鉛蓄電池脈沖修復(fù)原理
中國(guó)電動(dòng)車(chē)信息網(wǎng) 電動(dòng)車(chē)商情網(wǎng) 俠名 電動(dòng)車(chē)維修 2006-3-22
| 1 什么是電池硫化？ 在極板上生成白色堅(jiān)硬的硫酸鉛結(jié)晶，充電時(shí)又非常難于轉(zhuǎn)化為活性物質(zhì)的硫酸鉛，這就是硫酸鹽化，簡(jiǎn)稱(chēng)"硫化"。 生成這種硫酸鉛的原因是過(guò)放電或放電后長(zhǎng)期放置時(shí)，硫酸鉛微粒在電解液中溶解，呈飽和狀態(tài)，這些硫酸鉛在溫度低時(shí)重新結(jié)晶，而在結(jié)晶質(zhì)硫酸鉛是析出。這樣在一度析出的粒子上一次又一次地因溫度變動(dòng)而生長(zhǎng)、發(fā)展，使結(jié)晶粒增大。這種硫酸鉛的導(dǎo)電性不良、電阻大，溶解度和溶解速度(Tempo)又很小，充電時(shí)恢復(fù)困難。因而成為容量降低和壽命縮短的原因。 2 產(chǎn)生硫化的原因是什么？ 正常的鉛蓄電池在放電時(shí)形成硫酸鉛結(jié)晶，充電時(shí)比較容易地還原為鉛。如果電池地使用和維護(hù)不善，例如經(jīng)常充電不足或過(guò)放電，負(fù)極上就會(huì)逐漸形成一種粗大堅(jiān)硬的硫酸鉛。這種硫酸鉛用常規(guī)的方法充電很難還原，要求充電電壓很高，由于充電時(shí)充電接受能力很差，大量析出氣體。 這種現(xiàn)象通常發(fā)生在負(fù)極，被稱(chēng)為不可逆硫酸鹽化。它引起蓄電池容量下降，甚至成為蓄電池壽命終止的原因。一般認(rèn)為，這種不可逆硫酸鹽化的原因是硫酸鉛的重結(jié)晶，粗大結(jié)晶形成之后溶解度減少。硫酸鉛的重結(jié)晶使晶體變大，是由于多晶體系傾向與減少小其表面自由能的結(jié)果。 從結(jié)晶過(guò)程的規(guī)律可知，小結(jié)晶尺寸的溶解度大于大結(jié)晶尺寸的溶解度。 因此，當(dāng)長(zhǎng)期存放或過(guò)放電時(shí)，大量的硫酸鉛存在，再加上硫酸濃度和溫度的波動(dòng)，個(gè)別的硫酸鉛晶體就可以依附靠近小晶體的溶解而長(zhǎng)大。 有人提出與上述完全不同的觀點(diǎn)，認(rèn)為不可逆硫酸鹽化常常與電解液中存在大量表面活性物質(zhì)有關(guān)，這些表面活性物質(zhì)作為雜質(zhì)存在。由于吸附減小了硫酸鉛的溶解度，充電時(shí)會(huì)使鉛離子還原的極限電流下降。表面活性物質(zhì)也會(huì)吸附在正極上，但它不至于引起不可逆硫酸鹽化，因?yàn)檎龢O在充電時(shí)進(jìn)行陽(yáng)極氧化過(guò)程，其電勢(shì)足以破壞表面活性物質(zhì)，使之被氧化為水和二氧化碳。 防止負(fù)極不可逆硫酸鹽化最簡(jiǎn)單的方法是，及時(shí)充電和不要過(guò)放電。蓄電池一旦發(fā)生了不可逆硫酸鹽化，如能及時(shí)處理尚能挽救。一般的處理方法是：將電解液的濃度調(diào)低（或用水代替硫酸），用比正常充電電流小一半或更低的電流進(jìn)行充電，然后放電，再充電......如此反復(fù)數(shù)次，達(dá)到應(yīng)有的容量以后，重新調(diào)整電解液濃度及液面高度。 3 電池硫化的危害是什么？輕微的電池硫化，會(huì)降低電池的容量，電池內(nèi)阻增加，嚴(yán)重時(shí)則電極失效，充不進(jìn)電。輕微的電池硫化，尚可用一些方法使它恢復(fù)，嚴(yán)重時(shí)采用一般的充電方法是不能夠恢復(fù)容量的。 4 電池硫化的特點(diǎn)是什么？硫化的電池最明顯的外特征是電池容量下降，內(nèi)阻增加。當(dāng)然，如果電池失水和正極板軟化也具有這個(gè)外特性。鑒別電池是否硫化的方法，往往是采用脈沖修復(fù)儀對(duì)電池進(jìn)行脈沖修復(fù)，如果容量上升，就是硫化，如果沒(méi)有一點(diǎn)點(diǎn)容量上升，電池容量下降可能是其它原因產(chǎn)生。 5 消除電池硫化的方法有幾種？特點(diǎn)是什么？ 1）水療法 如果硫化不太嚴(yán)重，可以使用較稀的電解液，密度在1.100g/cn3以下，即向電池中加水稀釋電解液，以提高硫酸鉛的溶解度。并用20h率以下的電流，在液溫30℃～40℃的范圍內(nèi)較長(zhǎng)時(shí)間充電，可能得以恢復(fù)。如果電解液密度較高，則充電時(shí)只進(jìn)行水分解，活性物質(zhì)難以恢復(fù)。 