蓄电池分类及工作原理

第一节 蓄电池概述

一、蓄电池的分类

化学电池，简称电池，是将物质的化学能转化为电能的设备。根据电解质的不同，电池主要分为两大类：酸蓄电池和碱电池。酸蓄电池以其铅及其氧化物为电极材料，特别称为铅蓄电池。铅蓄电池依据其工作环境和特性，又可分为移动式和固定式。固定式铅蓄电池按电池槽结构进一步细分为半密封式和密封式，其中半密封式包括防酸式和消氢式。而根据电解液数量的多少，铅酸电池还可划分为贫液式和富液式，其中密封式电池通常采用贫液式设计。

铅酸蓄电池自问世以来，在化学电源领域中占据了举足轻重的地位，这主要得益于其低廉的成本、易于获取的原材料、高可靠性和适用于各种环境及大电流放电的优异性能。尽管铅酸蓄电池在20世纪初经历了多项重大改进，提升了其能量密度、循环寿命和高倍率放电性能，但传统开口式铅酸蓄电池仍面临两个主要问题：一是充电末期水分会分解为氢气和氧气，需要频繁添加酸和水，维护工作繁重；二是气体溢出时可能携带酸雾，对周围设备造成腐蚀并污染环境。

二、阀控式铅酸蓄电池的定义

阀控式铅酸蓄电池（Valve Regulated Lead Battery，简称VRLA电池）是一种特殊的铅酸蓄电池，其最大特点在于使用过程中无需加酸加水，实现了电池的密封设计，从而避免了漏酸和排酸雾的问题。电池盖子上设有单向排气阀（也称安全阀），当电池内部气体压力超过预设值时，该阀会自动打开，释放气体，随后自动关闭，确保电池内部压力稳定，同时防止水分蒸发。阀控式铅酸蓄电池的出现，极大地提高了电池的安全性和环保性，自20世纪90年代以来，已被广泛应用于电信、电力、交通等多个领域作为后备电源，成为电源产品中的重要组成部分。

第二节 阀控铅酸蓄电池的结构与工作原理

一、结构概述

阀控铅酸蓄电池的结构精巧而高效，主要包含正负极板、隔板、电解液、安全阀、外壳等关键部件。正负极板采用涂浆式技术，活性材料均匀涂覆在铅钙合金骨架上，具有出色的耐酸性、导电性和长寿命特点。隔板由超细玻璃纤维制成，能够吸附全部电解液，确保电池内部无流动的电解液，即使外壳破裂也能保持正常工作。电池顶部设有安全阀，当内部气压超过设定值时，安全阀自动开启释放气体，随后自动关闭以防止水分蒸发。此外，顶盖上还配备有陶瓷过滤器的气塞，有效防止酸雾逸出。正负极接线端子由铅合金制成，全密封结构并采用沥青封口，确保电池的安全性和可靠性。

二、工作原理

1. 化学反应原理

阀控铅酸蓄电池的工作原理是通过充电和放电过程中的化学反应来储存和释放电能。在充电过程中，电能转化为化学能储存在电池内部；放电时，化学能又转化为电能供给外部系统。其化学反应式体现了水在充电过程中的分解和再生过程。充电时，正极板产生氧气，负极板产生氢气，但在阀控式设计中，这些气体能够在电池内部重新化合，形成水，从而显著减少水分损失，实现了免维护的特性。

2. 氧循环原理

阀控铅酸蓄电池采用负极活性物质过量设计和特殊的电解液吸附系统（如AGM或GEL），使得充电过程中正极产生的氧气能够高效扩散到负极并与负极的活性物质反应，生成水。这种氧循环机制使得电池在充电过程中几乎不损失水，从而实现了免维护使用。负极在充电末期不仅参与氧的复合反应，还继续接受外电路的电子进行还原反应，确保电池的高效运行。

在阀控式铅酸蓄电池内部，氧气的传输方式包括溶解在电解液中的液相扩散和直接以气相形式通过电极间的气体通道移动。这种设计极大地提高了氧气的迁移速率，使得氧复合反应能够高效进行。根据电池类型的不同（如AGM、胶体电池等），氧再复合效率有所不同，但总体上均远高于传统富液式电池，从而实现了电池的高效、安全、环保运行。

第三节 充放电特性

一、放电过程中的电压变化

在放电初始阶段，活性物质微孔内的硫酸浓度迅速下降，因为硫酸被消耗而扩散到电极表面的速度相对较慢，导致电池端电压明显下降，这一阶段体现在放电曲线的OE段。随着放电的持续，硫酸从主体溶液向电极表面的扩散速度增加，活性物质表面和微孔内的硫酸得到补充，电池端电压进入相对稳定期，即EFG段。然而，随着放电的深入，正负极活性物质逐渐转化为硫酸铅，孔隙率降低，硫酸扩散受阻，同时电池内阻增加，导致在放电曲线的G点（约1.85V）后，电池端电压急剧下降，直至达到规定的放电终止电压。

二、充电过程中的电压变化

充电初期，由于硫酸铅转化为二氧化铅和铅，活性物质表面硫酸浓度迅速增大，电池端电压急剧上升，呈现OA段的特点。随着充电的继续，活性物质逐渐从硫酸铅中转化出来，孔隙率增加，硫酸浓度变化趋于稳定，端电压的上升变得较为平缓（ABC段）。当接近充电终点，即C点（约2.35V）时，由于电化学反应接近平衡，端电压的上升速度进一步减缓。在充电电量达到70%时，开始发生水分解的副反应，电池端电压开始显著增加。当充电电量达到90%以上时，负极上发生析氢的副反应，此时电池两端大量析出气体，进行水电解过程，端电压进入一个新的稳定阶段，通常稳定在约2.6V，这取决于氢和氧的过电位。