長光蓄電池-鉛酸蓄電池修復基礎理論

長光電源帶你來了解一下鉛酸蓄電池基本原理與構造，所謂蓄電池即是貯存化學能量，于必要時放出電能的一種電氣化學設備。構成鉛酸蓄電池之主要成份如下：　
陽極板(過氧化鉛.PbO2)---> 活性物質
陰極板(海綿狀鉛.Pb) ---> 活性物質
電解液(稀硫酸) ---> 硫酸(H2SO4) + 水(H2O)
另外有:電池外殼、隔離板及其它(液口栓.蓋子等)
一、了解鉛酸蓄電池的工作原理與化學反應機理:
鉛酸蓄電池內的陽極(PbO2)及陰極(Pb)浸到電解液(稀硫酸)中，兩極間會產生2V的電力，這是根據鉛酸蓄電池原理，經由充放電，則陰陽極及電解液即會發生如下的變化：
放電中的化學變化
(陽極) (電解液) (陰極)
PbO2 + 2H2SO4 + Pb ---> PbSO4 + 2H2O + PbSO4 (放電反應)
(過氧化鉛) (硫酸) (海綿狀鉛)
鉛酸蓄電池連接外部電路放電時，稀硫酸即會與陰、陽極板上的活性物質產生反應,生成新化合物『硫酸鉛』。經由放電硫酸成分從電解液中釋出，放電愈久，硫酸濃度愈稀薄。所消耗之成份與放電量成比例，只要測得電解液中的硫酸濃度，亦即測其比重，即可得知放電量或殘余電量。
充電中的化學變化
(陽極) (電解液) (陰極)
PbSO4 + 2H2O + PbSO4 ---> PbO2 + 2H2SO4 + Pb (充電反應)
(硫酸鉛) (水) (硫酸鉛)
由于放電時在陽極板，陰極板上所產生的硫酸鉛會在充電時被分解還原成硫酸,鉛及過氧化鉛,因此鉛酸蓄電池內電解液的濃度逐漸增加, 亦即電解液之比重上升，并逐漸回復到放電前的濃度，這種變化顯示出鉛酸蓄電池中的活性物質已還原到可以再度供電的狀態，當兩極的硫酸鉛被還原成原來的活性物質時，即等于充電結束，而陰極板就產生氫，陽極板則產生氧，充電到最后階段時，電流幾乎都用在水的電解，因而電解液會減少，此時應以純水補充之。
二、鉛酸蓄電池的基本構造
極板：根據鉛酸蓄電池設計的容量選擇適當規格極板及數量組合而成。在充放電過程中,兩極活性物質隨著體積的變化而反復膨脹與收縮。在活性物質中，陰極板之海綿狀鉛的結合力較強，而陽極板之過氧化鉛的結合力弱.因而在充放電的過程中，會徐徐脫落，是造成鉛酸蓄電池壽命受到限制的根本原因。一般的電池結構為糊狀式極板: 實際上是將稀硫酸煉制之糊狀鉛粉涂覆在鉛合金制的格子上，然后干燥處理后所形成之活性物質。這種方式一直被采用在鉛酸蓄電池的陰極板上，同時亦使用在汽車，小貨車的鉛酸蓄電池陽極板上。
隔離板：能防止陰、陽極板間產生短路，但不會妨礙兩極間離子的流通。而且經長時間使用，也不會劣化，或釋放雜質。鉛酸蓄電池一般都使用膠質隔離板, 隔離板之間的孔隙是鉛酸蓄電池的主要通道.時間用久的鉛酸蓄電池一般會因為產生的硫酸鉛晶狀體不僅造成正負極板的堵塞而且堵塞隔離板的孔隙通道,是造成鉛酸蓄電池充電/放電的不通暢的主要原因.
