铅酸蓄电池设计计算

VRLA 电池酸量确定 VRLA 电池相对于以前的开口富液式电池， 其最大的优势是在电池寿命期 间不需要添加电解液或水维护，电池可以任意位置放置使用等等。 这就 要求电解液被完全固定在 AGM 隔板和活性物质中不能流动， 并且为了实 现其寿命期间不需要加酸加水维护， 就必须要实现电池寿命期间内的氧 循环，即不能有电解液的损失。而形成氧循环的关键一点要求就是要严 格限定电池的内的酸液总量，并且必须保证AGM 隔板留有 10%左右的孔 不被电解液所淹没，从而为氧气的循环复合提供通道。但是又必须要求 电池中电解液的总量能够维持活性物质放电反应的需要。 要想使电池中电解液总量完全够用，又能够为氧气的循环复合 提供通道， 就需要根据电池的实际用途， 正确确定和控制电池的加酸量， 下面将从三个大的方面来探讨 VRLA 电池加酸量确定的问题。 1 1、最低加酸量、最低加酸量 VRLA 电池需要的酸体积， 取决于电池放电态与荷电态所要求的电解液密 度以及电池放电过程输出的总电量和放电率。通常在VRLA 设计时，荷 电态的电解液密度要求 1.28-1.30g/cm 3,当其放出 100%额定容量时又希 望电解液密度为 1.07-1.09g/cm .这就要求电池中电解液总量至少必须 满足能够维持电池在一定条件下放出其额定容量所必须消耗的电解液 3 参考 总量， 因此 VRLA 电池的最低用酸量可根据电池反液压方程式推导如下： PbO 2 + Pb + 2H 2SO4 = 2PbSO 4 + 2H 2O 根据电池充放电反应的方程式，结合充放电态物质各自的电化学 当量值可知，电池每放出 1AH 的电量，要消耗纯的 H 2SO4 3.66g，生成 水 0.67g. 设放电开始时电池中电解液密度为ρ1(15℃)， 对应的质量百分 比浓度为 m%，放电终了时电解液密度为 ρ2，对应的质量百分比浓度为 n%。当电解液浓度由 ρ1 降到 ρ2 时，反应开始时加入的密度为 ρ1 的 酸的体积为 V ml。 则根据电池反应式中每放出 1AH 电量所消耗的硫酸量 为 3.66g，生成的水的质量为 0.67g，经过方程式两边等值计算，整理 得出 VRLA 电池中每放出 1AH 电量的最低用酸体积 V 的表达式为： V = (3.66-2.99n)/[(m-n)ρ1] 如果设定电池荷电态的电解液密度为1.28g/cm ， 放电态的电解 液密度为 1.08 g/cm ，则将各自对应的质量百分比数值带入最低用酸体 积 V 的表达式中可以得出放电容量为 C 的电池的最低用酸体积为： V = (3.66-2.99×11.5%)/[(36.8-11.5)% ×1.28] C = 10.24C 参考 3 3 10.24C 就是在 15℃下设定电池荷电态的电解液密度为1.28g/cm ， 放电 态为 1.08 g/cm 的最低加酸体积。当然，电池中实际的加酸体积还需要 根据电池的用途，以及为此进行的电池结构设计和活性 3 3 2 2、电池中硫酸的来源、电池中硫酸的来源 不同生产工艺制造的 VRLA 电池，由于生产方式的不同，最终电池中硫 酸电解液的来源也不同。对于极板化成来说，在化成过程中，生极板中 的硫酸全部转化为游离的电解液，经过水洗、干燥后，极板中基本上已 经不再含有电解液了， 酸的唯一来源就是电池装配后补充电前所加的电 解液，按照设计要求进行加酸即可。 对于电池化成来说，又分为一次注液化成一次注液化成和二次注液化成二次注液化成，二次 注液化成由于过程中有抽酸的过程，因此，具体极板中酸液的引入量不 好计算。