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1、电池的基本知识铅酸蓄电池的简介阀控式铅酸蓄电池(VRLA)如何正确使用VRLAVRLA的安全问题1第1页/共40页电池：通过化学反应提供直流电能的电化学装置2一次电池：不可充电，如锌锰、碱性、锂电池二次电池：可充电，如铅酸、镍氢、锂离子电池高级电池：结构特殊，性能卓越，如锌空电池，以空气做正极，体积很小，用于助听器什么是电池？第2页/共40页燃料电池：Fuel Cell,FC,将存在于燃料(氢气)和氧化剂(氧气)中的化学能转化为电能的装置不是蓄电池，是发电机1839年由英国的Grove发明3太阳能电池：物理电源，通过光电效应或光化学效应直接把光能转化为电能的装置1883年Charles发明首块
2、太阳能电池前景广阔，目前成本高，限制了应用什么是电池？第3页/共40页41800年Vote伏打电堆1859年法国Plante铅酸蓄电池丹尼尔电池英国Daniel1835年锌锰电池法国Leclanche1866年1899年瑞典Jungner镍镉电池碱性电池Urry1950年1990年索尼公司锂离子电池电池的历史第4页/共40页电池由外壳、正极、负极、端子、隔膜等组成5电池结构示意图外壳：一般是塑料或金属材质正极：电流的流出端负极：电流的流入端端子：内部与活性物质相连，外接用电器隔膜：防止 正、负极短路，并提供电子的内部传递通道电池的结构第5页/共40页电池的基本知识铅酸蓄电池的简介阀控式铅酸蓄电
3、池(VRLA)如何正确使用VRLAVRLA的安全问题6第6页/共40页铅酸蓄电池(Lead-Acid Battery,LAB)，是指正负极活性物质分别 是铅和二氧化铅、由硫酸水溶液做电解液的二次电池分富液式和贫液式两大类，贫液式就是目前广泛应用的阀控式密闭铅酸蓄电池，事实上它不并是完全密闭的主要应用于交通、通信、后备电源等领域具有价格低廉、可靠性高、维护简单等优点由于铅对人体有害、硫酸污染环境、腐蚀设备，因此应用领域受到限制虽然有被镍氢、锂离子电池等取代的趋势，但由于价格、安全、可靠性等原因仍将长期占据二次电池的大部分市场7什么是铅酸蓄电池？第7页/共40页81859年法国Plante发明铅酸
4、蓄电池AGM隔离板美国Gate公司1971年PSOC技术NorthStar2001年卢森堡第一座铅蓄厂Trible双极硫酸盐化理论1882年1957年德国阳光公司胶体技术1890年Phillipart管式极板铅钙合金Haring1935年铅酸蓄电池的历史第8页/共40页富液式：不能卧式放置，需经常加水加酸和调整酸的浓度等复杂维护；酸液挥发会污染环境并腐蚀设备涂膏式极板：工艺简单，是最古老的铅蓄管式正极板：寿命长 主要是OPzS型9阀控式：也叫贫液式，电池以安全阀密封，内压过大时开阀排气，内部无游离酸AGM(Absorbed Glass Mat)：目前使用最广的技术，吸附电解液的AGM做隔离板胶
5、体(Gel)：低温性能更好，寿命更长铅酸蓄电池的分类第9页/共40页电池的基本知识铅酸电池的简介阀控式铅酸蓄电池(VRLA)如何正确使用VRLAVRLA的安全问题10第10页/共40页阀控式铅酸蓄电池(Valve Regulated Lead-Acid Battery,VRLA)，广泛使用的一种铅酸蓄电池，主要特点是：电解质吸附于AGM隔板中或者变成胶体状态，内部无游离酸每个单体有一个安全阀，大部分时间处于密封状态，内压过大时开阀排气降压1938年Dassler提出的气体复合原理是VRLA的理论基础1957年德国阳光公司的胶体(GEL)技术和1971年美国Gates公司的AGM技术是VRLA的
