铅酸蓄电池原理

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金属表面的周围,聚集较多的金属离子,形成电双层。由于双层的建 立,电极和溶液之间便产生了一定的电位差,这就是电极电位。如果 电极处于平衡状态,即电极与溶液中的离子浓度已达到平衡,这时的 电极电位称作平衡电极电位。 由于水分子对电极离子的作用,而产生正、负离子的定向性,而 溶液中的电荷,绝大部分紧靠电极,称作紧密层,另一些电荷分散在 大溶液中,称作分散层。在紧密层的电位变化快,而分散层的电位变 化平稳,电双层起于电极,终止于溶液,这一段电位差,即为平衡电 极电位。用 Eph 表示。 平衡电极电位与温度及离子浓度有关,在 25℃时,可用“奈斯特方 程” 方程表示这一关系,即
上式表明, 二价铅离子从正二价变到正四价, 这一过程是氧化反应, 同时,也进行着还原反应。但氧化反应速度远大于还原反应速度,还 原反应可以忽略不计。另外正极有效物质的恢复,也是因为电源作用 的结果,所以也是电能转变化学能的过程。
上式表明,在充电过程中,正、负极上有效物质恢复为二氧化铅和 铅;电解液中硫酸分子增多,水分子减少,电解液变浓,比重增加。 蓄电池的电势由两极间的电位差决定,蓄电池电势的大小同蓄电池电 极上有效物质的电化学性质和电解液的浓度有关,同电极极板的大小 无关,因此,当电极有效物质确定后,铅酸蓄电池的电势主要同电解 液尝试决定。铅酸蓄电池的电势也与电解液的温度有关,但影响不大 (变化约 0.0003V/℃) ,可以忽略不计。 三、关于阀控铅酸蓄电池的若干问题 1.什么是电池的开路电压? 答:电池在开路状态下的端电压称开路电压。
铅酸蓄电池
一、概述 电池是将化学能转变为电能的装置,所以又叫化学电源。 常用的化学电源有原电池和蓄电池。 原电源是把化学能转变为电能的不可逆电池,只能使用一次,所以又 称为一次电池。 蓄电池既能把化学能转变为电能供给负载,又能把电能转换为化学能 储蓄起来,其转换过程是可逆的,能重复循环多次使用,所以蓄电池 又称为二次电池。 蓄电池供电方便、安全可靠,具有稳定的电压和较大的容量。 蓄电池主要由正负极板、电解液和电池槽(容器)等组成。电解液 通常是用电离度大的酸或碱的水溶液。以酸性溶液(常用稀硫酸)为 电解液的蓄电池,称为酸性蓄电池,以碱性为电解液的蓄电池,称为 碱性蓄电池。酸性蓄电池的电极多以铅及其氧化物为材料,所以又称 为铅酸蓄电池。铅酸蓄电池视使用场地,又可分为固定型和移动型两 大类。铅酸蓄电池价格较低、内阻小,效率高,但维护工作复杂;碱 性蓄电池维护容易,寿命长,结构坚固,不易损坏,但价格昂贵。 固定型蓄电池具有大容量, 且防酸、 隔爆、 消氢、 耐腐蚀和长寿命。 现在已推广使用阀控密封式铅酸蓄电池(VRLA 电池) 。 下面主要介绍的是目前在电力企业应用最多的铅酸蓄电池。 二、铅酸蓄电池的工作原理 2.1 电极电位和电动势 2.1.1 电极电位 将金属插入含有该种金属离子的溶液中,电极和溶液之间就产生一 定的的电位差,称为电极电位。电极电位有标准电极电位和平衡电极 电位的区别。一个电池正、负两极间的电压叫端电压。 2.1.2 标准电极电位 标准电极电位——把测量仪器的一端与被测电极相接,而另一极插 入溶液时,便构成两种金属与溶液的交界面,这样测得的量是两个电 极的相对电极电位,即一个电极相对另一个电极的电极电位。若选择 一电极作参考电极,令其电极电位为零,某被测电极和它组成一原电 池。若溶液为标准溶液(标准大气压下离子浓度为 1 摩尔/升) ,在温度 为 25℃时测得的电池电动势,便是被测电极的标准电极电位。
在电路中,电流从整流器正端流出,wenku.baidu.com电池正极,再经电解液、 电池负极,而回到整流器负端,电子在外电路作定向运动,而离子在
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电解液中作定向运动。整流器的作用是把电子从电位高的正极送回到 电位低的负极。 充电过程的电化反应与能量转换时情况: 负极:由于电子被不断地从正极输送到负极,使负极还原速度远大于 氧化速度,因此,硫酸铅不断还原为铅。反应式为 PbSO4+2e Pb+SO42在充电过程中,由于外电源的作用负极有效物质不断恢复,所以这一 过程是电能变换为化学能的过程。 正极:由于外电源的作用,使电子从正极输出,因而电解液中 H+离子 从正极周围移到负极,SO42-离子则移动到正极周围。这一过程的反应 为 PbO2+2e+4H+ Pb2++2H2O
