郭伟明--铅酸蓄电池的剖析

1、国家职业资格全国统一鉴定电工 论文（国家职业资格 一 级）论文题目： 铅酸蓄电池的剖析 姓 名： 郭伟明 身份证号： 432301197901285530 准考证号： 所在省市： 江苏省连云港市 所在单位： 连云港金辰实业有限公司 铅酸蓄电池的剖析郭伟明连云港金辰实业有限公司摘 要铅酸蓄电池应用非常广泛，譬如汽车、船舶、通讯、高铁等大数领域都有应用，铅酸蓄电池已有100多年的历史。文中对造成铅酸蓄电池寿命减小和失效的因素进行了分析，结合蓄电池的综合性能指标，用以对比修复后的数据。找到了在同一状态下不同故障的处理方法，在各种方法中找出其对应而行之有效的方法。从众多的方法中提出了脉冲修复这种方法。设计了相应的电路图，并且画出了它的功能框图。解释了这个电路的工作原理。关键词：铅酸电池 容量 充放电 原因剖析 处理方法目录摘 要2第一章 铅酸电池概述41.1蓄电池的基本结构41.2蓄电池的化学反应基本原理41.3影响蓄电池性能的外部因素5第二章铅酸电池故障类型82.1 铅酸蓄电池的“硫化”82.2 电池内部短路92.3 活性物质得过量脱落102.4 板极拱曲和断裂112.5 反极122.6 正

2、极板板栅的腐蚀132.7 负极板的硬化13第三章 铅酸电池故障处理方法153.1 对于“硫化”的处理方法153.2 对于电池了内部短路的处理方法163.3 对于活性物质过量脱落的处理方法163.4 极板拱曲和断裂的处理方法173.5 蓄电池反极的处理方法173.6 对于正极板栅的腐蚀183.7 对于负极板的硬化18第四章 结论19参考文献19第一章 铅酸电池概述1.1蓄电池的基本结构铅酸蓄电池主要由正极板、负极板、电解液和电池外壳等部分组成。在富液式铅酸蓄电池中负极板的活性物质是铅，由孔隙均匀的活性物质铅压入铅板栅形成。正极板的活性物质是二氧化铅，但活性物质二氧化铅与负极板上的活性物质铅处理方法不同，不是简单的压入板栅，而是通过数次氧化反应形成。正极板本身是由高纯铅（纯度99.99%）组成，极板的氧化形成活性物质二氧化铅，因为是在铅板的表面进行的氧化反应，故在正极板表面上的活性物质非常薄，厂家数据显示活性物质的厚度只有0.110.15mm，设计者充分利用了活性物质的大面积薄片结构进行设计，使载流子在短时间内可提供大电流，例如：一组2400Ah的蓄电池在10秒中能够提供2600A的电流。

3、另外，在铅板栅中，合金元素-锑也扮演着重要角色，因为板栅中的锑增强了铅板栅的强度和硬度。但选用合金元素-锑也存在负面影响，即一旦锑溶解出来并在负极上沉积，就会造成负极的严重自放电，增加水的损耗和减少蓄电池的寿命。为此，采用了折中的方法，把锑的含量降到合理的数值，既保证了极板栅的强度、硬度，又使蓄电池的使用寿命得以延长。1.2蓄电池的化学反应基本原理1.2.1蓄电池在充、放电过程发生的电化学反应为：PbO2+ 2H2SO4+Pb=2PbSO4+H2O （1）充电时，蓄电池将电能以化学能的形式存贮起来。放电时，蓄电池将存贮的化学能转化成电能提供给负载使用。蓄电池在事故工况下作为独立电源，不受外部电源的影响，这是蓄电池在重要场合得到广泛应用的根本原因。蓄电池放电是蓄电池应用能力的展现过程，也是用户关注的焦点。从公式（1）可以看出，在放电过程中，负极的铅以及正极的二氧化铅与硫酸发生反应生成硫酸铅和水，因为在反应过程中消耗了硫酸并生成水，所以在这个反应过程中硫酸被稀释了，这就是硫酸的密度在放电的后期中降低的主要原因。1.2.2大电流放电过程在大电流放电过程中，极板上的活性物质与周围的硫酸迅速反应