6、实践基础目前主要有AGM技术和GEL技术两种11什么是阀控式铅酸蓄电池？第11页/共40页阀控式铅酸蓄电池：通过安全阀排出内部生成的多余气体的铅酸蓄电池12铅酸蓄电池结构示意图外壳：一般是塑料外壳如ABS，PP等，也有外部再加钢壳的正极：主要是红棕色氧化铅(PbO2)负极：主要是海绵状的金属铅(Pb)端子：铅或铜质，铜端子更常见隔膜：AGM或胶体，吸附硫酸水溶液安全阀：内部气体溢出通道，一般加防爆石和滤酸器高端电池有时配备排气孔和导气管，保证电池柜内氢气的零积累阀控式铅酸蓄电池的结构第12页/共40页卷绕式极板结构特点装配紧密极板更薄优点较宽的工作温度范围(-5070)大电流充放电性能更好搞震
7、性能良好可靠性高缺点工艺复杂，造价高不适用于浮充适用范围国防，医疗器械，仪表13特殊的阀控式铅酸蓄电池第13页/共40页板栅：占蓄电池总质量的20%30%，主要作用是：活性物质的载体：铅膏靠板栅保持和支撑集流体：担负着电流的传导、集散作用并使电池分布均匀性能要求：导电性好，耐腐蚀，与活性物质结合性好，足够的强度14阀控式铅酸蓄电池的结构目前最广泛使用的Pb-Sb和Pb-Ca合金：Pb-Sb合金循环性能好，但易失水，正极板栅腐蚀快Pb-Ca合金浮充性能好，板氢电位高因此失水率低，导电性能好，但易出现PCL-1及板栅膨胀而导致的活性物质脱落Pb-Ca-Sn-Al合金：铅钙系合金的代表，目前使用最广
8、泛其它：德国曾生产用于军事的镀铅的铜板栅以及导电塑料板栅，成本高昂第14页/共40页正极：由网格状金属板栅上涂覆铅膏组成，铅膏是正极活性物质，主要成分是氧化铅，红棕色正极活性物质的泥化失效以及正极板栅的腐蚀是VRLA失效的重要原因正极板一般较厚，以应对活性物质的泥化脱落，而且比负极板少一片常温低率放电时，电池容量受限于正极15阀控式铅酸蓄电池的结构二氧化铅有-PbO2和-PbO2两种晶体：-PbO2是斜方晶系，晶粒较大，可以形成网络或骨骼，使正极活性物质的结构完整从而有较长的寿命-PbO2是正方晶系，晶粒较小因此有更大的比表面积，放电时给出的容量是-PbO2的1.53倍第15页/共40页电池寿
9、命初期，活性物质以-PbO2为主，寿命末期以-PbO2为主：电池寿命初期，正极活性物质以为-PbO2主放电时-PbO2生成PbSO4，充电时PbSO4生成-PbO2，因此在初期循环中电池的容量越来越高随着循环的进行，-PbO2的比例增加，活性物质间的结合慢慢减弱，充电过程中在析氧的冲击下，正极活性物质密度下降，最后软化成泥状物脱落，导致寿命终止由于-PbO2有较好的机械强度和结构，由其形成的多晶网络可作为活性物质的骨骼，而-PbO2有较小的尺寸和较大的比表面积，可给出较大的比容量，二者最优的比例是0.8，此时电池有最好的深放电性能16阀控式铅酸蓄电池的结构第16页/共40页负极：由负极板栅及涂
10、覆其上的负极活性物质组成，负极活性物质主要是海绵状金属铅，呈金属灰色低温(-15)、高率(1HR)放电时，电池容量受限于负极，原因是铅电池的钝化即生成的硫酸铅将电解液与活性物质隔离17阀控式铅酸蓄电池的结构负极添加剂主要包括膨胀剂、阻化剂：膨胀剂：防止在循环过程中负极活性物质表面积收缩，同时起去钝化作用，常用的无机膨胀剂是硫酸钡、乙炔黑等，有机膨胀剂腐殖酸、木质素等阻化剂：提高析氢过电位，阻滞铅电池在制造过程中的氧化负极的不可逆硫酸盐化是电池提前失效的重要原因之一第17页/共40页不可逆硫酸盐化：简称硫化，是负极活性物质在一定条件下生成坚硬而粗大的、几乎不溶解的硫酸铅，所以在充电时不能转化为海
11、绵状铅，使电池容量大大降低的现象原因：通常是长期充电不足或放电状态下长期储存等使用或维护不当造成防止：及时充电，不要过放电18不可逆硫酸盐化正常的负极活性物质粗大的硫酸铅晶体第18页/共40页额定电压最常见的是12V系列，2V的主要应用在工业上，6V的不常见，用于某些设备如医疗设备等额定容量在一定标准下，由生产厂商定义的电池的容量通信用铅酸电池的额定标准标准是25时以10HR放电至1.80VPC实际容量因温度、放电率和终止电压的不同而不同终止电压Final Voltage,F.V.，为了保护电池，放电至F.V.时应停止放电终止电压与放电电流大小有关：电流越小，终止电压越高0.1C放电的F.V.