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2. 什么是电池的工作电压? 答:电池接通负荷后在放电过程中显示的电压称为工作电压,又称负 荷电压或放电电压。 3. 电池容量常用什么符号表示?单位是什么? 答:电池容量常用符号为“C”表示,单位为“Ah”。 4. “C10”表示什么意思? 答:C10 表示电池的 10 小时率放电容量。 5. “I10”表示什么意思? 答:I10 表示电池 10 小时率放电电流。 6. “C10”和“I10”如何换算? 答:I10=C10/10(A) 7. 什么叫放电深度?放电深度为 20%表示什么意思? 答:电池放电时放出所有容量的程度,一般用百分数表示。20%表示 电池只放出所有容量的 20%即停止放电, 此时电池还剩有 80%的容量。 8. GFM 中 G、F、M 各代表什么意思? 答:G—固定用、F—阀控式、M—密封 9. 组成一个 48V 系统至少需要几只单体电池?这些单体电池采用什 么方式连接? 答:至少需要 24 只单体电池;采用串联方式连接。 10. 蓄电池的工作原理是什么? 答:充电时通过电化学反应将电能转化为化学能在电池内部储存起 来,放电时通过电化学反应将化学能转化为电能供给外系统。 11. 铅酸电池的正极活性物质、负极活性物质和电解液分别是什么? 答:正极活性物质为二氧化铅;负极活性物质为铅;电解液为稀硫 酸溶液。 12. 写出铅酸蓄电池在充放电过程中电池内部发生反应的化学方程式。 答:正极: PbSO4+2H2O PbO2+H2SO4+2H++2e(箭头上充下放) 副反应 H2O → 2H++1/2O2
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Pb+SO42-
PbSO4+2e
在电路中,由于电子的定向移动而产生了电流。电流的产生是由于有 效物质铅不断溶解,释放电子的结果,即化学以有转变为电能。 正极:电极活性物质是二氧化铅,它是氧化-还原电极。电池静置时, 由于双层的建立,它具有较高的电极电位。
上式说明,电池放电是化学能变换电能的过程。正极有效物质从二 氧化铅变为硫酸铅,负极有效物质从铅变为硫酸铅,电解液中硫酸分 子不断,水分子相应增加,电解液变稀,比重下降。 (2)充电 充电过程:将整流器输出端正、负极分别与电池下负极相连,如下图 即组成了电池的充电电路。
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从而保证了负载设备对电压的要求。 22. 对容量检测时发现的容量不足的电池组应作如何处理? 答:应对整组电池做均充处理,即均充 18~24 小时。 23. 电池的电导和电阻有何关系? 答:电导(单位西门子)是电阻(单位欧姆)的倒数。 24. 目前仅通过测量 GFM 电池单体的电导值,能否准确知道所测电池 的容量? 答:由于影响电池电导的因素太多,电导值还不能定量反映电池容 量的大小。 25. 在日常维护工作中,电导测试仪最有效的用途是什么? 答:目前电导测试仪最有效的用途是用于在同一电池组中对故障电 池的判断。 26. GFM 电池在哪些情况下应进行充电? 答:遇到下列情况时应对电池进行充电: 1) 浮充电压有两只以上小于 2.18V; 2) 放电时放出 5%容量以上; 3) 搁置不用时间超过 3 个月。 27.随环境温度升高,浮充电压应调高还是调低?调整幅度为多少? 答:调低;调整幅度为:温度每升高 1℃,浮充电压调低 3mv/个。 反之则调高 3mv/个。 28.日常维护中,如果电池室无空调,如何处理浮充电压随温度的变化 问题? 答:如果充电机有温度补偿功能,则充电机能自动的按照设定的温 度补偿系数随温度的升高而调整浮充电压;反之需人工调整浮充电压。 29.在 25℃环境温度下,24V 系统和 48V 系统的浮充总电压分别为多 少? 答:24V 为 27V ;48V 为 54V 30.为了保证电池长寿命,电池室应具备哪些条件? 答: 应具备环境温度控制在 5—30℃, 同时要求室内具有良好的通风, 便于空气流通散热,如果温度过高,建议安装空调设备。
