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鉛蓄電池工作原理是怎么樣的

鉅大LARGE  |  點擊量:2770次  |  2018年08月02日  

鉛蓄電池由正極板群、負極板群、電解液和容器等組成。充電后的正極板是棕褐色的二氧化鉛(PbO2),負極板是灰色的絨狀鉛(Pb),當兩極板放置在濃度為27%~37%的硫酸(H2SO4)水溶液中時,極板的鉛和硫酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng),二價的鉛正離子(Pb2+)轉(zhuǎn)移到電解液中,在負極板上留下兩個電子(2e-)。由于正負電荷的引力,鉛正離子聚集在負極板的周圍,而正極板在電解液中水分子作用下有少量的二氧化鉛(PbO2)滲入電解液,其中兩價的氧離子和水化合,使二氧化鉛分子變成可離解的一種不穩(wěn)定的物質(zhì)——氫氧化鉛〔Pb(OH)4)。氫氧化鉛由4價的鉛正離子(Pb4+)和4個氫氧根〔4(OH)-〕組成。4價的鉛正離子(Pb4+)留在正極板上,使正極板帶正電。由于負極板帶負電,因而兩極板間就產(chǎn)生了一定的電位差,這就是電池的電動勢。當接通外電路,電流即由正極流向負極。在放電過程中,負極板上的電子不斷經(jīng)外電路流向正極板,這時在電解液內(nèi)部因硫酸分子電離成氫正離子(H+)和硫酸根負離子(SO42-),在離子電場力作用下,兩種離子分別向正負極移動,硫酸根負離子到達負極板后與鉛正離子結(jié)合成硫酸鉛(PbSO4)。在正極板上,由于電子自外電路流入,而與4價的鉛正離子(Pb4+)化合成2價的鉛正離子(Pb2+),并立即與正極板附近的硫酸根負離子結(jié)合成硫酸鉛附著在正極上。


鉛酸蓄電池用填滿海綿狀鉛的鉛板作負極,填滿二氧化鉛的鉛板作正極,并用1.28%的稀硫酸作電解質(zhì)。在充電時,電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,放電時化學(xué)能又轉(zhuǎn)化為電能。電池在放電時,金屬鉛是負極,發(fā)生氧化反應(yīng),被氧化為硫酸鉛;二氧化鉛是正極,發(fā)生還原反應(yīng),被還原為硫酸鉛。電池在用直流電充電時,兩極分別生成鉛和二氧化鉛。移去電源后,它又恢復(fù)到放電前的狀態(tài),組成化學(xué)電池。鉛蓄電池是能反復(fù)充電、放電的電池,叫做二次電池。它的電壓是2V,通常把三個鉛蓄電池串聯(lián)起來使用,電壓是6V。汽車上用的是6個[2]鉛蓄電池串聯(lián)成12V的電池組。鉛蓄電池在使用一段時間后要補充蒸餾水,使電解質(zhì)保持含有22~28%的稀硫酸。


放電時,正極反應(yīng)為:PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+2H2O


負極反應(yīng):Pb+SO42--2e-=PbSO4


總反應(yīng):PbO2+Pb+2H2SO4===2PbSO4+2H2O(向右反應(yīng)是放電,向左反應(yīng)是充電)

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充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

鉛酸蓄電池用填滿海綿狀鉛的鉛板作負極,填滿二氧化鉛的鉛板作正極,并用1.28%的稀硫酸作電解質(zhì)。在充電時,電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,放電時化學(xué)能又轉(zhuǎn)化為電能。電池在放電時,金屬鉛是負極,發(fā)生氧化反應(yīng),被氧化為硫酸鉛;二氧化鉛是正極,發(fā)生還原反應(yīng),被還原為硫酸鉛。電池在用直流電充電時,兩極分別生成鉛和二氧化鉛。移去電源后,它又恢復(fù)到放電前的狀態(tài),組成化學(xué)電池。鉛蓄電池是能反復(fù)充電、放電的電池,叫做二次電池。它的電壓是2V,通常把三個鉛蓄電池串聯(lián)起來使用,電壓是6V。汽車上用的是6個[2]鉛蓄電池串聯(lián)成12V的電池組。鉛蓄電池在使用一段時間后要補充蒸餾水,使電解質(zhì)保持含有22~28%的稀硫酸。


放電時,電極反應(yīng)為:PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+2H2O


負極反應(yīng):Pb+SO42--2e-=PbSO4總反應(yīng):PbO2+Pb+2H2SO4===2PbSO4+2H2O(向右反應(yīng)是放電,向左反應(yīng)是充電)鉛酸蓄電池的工作原理


1、鉛酸蓄電池電動勢的產(chǎn)生


鉛酸蓄電池充電后,正極板二氧化鉛(PbO2),在硫酸溶液中水分子的作用下,少量二氧化鉛與水生成可離解的不穩(wěn)定物質(zhì)--氫氧化鉛(Pb(OH)4),氫氧根離子在溶液中,鉛離子(Pb4)留在正極板上,故正極板上缺少電子。