電池外殼：耐酸性強，兼具機械性強度。電動車用的鉛酸蓄電池外殼乃使用材質強韌之合成樹脂經特殊處理制成，其機械性強度特別強，上蓋亦使用相同材質，以化學膠粘合或者(熱熔)粘接。
電解液：電解液比重以20℃的值為標準，電動車用的蓄電池完全充電時之電解液標準比重為1.280。
液口栓：液口栓的功能為排出充電時所產生的氣體及補充純水，測定比重。
三、鉛酸蓄電池的容量
鉛酸蓄電池之容量表示 在容量試驗中，放電率與容量的關系如下：
5HR….1.7V/cell
3HR….1.65V/cell
1HR….1.55V/cell
嚴禁到達上述電壓時還繼續繼續放電，放電愈深，電瓶內溫會升高,則活性物質劣化愈嚴重，進而縮短鉛酸蓄電池壽命。
鉛酸蓄電池溫度與容量：當鉛酸蓄電池溫度降低，則其容量亦會因以下理由而顯著減少：(A)電解液不易擴散，兩極活性物質的化學反應速率變慢。 (B)電解液之阻抗增加，電瓶電壓下降,蓄電池的5HR容量會隨蓄電池溫度下降而減少。因此: 冬季比夏季的使用時間短。特別是使用于冷凍庫的蓄電池由于放電量大，而使一天的實際使用時間顯著減短。若欲延長使用時間，則在冬季或是進入冷凍庫前，應先提高其溫度。
放電量與壽命: 每日反復充放電以供使用時，則鉛酸蓄電池壽命將會因放電量的深淺，而受到影響。
放電量與比重: 鉛酸蓄電池之電解液比重幾乎與放電量成比例。因此，根據蓄電池完全放電時的比重及10%放電時的比重，即可推算出蓄電池的放電量。測定鉛酸蓄電池之電解液比重為得知放電量的最佳方式。因此，定期性的測定使用后的比重，以避免過度放電，測比重的同時，亦測電解液的溫度，以20度C所換算出的比重，切勿使其降到80%放電量的數值以下。
放電狀態與內部阻抗:內部阻抗會因放電量增加而加大，尤其放電終點時，阻抗最大，是因為放電的進行使得極板內產生電流的不良導體─硫酸鉛及電解液比重的下降，都導致內部阻抗增強，故放電后，務必馬上充電.
白色硫酸鉛化:鉛酸蓄電池放電，則陰、陽極板同時產生硫酸鉛(PbS04)，若任其持續放電，不予充電，則最后會形成安定的白色硫酸鉛結晶(即使再充電，亦難再恢復原來的活性物質)此狀態稱為白色硫化現象。,而將縮短電瓶的使用年限。
放電中的溫度:當電池過度放電，內部阻抗即顯著增加，因此鉛酸蓄電池溫度也會上升。放電時的溫度高，會提高充電完成時溫度，因此，將放電終了時的溫度控制在40℃以下為最理想。
四、鉛酸蓄電池充電管理
鉛酸蓄電池的充電特性：鉛酸蓄電池充電的端子電壓如下式表示：V= E+I.R，在此，E=電瓶電壓(V)　I=充電電流(A)　R=內部阻抗(Ω)
鉛酸蓄電池溫度與壽命:鉛酸蓄電池溫度（電解液溫度）升高，則陰陽極板上的活性物質即會劣化，并腐蝕陽極格子，而縮短電池壽命，相對的，電池溫度太低時，會使鉛酸電池蓄電容量減少，容易過度放電，進而使電池壽命縮短。此種關系也會因電池型式，極板材質而有變化。故應遵守下列之使用條件：通常鉛酸蓄電池之電解液溫度應維持在15~55℃為理想使用狀態，不得已的情況下,也不可超過放電時-15~55℃,充電時0~60℃的范圍最為理想。實際使用時，由于充電時溫度會上升，因此，放電終了時之電解液溫度以維持在40℃以下為最理想。
充電量與壽命:鉛酸蓄電池所須之充電量應為放電量的110~120%.放電量與蓄電池壽命具密切關系,假設充電量為放電量120%時的電池，使用壽命為 1200回（４年），則當電池的充電量達放電量之150%時，則可推算該電池的壽命為： 1200回×120/150=960回(3•2年).
