长光蓄电池-铅酸蓄电池修复基础理论

长光电源带你来了解一下铅酸蓄电池基本原理与构造，所谓蓄电池即是贮存化学能量，于必要时放出电能的一种电气化学设备。构成铅酸蓄电池之主要成份如下：　
阳极板(过氧化铅.PbO2)---> 活性物质
阴极板(海绵状铅.Pb) ---> 活性物质
电解液(稀硫酸) ---> 硫酸(H2SO4) + 水(H2O)
另外有:电池外壳、隔离板及其它(液口栓.盖子等)
一、了解铅酸蓄电池的工作原理与化学反应机理:
铅酸蓄电池内的阳极(PbO2)及阴极(Pb)浸到电解液(稀硫酸)中，两极间会产生2V的电力，这是根据铅酸蓄电池原理，经由充放电，则阴阳极及电解液即会发生如下的变化：
放电中的化学变化
(阳极) (电解液) (阴极)
PbO2 + 2H2SO4 + Pb ---> PbSO4 + 2H2O + PbSO4 (放电反应)
(过氧化铅) (硫酸) (海绵状铅)
铅酸蓄电池连接外部电路放电时，稀硫酸即会与阴、阳极板上的活性物质产生反应,生成新化合物『硫酸铅』。经由放电硫酸成分从电解液中释出，放电愈久，硫酸浓度愈稀薄。所消耗之成份与放电量成比例，只要测得电解液中的硫酸浓度，亦即测其比重，即可得知放电量或残余电量。
充电中的化学变化
(阳极) (电解液) (阴极)
PbSO4 + 2H2O + PbSO4 ---> PbO2 + 2H2SO4 + Pb (充电反应)
(硫酸铅) (水) (硫酸铅)
由于放电时在阳极板，阴极板上所产生的硫酸铅会在充电时被分解还原成硫酸,铅及过氧化铅,因此铅酸蓄电池内电解液的浓度逐渐增加, 亦即电解液之比重上升，并逐渐回复到放电前的浓度，这种变化显示出铅酸蓄电池中的活性物质已还原到可以再度供电的状态，当两极的硫酸铅被还原成原来的活性物质时，即等于充电结束，而阴极板就产生氢，阳极板则产生氧，充电到最后阶段时，电流几乎都用在水的电解，因而电解液会减少，此时应以纯水补充之。
二、铅酸蓄电池的基本构造
极板：根据铅酸蓄电池设计的容量选择适当规格极板及数量组合而成。在充放电过程中,两极活性物质随着体积的变化而反复膨胀与收缩。在活性物质中，阴极板之海绵状铅的结合力较强，而阳极板之过氧化铅的结合力弱.因而在充放电的过程中，会徐徐脱落，是造成铅酸蓄电池寿命受到限制的根本原因。一般的电池结构为糊状式极板: 实际上是将稀硫酸炼制之糊状铅粉涂覆在铅合金制的格子上，然后干燥处理后所形成之活性物质。这种方式一直被采用在铅酸蓄电池的阴极板上，同时亦使用在汽车，小货车的铅酸蓄电池阳极板上。
隔离板：能防止阴、阳极板间产生短路，但不会妨碍两极间离子的流通。而且经长时间使用，也不会劣化，或释放杂质。铅酸蓄电池一般都使用胶质隔离板, 隔离板之间的孔隙是铅酸蓄电池的主要通道.时间用久的铅酸蓄电池一般会因为产生的硫酸铅晶状体不仅造成正负极板的堵塞而且堵塞隔离板的孔隙通道,是造成铅酸蓄电池充电/放电的不通畅的主要原因.
