铅酸蓄电池培训讲义.docx
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铅酸蓄电池培训讲义
铅酸蓄电池培训讲义
铅酸蓄电池基本原理
1.蓄电池也称为二次电池,是相对于原电池(一次电池)而言。
原电池是将化学能转化为电能的装置,当其内部参与化学反应的物质耗损到一定程度,其寿命便告终止,无法再将原来的化学能予以恢复。
蓄电池是其将储存化学能转变为电能后(放电:
化学能转变成电能),当采用充电装置对其输入直流电能时,又可将耗损的化学能予以恢复(充电:
电能转变成化学能)。
可以完成多次充放电循环。
2.铅酸蓄电池是以铅及其合金、硫酸为主要原料的蓄电池,其正极
活性物质为深褐色或棕褐色二氧化铅,负极活性物质为灰色绒状铅,电解质为稀硫酸。
阀控式密封铅酸蓄电池基本结构为:
电池槽盖、正
安全阀等。
3.铅酸蓄电池的型号命名与识别,见表1。
表1
符号
含义
型号举例
G
固定型或管式
GAF-300:
固定型、干荷式、防酸隔爆型,10h率
额定容量为300Ah
A
干荷电(负极板无氧状态干燥)
加入电解液后,无需初充电,可直接使用
F
防酸或阀控(电池盖上装有防酸帽或安全阀)
GFF-2000:
传统防酸电池,帽有阻挡电池中酸雾窜至空间作用
M
密封式
GFM-500:
固定型阀控密封式,10h率额定容量为500Ah
Q
起动型(汽车起动电源)
6-QA-60:
3个单格串联,干荷式起动电池,20h率
额定容量为60Ah
N
内燃机车用
NM-450:
内燃机车用密封电池,5h率额定容量为
450Ah
T
铁路客车用
6-TM-60:
6个单格串联,
铁路客车用密封电池,
10h率额定容量为60Ah
D
电力机车用
DM-170:
电力机车用密封电池,10h率额定容量为170Ah
DZ
电动助力型
6-DZM-10:
6个单格串联,电动助力车用密封电池,2h率额定容量为
10Ah
4.铅酸蓄电池充放电机理:
放电:
加负载将蓄电池正负极连通后,由于正极电势高,电子从负极流向正极,通过负载产生电流。
同时电池负极发生氧化反应,绒状铅被氧化,释放出电子,其电化学反应式为:
Pb+HSO4--2e二PbSQ+H+;电池正极发生还原反应,接受从电池负极输送过来的电子,二氧化铅被还原,其电化学反应式为:
PbO2+3H++HSO4-+2e=PbSQ+2H2O。
伴随着电化学反应的发生,正极
(进行阴极过程)的二氧化铅活性物质和负极(进行阳极过程)的绒状铅活性物质均转化成硫酸铅,电解液中硫酸被消耗,视比重变低。
充电:
给电池附加一电压值高于电池电动势的外部直流电源回路,电源正极与电池正极相连、电源负极与电池负极相连,电子从电源负极流向蓄电池负极,蓄电池负极发生还原反应,其电化学反应式为:
PbSO4+H++2e二Pb+HSQ-;蓄电池正极发生氧化反应,其电化学反应
式为:
PbSO4+2H2O-2e=PbQ+3H++HSO4-。
伴随着电化学反应的发生,
液浓度增加。
电化学上将此理论称之为“双极硫酸盐化理论”。
5.铅酸蓄电池充电过程中的附加反应(副反应):
铅酸蓄电池在充电后期或铅酸蓄电池极板化成后期,当正负极电压升高至2.4V以上时,正极发生水的电解反应,消耗部分电能,其电化
学反应式为:
H2O-2e=2H++1/2O2f。
这种不需要的反应称为附加反应或副反应,由于副反应的存在,使蓄电池在充电或极板化成时实际消耗
的电量大于理论消耗的电量。
