鉅大LARGE | 點擊量：2945次 | 2018年09月12日
蓄電池潰電的原理是什么
電瓶的正極和負(fù)極板上的鉛膏脫落,導(dǎo)致正極和負(fù)極板上只有網(wǎng)狀柵欄沒有儲存電源的地方了.還有就是在鉛膏脫落到底部達(dá)到一定的高度導(dǎo)致正極和負(fù)極連接了,產(chǎn)生了自放電.所以就潰電了.現(xiàn)在一般用的都是免維護(hù)的電瓶,它的電瓶水都是膠狀的,當(dāng)膠狀體變的干裂的時候充電很快就會滿.但放電也很快.
現(xiàn)在,常見的蓄電池有鎳氫NiMH、鎳鎘NiCd和鋰離子LIB蓄電池。由于各自的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理不盡相同,因此也各有其特點和不同的應(yīng)用領(lǐng)域。本文根據(jù)它們的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理,介紹各自的特點和相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域。
電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理
NiMH蓄電池和古老的NiCd蓄電池有親緣關(guān)系,為此首先介紹NiCd蓄電池,其次是NiMH蓄電池,最后說明LIB。
1.NiCd蓄電池
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
早在1899年,NiCd蓄電池就已發(fā)明,于1947年實現(xiàn)完全密化的NiCd蓄電池,一直應(yīng)用至今。長時間的應(yīng)用表明,NiCd蓄電池不失為一種高性能和高可靠性的蓄電池。
如今的NiCd蓄電池,在發(fā)泡鎳或鎳?yán)w維狀基體上附著大量NiOOH活性物質(zhì)作為正極,以重金屬鎘Cd作為負(fù)極,一同置入電解液（KOH溶液）中,經(jīng)密封后構(gòu)成蓄電池。該蓄電池容器內(nèi),進(jìn)行的電化學(xué)反應(yīng)如下：
這個電化學(xué)反應(yīng)的特征在于,明明看到作為電解液成分的KOH,但它并不直接參與電化學(xué)反應(yīng)。由于制造蓄電池時使負(fù)極的容量大于正極的容量,當(dāng)過充電時只能看到由正極產(chǎn)生的氧（O2）;因為負(fù)極殘留未被充電部分,不產(chǎn)生氫（H2）;由于產(chǎn)生的氧（O2）被負(fù)極吸收,所以可以實現(xiàn)密封。
從NiCd蓄電池的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理得知,它是依靠OH-離子快速移動,反應(yīng)比鋁酸蓄電池平穩(wěn)。因此,它的重要特征是放電容量盡管在大電流放電時也不出現(xiàn)低下現(xiàn)象（可維持1.2V端電壓）。結(jié)晶結(jié)構(gòu)基本上不因充放電而變化,使用壽命較長。
2.NiMH蓄電池
美國和荷蘭都對能吸藏氫的合金MH（HydrogenStoringalloymetal）開展研究,并試圖用于開發(fā)蓄電池。世界上出現(xiàn)NiMH蓄電池商品是在20世紀(jì)九十年代初,發(fā)展卻十分迅速。實踐證明,通過適當(dāng)組合La、Ce、Pr和Nd等稀土元素能形成吸藏氫的合金MH,它所能釋放/吸藏的氫H2量相當(dāng)大,例如,1cc的液體氫能變成784cc的氫氣,而1cc體積的吸藏氫的合金MH卻能釋放出1000cc的氫氣。
在NiCd蓄電池里,只要利用吸藏氫的合金MH取代有毒的重金屬Cd（鎘）,便形成對環(huán)境無污染的綠色蓄電池NiMH,其電化學(xué)反應(yīng)如下：
由于設(shè)計時可像NiCd蓄電池一樣也把負(fù)極MH的容量制成足夠大,當(dāng)過充電時由正極放出的氧氣可被MH中的氫氣還原,使蓄電池可實現(xiàn)密封。NiMH蓄電池和NiCd蓄電池一樣,大電流放電時可維持平穩(wěn)的1.2V端電壓。值得稱道的是NiMH蓄電池的廢棄物不污染環(huán)境,而NiCd蓄電池廢棄物（若不回收）必將造成環(huán)境污染。
