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自從公元1860年法國人蒲朗第(Gaston Plante)發(fā)明鉛酸蓄電池以來，已經(jīng)具有一百多年的歷史，成為世界上不可或缺的電能之一，目前主要分為密封型與非密封型兩種，最重要的差別在于使用時所產(chǎn)生的氣體是否會散逸到外界，因此非密封型電池需要補(bǔ)充電解液。在本文中，將選用CSB BATTERY CO., LTD.所推出的GP1272 密封型鉛酸電池作為實(shí)驗之用，供電12V、容量7.2Ah。這類型的電池使用超聲波特殊密封，在使用時不受方向、位置所限制，在安全的使用環(huán)境下，免保養(yǎng)、免加水、可重復(fù)循環(huán)使用，不管是應(yīng)用在循環(huán)使用或是浮充使用的環(huán)境，都具有自行放電率低、回充速度快、高效率放電性能等優(yōu)異特性。本文將針對鉛酸蓄電池進(jìn)行介紹。

       圖1 CSB 電池產(chǎn)品圖

1， 鉛酸電池的組成結(jié)構(gòu)
電池是一種將電能以化學(xué)能儲存的裝置，必須具備體積小、可攜帶，耐震、耐沖擊以及壽命長、高能量密度等特性，因此在許多的領(lǐng)
域受到普遍的應(yīng)用，尤其是鉛酸蓄電池更是累積了相當(dāng)多的技術(shù)，構(gòu)成鉛酸電池的四個主要部分為電極板(陽極板與陰極板)、電解液、隔離
板、與外部的電槽，下面分別描述各部分的主要材質(zhì)與功能：
(1)電極
電池中最為重要的材料就是極板，構(gòu)成極板的原料為鉛粉，亦是可變化成正、負(fù)極活性物質(zhì)的材料，較為代表性的鉛粉制造機(jī)最早由
日本電池公司創(chuàng)設(shè)人發(fā)明，將鉛塊表面的氧化物去除，收集充分磨細(xì)之鉛粉。鉛粉中的主要成分為一氧化鉛，其百分比含量將會是影
響電池性能的重要指針。在極板中所使用的蕊條，形狀如格子般的板柵，主要材質(zhì)為鉛銻(Pb-Sb)系與鉛鈣( Pb-Ca )系合金，用以附著活性物質(zhì)，具有充作集電體的作用。銻(Sb)的加入可以改善正極與活性物質(zhì)間的接和，有助于耐蝕性之提升、延長壽命，缺點(diǎn)在于銻若溶解于電解液中成為 SbO^-₃離子，而在負(fù)極板上產(chǎn)生Sb，將會產(chǎn)生氫氣造成自放電。Pb-Ca系合金之結(jié)晶組織則因添加適當(dāng)?shù)拟}后，促使鉛結(jié)晶細(xì)小、提升硬度，而且不會產(chǎn)生自放電，目前普遍使用于小型密封型鉛酸電池。極板的制造上則有兩種方式，第一種方式是涂漿式極板，將稀硫酸與添加材料，添加于鉛粉調(diào)制成膏狀，并均勻涂覆在格子狀極板上，進(jìn)行金屬鉛之氧化、干燥，造成活性物質(zhì)之結(jié)晶成長，最后置于稀硫酸電解液中進(jìn)行氧化，這種方式形成的極板，通常采用在鉛酸電池的陰極板上。第二種方式則是包層式極板，將直徑9μm之微細(xì)玻璃長纖維當(dāng)作紡織絲，將其編成圓筒型之管子，與配置在管子中心的鋁合金蕊條間，填充鉛粉，接著浸漬于稀硫酸中，使鉛粉一部分變成硫酸鉛后，置于空中干燥，這種方式所形成的極板具有良好的彈性，是鉛酸電池中陽極板最佳的選擇。

