鉛酸蓄電池放電特性研究

侯世亮

摘 要：闡述了閥控鉛酸蓄電池電動勢與放電強度及放電時間的關系，通過對鉛酸蓄電池工作原理、負極鈍化機理，以及放電電流、放電溫度對放電容量等的影響等方面的說明，來分析閥控鉛酸蓄電池的放電特性。

關鍵詞：蓄電池；放電特性；負極鈍化

目前，電動車使用量最大的就是閥控密封式鉛酸蓄電池，此外還有鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰離子電池、聚合物鋰電池、鋅空電池、燃料電池等。鉛酸蓄電池作為最主要的儲能設備，各項參數指標也得到了顯著發展。廠家在不斷增加蓄電池容量的同時，對其基本特性——在各種放電制下放電時容量C（Ah）或放電時間t與電壓（V）變化的關系的研究也越來越重視。閥控鉛酸蓄電池的放電過程是一個動態非線性過程，對其放電過程的物理化學反應的研究有利于改善其放電及使用性能。

一、鉛酸蓄電池放電原理

鉛酸蓄電池的放電和充電的電極反應可以用雙極硫酸鹽理論來描述：

式中，aH2SO4為硫酸的活度；aH2O為水的活度；φ°為電極標準電位。因此，鉛酸蓄電池的電動勢除了與標準電位φ°有關外，還與硫酸的濃度和環境溫度有很大關系。

二、負極鈍化機理

鉛在硫酸溶液中的陽極氧化，在一定條件下發生鈍化，結果導致輸出容量的降低，降低的程度依賴于放電時的溫度、硫酸的濃度以及放電的電流密度。

可以用圖1的簡單模型表示放電鈍化機理，活性物質PbO2以顆粒的形式存在，在低倍率放電時，顆粒內部均勻生成晶核，這樣PbO2能夠較完全地轉化為PbSO4，而在高倍率下PbSO4覆蓋在PbO2顆粒表面，阻擋了顆粒內部的PbO2轉化為PbSO4。

放電過程中因為有結晶的存在，在高電流密度放電時，就意味著在很短的時間內有大量的鉛離子轉入溶液，而形成新的晶核需要有一個誘導時間，于是在這個短時間內就會形成較大的過飽和度，與電流密度相比，就能夠形成數量較多的和尺寸較小的結晶核，從而導致生成致密的硫酸鉛層而鈍化。

三、放電電流的影響

由于鈍化機理的作用，蓄電池的放電輸出電壓和容量受放電電流大小的影響。圖2和圖3分別為風帆6-QW-54和風帆6-QW-100在不同電流下的放電曲線。

可以看出，對于同樣的完全充電的電池，在相同的溫度下，采用不同倍率的放電電流，其放電輸出電壓幅值有很大的差別。

根據不同使用需要所設計的蓄電池的輸出曲線會有差別，起動使用的蓄電池一般設計工作在低倍率，大多為0.05C，其輸出容量與電流的變化關系不大。

電動車電源一般是中低倍率放電，其電池往往只維持3個小時甚至更短，電池工作在0.5C倍率附近，而且負載的功率范圍隨機性很大，由于高倍率下的以鈍化為主的電池內部反應的存在，使得高倍率下的輸出容量出現嚴重的非線性。

四、放電溫度的影響

VRLA蓄電池放電容量與溫度的關系密切。首先，溫度的影響在于促使鉛負極的鈍化；更重要的是電解液的電阻明顯增加，電解液的黏度增加，導致硫酸的擴散速度或電解液在活性物質孔隙中流動能力下降，這時的液相傳質過程成為電極反應的主要限制因素。

我們可以用電池容量溫度系數的概念來表征溫度的影響。容量的溫度系數即溫度每下降1 ℃時，容量相對于25 ℃時下降的百分數。溫度的影響在高速率放電制下尤為明顯。圖4是某種電池放電輸出容量與電池溫度的關系。在20 ℃以上能輸出100%的容量，而在低溫下輸出容量明顯下降。

本文通過對鉛酸蓄電池放電數據的分析，確定了放電電流和溫度對蓄電池放電容量的影響。從分析數據中可以看出，在5 ℃～40 ℃范圍內，蓄電池具有良好的放電性能；而較小的放電倍率也利于蓄電池容量的釋放。

參考文獻：

[1]張紀元.閥控鉛酸蓄電池的使用和維護.電池，1997，27（6）：278-281.

[2]胡信國，毛賢仙.閥控式密封鉛酸蓄電池的最新進展.電源技術，2000，24（4）：230-237.

（作者單位 北京工業職業技術學院機電工程系）