NiMH蓄電池的負(fù)極材料結(jié)構(gòu)和電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理不同于NiCd蓄電池,它的能量密度和使用壽命都比NiCd蓄電池優(yōu)越,從而也能開拓出更廣闊的應(yīng)用市場。正是由于這種緣故,世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國家都高度重視NiMH蓄電池的研究與開發(fā)。據(jù)報道,我國有色金屬研究院的科研人員對MH合金已開展很深入的研究,并且獲得可喜的新進(jìn)展。
3.LIB蓄電池
以金屬鋰Li作為負(fù)極的一次性電池,口碑很好。因此,各工業(yè)發(fā)達(dá)國家都試圖利用Li制造蓄電池,1979年,加拿大MoLi-Energy公司的鋰金屬蓄電池在手機(jī)里起火的事故,曾迫使鋰金屬蓄電池一度退出市場。但是,因為鋰Li金屬作為負(fù)極的蓄電池具備理想的性能,各國仍在潛心研究與開發(fā)。
現(xiàn)在,市場流行的鋰離子蓄電池（LIB）是以犧牲電池性能獲取安全性和使用壽命的折衷方案,其電化學(xué)反應(yīng)如下：
LIB是由涂有LiCoO2活性物質(zhì)的鋁集電體作為正極、碳（石墨或活性碳）和溶解有LiPF6的有機(jī)溶液構(gòu)成的。當(dāng)充電時,LiCoO2中分層結(jié)構(gòu)里L(fēng)i離子游向負(fù)極被分層結(jié)構(gòu)的碳所吸附;當(dāng)放電時,碳分層結(jié)構(gòu)里吸附的鋰離子又回游到正極,于是正極復(fù)原成LiCoO2分層結(jié)構(gòu),負(fù)極也復(fù)原成碳分層結(jié)構(gòu)。也就是說,該蓄電池在周而復(fù)始的充放電過程中,出現(xiàn)的只是鋰離子而不是活潑的鋰金屬。因此,LIB具備較好的安全性和可使用的壽命。
LIB的主要特點是具有較高的重量能量密度,平穩(wěn)的放電電壓為3.6V,可在-20℃～60℃的溫度范圍內(nèi)工作,無存儲效應(yīng),自放電率低（因而不能大電流放電）。為了安全地使用LIB,要求具備嚴(yán)防過充電和過放電的保護(hù)設(shè)施。
各種蓄電池比較
上述NiCd、NiMH和LIB蓄電池的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)制不同,各個蓄電池的特點也不盡相同。為了便于比較,需要用到評價蓄電池性能的標(biāo)準(zhǔn)或者是參數(shù)。通常使用的評價參數(shù),如像平衡放電時的蓄電池端電壓Vdc、再充電次數(shù)（Recharges）或者充放電周期個數(shù)、價格比率（PriceRatio）、能量密度（細(xì)分為重量能量密度和體積能量密度）和功率密度等,都是用定量的數(shù)值表示的。例如,NiCd和NiMH的Vdc=1.2V,而LIB的Vdc高達(dá)3.6V。當(dāng)需要3.6V供電電壓時,人們都寧愿用1塊LIB而不用3塊NiCd(或NiMH)蓄電池串聯(lián)供電。這一實例說明,利用定量的參數(shù)可對各種蓄電池進(jìn)行橫向比較,便于選擇應(yīng)用。
除此之外,蓄電池的安全性和是否具有記憶效應(yīng)等,也是影響蓄電池廣泛應(yīng)用的重要因素,值得注意。
根據(jù)以上所述,可把現(xiàn)在常用的電能轉(zhuǎn)換器件和電能儲存器件的各種參數(shù)列于表1,以便用戶選擇。其中,Wh/kg是蓄電池的重量能量密度,表示每kg蓄電池能提供出的Wh(瓦小時)電能;Wh/Liter是蓄電池的體積能量密度,表示每公升（Liter）蓄電池能提供出的Wh電能;W/kg表示蓄電池的功率密度,表示每kg蓄電池能提供出的瓦數(shù)（W）,即電功率;PriceRatio是蓄電池之間的價格比率,表示各種蓄電池的相對價格。
從表1中能夠清楚地看到,NiCd、NiMH、LIB和雙電荷層電容器都各有短長,各項參數(shù)都十全十美的器件,目前市場上還未出現(xiàn)。因此,蓄電池器件的選用,必須結(jié)合具體應(yīng)用實際加以選擇,合理搭配使用。
器件種類VdcWh/kgWh/LiterW/kgRechargesPriceRatio
備注
NiCD蓄電池1.2V50134160300～500次80%有存儲效應(yīng)
NiMH蓄電池1.2V60300260500～1000次100%NiCd和NiMH可共用簡單充電設(shè)施
LIB蓄電池3.6V100287150300～400次200%嚴(yán)格防止過充電/過放電
雙電荷層電容器EDLC1.2V15-518半永久10%高攻率密度、低成本
蓄電池的應(yīng)用