电池外壳：耐酸性强，兼具机械性强度。电动车用的铅酸蓄电池外壳乃使用材质强韧之合成树脂经特殊处理制成，其机械性强度特别强，上盖亦使用相同材质，以化学胶粘合或者(热熔)粘接。
电解液：电解液比重以20℃的值为标准，电动车用的蓄电池完全充电时之电解液标准比重为1.280。
液口栓：液口栓的功能为排出充电时所产生的气体及补充纯水，测定比重。
三、铅酸蓄电池的容量
铅酸蓄电池之容量表示 在容量试验中，放电率与容量的关系如下：
5HR….1.7V/cell
3HR….1.65V/cell
1HR….1.55V/cell
严禁到达上述电压时还继续继续放电，放电愈深，电瓶内温会升高,则活性物质劣化愈严重，进而缩短铅酸蓄电池寿命。
铅酸蓄电池温度与容量：当铅酸蓄电池温度降低，则其容量亦会因以下理由而显著减少：(A)电解液不易扩散，两极活性物质的化学反应速率变慢。 (B)电解液之阻抗增加，电瓶电压下降,蓄电池的5HR容量会随蓄电池温度下降而减少。因此: 冬季比夏季的使用时间短。特别是使用于冷冻库的蓄电池由于放电量大，而使一天的实际使用时间显著减短。若欲延长使用时间，则在冬季或是进入冷冻库前，应先提高其温度。
放电量与寿命: 每日反复充放电以供使用时，则铅酸蓄电池寿命将会因放电量的深浅，而受到影响。
放电量与比重: 铅酸蓄电池之电解液比重几乎与放电量成比例。因此，根据蓄电池完全放电时的比重及10%放电时的比重，即可推算出蓄电池的放电量。测定铅酸蓄电池之电解液比重为得知放电量的最佳方式。因此，定期性的测定使用后的比重，以避免过度放电，测比重的同时，亦测电解液的温度，以20度C所换算出的比重，切勿使其降到80%放电量的数值以下。
放电状态与内部阻抗:内部阻抗会因放电量增加而加大，尤其放电终点时，阻抗最大，是因为放电的进行使得极板内产生电流的不良导体─硫酸铅及电解液比重的下降，都导致内部阻抗增强，故放电后，务必马上充电.
白色硫酸铅化:铅酸蓄电池放电，则阴、阳极板同时产生硫酸铅(PbS04)，若任其持续放电，不予充电，则最后会形成安定的白色硫酸铅结晶(即使再充电，亦难再恢复原来的活性物质)此状态称为白色硫化现象。,而将缩短电瓶的使用年限。
放电中的温度:当电池过度放电，内部阻抗即显著增加，因此铅酸蓄电池温度也会上升。放电时的温度高，会提高充电完成时温度，因此，将放电终了时的温度控制在40℃以下为最理想。
四、铅酸蓄电池充电管理
铅酸蓄电池的充电特性：铅酸蓄电池充电的端子电压如下式表示：V= E+I.R，在此，E=电瓶电压(V)　I=充电电流(A)　R=内部阻抗(Ω)
铅酸蓄电池温度与寿命:铅酸蓄电池温度（电解液温度）升高，则阴阳极板上的活性物质即会劣化，并腐蚀阳极格子，而缩短电池寿命，相对的，电池温度太低时，会使铅酸电池蓄电容量减少，容易过度放电，进而使电池寿命缩短。此种关系也会因电池型式，极板材质而有变化。故应遵守下列之使用条件：通常铅酸蓄电池之电解液温度应维持在15~55℃为理想使用状态，不得已的情况下,也不可超过放电时-15~55℃,充电时0~60℃的范围最为理想。实际使用时，由于充电时温度会上升，因此，放电终了时之电解液温度以维持在40℃以下为最理想。
充电量与寿命:铅酸蓄电池所须之充电量应为放电量的110~120%.放电量与蓄电池寿命具密切关系,假设充电量为放电量120%时的电池，使用寿命为 1200回（４年），则当电池的充电量达放电量之150%时，则可推算该电池的寿命为： 1200回×120/150=960回(3•2年).