目前 VRLA 电池普遍采用的化成方法是一次注液化成。因此， 这一部分主要讨论一次注液化成 VRLA 电池电解液硫酸的来源。 对于一次注液电池化成一次注液电池化成的 VRLA 电池，硫酸的来源主要有两个，一 是正、负极铅膏制备时加入的硫酸通过合膏、 固化以及化成完全转化为 硫酸， 这一部分硫酸直接按照合膏中的加酸比例计算电池中活性物质内 参考 的酸含量即可。另一部分则是电池化成前加入的酸量， 这一加酸量是电 池的结构分析在保证电池中氧复合条件下所最多可以吸收的硫酸量， 并 且要考虑电池在化成过程中的酸液损失来确定这个加酸量。 此数值的确 定必须要考虑电池中隔板的压缩比以用电池中隔板的总量， 因为 AGM 隔 板是 VRLA 电池中电解液的主要载体，而隔板的压缩比又极大地影响其 吸酸量。但是不论电池的结构如何变化，电池的加酸量必须不能小于第 一部分分析的电池的最低加酸量。 3 3、电池中酸液的分配、电池中酸液的分配 众所周知， VRLA 电池中的没有游季酸存在， 酸液被全部吸收在极板活性 物质空隙中和 AGM 的空隙中。 极板活性物质的吸液量与活性物质的孔率和质量有关。电池设计 时，通常活性物质的质量都是预先确定的，因为在设计和组装电池时， 单极板的额定容量通常都是已经确定了的。如此，活性物质对吸酸量的 影响主要是其孔率的大小等。 而活性物质的孔率主要与极板固化前铅膏 所含的水分密切相关，从数值上说，基本相等。但是实际空隙体积在极 板固化过程中由于金属铅的进一步氧化， 碱式硫酸铅的重结晶等影响而 会有复杂的变化。 并且极板在实际吸酸时还由于在极板表面形成一层液 膜。 这些因素综合影响的结果是极板的实际吸酸量要略大于极板的空隙 体积。在通常的正极铅在通常的正极铅 4.0-4.2 g/cm4.0-4.2 g/cm 视密度范围内，正极铅膏的吸酸视密度范围内，正极铅膏的吸酸 参考 3 3 量为每克活性物质吸酸量为每克活性物质吸酸 0.15ml0.15ml；负极铅膏在；负极铅膏在 4.2-4.44.2-4.4 g/cmg/cm 视密度范围视密度范围 内吸酸量为每活性物质内吸酸量为每活性物质 0.155ml.0.155ml. 3 3 在通常正负极板厚度比例为1 比 0.6 左右的范围内，正极活性物 质所吸收的电解液总量为电解液总量的22%左右，负极为 13%左右，另 外的酸都吸收在 AGM 隔板中。 些处的计算考虑了负极板通常比正极板多 一片。 AGM 隔板的孔率高达 95%左右，在 VRLA 电池中是电解液的主要载 体。而隔板的吸酸量与隔板的材质和其压缩有关。压缩率高，则吸酸量 少。对于目前国内普遍采用的不含憎水纤维的AGM 隔板来说，在一定范在一定范 围内，隔板的吸酸量围内，隔板的吸酸量 （每单位质量隔板的吸酸体积）与压缩率之间有如（每单位质量隔板的吸酸体积）与压缩率之间有如 下线形关系下线形关系： 吸酸量（吸酸量（ml/gml/g））= 6.45-= 6.45-(0.06×压缩率(0.06×压缩率) ) 式中 6.45 可理解为每克隔板具有的孔体积，即隔板在没有受压情况下 饱和状态的最大吸酸量；0.06 表示隔板受压缩是时，每压缩1%，孔体 积相应减少 0.06ml。 但是，通常为了预防电池正负极板之间的短路等，隔板的表面积 相对于极板面积有 15%左右的富裕，这就意味着这一部分隔板没有受到 参考 压缩。资料显示，这一部分没有受到压缩的隔板反倒是有些膨胀，要比 自然状态下的隔板多吸收一些酸，吸酸量大约为8.5ml/g。这一同有压 缩的隔板吸收