氣體的產生與通風換氣:充電中產生的氣體為氧與氫的混合氣，氫氣具爆炸性，若空氣中氫氣達3.8%以上，且又近火源，則會發生爆炸。充電場所必須通風良好，注意遠離火源，避免觸電。
五、電解液之管理
比重測定 : 測量比重時，須使用吸取式比重計將電解液緩緩吸入外筒，(讓浮標剛剛離開底部,可以飄動為標準.或高或低都不會準確)從浮標之刻度即可測知比重。鉛酸蓄電池之電解液比重會隨溫度改變而變化，電解液比重乃以攝氏20度時的比重為標準，因此比重計上的讀數，必須換算為攝氏20度時之標準比重。當溫度變化攝氏一度時，則電解液比重即變化0.0007，因此，在測量比重的同時，必須測量溫度，測溫時，請使用棒狀酒精溫度計。
該溫度t℃時所測之比重為St，則以下式換算標準溫度20℃時之比重S20
S20=St+0.0007(t-20)
S20…為換算成20℃時的比重
St….為t℃時所測之比重
t…..為測得電解液之實際攝氏溫度
例如：20℃時比重為1.280者，在10℃時變成1.287;30℃時，變成1.273
純水之補充 :鉛酸蓄電池在使用過程中,重復放電及車行的震蕩時，電解液面都會緩緩下降，因此要定期檢視電解液液位，隨時補充純水(或者補充液)，以維持適當之液位，若因忽略補水，而露出極板，則會傷害極板。
補水過多所造成的弊端:補水時若超過最高液面時,則充電時就會發生滿溢，而使稀硫酸成份流失，既腐蝕電瓶的極柱,又會使電解液的比重偏低,從而造成蓄電容量不足等。
電解液中的不純物與電池壽命：電解液中若含有硝酸、鹽酸、亞硫酸、鹽素、有機物等雜質，則會腐蝕極板，加速縮短電池壽命，同時也會加速自我放電，所以鉛酸蓄蓄電池補充液位時，一定要使用純水，當用水沖洗電瓶時，一定要將鉛酸蓄電池帽蓋緊以避免沖洗的用水流入電瓶內,加速自放電。
六、 鉛酸蓄電池修復原理
什么是鉛酸蓄電池硫化？
在極板上生成白色堅硬的硫酸鉛結晶，充電時又非常難于轉化為活性物質的硫酸鉛，這就是硫酸鹽化，簡稱"硫化"。這種硫酸鉛的導電性不良、電阻大，溶解度和溶解速度又很小，充電時恢復困難。因而成為鉛酸蓄電池容量降低和壽命縮短的主要原因。
產生硫化的原因是什么？
正常的鉛酸蓄電池在放電時形成硫酸鉛結晶，充電時比較容易地還原為鉛。如果鉛酸蓄電池的使用和維護不善，例如經常充電不足或過放電，負極上就會逐漸形成一種粗大堅硬的硫酸鉛。這種硫酸鉛用常規的方法充電很難還原，要求充電電壓很高，由于充電時充電接受能力很差，大量析出氣體。這種現象通常發生在負極，被稱為不可逆硫酸鹽化（硫化）。它引起鉛酸蓄電池容量下降，甚至成為鉛酸蓄電池壽命終止的原因。一般認為，這種不可逆硫酸鹽化的原因是硫酸鉛的重結晶，粗大結晶形成之后溶解度減少。硫酸鉛的重結晶使晶體變大，是由于多晶體系傾向與減少小其表面自由能的結果。從結晶過程的規律可知，小結晶尺寸的溶解度大于大結晶尺寸的溶解度。因此，當長期存放或過放電時，大量的硫酸鉛存在，再加上硫酸濃度和溫度的波動，個別的硫酸鉛晶體就可以依附靠近小晶體的溶解而長大。
鉛酸蓄電池硫化的危害是什么？輕微的電池硫化，會降低鉛酸蓄電池的容量，電池內阻增加，嚴重時則鉛酸蓄電極失效，充不進電。輕微的電池硫化，尚可用一些方法使它恢復，嚴重時采用一般的充電方法是不能夠恢復容量的。