4、，使活性物质细孔中的硫酸被很快的消耗掉，生成较大的硫酸铅晶体，导致极板的细孔堵塞，外部的酸液不能很快的进入活性物质孔隙中。另外，与在孔隙中生成的水相比，外部硫酸也具有一定的粘度，减缓了酸的流动和扩散的速度，因此细孔深处的硫酸浓度比外部的硫酸浓度更低一些，活性物质参加化学反应的机会减少，导致部分活性物质反应不充分。同时放电过程中电解液电阻增大，电压下降很快，蓄电池释放出的能量减少，因此，在大电流放电过程中蓄电池的容量相对额定容量有所减小。1.2.3小电流放电过程在小电流长时间的放电过程中，硫酸铅形成较慢，生成的晶体也小，硫酸容易扩散到细孔深处，细孔深处的更多的活性物质能顺利的参加化学反应，所 以，电池的释放容量相对更大一些。1.2.4蓄电池放电后的再充电过程蓄电池放电后再充电的过程中，硫酸铅被还原成铅和二氧化铅同时生成硫酸。浓硫酸在活性物质的细孔中生成，要通过扩散与外部的稀硫酸混合，但浓硫酸相对来说密度更大一些，在脱离活性物质后，会沉落到蓄电池底部，使蓄电池底部的硫酸的浓度增高，蓄电池内部的硫酸出现分层现象，底部的浓硫酸会对极板造成腐蚀，上部的稀硫酸密度很低（放电后期接近于水），铅在这样

5、的稀硫酸中容易发生溶解，因此蓄电池电解液上下层的混合很重要。在充电后期过充的电能使水分解产生了氢气和氧气，产生的气体在电解液中起到搅拌混合作用。蓄电池的外部表现是蓄电池在充电过程中，蓄电池内部产生气泡之前，电解液的密度上升缓慢，蓄电池内部产生气泡之后电解液的密度上升相对较快。1.3影响蓄电池性能的外部因素1.3.1温度的影响1.3.1.1温度对电解液密度的影响电解液在温度变化时，会表现出热胀冷缩的物理特性，温度较低时电解液密度上升，温度较高时电解液密度降低。在国内一般所说的蓄电池参数是基准温度为25时蓄电池的参数，但HOPPECKE公司的铅酸蓄电池采用的是德国相关标准，蓄电池的设计基准温度是20，这是与国内标准不同的。据厂家资料：HOPPECKE公司的铅酸蓄电池的电解液的温度系数为0.0007kg/l.k 。d20=dT +(T20)*0.007kg/l式中：d20为20酸的密度dT在实际温度时酸的密度T为实际的温度1.3.1.2温度对蓄电池容量的影响电解液温度升高，电解液的密度降低，电解液的扩散能力就会增强，活性物质外部的硫酸扩散到细孔中就会变得容易，化学反应能力增强。因此随着温度的

6、增加，容量增加。电解液温度下降，扩散能力减弱，活性物质外部的硫酸扩散到活性物质细孔中变得困难，化学反应能力减缓，蓄电池的容量减小。式中：C为基准温度20时的容量Cn为实测的容量T为放电时实际的平均温度Z为温度系数1.3.1.3温度对蓄电池寿命的影响蓄电池的设计基准温度为20，若年平均运行温度超过基准温度10，电化学过程反应速度增加一倍，进而导致使用寿命减少一半。在低温下使用寿命相应地增加（值得注意的问题是低温会导致容量降低）。1.3.2浮充电压的影响浮充电压过高，将导致浮充电流过大，增加了水的分解，同时增加了正极上氧气的逸出，蓄电池内部腐蚀加剧。同时由于浮充电压的增加，水分解后产生的气泡可能破坏活性物质，使正极的活性物质的脱落，蓄电池的使用寿命减少。浮充电压过低，将导致充电电流过小，使蓄电池欠充电，造成负极板的活性物质脱落，以及负极板硫化，同时还会降低蓄电池的容量。1.3.3电解液中杂质的影响蓄电池液面降低后补充的水如果没有达到厂家的要求，或者杂质通过其它途径进入电解液，均会导致浮充电流的增加，增加水的分解，加速腐蚀，减少蓄电池的使用寿命。第二章 铅酸电池故障类型铅酸蓄电池在使用的过程