产生的氧气穿过隔板孔隙及其它通道进入负极进行复合,此时负极发生还原反应,为阴极,故亦称阀控式密封铅酸蓄电池为阴极吸收式电池。
其电化学反应式为:
1/202+Pb+H2SO4=PbSO4+H2O。
当负极电势达到析氢电势值时,负
极上有氢气析出,其电化学反应式为:
2H++2e=H2to
铅酸蓄电池中玻璃纤维隔板吸附电解液饱合度一般不高于90%,
若太高,隔板孔隙被电解液填满,正极产生的氧气便无法通过隔板孔隙到达负极进行复合,复合反应效率低,电池内压升高,安全阀频繁开启,造成电池失水严重,寿命缩短。
6.铅酸蓄电池电特性:
1)电动势:
蓄电池正极平衡电极电势与负极平衡电极电势之差。
蓄电池电动势值由电池进行反应的性质和条件决定,与电池的大小和
形状无关。
(2)平衡电极电势的产生:
将一金属电极插入含有该金属离子的溶
液中,由于该金属离子在金属中与在溶液中的化学势不同,因而发生
金属离子在金属电极和溶液之间的转移。
在静电力的的作用下,这种
转移很快达到动态平衡,这时金属电极表面所带符号与金属电极表面
附近溶液中离子所带电荷符号相反,数量相等,于是在金属电极与溶
液界面处形成双电层,对应于双电层的建立,金属电极和溶液内便产
生一定的电势差,称为平衡电极电势,其绝对值无法测得,只能是相
对值。
(3)开路电压:
电池处于开路时正极的稳定电极电势与负极的稳定
电极电势之差。
开路电压范围:
2V系列单体,2.13〜2.18V。
(4)稳定电极电势:
如上述平衡电极电势建立所述,当电极处在可
逆状态下,金属与金属离子处于动态平衡,这是一种理想状态,事实上,在电解质水溶液中,电极上不但存在着金属与金属离子一对氧化还原反应,同时还存在着H+的还原和H2的氧化(或者是H2O的氧化
和02的还原)的另一对电化学反应。
其电化学反应式为:
Me-zeMez+
>+
H2-2e—2H+
H2O-2e^*=^H++1/2O2
理想状态下,只存在着反应①,实际上反应①和②或③同时存在,氧化反应所失去的电子为还原反应所得,这样就能保持电极上电子的平衡,然而其荷电状态与只存在反应①不同,这时建立的电极电势称
为稳定电极电势。
由于反应①和②同时存在,金属将不断溶解,H2将
不断析出,但金属溶解和H2析出的速度均很慢,电极电荷状态与只有反应①时变化不大,故稳定电极电势与平衡电极电势值很接近,但如果析氢过电位很小的情况下,二者电势值的差别将很明显。
所以在一般情况下,可将电池的开路电压视同为电池的电动势。
5)开路电压的应用:
A:
从充足电并开路搁置48h以上电池所测得的开路电压值可
以大略判断该电池电解液密度(开路电压值=0.85+P,P为电解液密
度)。
B:
判断电池的荷电状态,估算电池自放电程度,确定电池是
否需要补充电。
C:
判断电池失效原因:
若为极板硫酸盐化电池,其开路电压
值下降,充电时电压值高;若为活性物质软化脱落电池,其开路电压
值正常,但放电容量低。
6)容量:
蓄电池以一定的放电电流,在规定的放电终止电压条件
下,放电时能释放出的电能。
A:
不同种类和用途电池,其额定容量规定不同,如固定型阀控
式密封铅酸蓄电池的额定容量为10h率放电容量,起动用铅酸蓄电池
的额定容量为20h率放电容量,内燃机车用密封铅酸蓄电池的额定容
量为5h率放电容量,电动助力车用铅酸蓄电池的额定容量为2h率放
电容量。
B:
蓄电池容量与放电电流有关,放电电流愈大,其放电容量愈
低。
如固定型阀控式密封铅酸蓄电池,当I=0.10C10(A),Ce=100%C10
