分利用，容量则大；有效物质颗粒间存在微孔，使电解液接触有效物质的真实面积增大数百甚至几 千倍。由于正极板上的有效物
9、质利用率约为45，低于负极板上有效物质利用率50的数 值，故电池容量以正极板容量为标称单位。正极板厚，浓差极化影响大，电解液向深处扩 散困难，有效物质利用率变低。有效物质的利用率即是被利用的有效物质数量与有效物质总量之比。2. 使用因素对容量的影响：(1) 放电率影响：一般以 10小时放电率的容量作为蓄电池的正常额定容量。放电率低 于正常放电率时，可得较大的容量；反之，容量则变小。铅酸蓄电池因放电率引起的放电 一变化见下面表 4-1。表4-1铅酸蓄电池放电容量系数电池放电小时数(h)0.512346810三20放电终止电压(V)1.701.751.751.801.801.801.801.801
10、.801.80三 1.85放电容量系数防酸电池0.350.300.500.400.610.750.790.880.941.001.00阀控电池0.450.400.550.450.610.750.790.880.941.001.00下面以深圳华达的一组阀控型铅酸某电池组的性能数据作为例子，来了解放电率对蓄 电池放电容量的影响。恒电流放电（安培）（25C至1.80VPC）电池型号放电时间（分钟）放电时间（小时）51015203040501234568101220246GFM10012911610710090736758362722191612109656GFM2002582322142001801
11、46134116735444383225201811106GFM3003873483213002702192011741098166564838302717156GFM40051646442840036029226823214610888756551413623206GFM500645580535500450365335290182135110948164514528256GFM5807486826205805224233883362111561281099474595233293GFM830107096288883074760655648130222418315613510684744742
12、3GFM100012901160107010009007306705803652702211891631281029057513GFM108013931252115510809727887236563942912382041761381109761553GFM1500169015061360123310359188538055644143242682301831571408673（2）电解液温度的影响：蓄电池若在低温下工作，电解液扩散能力变差，粘度增大， 电池内阻增加，容量降低。实践证明，温度低于一定值时，负极容量比正极容量降低得更 快，尤其是大电流放电时更为明显。以25 C时的电解液为标准，
13、当电解液的温度在10 C35 C范围内。每升高1 C时，电池容量将增大0.8%；温度每降低1 C时，容量平 均降低约0.7%。目前设计资料上，一般都取容量温度系数为0.008。当把电解液温度为t C时的电池容量Ct，换算成25 C时的标称容量C25时，可按下式进行：C25C11 + 0.008(t。- 25。)(4-5)（3）终止电压的影响：电池的容量与端电压降低的快慢有密切关系。放电过程中，若能 做到浓度极化小，端电压降低很慢，电池容量会相应提高。终止电压是按实际需要确定的：小电流放电时，终止电压高些；大电流放电，终止电 压低些。因为小电流放电极化作用小，容易形成硫酸铅结晶，充电时不易恢复成
14、原来有效 物质，故而终止电压规定高些。大电流放电时，扩散速度跟不上，端电压降低很快，容量 发挥不出来，因此终止电压定得低些。程控交换机供电系统，为保证设备在一定电压范围工作，采用较高终止电压，有的国家定为 1.86V。（4）电液浓度的影响：容量随硫酸电液浓度的变化而变化。极板细孔中的电液浓度，决 定电极电位的变化，影响电液扩散速度和电池内阻。所以电池容量随电液浓度的增大而提 高，且近似成直线关系。但也不可浓度过大，因浓度高粘度增加，反而影响电液扩散，降 低输出容量。三、铅酸蓄电池的自放电1. 自放电的产生电池的自放电是指电池在存储期间容量降低的现象。电池开路时由于自放电使电池容 量损失。自放电通常主要在负极，因为负极活性物质为较活泼的海绵状铅电极，在电解液中其 电势比氢负，可发生置换反应。若在电极中存在着析氢过电位低的金属杂质，这些杂质和 负极活
