铅酸蓄电池在新能源汽车上的应用及蓄电池的寿命

热度:Loading...   日期:15-06-30, 10:21 AM   来源:   

【陆地方舟电动汽车网ddc.greenwheel.com.cn铅酸蓄电池是相对古老和成熟的技术,目前占据40%~45%的电池市场,主要是由于它广泛用于小汽车、卡车和公交车的起动、照明和点火。铅酸电池的充放电效率为75%80%,因此也用于混合电动汽车(HEV)和储能领域。阀控铅酸电池(VRLA)是一种先进设计的铅酸电池,内部不含流动电解液,电解液吸附在多孔的隔板或气相SiO2胶体中。下图是美国Enersys公司生产的VRLA电池,采用吸附式超细玻璃棉隔板(AGM)来固定电解液,具有允许离子导通而不允许电子导通的特性。

电动汽车价格及图片 

VRLA电池组

 

下图是VRLA电池的结构示意图,包括正极、负极和中间的隔板,隔板的作用是电子绝缘体。这三个组件都是多孔的,全部或部分充满液态或固态电解液。电解液是电子绝缘体和良好的离子导体。如果过充电或过放电,电池内部可能会产生气体。气体的产生是电池副反应的产物,将会引起电池的安全问题和缩短电池的循环寿命。

电动汽车价格及图片 

铅酸电池结构示意图

铅酸蓄电池正、负极分别进行充放电的可逆电化学反应。负极的活性材料由铅(Pb)粉末组成,正极化学成分是二氧化铅(Pb02),电解液是硫酸(H2S04)的水溶液。硫酸溶于水后电离为H+HS04。放电时,负极PbHS04-发生电化学反应生成硫酸铅(PbS04)H+,并释放出2个电子(e-)。化学反应方程式如下:

电动汽车价格及图片(2-1)

2个电子通过外电路做功,提供电能。H+离子穿过隔膜扩散到正极附近。负极的充电反应是上述放电反应的逆过程,即PbS04转变成为海绵状金属铅。

 

放电时,正极Pb02HS04-以及从负极扩散来的3H+、来自外部电路的2个电子发生电化学反应,生成硫酸铅(PbS04)和水(H20),化学反应方程式

电动汽车价格及图片 

正极的充电反应是上述放电反应的逆过程,即PbS04转变成为Pb02

一个特定的化学体系电池的电压值取决于正极和负极材料。负极Pb相对于标准氢电极电位是-0.3V,而正极Pb02相对于标准氢电极电位是1.6V。因此,单体铅酸蓄电池理论电压是1.9V。铅酸蓄电池电压高于1.9V是处于过充状态,低于1.9V是处于充电不足状态。

在某些工况条件下,铅酸蓄电池还会产生副反应或其他过程,降低了电池的充放电效率,造成电池性能长期的衰退。我们最担心的是电池的老化和电池的寿命衰减,因此,造成副反应的工况应尽量避免。铅酸蓄电池的寿命是由下述几个失效模式所决定:

·腐蚀。正极板栅Pb外面包覆着活性材料Pb02。正常情况下,正极上主要是Pb02进行上述式(2-2)的电化学反应过程。但是,板栅Pb可能被硫酸(H2S04)腐蚀溶解生成氧化铅(Pb0),增加正极的电阻。

·析氢。在过充电时,负极产生氢气,正极产生氧气,造成电池的内压上升。如果电池内压上升到一定值,阀控铅酸电池的阀门会开启释放所产生的气体。如果电池析气量过多,电池内部水分永久损失,将造成隔膜干涸,电解液浓度的上升。

·硫化。在放电时,铅酸蓄电池正负极都生成PbS04晶体。在充电时,正负极上的PbS04晶体分别转化成Pb02Pb活性物质。极板硫化就是充电后极板上仍有PbS04晶体,硫化会造成电池容量损失。电池硫化主要发生在高温部分放电(低压)电池中,如电池长期搁置,或者长期小电流放电。负极较正极更易发生硫化。

·活性材料性能衰退。腐蚀、气体产生和硫化都会降低正负极活性物质的性能。气体产生和充放电引起的体积膨胀、收缩,都会引起机械压力的变化。PbS04Pb02的体积分别是Pb体积的2.4倍和1.96倍,因此,在充放电时,电池正负极产生较大的压力变化。随着SOC降低,压力增加。随着循环次数的增加,正极板栅上的活性物质Pb02会逐渐软化和脱落。

·隔膜的枝晶化。铅酸蓄电池在放电时,化学反应式(2-1)和式(2-2)中消耗硫酸,因此导致硫酸的浓度随着SOC的变化。在较低的SOC状态下,硫酸浓度减小,加重了PbS04晶体形成。而沉积的PbS04晶体可能填塞在隔膜的孔隙中,在充电时,这些PbS04晶体可能转化成树枝状的金属铅,刺穿隔膜,使正负极直接导通,引起电池的短路。

Loading...

Loading...

分享到:

TAGS: 蓄电池