鉛酸電池詳細資料

蓄電池的發展歷史和現狀

蓄電池是1859年由普蘭特(plante)發明的，至今已有一百多年的歷史。鉛酸蓄電池自發明后，在化學電源中一直占有絕對優勢。這是因為其價格低廉、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境溫度范圍等優點。到20世紀初，鉛酸蓄電池歷經了許多重大的改進，提高了能量密度、循環壽命、高倍率放電等性能。然而，開口式鉛酸蓄電池有兩個主要缺點：①充電末期水會分解為氫，氧氣體析出，需經常加酸、加水，維護工作繁重；②氣體溢出時攜帶酸霧，腐蝕周圍設備，并污染環境，限制了電池的應用。近二十年來，為了解決以上的兩個問題，世界各國競相開發密封鉛酸蓄電池，希望實現電池的密封，獲得干凈的綠色能源。1912年ThomasEdison發表專利，提出在單體電池的上部空間使用鉑絲，在有電流通過時，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現：①鉑催化劑很快失效；②氣體不是按氫2氧1的化學計量數析出，電池內部仍有氣體發生；③存在爆炸的危險。60年代，美國Gates公司發明鉛鈣合金，引起了密封鉛酸蓄電池開發熱，世界各大電池公司投入大量人力物力進行開發。1969年，美國登月計劃實施，密封閥控鉛酸蓄電池和鎘鎳電池被列入月球車用動力電源，最后鎘鎳電池被采用，但密封鉛酸蓄電池技術從此得到發展。1969-1970年，美國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，這是最早的商業用閥控式鉛酸蓄電池，但當時尚未認識到其氧再化合原理。1975年，GatesRutter公司在經過許多年努力并付出高昂代價的情況下，獲得了一項D型密封鉛酸干電池的發明專利，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，又發明了MFX正板柵專利合金，開始大規模宣傳并生產大容量吸液式密封免維護鉛酸蓄電池。1984年，VRLA電池在美國和歐洲得到小范圍應用。1987年，隨著電信業的飛速發展，VRLA電池在電信部門得到迅速推廣使用。1991年，英國電信部門對正在使用的VRLA電池進行了檢查和測試，發現VRLA電池并不象廠商宣傳的那樣，電池出現了熱失控、燃燒和早期容量失效等現象，這引起了電池工業界的廣泛討論，并對VRLA電池的發展前途、容量監測技術、熱失控和可靠性表示了疑問，此時，VRLA電池市場占有率還不到富液式電池的50％，原來提到的“密封免推護鉛酸電池”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”容易引起誤解。1992年，針對1991年提出的問題，電池專家和生產廠家的技術員紛紛發表文章提出對策和看法，其中DrDaridFeder提出利用測電導的方法對VRLA電池進行監測。I．c．Bearinger從技術方面評述VRLA電池的先進性。這些文章對VRLA電池的發展和推廣應用起了很大的促進作用。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電池基本取代傳統的富液式電池，VRLA電池已經得到了廣大用戶的認可。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(簡稱VRLA電池)，其基本特點是使用期間不用加酸加水維護，電池為密封結構，不會漏酸，也不會排酸霧，電池蓋子上設有單向排氣閥(也叫安全閥)，該閥的作用是當電池內部氣體量超過一定值(通常用氣壓值表示)，即當電池內部氣壓升高到一定值時，排氣閥自動打開，排出氣體，然后自動關閥，防止空氣進入電池內部。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，貧電液設計，電池內無流動的電解液,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，一般立放工作。目前文獻和會議討論的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反應原理閥控式鉛酸蓄電池的電化學反應原理就是充電時將電能轉化為化學能在電池內儲存起來，放電時將化學能轉化為電能供給外系統。其充電和放電過程是通過電化學反應完成的，電化學反應式如下：從上面反應式可看出，充電過程中存在水分解反應，當正極充電到70％時，開始析出氧氣，負極充電到90％時開始析出氫氣，由于氫氧氣的析出，如果反應產生的氣體不能重新復合得用，電池就會失水干涸；對于早期的傳統式鉛酸蓄電池，由于氫氧氣的析出及從電池內部逸出，不能進行氣體的再復合，是需經常加酸加水維護的重要原因；而閥控式鉛酸蓄電池能在電池內部對氧氣再復合利用，同時抑制氫氣的析出，克服了傳統式鉛酸蓄電池的主要缺點。·閥控式鉛酸蓄電池的氧循環原理閥控式鉛酸蓄電池采用負極活性物質過量設計，AG或GEL電解液吸附系統，正極在充電后期產生的氧氣通過AGM或GEL空隙擴散到負極，與負極海綿狀鉛發生反應變成水，使負極處于去極化狀態或充電不足狀態，達不到析氫過電位，所以負極不會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。閥控式鉛酸蓄電池氧循環圖示如下：可以看出，在閥控式鉛酸蓄電池中，負極起著雙重作用，即在充電末期或過充電時，一方面極板中的海綿狀鉛與正極產生的O2反應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行還原反應，由硫酸鉛反應成海綿狀鉛。在電池內部，若要使氧的復合反應能夠進行，必須使氧氣從正極擴散到負極。氧的移動過程越容易，氧循環就越容易建立。在閥控式蓄電池內部，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散，到達負極表面；二是以氣相的形式擴散到負極表面。傳統富液式電池中，氧的傳輸只能依賴于氧在正極區H2S04溶液中溶解，然后依靠在液相中擴散到負極。如果氧呈氣相在電極間直接通過開放的通道移動，那么氧的遷移速率就比單靠液相中擴散大得多。充電末期正極析出氧氣，在正極附近有輕微的過壓，而負極化合了氧，產生一輕微的真空，于是正、負間的壓差將推動氣相氧經過電極間的氣體通道向負極移動。閥控式鉛蓄電池的設計提供了這種通道，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。對于氧循環反應效率，AGM電池具有良好的密封反應效率，在貧液狀態下氧復合效率可達99％以上；膠體電池氧再復合效率相對小些，在干裂狀態下，可達70-90％；富液式電池幾乎不建立氧再化合反應，其密封反應效率幾乎為零。