浅论放电铅酸蓄电池放电特性研究

摘 要：阐述了阀控铅酸蓄电池电动势与放电强度及放电时间的关系，通过对铅酸蓄电池工作原理、负极钝化机理，以及放电电流、放电温度对放电容量等的影响等方面的说明，来分析阀控铅酸蓄电池的放电特性。
关键词：蓄电池；放电特性；负极钝化
目前，电动车使用量最大的就是阀控密封式铅酸蓄电池，此外还有镍氢电池、镍镉电池、锂离子电池、聚合物锂电池、锌空电池、燃料电池等。铅酸蓄电池作为最主要的储能设备，各项参数指标也得到了显著发展。厂家在不断增加蓄电池容量的同时，对其基本特性——在各种放电制下放电时容量C（Ah）或放电摘自：学术论文模板www.618jyw.com
时间t与电压（V）变化的关系的研究也越来越重视。阀控铅酸蓄电池的放电过程是一个动态非线性过程，对其放电过程的物理化学反应的研究有利于改善其放电及使用性能。

一、铅酸蓄电池放电原理

铅酸蓄电池的放电和充电的电极反应可以用双极硫酸盐理论来描述：
式中，aH2SO4为硫酸的活度；aH2O为水的活度；φ°为电极标准电位。因此，铅酸蓄电池的电动势除了与标准电位φ°有关外，还与硫酸的浓度和环境温度有很大关系。

二、负极钝化机理

铅在硫酸溶液中的阳极氧化，在一定条件下发生钝化，结果导致输出容量的降低，降低的程度依赖于放电时的温度、硫酸的浓度以及放电的电流密度。
可以用图1的简单模型表示放电钝化机理，活性物质PbO2以颗粒的形式存在，在低倍率放电时，颗粒内部均匀生成晶核，这样PbO2能够较完全地转化为PbSO4，而在高倍率下PbSO4覆盖在PbO2颗粒表面，阻挡了颗粒内部的PbO2转化为PbSO4。
放电过程中因为有结晶的存在，在高电流密度放电时，就意味着在很短的时间内有大量的铅离子转入溶液，而形成新的晶核需要有一个诱导时间，于是在这个短时间内就会形成较大的过饱和度，与电流密度相比，就能够形成数量较多的和尺寸较小的结晶核，从而导致生成致密的硫酸铅层而钝化。

三、放电电流的影响

由于钝化机理的作用，蓄电池的放电输出电压和容量受放电电流大小的影响。图2和图3分别为风帆6-QW-54和风帆6-QW-100在不同电流下的放电曲线。
可以看出，对于同样的完全充电的电池，在相同的温度下，采用不同倍率的放电电流，其放电输出电压幅值有很大的差别。
根据不同使用需要所设计的蓄电池的输出曲线会有差别，起动使用的蓄电池一般设计工作在低倍率，大多为0.05C，其输出容量与电流的变化关系不大。
电动车电源一般是中低倍率放电，其电池往往只维持3个小时甚至更短，电池工作在0.5C倍率附近，而且负载的功率范围随机性很大，由于高倍率下的以钝化为主的电池内部反应的存在，使得高倍率下的输出容量出现严重的非线性。

四、放电温度的影响

VRLA蓄电池放电容量与温度的关系密切。首先，温度的影响在于促使铅负极的钝化；更重要的是电解液的电阻明显增加，电解液的黏度增加，导致硫酸的扩散速度或电解液在活性物质孔隙中流动能力下降，这时的液相传质过程成为电极反应的主要限制因素。
我们可以用电池容量温度系数的概念来表征温度的影响。容量的温度系数即温度每下降1 ℃时，容量相对于25 ℃时下降的百分数。温度的影响在高速率放电制下尤为明显。图4是某种电池放电输出容量与电池温度的关系。在20 ℃以上能输出100%的容量，而在低温下输出容量明显下降。
本文通过对铅酸蓄电池放电数据的分析，确定了放电电流和温度对蓄电池放电容量的影响。从分析数据中可以看出，在5 ℃～40 ℃范围内，蓄电池具有良好的放电性能；而较小的放电倍率也利于蓄电池容量的释放。
参考文献：
张纪元.阀控铅酸蓄电池的使用和维护.电池，1997，27（6）：278-281.
胡信国，毛贤仙.阀控式密封铅酸蓄电池的最新进展.电源技术，2000，24（4）：230-237.
（作者单位 北京工业职业技术学院机电工程系）