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鉛酸蓄電池充電后,負極板是鉛(Pb),與電解液中的硫酸(H2SO4)發(fā)生反應(yīng),變成鉛離子(Pb2),鉛離子轉(zhuǎn)移到電解液中,負極板上留下多余的兩個電子(2e)。


可見,在未接通外電路時(電池開路),由于化學(xué)作用,正極板上缺少電子,負極板上多余電子,如右圖所示,兩極板間就產(chǎn)生了一定的電位差,這就是電池的電動勢。


鋰電池原理


鋰離子電池的正極材料通常有鋰的活性化合物組成,負極則是特殊分子結(jié)構(gòu)的碳.常見的正極材料主要成分為LiCoO2,充電時,加在電池兩極的電勢迫使正極的化合物釋出鋰離子,嵌入負極分子排列呈片層結(jié)構(gòu)的碳中.放電時,鋰離子則從片層結(jié)構(gòu)的碳中析出,重新和正極的化合物結(jié)合.鋰離子的移動產(chǎn)生了電流.


化學(xué)反應(yīng)原理雖然很簡單,然而在實際的工業(yè)生產(chǎn)中,需要考慮的實際問題要多得多:正極的材料需要添加劑來保持多次充放的活性,負極的材料需要在分子結(jié)構(gòu)級去設(shè)計以容納更多的鋰離子;填充在正負極之間的電解液,除了保持穩(wěn)定,還需要具有良好導(dǎo)電性,減小電池內(nèi)阻.


雖然鋰離子電池很少有鎳鎘電池的記憶效應(yīng),記憶效應(yīng)的原理是結(jié)晶化,在鋰電池中幾乎不會產(chǎn)生這種反應(yīng).但是,鋰離子電池在多次充放后容量仍然會下降,其原因是復(fù)雜而多樣的.主要是正負極材料本身的變化,從分子層面來看,正負極上容納鋰離子的空穴結(jié)構(gòu)會逐漸塌陷、堵塞;從化學(xué)角度來看,是正負極材料活性鈍化,出現(xiàn)副反應(yīng)生成穩(wěn)定的其他化合物.物理上還會出現(xiàn)正極材料逐漸剝落等情況,總之最終降低了電池中可以自由在充放電過程中移動的鋰離子數(shù)目.


過度充電和過度放電,將對鋰離子電池的正負極造成永久的損壞,從分子層面看,可以直觀的理解,過度放電將導(dǎo)致負極碳過度釋出鋰離子而使得其片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷,過度充電將把太多的鋰離子硬塞進負極碳結(jié)構(gòu)里去,而使得其中一些鋰離子再也無法釋放出來.這也是鋰離子電池為什么通常配有充放電的控制電路的原因.


不適合的溫度,將引發(fā)鋰離子電池內(nèi)部其他化學(xué)反應(yīng)生成我們不希望看到的化合物,所以在不少的鋰離子電池正負極之間設(shè)有保護性的溫控隔膜或電解質(zhì)添加劑.在電池升溫到一定的情況下,復(fù)合膜膜孔閉合或電解質(zhì)變性,電池內(nèi)阻增大直到斷路,電池不再升溫,確保電池充電溫度正常.


而深充放能提升鋰離子電池的實際容量嗎?專家明確地告訴我,這是沒有意義的.他們甚至說,所謂使用前三次全充放的“激活”也同樣沒有什么必要.然而為什么很多人深充放以后BatteryInformation里標示容量會發(fā)生改變呢?后面將會提到.


鋰離子電池一般都帶有管理芯片和充電控制芯片.其中管理芯片中有一系列的寄存器,存有容量、溫度、ID、充電狀態(tài)、放電次數(shù)等數(shù)值.這些數(shù)值在使用中會逐漸變化.我個人認為,使用說明中的“使用一個月左右應(yīng)該全充放一次”的做法主要的作用應(yīng)該就是修正這些寄存器里不當?shù)闹?,使得電池的充電控制和標稱容量吻合電池的實際情況.


充電控制芯片主要控制電池的充電過程.鋰離子電池的充電過程分為兩個階段,恒流快充階段(電池指示燈呈黃色時)和恒壓電流遞減階段(電池指示燈呈綠色閃爍.恒流快充階段,電池電壓逐步升高到電池的標準電壓,隨后在控制芯片下轉(zhuǎn)入恒壓階段,電壓不再升高以確保不會過充,電流則隨著電池電量的上升逐步減弱到0,而最終完成充電.


電量統(tǒng)計芯片通過記錄放電曲線(電壓,電流,時間)可以抽樣計算出電池的電量,這就是我們在BatteryInformation里讀到的wh.值.而鋰離子電池在多次使用后,放電曲線是會改變的,如果芯片一直沒有機會再次讀出完整的一個放電曲線,其計算出來的電量也就是不準確的.所以我們需要深充放來校準電池的芯片.


鋰離子電池正極主要成分為LiCoO2負極主要為C充電時


正極反應(yīng):LiCoO2Li1-xCoO2+xLi++xe-


負極反應(yīng):C+xLi++xe-CLix


電池總反應(yīng):LiCoO2+CLi1-xCoO2+CLix


放電時發(fā)生上述反應(yīng)的逆反應(yīng)。

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