资深工程师 Ivan Cowie 的「深入了解电池技术」专栏Part 3来啰!
这次要介绍的是铅酸电池(lead-acidbatteries)技术。
铅酸电池是在1859年由法国物理学家Gaston Plante所发明,这种二次电池的能量-重量(energy-to-weight)比、能量-体积(energy-to-volume)比都非常低,但能以低成本提供高浪涌电流做为补偿。有四种主要动力促进了铅酸电池技术的发展:小型消费性装置、启动/车辆、深循环(deep cycle)以及工业应用。
铅酸电池有两种不太需要维护的种类──凝胶式(gel cell)以及吸附玻璃纤维式(absorbed glass mat,AGM);而这两种电池又被称为阀调节式铅酸电池(valve-regulated lead-acid,VRLA)或是密封式铅酸电池。以下是铅酸电池的一些技术规格:
˙能量比(specificenergy):30~40 Wh/kg;
˙能量密度:60~75 Wh/L;
˙功率比(specific power):180 W/kg;
˙能量/消费价格(Energy/consumer price):1美元约7~18 Wh;
˙自放电率(self-dischargerate):每月3~20%;
˙循环耐久性(cycledurability):最高可达800循环周期(通常为500);
˙标称电压(nominalcell voltage):2.1V;
˙每节电池浮动充电电压(float-chargevoltage per cell):2.23 (胶状),2.32 (液式),2.25 (AGM);
˙截止电压(Cutoff voltage):每节1.75V (液式);
˙充电温度:-40°C (最低)~ 49°C (最高);其余规格细节请参考电池供货商产品。
化学反应式
˙放电时负极板(negative plate)化学反应:Pb(s) + HSO4-(aq) → PbSO4 (s) +H+(aq) + 2e- ˙放电时正极板(positive plate)化学反应:PbO2 (s) + HSO4-(aq) + 3H+(aq) + 2e- → PbSO4 (s) + 2H2O(l)
˙放电时整体化学反应:Pb(s) + PbO2 (s) + 2H2SO4 (aq) → 2PbSO4 (s) + 2H2O(l)
˙充电时负极板化学反应:PbSO4 (s) + H+(aq) + 2e- → Pb(s) +HSO4-(aq)
˙充电时正极板化学反应:PbSO4 (s) + 2H2O(l) → PbO2 (s) +HSO4-(aq) + 3H+(aq) + 2e-
充电
除了车用电池,密封式铅酸电池的充电时间约为12~16个小时,或是大型电池站最常充电时间可达36~48小时;若以较高的充电电流或是多阶段式(multi-stage)充电方法,可将充电时间缩减到10小时以下,不过可能达不到充饱电(topping charge)的状态。密封式铅酸电池技术反应速度较慢,无法像其他种类的电池系统那样快速充电。
为了达到最佳充电效果,铅酸电池应该采取三阶段充电:恒流充电能提供最大的电流辆,占据整个充电所需时间的一半左右,注满充电采用较低的电流将电量充饱,浮动充电则补偿自放电导致的电量损失;如下图所示
铅酸电池的三阶段充电
下面的两张图是阀调节式铅酸电池的放电电流/电压变化范例,采用的是Panasonic美国分公司制造的UP-VW1220P1电池产品。
不同温度下的放电电流充电
放电时不同阶段的端电压比较
报废的铅酸电池不能送到垃圾掩埋场或是焚化炉,需要送到回收厂,可透过网络查询回收据点;在接下来的文章中作者还会继续探讨更多电池技术,也欢迎大家讨论!
编译: Judith Cheng
参考译文: AllAbout Batteries, Part 3: Lead-Acid Batteries,by Ivan Cowie
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