閥控式鉛酸蓄電池特性

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1、閥控式鉛酸蓄電池特性 目錄 目錄錯誤!未定義書簽。 1背景錯誤!未定義書簽2VRLA電池結(jié)構(gòu)及工作原理錯誤!未定義書簽 2.1 VRLA電池的電化學反應原理錯誤!未定義書簽。 2.2VRLA電池的氧循環(huán)原理錯誤!未定義書簽。 2.3VRLA電池的容量分類錯誤!未定義書簽。 3 特性曲線錯誤!未定義書簽 3.1 充放電曲線錯誤!未定義書簽 3.2 倍率特性錯誤!未定義書簽 3.3 溫度特性錯誤!未定義書簽 循環(huán)特性錯誤!未定義書簽總結(jié)錯誤!未定義書簽參考文獻錯誤!未定義書簽。 1背景 閥控式鉛酸蓄電池(VRLA)盡管它的質(zhì)量比能量、體積比能量不能和鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰

2、離子電池、鋰聚合物電池相比,但它的性能價格比仍有很大優(yōu)勢,特別是作備用電源、儲能電源和動力電源等領域的應用。由于鉛酸蓄電池容量大,大電流放電性能好,無記憶效應,價格便宜,因此鉛酸蓄電池的市場份額仍是化學電源產(chǎn)品的首位。 VRLA電池結(jié)構(gòu)上是密封的,充、放電過程中不會漏液,也不需要定期加水或加酸液,同時,電池內(nèi)部有一個可以控制電池內(nèi)部氣壓的特殊排氣閥,當電池發(fā)生化學反應產(chǎn)氣量超過一定值時,排氣閥會自動打開,把多余氣體排出,從而防止電池內(nèi)氣壓過大發(fā)生危險,因此,排氣閥又被稱作安全閥?;谝陨蟽牲c,目前生產(chǎn)廠家通常把這種電池叫做“免維護”閥控密封式鉛酸蓄電池。 2VRLA電池結(jié)構(gòu)及工作原理2.1

3、VRLA電池的電化學反應原理 鉛酸蓄電池主要由正極板(活性物質(zhì)為PbO2)、負極板(海綿狀金屬Pb)、隔板、電池槽、蓋、安全閥、電解液(硫酸)等組成,并具有正極、負極端子,一種典型鉛酸蓄電池結(jié)構(gòu)如圖1所示。蓄電池通過正負極充、放電反應來實現(xiàn)蓄電池正常工作。放電時,蓄電池將儲存的化學能轉(zhuǎn)化為電能;充電時,蓄電池將電能轉(zhuǎn)化為化學能儲存下來。電池總反應如下:放電PbO2+Pb+2H2SO4;2PbSO4+2H2O 充電 從反應方程式中可以看出,電池正負極反應是可逆的。電池放電時,負極板上的鉛放出兩個電子,在極板上生成難溶的硫酸鉛。正極板的鉛離子得到來自負極的兩個電子后,變成二價鉛離子,在極板上

4、也生成難溶的硫酸鉛。由于正負極存在電勢差,電解液中硫酸根離子向正極移動,氫離子向負極流動,這樣在電池內(nèi)部就形成了整個電流回路。反之就是電池充電的過程。 圖1鉛酸電池結(jié)構(gòu)圖 2.2 VRLA電池的氧循環(huán)原理 鉛酸蓄電池在充電后期或過充電時,電極上會產(chǎn)生一定量的氣體,這是因為發(fā)生了電解水的副反應,反應如下: 正極2H2O—O2+4H++4e- 負極2H++2e-—H2 從上面反應式可看出,電池正負極在充電到一定程度時,會分別析出氧氣和氫氣,造成電池失水干涸,這就是為什么早期傳統(tǒng)式鉛酸蓄電池需要加水進行維護的原因。為了使蓄電池可以免維護,對負極活物質(zhì)量進行了過量設計,通過這種設計,正

5、極產(chǎn)生的氧氣與負極鉛發(fā)生反應生成水,負極一直處于充電不足狀態(tài),就不會發(fā)生負極氫氣析出的反應,從而減少水量消耗。 閥控式鉛酸蓄電池負極氧循環(huán)反應式如下: O2+2Pb—2PbO PbO+H2SO4—PbSO4+H2O2.3VRLA電池的容量分類 目前市場上的閥控鉛酸蓄電池一般有2V、6V、12V電池,根據(jù)電池容量的不同,通常情況下,可以分為大型、中型和小型三種,單體電池容量200Ah及以上稱為大型蓄電池,20?200Ah稱為中型蓄電池,20Ah以下稱為小型蓄電池。 3特性曲線 VRLA標稱電壓為2.0V,研究電池特性一般從充放電曲線、倍率特性、溫度特性、循環(huán)特性等不同角度來考慮,以下