2） 大電流充電 若認(rèn)為吸附是造成硫酸鹽化的原因，則可以用高電流密度充電（達(dá)100mA./cm2）。在這樣的電流密度下，負(fù)極可以達(dá)到很負(fù)的電勢(shì)值，這時(shí)遠(yuǎn)離零電荷點(diǎn)，使φ－φ（0）＜0，改變了電極表面帶電的符號(hào)，表面活性物質(zhì)會(huì)發(fā)生脫附，特別是對(duì)陰離子型的表面活性物質(zhì)，這種有害的表面活性物質(zhì)從電極表面上脫附以后，就可以使充電順利進(jìn)行。目前國(guó)內(nèi)幾乎沒(méi)有人使用這種方法處理不可逆硫酸鹽化，可能出于以下考慮：高電流密度下極化和歐姆壓降增加，這部分能量轉(zhuǎn)化為熱，使蓄電池內(nèi)部溫度升高，同時(shí)又有大量的氣體析出，尤其是正極大量氣析出氣體，其沖刷作用易使活性物質(zhì)脫落。 3）脈沖修復(fù) 按照原子物理學(xué)和固體物理學(xué)的原理，硫離子具有5個(gè)不同的能級(jí)狀態(tài)，通常處于亞穩(wěn)定能級(jí)狀態(tài)的離子趨向與遷落到最穩(wěn)定的共價(jià)鍵能級(jí)而存在。在最低能級(jí)（即共價(jià)鍵能級(jí)狀態(tài)），硫以包含8個(gè)原子的環(huán)形分子形式存在，這8個(gè)原子的環(huán)形分子模式是一種穩(wěn)定的組合，難以被打碎，形成電池的不可擬硫酸鹽化——硫化。 多次發(fā)生這樣的情況，就形成了一層類(lèi)似與絕緣層一樣的硫酸鉛結(jié)晶。要打碎這些硫酸鹽層的束縛，就要提升原子的能級(jí)到一定的程度，這時(shí)候在外層原子加帶的電子被激活到下一個(gè)更高的能帶，使原子之間解除束縛。每一個(gè)特定的能級(jí)都有唯一的諧振頻率，必須提供給一些能量，才能夠使得被激活得分子遷移到更高得能級(jí)狀態(tài)，太低得能量無(wú)法達(dá)到躍遷所需要得能量要求 。` 但是，過(guò)高的能量會(huì)使已經(jīng)脫離了束縛而躍遷的原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，又回落到原來(lái)的能級(jí)。這樣，必須通過(guò)多次諧振，是的其中一次脫離了束縛，達(dá)到最活躍的能級(jí)狀態(tài)而又沒(méi)有回落的原來(lái)的能級(jí)，這樣，就轉(zhuǎn)化為溶解于電解液的自由離子，而參與電化學(xué)反應(yīng)。 很高的電壓可以實(shí)現(xiàn)，就是大電流高電壓充電的方法，諧振也可以實(shí)現(xiàn)，就是脈沖諧波諧振的方法。從固體物理上來(lái)講，任何絕緣層在足夠高的電壓下都可以擊穿。一旦絕緣層被擊穿，粗大的硫酸鉛就會(huì)呈現(xiàn)導(dǎo)電狀態(tài)。如果對(duì)高電阻率的絕緣施加瞬間的高電壓，也可以擊穿大的硫酸鉛結(jié)晶。如果這個(gè)高電壓足夠短，并且進(jìn)行限流，在打穿絕緣層的條件下，充電電流不大，也不至于形成大量析氣。 電池析氣量強(qiáng)正相關(guān)于充電電流和充電時(shí)間，如果脈沖寬度足夠短，占空比足夠大，就可以在保證擊穿粗大硫酸鉛結(jié)晶的條件下，同時(shí)發(fā)生的微充電來(lái)不及形成析氣。這樣，實(shí)現(xiàn)了脈沖消除硫化。對(duì)于密封電池來(lái)說(shuō)，水療法是無(wú)法進(jìn)行的。另外，水療法的成本和使用工時(shí)都比較大�，F(xiàn)在有了脈沖修復(fù)的方法，已經(jīng)很少見(jiàn)到水療法了。 6 實(shí)現(xiàn)脈沖消除硫化和抑制電池硫化的方法是什么？ 可以采用脈沖保護(hù)器和修復(fù)儀來(lái)處理。一般使用2類(lèi)修復(fù)方法。其一為在線修復(fù)，把可以產(chǎn)生脈沖源的保護(hù)器并聯(lián)在電池的正負(fù)極柱上，使用電池或者充電器的電源或者使用外來(lái)的市電，就會(huì)有脈沖輸出到電池上面。 這種修復(fù)方式所需要的能源很少，比較慢，但是由于常年并聯(lián)在電池極柱2端，慢也沒(méi)有關(guān)系。對(duì)于沒(méi)有硫化的電池，可以抑制電池的硫化。其二為離線式的，可以產(chǎn)生快速的脈沖，脈沖電流相對(duì)比較大，產(chǎn)生脈沖的頻率比較高，脈沖占空比比較大。一些產(chǎn)品還具有自動(dòng)控制。這種修復(fù)儀主要是用來(lái)修復(fù)已經(jīng)硫化的電池。 |
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