式中的负极有效物质 Pb 这为 PbSO4, 铅的化合价从零价升高到正二价, 这是氧化反应。二是电极表面溶液中的 Pb2+离子,又有向电极夺取电 子倾向,其反应式为 PbSO4 Pb2++ SO42-
反应中铅的化合价从正二价降为零价,故为还原反应。 电池静置时电极的氧化反应和还原反应速度相等,两者处于平衡 状态,使电极在电双层作用下,有固定的电极电位。 当接通外部电路时,由于负极电位低于正极,使电子不断地从负极 经负载流到正极,破坏了电极反应的动态平衡。此时氧化速度远大于 还原速度,忽略还原反应,负极反应为
下表为不同金属为电极的标准电位。
从表中可看出: Pb2+、2H+、Li+……是氧化态物质, Pb、 H2 、 Li……是还原态物质,氧化态物质和还原态物质之间存在下列关系 氧化态+ne 还原态 其中 n 是物质由氧化态变为还原态所得到的电子数。 2.1.3 平衡电极电位 将一金属电极插入含有该金属离子的溶液中,则金属表面上的金属 离子受到溶液中水分子的作用,金属表面离子,有进入溶液的倾向。 金属愈活泼,溶液浓度愈小,这种倾向愈大。同时溶液中的金属离子, 也有从溶液中沉积到金属表面的趋向,溶液愈浓,这种倾向愈大。当 这两种以相反的方向进行的过程最后达到动态平衡时,如前一种趋向 大于后一种趋向,则金属带负电,而溶液带正电,由于异性吸引,在
式中[氧化态]和[还原态]分别表示氧化态物质和还原态物质的浓度 (1 摩/升) ;n 是氧化态物质转为还原态物质所得的电子数;E 表示标 准电极电位,即近似等于电极在 1 摩尔/升同离子溶液中的电极电位。 2.1.2 正极和负极之间的电位之差叫电动势. 2、铅酸蓄电池 铅酸蓄电池是由两组极板插入稀硫酸溶液中构成的。电池在充电 后,正极板为二氧化铅(PbO2),负极板为海绵状铅(Pb) ;放电后, 在两极板现上都 产生细小而松软的硫酸铅(H2SO4) ,充电后又恢复为 二氧化铅(PbO2)和铅(Pb) 。 总的化学反应是可逆的,方程式为
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负极: PbSO4 + 2H++2e Pb+ H2SO4(箭头上充下放) + 副反应 2H +2e → 1/2H2 13. 蓄电池自放电现象产生原因? 答:内部少量杂质,构成对电极,进行自放电。 14. 蓄电池连接条压降要求? 答:通信系统小于 10mv,电力小于 8mv。 15. 蓄电池储存地有何要求? 答:要求通风设施良好、干燥(最好装空调) ,保持环境温度在 25℃ 左右;地面承受能力要强。 16. 电池组短路有何危险? 答:烧坏电池 17. 电池组压差大有何解决方法? 答:解决方法有 (1)均衡充电 (2)充放循环 (3)开阀 24 小时 (4)使用时间延长观察 18. VRLA 放电深度和循环寿命是何关系? 答:放电深度越深循环寿命越短。 19. 大电流充、放电对电池有何影响? 答:失水、极板易弯曲、活性物质脱落会导致早期容量损失。 20. 阀控密封电池在使用过程中有哪些常见故障? 答:短路、漏液、反极、极板硫酸化、极板弯曲和腐蚀断裂、活性 物质脱落、容量损失、电压异常、循环寿命短。 21. GFM 电池在电信部门的全浮充工作制中,主要起哪两个作用? 答:主要起两个方面的作用: 1) 当市电中断或整流器设备发生故障时,电池组担负起对负载单 独供电的任务,以确保通信不中断。 2) 起平滑滤波的作用。电池组与电容器一样具有充放电作用,因 而对交流成分具有旁路作用,这样送至负载的脉动成分进一步降低,
(1)放电
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放电过程,如图所示。
负极 负载未通电前,由于金属表面与溶液间双层的建立,使金属具有 一定的电极电位。这一过程有两方面反应:一是铅溶解,使 Pb2+离子 有转入溶液的倾向,当 Pb2+离子转入电液后,在电极表面溶液的 Pb2+ 离子便与 SO42-结合成为 H2SO4 而沉积到电极表面,反应式为 Pb Pb2++2e
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