NiCd蓄電池最嚴(yán)重的問題是其廢棄物對環(huán)境造成嚴(yán)重污染,危及人類健康。由于在歐美和日本已建立回收再利用機(jī)制,環(huán)境污染問題也基本上獲得解決。至于NiCd蓄電池存儲（記憶）效應(yīng),只要使用時牢記,一定要使它充分放電后再進(jìn)行充電就可避免;否則,如果NiCd蓄電池在放電很淺的情況下就又充電,它就會記憶住放電深度,用不多久就又需要充電。
除了上述的不足之處以外,NiCd蓄電池仍有一定的優(yōu)勢,諸如價格相當(dāng)便宜,電壓控制和溫度控制的充電設(shè)施相對簡單,重負(fù)載的放電能力以及多種型號（高容量型、急速充電型等）等,堪稱是經(jīng)濟(jì)實惠的蓄電池。其應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛,只要不計較其體積和重量,可用于收發(fā)信機(jī)、無繩電話、攜帶式AV機(jī)器和電動機(jī)器等。
NiMH蓄電池是NiCd蓄電池的新發(fā)展,體積能量密度高,而且對環(huán)境無污染和無記憶效應(yīng),受到廣大用戶的歡迎。它具備較高的容量,可大電流放電,允許再充電次數(shù)高達(dá)500～1000次,價格日趨合理（預(yù)計今后3～5年內(nèi),每年成本可下降3％）,并且可利用現(xiàn)行的NiCd蓄電池的充電設(shè)施,因而NiMH蓄電池獲得廣泛應(yīng)用。NiMH蓄電池和NiCd蓄電池一樣,具有圓筒形（AAA、AA、A、C、D、F和M）、方形和紐扣形電池。這些NiMH蓄電池可裝配成多種電池組,可以滿足電子設(shè)備日益增長的便攜性需求。例如,NiMH蓄電池非常適合于大電流放電需求,如像便攜式打印機(jī)、醫(yī)療設(shè)備,遠(yuǎn)程通信設(shè)備,筆記本電腦和數(shù)碼AV機(jī)器（數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像、數(shù)碼音頻播放機(jī)）等,都可應(yīng)用NiMH蓄電池。原來,NiMH蓄電池實用化比鋰離子蓄電池LIB先行一步,于是在移動通信領(lǐng)域本也是NiMH蓄電池的天下。但是,LIB實用化以后,情況發(fā)生逆轉(zhuǎn),后面將仔細(xì)介紹。
NiMH蓄電池由于吸藏氫的合金MH比重很大,導(dǎo)致Wh/kg僅為60左右;盡管NiMH的Wh/Liter可達(dá)到300乃至400,W/kg高達(dá)160以上,但它的應(yīng)用前景限定在不嚴(yán)格計較重量的重負(fù)載應(yīng)用領(lǐng)域,例如混合電動車輛（hybridelectricvehicles）、電動車輛、特種野營、抗災(zāi)（水災(zāi)、地震等）現(xiàn)場用電等方面將發(fā)揮出不可替代的重要作用。因為NiMH蓄電池的特性決定它能和太陽能電池板、雙電荷層電容器EDLC、便攜式風(fēng)力發(fā)電機(jī)等構(gòu)成復(fù)合系統(tǒng)。例如混合電動車輛的汽油發(fā)動機(jī)功率較小,只限于行駛時作為動力,而啟動和爬坡時借助于NiMH蓄電池與雙電荷層電容器提供電能驅(qū)動電動機(jī)實現(xiàn)加速;將來的電動車輛主要是依靠大型NiMH蓄電池組和大型雙電荷層電容器組復(fù)充電方式,加速時由電容器提供脈沖大電流驅(qū)動;太陽能電池板和NiMH蓄電池組合供電系統(tǒng),白天依靠太陽能電池發(fā)電為NiMH蓄電池充電,夜間由蓄電池放電;風(fēng)力發(fā)電機(jī)和NiMH蓄電池組合供電系統(tǒng),有風(fēng)時發(fā)電機(jī)為NiMH蓄電池充電,無風(fēng)時由NiMH蓄電池放電。
LIB蓄電池的Vdc=3.6V,再充電次數(shù)可達(dá)300～400次,能量密度高達(dá)287Wh/Liter,堪稱是目前世界上最輕便的蓄電池。盡管它在充放電時,都要求一套精密的控制設(shè)施保證安全性,而且價格不菲,對于追求輕便和使用效率的移動通信手機(jī)用戶,依然是對LIB蓄電池情有獨鐘。在移動通信領(lǐng)域,LIB蓄電池終歸要完全取代NiCd和NiMH蓄電池。
總之,NiCd、NiMH和LIB蓄電池由于各自機(jī)理和特性不同,各有其自己的應(yīng)用領(lǐng)域,今后將會在不同的領(lǐng)域協(xié)調(diào)發(fā)展。
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