(Ah);当l=O.25Cio(A),Ce=75%Go(Ah);当l=O.55Cio(A),Ce=55%Go
Ah)。
这是由于放电电流愈大,电化学反应速度愈快,极板内硫酸电解液消耗也愈快,由于电化学反应生成的硫酸铅的覆盖,大体溶液中的硫酸电解液不能迅速向深层扩散补充,反应便提前终止。
放电电流愈大,活性物质利用率愈低。
C:
蓄电池放电容量与放电时电池内温有关。
电池内温高,电池
电解液温度高,电解液电阻率下降,使电池内阻降低。
放电时,电池电压U=E-I(R+r),式中E为电池电动势,R为负载电阻,r为电池内阻,当r减小,使电池电压值在同样时间里相对较高,维持至终止电压时间也相对延长,从而提高放电容量。
电池放电容量与电池内温对应关系:
Ct=Ce〔1+K(t-25C)〕,
式中Ct——电池内温为t时放电容量;
t——放电时电池内温;
K——温度补偿系数,10h率时为0.006/C,3h率时为0.008/C,
1h率时为0.010/C。
在检测电池容量时,当电池内温偏离25C时,应对电池放电容
量进行补偿,内温高时,要求放电容量较高,内温低时,要求放电容量较低。
7)电化当量:
充、放电过程中,
正极电化学反应为:
负极电化学反应为:
PbS。
4+J+2e=Pb+HSS
综合正、负极电化学反应为:
PbSC4+2H2C+PbSC4PbC2+2H2SC4+Pb
1在化学上,1A的电流在1s内通过的电量为1为库仑,则
1Ah=1(A)*3600(s)=3600AS=3600库仑;
2在上述正、负极电化学反应中产生2摩尔电子参与氧化还
原反应,在化学上1摩尔电子数量为6.023*1023个,每1个电子的电量为1.6*10-19库仑,则每1摩尔电子的电量为6.023*1023*1.6*10-19
=9.632*104库仑二26.8(Ah);
3上述电化学反应中产生2摩尔电子将消耗1摩尔的二氧化铅和1摩尔的绒状铅,1摩尔二氧化铅物质量为207.6+32=239.(g);
1摩尔绒状铅物质量为207.6(g),电化学中把产生1Ah电量所消耗
的活性物质的量称为该活性物质的电化当量,则二氧化铅的电化当量为239.6/2=119.8(g/摩尔)=119.8/26.8=4.466(g/Ah);绒状铅的电化
当量为207.6/2=103.8(g/摩尔)=103.8/26.8=3.868(g/Ah)。
(8)铅酸蓄电池的失效模式:
1正板栅腐蚀
2热失控
3失水
4容量衰竭
(9)铅酸蓄电池的自放电
①负极产生的自放电:
由于负极活性物质铅为活泼的金属粉末电
极,在硫酸溶液中,电极电位比氢低,可以发生置换氢气的反应,通
常把这种现象叫做铅自溶,其反应式为:
Pb+H2SO4=PbSQ+H2|
影响铅自溶的因素:
A随硫酸电解液浓度及温度的增加而增大;
B蓄电池负极表面有各种金属杂质存在,当某种金属杂质的析
氢超电势值低时,就能与负极活性物质形成腐蚀微电池,从而加速铅自溶,如铁、锑、银等金属存在时,特别是铁的影响极大。
在负极:
Fe3++HS04-+Pb=PbSQ+H++2Fe2+
在正极:
2Fe2++3H++HS04-+PbO?
=PbSQ+2出0+2Fe3+
C正极析出氧气的影响
1/202+Pb+H2SO4二PbSQ+HkO
②正极产生的自放电
正极自放电的产生主要有以下几个方面:
A正极板栅中金属锑、铅及银的氧化:
5PbO2+2Sb+6H2SO4=(SbO2)2SO4+5PbSQ+6哉0
PbO2+Pb+H2SO4=PbS04+2H2O
PbO?