12、一般为1.80VPC19铅酸电池的相关定义第19页/共40页充电电压分均充(Boost)和浮充(Float)，充电电压值主要跟电解液浓度有关均充电压：25时约为2.35VPC，充电速度快，根据电流不同，可在510小时内充满电浮充电压：25时一般为2.232.27VPC，在该电压下充电速度和自放电速度相当温度不同时，电压应做相应的调整，叫做温度补偿放电深度是指放出电量占电池额定容量的百分比(Depth of Discharge,DOD)；不同放电深度下，电池的循环寿命差异较大，放电深度越深，寿命越短温度补偿系数环境温度变化1时充电电压的改变值叫温补系数，通常为-24mV/该值为负表示温度升高时充
13、电电压降低温度补偿范围一般为05020铅酸电池的相关定义第20页/共40页重量可以用来衡量电池的含 铅量VRLA含铅的质量分数约60%12V100Ah电池质量约33千克内阻一般在充满电的状态下以1000Hz的交流电测量内阻反映了电池用料的纯度内阻小的电池寿命长12V100Ah电池的内阻约3.56m2V系列的、容量大的电池内阻更小一致性串联使用时，某些落后电池会使整组电池容量降低、使用寿命缩短先进的制造工艺提高电池的一致性21铅酸电池的相关定义第21页/共40页开路电压(Open Circuit Voltage,OCV)最大意义在于能衡量电池的荷电状态(State of Charge,SOC)需
14、要在充电或放电结束后两小时测量因厂商、应用领域、技术等因素，100%SOC的电压不同22铅酸电池的相关定义某国外品牌VRLA开路电压和荷电状态关系图第22页/共40页双极硫酸盐化理论：1882年由Tribe和Gladstone提出，简称双硫化理论，该理论认为电池在放电时正、负极都生成硫酸铅：充电时反应逆向23正极：PbO2+3H+HSO4+2e PbSO4+2H2O负极：Pb+HSO4 PbSO4+H+2e 总反应：Pb+PbO2+2H+2HSO4 2PbSO4+2H2O铅酸蓄电池的工作原理第23页/共40页副反应：主要包括充电时负极的析氢反应、正极的析氧反应以及析栅的腐蚀24负极的析氢反应：
15、2H+2e H2过充电时析氢速率加快采用铅钙合金以提高析氢过电位正极的析氧反应：2H2O4H+O2+4e 贫液设计，隔离板预留通道，氧气扩散到负极进行复合目前的氧气复合效率为93%99%板栅的腐蚀反应：Pb+2H2OPb(OH)2+H2采用含锑合金板栅的腐蚀是电池浮充使用寿命终止的重要原因铅酸蓄电池的工作原理第24页/共40页充电时部分电量用于电解水；充电容量到80%后，该反应加剧氧的复合反应：正极生成的氧气通过AGM隔板的孔隙扩散到负极，与铅反应生成氧化铅，氧化铅和硫酸反应生成硫酸铅和水，硫酸铅经充电变成负极活性物质铅，水则进入电解液：关键工艺：高孔隙率的AGM隔板：孔隙率93%以上定量加酸
16、：AGM隔板吸酸后仍有10%左右的孔隙率过量的负极活性物质：比正极的容量多10%20%极群的紧装配、高纯度的铅钙合金、稳定可靠的安全阀等25阀控式铅酸蓄电池的关键技术氧的复合反应第25页/共40页负极自放电生成气体，充电至80%后电解水也生成气体：安全阀的作用：开阀降压防止膨胀，隔绝空气减缓自放电开阀压力1049kPa，闭阀压力110kPa有柱型和帽型两种安全阀失效是电池膨胀的原因之一26H2OH2+O2安全阀第26页/共40页电池的基本知识铅酸电池的简介阀控式铅酸蓄电池(VRLA)如何正确使用VRLAVRLA的安全问题27第27页/共40页汽车、摩托车的启动、点火、照明：SLI电池通信、电力
17、行业：前者多为48V系统，后者多用384VUPS行业：如应急照明系统，数据库的不间断电源系统电动车行业：电动汽车(EV)和电动自行车28铅酸蓄电池的应用第28页/共40页循环使用电池频繁的进行放电和充电，如电动自行车主要受放电深度的影响，跟充电方式也有关普通电池的100%DOD放电寿命为300800次29浮充使用长期进行在浮充状态，偶尔进行放电，如UPS主要受环境温度影响，跟浮充关系密切根据定位不同，寿命从5年到20年不等铅酸蓄电池的工作方式第29页/共40页高温理想工作温度是1525较高的温度可提高容量，但缩短寿命温度每升高10，浮充寿命缩短一半，循环寿命缩短约15%30频繁的充放电除前几次
