蓄電池充電方法的研究

時間：2024-06-20 10:32:04 理工畢業(yè)論文我要投稿

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蓄電池充電方法的研究

摘要：針對蓄電池的特點，研究了蓄電池充放電過程中的極化現(xiàn)象，提出和分析了幾種充電方式，并展望了其發(fā)展前景。

引言

鉛酸蓄電池由于其制造成本低，容量大，價格低廉而得到了廣泛的使用。但是，若使用不當，其壽命將大大縮短。影響鉛酸蓄電池壽命的因素很多，而采用正確的充電方式，能有效延長蓄電池的使用壽命。

研究發(fā)現(xiàn)：電池充電過程對電池壽命影響最大，放電過程的影響較少。也就是說，絕大多數(shù)的蓄電池不是用壞的，而是“充壞”的。由此可見，一個好的充電器對蓄電池的使用壽命具有舉足輕重的作用。

1 蓄電池充電理論基礎

上世紀60年代中期，美國科學家馬斯對開口蓄電池的充電過程作了大量的試驗研究，并提出了以最低出氣率為前提的，蓄電池可接受的充電曲線，如圖1所示。實驗表明，如果充電電流按這條曲線變化，就可以大大縮短充電時間，并且對電池的容量和壽命也沒有影響。原則上把這條曲線稱為最佳充電曲線，從而奠定了快速充電方法的研究方向[1，2]。

由圖1可以看出：初始充電電流很大，但是衰減很快。主要原因是充電過程中產(chǎn)生了極化現(xiàn)象。在密封式蓄電池充電過程中，內(nèi)部產(chǎn)生氧氣和氫氣，當氧氣不能被及時吸收時，便堆積在正極板（正極板產(chǎn)生氧氣），使電池內(nèi)部壓力加大，電池溫度上升，同時縮小了正極板的面積，表現(xiàn)為內(nèi)阻上升，出現(xiàn)所謂的極化現(xiàn)象。

蓄電池是可逆的。其放電及充電的化學反應式如下：

PbO2＋Pb＋2H2SO42→PbSO4＋2H2O （1）

很顯然，充電過程和放電過程互為逆反應。可逆過程就是熱力學的平衡過程，為保障電池能夠始終維持在平衡狀態(tài)之下充電，必須盡量使通過電池的電流小一些。理想條件是外加電壓等于電池本身的電動勢。但是，實踐表明，蓄電池充電時，外加電壓必須增大到一定數(shù)值才行,而這個數(shù)值又因為電極材料，溶液濃度等各種因素的差別而在不同程度上超過了蓄電池的平衡電動勢值。在化學反應中，這種電動勢超過熱力學平衡值的現(xiàn)象，就是極化現(xiàn)象。

一般來說，產(chǎn)生極化現(xiàn)象有3個方面的原因。

1）歐姆極化充電過程中，正負離子向兩極遷移。在離子遷移過程中不可避免地受到一定的阻力，稱為歐姆內(nèi)阻。為了克服這個內(nèi)阻，外加電壓就必須額外施加一定的電壓，以克服阻力推動離子遷移。該電壓以熱的方式轉(zhuǎn)化給環(huán)境，出現(xiàn)所謂的歐姆極化。隨著充電電流急劇加大，歐姆極化將造成蓄電池在充電過程中的高溫。

2）濃度極化電流流過蓄電池時，為維持正常的反應，最理想的情況是電極表面的反應物能及時得到補充，生成物能及時離去。實際上，生成物和反應物的擴散速度遠遠比不上化學反應速度，從而造成極板附近電解質(zhì)溶液濃度發(fā)生變化。也就是說，從電極表面到中部溶液，電解液濃度分布不均勻。這種現(xiàn)象稱為濃度極化。

3）電化學極化這種極化是由于電極上進行的電化學反應的速度，落后于電極上電子運動的速度造成的。例如：電池的負極放電前，電極表面帶有負電荷，其附近溶液帶有正電荷，兩者處于平衡狀態(tài)。放電時，立即有電子釋放給外電路。電極表面負電荷減少，而金屬溶解的氧化反應進行緩慢Me－e?Me＋，不能及時補充電極表面電子的減少，電極表面帶電狀態(tài)發(fā)生變化。這種表面負電荷減少的狀態(tài)促進金屬中電子離開電極，金屬離子Me＋轉(zhuǎn)入溶液，加速Me－e?Me＋反應進行。總有一個時刻，達到新的動態(tài)平衡。但與放電前相比，電極表面所帶負電荷數(shù)目減少了，與此對應的電極電勢變正。也就是電化學極化電壓變高，從而嚴重阻礙了正常的充電電流。同理，電池正極放電時，電極表面所帶正電荷數(shù)目減少，電極電勢變負。

這3種極化現(xiàn)象都是隨著充電電流的增大而嚴重。

2 充電方法的研究

2.1 常規(guī)充電法

常規(guī)充電制度是依據(jù)1940年前國際公認的經(jīng)驗法則設計的。其中最著名的就是“安培小時規(guī)則”：充電電流安培數(shù)，不應超過蓄電池待充電的安時數(shù)。實際上，常規(guī)充電的速度被蓄電池在充電過程中的溫升和氣體的產(chǎn)生所限制。這個現(xiàn)象對蓄電池充電所必須的最短時間具有重要意義。