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影响铅酸蓄电池容量的因素
黄 亮
电池容量等于放电电流与放电时间的乘积,一般用安时( Ah) 表示,影响容量的因素,大致可分为两类:
一、 设计生产工艺上的因素
1、 活性物质的量
2、 极板厚度
3、 活性物质孔率
4、 活性物质真实表面积
5、 极板中心距
6、 活性物质组成
二、 使用时的因素――放电条件的因素
1、 放电电流密度――即放电速度
2、 放电终止电压
3、 电解液温度
4、 电解液浓度
影响容量首先是放电的问题,充电的影响是间接的。首先我们看看放电:
放电时, 电池端电压 E 要下降, 当端电压下降到终止电压时, 放电就终止了(图一),电池的容量与端电压 e 降低的快慢有密切关系。放电时,正电流从电池正端流经负载,到电池负端,再经电解液从负 极回到正极,因之,负极点电位比正极点电位高即高出 IR。
E+E-+IR=E +或 E=E+- E-- IR
端电压 E=( E+-E-)- IR (1)
其中: E+为正极电位、 E-为负极电位、 I 为电流、 R 为内阻
放电过程中 E+变负(即减少),E- 变正(即增加),内阻 R 增大,所以端电压 E 下降。
放电时: PbO2+Pb+2H2SO4 2PbSO4+2H 2O
从这个反应式可知, 放电时生成了不导电的 PbSO4,它覆盖住活性物质的部分表面,使导电截面积减少,因而内阻 R 增大。
正极电位 E+与负极电位 E- 之所以变化,是由于浓度极化 ?C 及电化学极化 ?e,即:
E+=E+平+( ?+C+?+e) E+平为正极平衡电极电位 ( 2)
E-=E-平+( ?-C+?-e) E-平为正极平衡电极电位 ( 3)
放电时, ?+C 及 ?+e 都是负值,所以正极电位 E+变负(即减少),
?-C+ ?-e 都是正值所以负极变正(即增加) 。
从上面反应式可看出消耗 H2SO4,因而电极表面附近浓度降低, 这个浓度降低愈利害,浓度极化越大, H2SO4 从电解液扩散进来补充的快, 可以延缓电极附近 H2SO4 浓度的降低, 因而减少浓度极化, 扩散截面积 A 愈大,扩散距离 I 愈短,电解液浓度愈大,扩散系数 D 愈大,扩散补充的速度就愈大。 反应面积 S 愈大,真实电流密度愈小, 电化学极化就愈小。
浓度极化小、扩散速度大、电化学极化小,从( 1)、(2)、(3)
式,短电压 E 的降低慢, 电池容量会相应增加, 下面将从这些观点来
剖析各个因素的影响。
1、活性物质量的影响
一个电池的活性物质量确定了, 它理论上提供多少安时的电量就确定了,涂板时,每个电极片有多少活性物质就确定了。组装时,每个电池单格装多少片正板,多少片负板,因而有多少活性物质,也就确定了。
电化学中提到,一个克当量的活性物质,理论上能提供 26.8Ah 的容量,一个电化当量的活性物质,理论上能提供 1Ah 的容量,根据放电反应式:
PbO2+Pb+2H2SO4 2PbSO4+2H 2O
1 克当量 119.6g 103.6g 98.1g 能提供 26.8Ah
1 电化当量 4.463g 3.866g 3.657g 能提供 1Ah
因之,将正极活性物质量除以 4.463,即得正极理论容量,将负极活性物质量除以 3.866,即得负极理论容量。
例如:正极板含 109g 活性物质,负极板含 100g 活性物质,求
a、 每片正极板的理论容量是多少?
b、 每片负极板的理论容量是多少?
c、 以 6 片正板与 7 片负板组装一个单体电池,电池的理论容量是多少?
解: a、每片正极板的理论容量= 109/4.46=24.4Ah b、每片负极板的理论容量= 100/3.87= 25.9Ah c、6 片正板共有 6×24.4=146.4Ah 的理论容量
7 片负板共有 7×25.9=181.3Ah 的理论容量
因此, 产生一个问题,通常正极的理论容量与负极的不一样, 电池的理论容量以那一个电极为标准呢?这还要看利用率, 因为活性物质不可能全部反应,反应部分的百分数就是利用率,因此,
实际放出的容量=理论容量×利用率
下面将要提到, 常温及放电率不太大的情况下, 负极的利用率比在相同条件下的正极利用率高。 这样一般情况下负极理论容量及利用率比正极的高。 所以电池容量受正极的控制, 即电池的容量以正极为准,例如上例的电池以 6.54A 放电(相当于 10 小时放电率)的实际容量为 79Ah,正极的利用率是 79/146.4=53.9%,放电终止时,正极余下相当于 67.4Ah 的活性物质未反应,而负极还有 102.3Ah 的理论容量,即还有相当潜力。因此电池的容
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