气体的产生与通风换气:充电中产生的气体为氧与氢的混合气，氢气具爆炸性，若空气中氢气达3.8%以上，且又近火源，则会发生爆炸。充电场所必须通风良好，注意远离火源，避免触电。
五、电解液之管理
比重测定 : 测量比重时，须使用吸取式比重计将电解液缓缓吸入外筒，(让浮标刚刚离开底部,可以飘动为标准.或高或低都不会准确)从浮标之刻度即可测知比重。铅酸蓄电池之电解液比重会随温度改变而变化，电解液比重乃以摄氏20度时的比重为标准，因此比重计上的读数，必须换算为摄氏20度时之标准比重。当温度变化摄氏一度时，则电解液比重即变化0.0007，因此，在测量比重的同时，必须测量温度，测温时，请使用棒状酒精温度计。
该温度t℃时所测之比重为St，则以下式换算标准温度20℃时之比重S20
S20=St+0.0007(t-20)
S20…为换算成20℃时的比重
St….为t℃时所测之比重
t…..为测得电解液之实际摄氏温度
例如：20℃时比重为1.280者，在10℃时变成1.287;30℃时，变成1.273
纯水之补充 :铅酸蓄电池在使用过程中,重复放电及车行的震荡时，电解液面都会缓缓下降，因此要定期检视电解液液位，随时补充纯水(或者补充液)，以维持适当之液位，若因忽略补水，而露出极板，则会伤害极板。
补水过多所造成的弊端:补水时若超过最高液面时,则充电时就会发生满溢，而使稀硫酸成份流失，既腐蚀电瓶的极柱,又会使电解液的比重偏低,从而造成蓄电容量不足等。
电解液中的不纯物与电池寿命：电解液中若含有硝酸、盐酸、亚硫酸、盐素、有机物等杂质，则会腐蚀极板，加速缩短电池寿命，同时也会加速自我放电，所以铅酸蓄蓄电池补充液位时，一定要使用纯水，当用水冲洗电瓶时，一定要将铅酸蓄电池帽盖紧以避免冲洗的用水流入电瓶内,加速自放电。
六、 铅酸蓄电池修复原理
什么是铅酸蓄电池硫化？
在极板上生成白色坚硬的硫酸铅结晶，充电时又非常难于转化为活性物质的硫酸铅，这就是硫酸盐化，简称"硫化"。这种硫酸铅的导电性不良、电阻大，溶解度和溶解速度又很小，充电时恢复困难。因而成为铅酸蓄电池容量降低和寿命缩短的主要原因。
产生硫化的原因是什么？
正常的铅酸蓄电池在放电时形成硫酸铅结晶，充电时比较容易地还原为铅。如果铅酸蓄电池的使用和维护不善，例如经常充电不足或过放电，负极上就会逐渐形成一种粗大坚硬的硫酸铅。这种硫酸铅用常规的方法充电很难还原，要求充电电压很高，由于充电时充电接受能力很差，大量析出气体。这种现象通常发生在负极，被称为不可逆硫酸盐化（硫化）。它引起铅酸蓄电池容量下降，甚至成为铅酸蓄电池寿命终止的原因。一般认为，这种不可逆硫酸盐化的原因是硫酸铅的重结晶，粗大结晶形成之后溶解度减少。硫酸铅的重结晶使晶体变大，是由于多晶体系倾向与减少小其表面自由能的结果。从结晶过程的规律可知，小结晶尺寸的溶解度大于大结晶尺寸的溶解度。因此，当长期存放或过放电时，大量的硫酸铅存在，再加上硫酸浓度和温度的波动，个别的硫酸铅晶体就可以依附靠近小晶体的溶解而长大。
铅酸蓄电池硫化的危害是什么？轻微的电池硫化，会降低铅酸蓄电池的容量，电池内阻增加，严重时则铅酸蓄电极失效，充不进电。轻微的电池硫化，尚可用一些方法使它恢复，严重时采用一般的充电方法是不能够恢复容量的。