+Ag+H2SO4=AgSOq+PbS04+2H2O
B极板孔隙深处和极板表面硫酸浓度差所产生的浓差电池产生
自放电,这种自放电因素随着充电完成后搁置时间延长浓度差减小而
逐渐减小。
C负极产生氢气的影响
H2+PbO2+H2SO4=PbSO4+H2O
D正极板中铁离子的影响
2Fe2++3H++HSO4-+PbO2=PbSO4+2H2O+2Fe3+
4自放电状况检查
A质量法:
无论什么原因造成的自放电,都使极板的活性物质转化成硫酸铅,使极板的质量增加,因此对正、负极板测其质量增加情况就可以比较自放电量的多少。
B测量电解液密度:
容量减少后,蓄电池的电解液密度要降低,所以蓄电池搁置一段时间后测量其电解液密度可估算其容量损失。
搁置环境温度愈高其容量损失愈大。
C电压降法:
5减少自放电的措施
严格控制原材料的杂质;严格控制生产过程中可能混入的杂质;为了避免锑的有害作用,采用无锑板栅;合理控制成品电池电解液密度;在合适环境下贮存、使用,最好能保证环境温度在25C左右。
铅酸蓄电池生产工艺、检验规范
1.铅酸蓄电池极板生产工艺流程。
见方框图1。
2.大中密电池装配生产工艺流程。
见方框图2。
3.电池内化成充电与采用熟极板组装电池初充电差别何在?
内化成充电充入电量倍率远高于熟极板组装电池初充电倍率,
4.内化成与槽化成相比,优点、缺点?
内化成充电,
(1)节省场地,节省(槽化成)设备;
(2)省去槽化
成后极板表面清洗及表面干燥,可防止负极板表面氧化;(3)极板化成质量状况不便于观察、检查;
A生极板组装电池灌酸后电池温升与熟极板组装电池温升是否
不同?
灌酸时对电解液温度是否有限制?
电池灌酸后至开机充电
对搁置时间及电池内温是否有限制?
生极板组装电池灌酸后有电
压吗?
熟极板组装电池灌酸后电压范围是多少?
B制造铅粉的1号电解铅,其铅含量》99.994%;经熔化、制成
铅块或铅球、磨成铅粉后,氧化铅(PbO)含量70%〜80%,铅
含量20%〜30%,大中小密不同、正负极板不同,其铅粉的氧化
铅含量及视密度不同,视密度范围为1.38〜1.70g/cm3;经加入纯
PbO.PbSO4、3PbO.PbSO4.H2O、4PbO.PbSO4、H2O等,大中小密
不同、正负极板不同、手工机械加工工艺不同,其铅膏的视密度
不同,视密度范围为4.00〜4.60g/cm3;经涂片、固化干燥后,所
制成生极板中铅膏成份为Pb、PbO、PbSO4、PbO.PbSO4、
3PbO.PbSQ.HzO、4PbO.PbSQ、H2O等,要求生极板含水量w
0.5%,正生极板Pb含量W3%,负生极板Pb含量w5%;
极板生产工艺流程
注:
大方框中为生极板工艺流程。
装配生产工艺流程
5.
蓄电池装配松紧度估算。
6.
关于浓硫酸的使用及用量。
硫酸密度与温度的关系:
Pt=P25-a(t-25),a为温度
系数,0.0007。
配制电解液时确定其密度时要根据其温
度进行调整。
生变化,在密度为1.100~1.350g/ml范围内电阻率最小;
温度升高,电阻率减小,由此可解释环境温度高时电池
放电容量较高现象。
在正常密度范围内(1.250~1.350g/ml)硫酸溶液冰点为
-50C,若硫酸溶液密度为1.06g/ml,在3C就有冰结晶,
因而在放电态,特别是过放电时,硫酸电解液可达到此
密度,就会造成电池失效。
其用量为5.49g/Ah,熟极板所用硫酸溶液密度为
1.295g/ml,百分比浓度为40%,则每安时需加入密度为
1.295g/ml的硫酸溶液量为5.49/0.4=13.725(ml)。
系列)、铜极柱上作标识时因疏忽将“+”写反,封盖时封反
2V系列);
(2)电池组连接时正负极接错。
承担着给每一片极板传导电流任务,如果虚焊或烧伤(汇流
排底部极耳处用手拨或晃动极板时易断裂)就可能使该片极板失去作用。
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