18、循环外，每次充放电都会导致电池的容量下降部分高性能AGM电池的浅循环寿命可达数千甚至上万次，但几乎所有AGM电池的100%DOD循环寿命均只有300500次铅酸蓄电池的两大天敌第30页/共40页早期容量损失(Premature Capacity Loss,PCL)，是铅酸蓄电池深循环使用时的极大障碍，主要表现是电池使用期间过早地出现容量衰退(C100.8C10)，并在一般的充电方式下容量难以恢复PCL有三种模式PCL-1：界面的影响，表现在最初的数十次循环内电池性能迅速下降，是由于正极板栅和活性物质的界面形成了非导电层，产生了较大的电阻，在充放电时发热使板栅附近的正极活性物质膨胀失去活性；解决
19、办法是选择正确的板栅合金以提高界面的导电性PCL-2：正极活性物质的影响，循环使用时正极活性物质颗粒膨胀引起它们之间的连接破坏、导电性变差；放电越深、越快，膨胀趋势越大，导致了氧化铅的软化和脱落，在高率放电时更明显；解决办法是采用回弹性能好的AGM板、增加群压PCL-3：负极的影响，一般在200多个循环后发生，负极板下部硫酸盐化；解决办法是采用高纯度的膨胀剂、提高初始充电电流31铅酸蓄电池的早期容量损失第31页/共40页价格低：得益于所有成分都是常用化学物质负载大：可以大电流充电和放电耐用：耐过充电和过放电温度要求低：工作温度范围广，-40+65可靠：是目前最可靠的二次电源型号全：从数安时到数
20、千安时，从数百克到数百千克32铅酸蓄电池的优势第32页/共40页笨重：12V100Ah电池重量约35千克，相同规格的锂离子电池不足10千克循环寿命短：100%DOD循环寿命通常只有几百次高温性能差：温度升高10，浮充寿命减半硫化：即失效，放电状态存储导导致硫化污染：铅和硫酸都是高污染物质，VRLA含60%的铅和10%的硫酸33铅酸蓄电池的缺点第33页/共40页VRLA有AGM和GEL两种技术，二者的差异主要是：内阻：GEL技术需要采用传统的隔板双防止枝晶增长造成的短路，因此内阻较大，在某些较大负载应用中例如SLI等性能稍差重力效应：GEL技术由于酸的固定更坚实而受重力影响较小，AGM技术中30
21、cm的隔板即存在重力效应而GEL技术需要300cm才能看到，因此GEL技术的循环效果更好什么是重力效应？也叫分层效应，指蓄电池在充放电期间不同高度的电解液浓度的改变在富液电池中，酸的分层会引起严重后果，但VRLA中电解液的固定很大程度的降低了分层效应循环使用时，如果电解液得不到混合，酸的分层会使电流分布不均衡，特别是较高的电池55cm高、1.24g/cm3的硫酸的电池中，经6次循环，顶部和底部酸的浓度会分别变为1.13和1.31g/cm3底部酸的浓度变大会损害负极板，高浓度酸使负极板更容易硫酸盐化34两类阀控式铅酸蓄电池的对比第34页/共40页优点循环性能好深放电恢复性能好电解液几乎不分层，可
22、以做得较高较好的高温性能，不易热失控，因为是富液可以用于管式极板缺点内阻较大初期有酸雾溢出不适合快速充电和高倍率放电低温性能不理想不适合于薄型极板35胶体技术的特点第35页/共40页电池的基本知识铅酸电池的简介阀控式铅酸蓄电池(VRLA)如何正确使用VRLAVRLA的安全问题36第36页/共40页危险性：普通塑料外壳在热失控时会燃烧防范：采用UL94 HB以上标准的阻燃外壳37危险性：密闭环境导致H2积累，遇明火爆炸防范：保持环境通风，禁止明火危险性：外壳破裂时，充放电循环后酸液泄漏防范：轻拿轻放，不要撞击铅酸蓄电池的安全使用第37页/共40页陆运：震动，撞击海运：高温空运：低气压，震动，低温IATA DGR(International Air Transport Association,Dangerous Goods Regulations)ICAO (International Civil Aviation Organization)38铅酸蓄电池的运输安全第38页/共40页谢谢！问题？39第39页/共40页