因此在電池充放電時，兩極的活化物質(zhì)會隨著化學(xué)變化而反復(fù)膨脹與收縮，電極必須根據(jù)電池的容量，選擇適當(dāng)?shù)囊?guī)格與數(shù)量。但是在兩極活性物質(zhì)中，陰極板的海綿狀鉛的結(jié)合力較強(qiáng)，陽極板的過氧化鉛結(jié)合力弱，使得在長期使用之后，會不斷脫落，這就是鉛酸電池壽命受到限制的主要原因，因此若要設(shè)法延長鉛酸電池的使用期限，從陽極板的改良下手是當(dāng)務(wù)之急。
(2)電解液
電解液中的硫酸，是參與電動反應(yīng)的活性物質(zhì)，除了導(dǎo)電用之外，也參與電極的反應(yīng)，經(jīng)放電而消耗，充電即可生成。若是電池中電解液比重較高時，會因為能量密度的關(guān)系可以提供較佳的電力特性，但卻有可能加速極板的腐蝕與劣化，若是要延長電池的使用壽命與可靠性，則在比重上必須有所限制。
另外，在電解液中還有很重要的一環(huán)就是雜質(zhì)含量，雜質(zhì)含量的增加也會加速極板的腐蝕與劣化，減少電池使用的性能與壽命。不過，卻有些雜質(zhì)被適當(dāng)?shù)奶砑?，是為了要避免電解液處于過放電時，發(fā)生格離板被貫穿，而造成短路的情況。
(3)隔離板
所謂隔離板，就是放置于兩極之間，除了作為隔離電極的裝置，還必須防止正、負(fù)極間之短路。實(shí)際安裝時，正、負(fù)兩極板的距離相
當(dāng)靠近，在中間插入以絕緣物質(zhì)制造的多孔性格離板，防止兩極板接觸。因此隔離板必須具備良好的離子導(dǎo)電性，也就是低電組的特性，
還有優(yōu)異的耐酸性以及抗氧化性，且不得溶出雜質(zhì)；防止活性物質(zhì)的
脫落，造成短路。
(4)電槽
在電池外部的電解槽與槽蓋，均采用熱可塑性塑料，以加壓射出成型為主，必須具有耐電壓、耐沖擊性、耐熱性以及耐酸性等特性。
至于電解槽及其槽蓋的接合，必須做到完全密封的狀態(tài)，除了以往常見的接合劑與熱熔接法外，還有采用超音波特殊封裝，具有相當(dāng)良好
的安全性。

2，鉛酸電池的基本原理
鉛酸電池的正極為多孔性的二氧化鉛，負(fù)極為海綿狀的鉛，極板上面的活性物質(zhì)與電解液中的硫酸產(chǎn)生化學(xué)變化而放出電子，每一單
位(Cell)至少可提供2.04 伏特(V)的電壓，下面列出電化學(xué)反應(yīng)：

全反應(yīng)：

電動勢：

在非封閉型的鉛酸電池中，我們可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)電池經(jīng)充電完成之后，若再繼續(xù)充電將會導(dǎo)致電解液中之水份進(jìn)行分解，而水分解的結(jié)
果將使得正極部分產(chǎn)生氫氣，負(fù)極的部分產(chǎn)生氧氣，當(dāng)這些過多的氣體被產(chǎn)生后，便會釋放到外界，因此必須定期適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充水份。

封閉型的鉛酸電池，這一類型的電池不需保養(yǎng)，更不需添加水份，其中最重要的關(guān)鍵在于電池的陰極板被設(shè)計為不會完全飽和反應(yīng)，以致于沒有氫氣產(chǎn)生，但是陽極板一旦全反應(yīng)后，便會出現(xiàn)氧氣，此時陽極所產(chǎn)生的氧氣會和陰極的海綿狀鉛反應(yīng)成一氧化鉛，此時生成的一氧化鉛再與電解液內(nèi)的硫酸反應(yīng)變成硫酸鉛，而允許陰極板部分放電。換句話說，由陽極所產(chǎn)生的氧氣并不會被釋出，反而被陰極給吸收了，因此電池內(nèi)部的容量并不會因此而減少，這就是所謂的密閉原理，下面列出反應(yīng)方程式：

3，壽命特性
所有鉛酸電池，經(jīng)過長時間的使用后，都會有壽命減短的情況發(fā)生，除了兩極板會發(fā)生變化，雜質(zhì)的累積也會造成性能的衰減，要如
何延長一顆電池的壽命，電池的使用方式是相當(dāng)重要的，通常對一顆鉛酸電池來說，會有兩種不同的使用方式，一種是浮充使用，另一種
是循環(huán)使用。
在循環(huán)使用的模式下，放電深度(Depth of Discharge)扮演相當(dāng)重要的腳色，放電深度是針對額定容量之放電電量比率，通常這種模式
是操作在電動車輛與獨(dú)立電源上，使用者往往會將電池的電量消耗至一定比例才又充電，如圖2所示，此時電池的壽命會因為放電深度
的不同，而具有不同的使用壽命及性能。

            圖2 循環(huán)使用壽命

浮充使用的方式則是把電池當(dāng)成備用電源，連接在主電源端，例如不斷電系統(tǒng)或緊急照明設(shè)備等，以備不時之需，因此很少遇到放電
深度的問題。此時我們必須要注意的就是電池置放的環(huán)境溫度，若周遭溫度過高將加速電池各部分劣化，過于低溫則會在電池內(nèi)部產(chǎn)生氫
氣，造成內(nèi)部壓力增大或電解液減少，減短壽命，圖3顯示了不同的環(huán)境溫度對電池壽命的影響。