6、是相關(guān)的特性曲線。 3.1充放電曲線 從電池標準充放電曲線可以了解電池最基本的輸入/輸出電壓、電量等特性,可以初步判斷電池能否滿足負載的需求。 某品牌VRLA按照其規(guī)格書說明,以0.1C電流對其進行室溫下的標準充放電,充放電電壓范圍為1.8V?2.35V,所得充放電曲線如圖2所示。 圖22V電池標準充放電曲線 從圖2可知電池0.1C電流下所得電池充電容量為229.6Ah,放電容量為210.8Ah,充放電庫倫效率為91.81%,充電電壓平臺為2.0V?2.2V,放電電壓平臺為2.1V?1.9V。 3.2 倍率特性 電池的倍率特性是指不同輸入/輸出電流下電池的電壓、電量變化特征,

7、主要用于判斷電池能否滿足負載功率需求。 電池分別以0.15C、0.25C、0.35C不同倍率進行放電,所得放電曲線如圖3所示。鉛酸電池充電方式為先恒流充電,再恒壓充電,再經(jīng)過長時間浮充電池可以完全充滿。電池不同倍率充電,經(jīng)過以上充電方式都能完全充滿,但恒流階段充電效率隨倍率增大降低。電池充電電壓平臺隨充電倍率增大依次上升,說明了電池內(nèi)阻引起充電電壓極化。 圖3電池倍率充電曲線 電池分別以0.1C、0.15C、0.25C、0.5C不同倍率進行放電,所得放電曲線如圖4所示。電池放電容量隨充電倍率增大而減小,電池放電電壓平臺隨放電倍率增大逐步下降,也是電池內(nèi)阻造成的放電電壓極化。 3

8、.3 圖4電池倍率放電曲線溫度特性 溫度影響電池的容量,圖5為一種VRLA電池放電容量(10小時率,終止電壓1.80V)與溫度的關(guān)系曲線。溫度降低,電池容量將減少,例如溫度從25°C降低到0°C,容量將下降到額定容量的80%左右,同時溫度過低,使電池長期充電不足,造成負極硫酸鹽化,最終導致電池不能放電。 隨著環(huán)境溫度的升高,電池容量在一定范圍內(nèi)會增加,例如溫度從25C升高到35C,容量將上升到額定容量的105%左右,但溫度如繼續(xù)上升,容量的增加很緩慢,最終將不會繼續(xù)增加。環(huán)境溫度的升高,也將加速電池板柵的腐蝕和電池水分的損失,從而大大縮短電池的壽命。 由此可見VRLA電池工作在環(huán)境溫度范

9、圍為10°C?40°C內(nèi)容量保持率較高,低溫或高溫環(huán)境將對電池造成永久損傷,可能致使電池過早失效。 3.4 圖6一種鉛酸電池容量與溫度關(guān)系曲線循環(huán)特性 電池循環(huán)特性反應了電池壽命,也是需要重點關(guān)注的電池特性。鉛酸電池循環(huán)壽命受到多種因素影響,如板柵結(jié)構(gòu)、電解液量、電池槽等機械強度、正極板添加劑石墨比例及壓緊程度、環(huán)境溫度等。根據(jù)文獻1所述,循環(huán)試驗是將25Ah汽車用VRLA電池進行恒流放電-恒壓充電的充放電方式,完成了深放電和高溫循環(huán)試驗,同時與富液式電池做了對比。40?45°C實驗實施每25次循環(huán)之后1次20A放電周期性容量檢查,75C實驗實施每500次循環(huán)測量1次272A放電的30

10、s電壓。圖8為正極板不同石墨比例和極板壓力的對比實驗結(jié)果分析曲線。 —一J7$*iqp戰(zhàn) mA放電 深放電循環(huán)實驗 75C循環(huán)實驗 圖8溫度為75C下的循環(huán)壽命 文獻1實驗結(jié)果表明,正板柵的結(jié)構(gòu)與重量對VRLA電池的循環(huán)壽命特性有很大的影響,加壓使極板與隔板緊密地接觸對增加高溫循環(huán)壽命有明顯的作用。在正極活性物質(zhì)中添加各向異性石墨以提高低溫高倍率放電特性,使之得到了與富液式電池同樣的效果。 4總結(jié) VRLA電池具有“免維護”特性,額定電壓為2.0V,所測試電池有較優(yōu)的充放電倍率較低,溫度范圍在10°C?40°C輸入/輸出能量穩(wěn)定,循環(huán)壽命較長。由此可見,VRLA電池整體性能較好,能夠滿足常用動力電池、儲能電池的功率和能量需求。 參考文獻[1]坪田正溫等.閥控式汽車蓄電池深放電特性[J].蓄電池,1992,2:30-35.

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