7、中，会出现各种故障，造成故障的原因也是多方面的，很多故障都不是短时间形成的。有几种主要故障：1“硫化”；2电池内部短路；3活性物质的过量脱落；4极板拱曲和断裂；5反极；6正极板板栅的腐蚀；7 负极板的硬化。2.1 铅酸蓄电池的“硫化”在极板上生成白色坚硬的硫酸铅结晶，充电时又非常难于转化为活性物质的硫酸铅，这就是硫酸盐化，简称为“硫化”。生成这种硫酸铅的原因是过放电或放电后长期放置时，硫酸铅微粒在电解液中溶解，呈饱和状态，这些硫酸铅在温度低时重新结晶，而在结晶质硫酸铅是析出。这样在一度析出的粒子上一次又一次地因温度变动而生长、发展，使结晶粒增大。这种硫酸的导电性不良、电阻大，溶解度和溶解速度又很小，充电时恢复困难。因而成为容量降低和寿命缩短的原因，现在对于铅酸蓄电池修复主要是针对于“硫化”。轻微的电池“硫化”，会降低电池的容量，电池内阻增加，严重时则电极失效，充不进电。2.1.1 产生硫化的原因(1)缺少电解液因蒸或纯水蒸发过多或电解液因意外倒泄而没有及时补充，致使液面过低，使极板上部与空气接触而强烈氧化（主要是负极板）。这氧化部分与电解液再接触时，也会形成大晶粒硫酸铅硬化层，使极板上

8、部硫化。同时由于极板外露在充电时，板级上端的硫酸铅不能与电解液发生电化学反应作用，板级的有效物质得不到充分得恢复。(2)电解液不纯一般情况下，使用了不合格得电解液，铅酸蓄电池一年左右便报废。(3)经常使用铅酸电池过量放电或小电流深放电，会在极板深处生成较多得硫酸铅。(4)缺少应有的定期过充电或经常充电不足，在活性物质中或多或少残留一部分未能还原的硫酸铅。(5)电解液密度过高或温度过高，铅酸铅将深入形成，不易恢复。(6)电解液温度高低的变化：硫酸铅在电解液中，溶解于结晶两个相反的过程交替着进行。当温度上升时，极板上的硫酸铅将有一部分溶解于电解液中，温度越高，溶解度越大。担当温度降低时，溶解度减小，会出现过饱和现象。这时有部分硫酸铅就会从电解液中析出，再次结晶成大晶粒硫酸铅附着在极板表面，形成硫化。(7)内部有短路故障，未及时排除。(8)长期处于半放电或放电（如漏电）状态下，或电池放电后，未及时进行充电。(9)放电后，24小时内没有及时补充充电。2.1.2 极板硫化的现象(1)蓄电池的容量显著降低，用高率放电叉检查蓄电池时，每单格电池电压迅速减低到1.5V(2)充电开始时，电压上升很快；放电时电压急剧下降，即过早的降至终止电压。(3)在充电过程中，电解液质量浓度增加很慢，甚至无显著变化。当浓度上升至一定数值后就不再上升，不能达到原来充电时电解液的浓度标准数值。(4)充电时，电解液温度升高得快。过早冒气，气泡粗大，甚至一开始充电就发生气泡。(5)对蓄电池进行解剖，仔细观察可以发现，负极板表面粗糙，触摸时如同砂粒得感觉，而且极板颜色不同于正常颜色，正极板呈浅棕，负极板呈浅灰色，并且还有白色斑点得硫酸铅布满在极板表面，使极板上得活性物质硬化。2.2 电池内部短路蓄电池的正负极板直接相碰，称为短路。2.2.1 蓄电池内部短路的原因(1)由于隔离板质量差，使极板活性物质穿过，或者隔离板缺损，致使正负极板相接触或直接接触，造成短路。(2)蓄电池在安装时，由于铅渣卡在正负极板之间，或者导电物掉入电池内部，形成导电桥梁，而致使电池内部短路。(3)电池底部沉淀物积聚过多，达到与极板下边缘相接触。(4)极板弯曲过甚，挤破隔离物，从而使正负极板接触

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