您的位置：蓄電池分類及工作原理
第一節(jié) 蓄電池概述
一、蓄電池的分類
化學(xué)電池，簡稱電池，是將物質(zhì)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備。根據(jù)電解質(zhì)的不同，電池主要分為兩大類：酸蓄電池和堿電池。酸蓄電池以其鉛及其氧化物為電極材料，特別稱為鉛蓄電池。鉛蓄電池依據(jù)其工作環(huán)境和特性，又可分為移動式和固定式。固定式鉛蓄電池按電池槽結(jié)構(gòu)進一步細分為半密封式和密封式，其中半密封式包括防酸式和消氫式。而根據(jù)電解液數(shù)量的多少，鉛酸電池還可劃分為貧液式和富液式，其中密封式電池通常采用貧液式設(shè)計。
鉛酸蓄電池自問世以來，在化學(xué)電源領(lǐng)域中占據(jù)了舉足輕重的地位，這主要得益于其低廉的成本、易于獲取的原材料、高可靠性和適用于各種環(huán)境及大電流放電的優(yōu)異性能。盡管鉛酸蓄電池在20世紀(jì)初經(jīng)歷了多項重大改進，提升了其能量密度、循環(huán)壽命和高倍率放電性能，但傳統(tǒng)開口式鉛酸蓄電池仍面臨兩個主要問題：一是充電末期水分會分解為氫氣和氧氣，需要頻繁添加酸和水，維護工作繁重；二是氣體溢出時可能攜帶酸霧，對周圍設(shè)備造成腐蝕并污染環(huán)境。
二、閥控式鉛酸蓄電池的定義
閥控式鉛酸蓄電池（Valve Regulated Lead Battery，簡稱VRLA電池）是一種特殊的鉛酸蓄電池，其最大特點在于使用過程中無需加酸加水，實現(xiàn)了電池的密封設(shè)計，從而避免了漏酸和排酸霧的問題。電池蓋子上設(shè)有單向排氣閥（也稱安全閥），當(dāng)電池內(nèi)部氣體壓力超過預(yù)設(shè)值時，該閥會自動打開，釋放氣體，隨后自動關(guān)閉，確保電池內(nèi)部壓力穩(wěn)定，同時防止水分蒸發(fā)。閥控式鉛酸蓄電池的出現(xiàn)，極大地提高了電池的安全性和環(huán)保性，自20世紀(jì)90年代以來，已被廣泛應(yīng)用于電信、電力、交通等多個領(lǐng)域作為后備電源，成為電源產(chǎn)品中的重要組成部分。
第二節(jié) 閥控鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)與工作原理
一、結(jié)構(gòu)概述
閥控鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)精巧而高效，主要包含正負極板、隔板、電解液、安全閥、外殼等關(guān)鍵部件。正負極板采用涂漿式技術(shù)，活性材料均勻涂覆在鉛鈣合金骨架上，具有出色的耐酸性、導(dǎo)電性和長壽命特點。隔板由超細玻璃纖維制成，能夠吸附全部電解液，確保電池內(nèi)部無流動的電解液，即使外殼破裂也能保持正常工作。電池頂部設(shè)有安全閥，當(dāng)內(nèi)部氣壓超過設(shè)定值時，安全閥自動開啟釋放氣體，隨后自動關(guān)閉以防止水分蒸發(fā)。此外，頂蓋上還配備有陶瓷過濾器的氣塞，有效防止酸霧逸出。正負極接線端子由鉛合金制成，全密封結(jié)構(gòu)并采用瀝青封口，確保電池的安全性和可靠性。
二、工作原理
1. 化學(xué)反應(yīng)原理
閥控鉛酸蓄電池的工作原理是通過充電和放電過程中的化學(xué)反應(yīng)來儲存和釋放電能。在充電過程中，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存在電池內(nèi)部；放電時，化學(xué)能又轉(zhuǎn)化為電能供給外部系統(tǒng)。其化學(xué)反應(yīng)式體現(xiàn)了水在充電過程中的分解和再生過程。充電時，正極板產(chǎn)生氧氣，負極板產(chǎn)生氫氣，但在閥控式設(shè)計中，這些氣體能夠在電池內(nèi)部重新化合，形成水，從而顯著減少水分損失，實現(xiàn)了免維護的特性。
2. 氧循環(huán)原理
閥控鉛酸蓄電池采用負極活性物質(zhì)過量設(shè)計和特殊的電解液吸附系統(tǒng)（如AGM或GEL），使得充電過程中正極產(chǎn)生的氧氣能夠高效擴散到負極并與負極的活性物質(zhì)反應(yīng)，生成水。這種氧循環(huán)機制使得電池在充電過程中幾乎不損失水，從而實現(xiàn)了免維護使用。負極在充電末期不僅參與氧的復(fù)合反應(yīng)，還繼續(xù)接受外電路的電子進行還原反應(yīng)，確保電池的高效運行。
在閥控式鉛酸蓄電池內(nèi)部，氧氣的傳輸方式包括溶解在電解液中的液相擴散和直接以氣相形式通過電極間的氣體通道移動。這種設(shè)計極大地提高了氧氣的遷移速率，使得氧復(fù)合反應(yīng)能夠高效進行。根據(jù)電池類型的不同（如AGM、膠體電池等），氧再復(fù)合效率有所不同，但總體上均遠高于傳統(tǒng)富液式電池，從而實現(xiàn)了電池的高效、安全、環(huán)保運行。
第三節(jié) 充放電特性
一、放電過程中的電壓變化
在放電初始階段，活性物質(zhì)微孔內(nèi)的硫酸濃度迅速下降，因為硫酸被消耗而擴散到電極表面的速度相對較慢，導(dǎo)致電池端電壓明顯下降，這一階段體現(xiàn)在放電曲線的OE段。隨著放電的持續(xù)，硫酸從主體溶液向電極表面的擴散速度增加，活性物質(zhì)表面和微孔內(nèi)的硫酸得到補充，電池端電壓進入相對穩(wěn)定期，即EFG段。然而，隨著放電的深入，正負極活性物質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)化為硫酸鉛，孔隙率降低，硫酸擴散受阻，同時電池內(nèi)阻增加，導(dǎo)致在放電曲線的G點（約1.85V）后，電池端電壓急劇下降，直至達到規(guī)定的放電終止電壓。
二、充電過程中的電壓變化
充電初期，由于硫酸鉛轉(zhuǎn)化為二氧化鉛和鉛，活性物質(zhì)表面硫酸濃度迅速增大，電池端電壓急劇上升，呈現(xiàn)OA段的特點。隨著充電的繼續(xù)，活性物質(zhì)逐漸從硫酸鉛中轉(zhuǎn)化出來，孔隙率增加，硫酸濃度變化趨于穩(wěn)定，端電壓的上升變得較為平緩（ABC段）。當(dāng)接近充電終點，即C點（約2.35V）時，由于電化學(xué)反應(yīng)接近平衡，端電壓的上升速度進一步減緩。在充電電量達到70%時，開始發(fā)生水分解的副反應(yīng)，電池端電壓開始顯著增加。當(dāng)充電電量達到90%以上時，負極上發(fā)生析氫的副反應(yīng)，此時電池兩端大量析出氣體，進行水電解過程，端電壓進入一個新的穩(wěn)定階段，通常穩(wěn)定在約2.6V，這取決于氫和氧的過電位。