            圖3 浮充使用壽命
4，充電特性
在電池的充電過程中，陽極板上的硫酸鉛變成二氧化鉛，當(dāng)持續(xù)充電一段時間后，氧氣便開始產(chǎn)生而引起電壓急速上升，因此在充電
的過程中必須注意電壓上限值。若是以大電流對電池充電，則會造成內(nèi)部產(chǎn)生氣化的情況，當(dāng)超過電池的吸收速率，便會破壞電池，減短
壽命，以下列出CSB BATTERY CO., LTD.的電池在充電上的限制及規(guī)范：

應(yīng)用 

充電電壓(V/Cell) 

最大充電電流

溫度 (℃)設(shè)定值 容許范圍 循環(huán)使用 25℃ 2.452.4~2.5 0.3C 浮充使用 25℃ 2.2752.25~2.3 0.3C 

表1 最大充電電壓及最大充電電流

由圖4及圖5中，我們則可以發(fā)現(xiàn)，不管電池是操作在循環(huán)使用還是浮充使用的狀態(tài)下，充電量往往必須是放電量的110%? 120%，才能夠?qū)㈦姵卦俣韧耆滹?，這表示有一部分的能量在電池內(nèi)部被消耗掉了，實(shí)際充電的時候必須注意，否則沒有辦法將電池的電量回復(fù)到原本的狀態(tài)。

圖4 定電壓14.7V(2.45V/Cell)下循環(huán)使用的充電特性

圖5 定電壓13.65V(2.275V/Cell)下浮充使用的充電特性
5，放電特性
鉛酸電池上面通常會標(biāo)示著容量(Ah)的符號，這個容量表示放電電流及放電至終止電壓時間之積分，若是放電電流隨著放電時間而改
變大小，代表電池容量就會隨著放電電流而改變，公式如下：
電池容量
選取一顆容量固定的電池，以不同的電流大小來放電，將會造成容量變化上的不同，同時也會導(dǎo)致放電時的終止電壓有所不同，因此
電池在放電的時候必須注意電池的狀態(tài)，不可低于限定的放電終止電壓，否則將會產(chǎn)生過放電的情況，多次的過放電發(fā)生將會使得電池容
量失效，甚至無法充電，這一部分在CSB BATTERY CO., LTD.亦有詳細(xì)規(guī)范，如表2所示，圖6則顯示在不同放電電流下的放電終止電壓與放電時間的關(guān)系。

表2-2 放電電流與放電終止電壓限制

   圖6 不同放電率下放電特性
鉛酸電池與一般電池比較起來，還有個特別的不同之處，那就是對過放電的情況非常敏感，每一次的過放電都會對鉛酸電池造成極大的損害，這從先前對鉛酸電池的介紹中便可略知一二。因此當(dāng)電池過放電之后，便不可能再回復(fù)正常的容量，通常這種原因會發(fā)生，是因為電池長時間處于放電狀態(tài)。在我們實(shí)驗中所使用的CSB密閉式鉛酸電池，可以承受短暫時間的過放電，而且次數(shù)僅有2-3次，在過放電后，仍可由適當(dāng)?shù)某潆妬砘貜?fù)原本的容量。對于我們要設(shè)計的充電器來說，要如何得知電池已經(jīng)發(fā)生過放電的形情，可以由圖7可以得知，在充電初期會發(fā)生充電電流不變，充電電壓卻大幅下降的情況，經(jīng)充飽電后尚可恢復(fù)其初期的容量。


   圖7 過放電及靜置放電后之充電特性
6，鉛酸電池的等效電路
鉛酸電池的電氣特性，就像個大電容一樣，若是要將電池拿來充電，勢必要對電池的瞬時特性進(jìn)行分析。鉛酸電池的等效電路，如圖
8所示：


圖8 鉛酸電池等效電路
圖8 中，E是鉛酸電池的電動勢，L為電池內(nèi)部之電感，通常
這電感量很小，會隨著電池容量增大而稍微增加，但通常在分析中予以忽略。R 是極板與電解液之間所形成的電阻，通常稱之為內(nèi)阻，在
實(shí)際充放電的時候，會因為電解液與極板均發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，以及電解液中許多雜質(zhì)的因素，使得這個內(nèi)阻值會不斷上升，然后直接
影響溫度，因此內(nèi)阻值是鉛酸電池研究中最重要的參數(shù)。C則是電極上之活性物質(zhì)與電解液接口之間，所形成的電容，這個值非常大，而且容量越大的電池也具有越大的電容值。至于Zf則是與通電電流頻率有關(guān)的阻抗，稱之為法拉第阻抗，由電阻與電容成分構(gòu)成。在鉛酸電池的分析上，最主要在于偵測內(nèi)部電壓與內(nèi)阻的變化，因此把電池視為電壓源，并將等效電路簡化為圖9。

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