超級鉛酸電池

本課題中，采用化學(xué)沉積法在多孔碳材料，如活性炭的表面上沉積以Pb為代表的高析氫過電位元素的氧化物或其鹽類，制備用于超級鉛酸電池的碳基超級電容復(fù)合電極材料。利用Pb-Bi鉛酸電池板柵作為集流體制備電極。研究結(jié)果表明，修飾后的碳基復(fù)合電極材料的氫氣析出電勢約為-1.35V，接近鉛酸電池負(fù)極的約-1.40V。不同電勢下的氫氣析出速率明顯低于活性炭電極，接近鉛酸負(fù)極。采用修飾后活性炭材料制備的超級電池，在高倍率部分充電態(tài)（HRPSoC）條件下，循環(huán)壽命比鉛酸電池有了明顯提高。主要的結(jié)論如下：采用PbSO4等鹽類對活性炭材料進(jìn)行修飾，活化后可以制得析氫過電勢提高的復(fù)合材料；采用PbSO4修飾制備復(fù)合材料，充電時析氫電勢達(dá)到-1.31V，放電起始工作電勢為-0.96V，接近鉛負(fù)極的-0.99V。其工作電勢范圍已經(jīng)與鉛酸負(fù)極匹配；在充分充電的情況下，復(fù)合材料的氫氣析出速率明顯降低到接近鉛酸負(fù)極的水平；鉛負(fù)極中少量添加多孔碳材料可以明顯提高鉛酸電池壽命；添加了1.0%經(jīng)Pb、Ca聯(lián)合修飾活性炭的超級電池的循環(huán)壽命達(dá)到了約16000次；XRD和SEM測試結(jié)果表明，該性活性炭的添加，可以抑制鉛負(fù)極在充放電循環(huán)時生成的硫酸鉛結(jié)晶顆粒變大的速度，進(jìn)而改善電池在高倍率條件下的使用壽命。 2100433B

一種特殊“磁鐵”，劍橋工程系超導(dǎo)專家Tim Coombs研發(fā)出一種超級磁鐵，這是一種比常規(guī)磁場威力大10倍的新型磁鐵。一片一英寸直徑的超級磁鐵就足以吸起七噸卡車的新技術(shù)。Tim Coombs博士稱：“通過使磁鐵更小，威力更巨大，我們賦予了磁鐵一個新角色?！?　在超級磁鐵的形成過程中，使用了一種將熱能轉(zhuǎn)化為現(xiàn)成的成千上萬安培的電磁波的熱儀器，形成的這一系列的電磁波會磁化超導(dǎo)體，正如指甲可以通過撫摸磁塊被磁化，這個過程中，只要借助液氮使超導(dǎo)體保持低溫，電磁波就會不間斷地產(chǎn)生強(qiáng)力的穩(wěn)定的磁場，進(jìn)而形成小的可以放進(jìn)掌心卻可以提供一艘郵輪動力的強(qiáng)效磁鐵。

鉛酸電池充電原理

鉛蓄電池內(nèi)的陽極(PbO₂)及陰極(Pb)浸到電解液(稀硫酸)中，兩極間會產(chǎn)生2V的電力，這是根據(jù)鉛蓄電池原理，經(jīng)由充放電，則陰陽極及電解液即會發(fā)生如下的變化： (陽極) (電解液) (陰極) 　PbO₂ 2H₂SO₄ Pb = PbSO₄ 2H₂O PbSO₄ (放電反應(yīng)) 　(二氧化鉛) (硫酸) (海綿狀鉛) 　PbO2 中Pb的化合價降低，被還原，負(fù)電荷流動；海綿狀鉛中Pb的化合價升高，正電荷流動。(陽極) (電解液) (陰極) 　PbSO₄ 2H₂O PbSO₄=PbO₂ 2H₂SO₄ Pb (充電反應(yīng)) （必須在通電條件下） (硫酸鉛) (水) (硫酸鉛) 　第一個硫酸鉛中鉛的化合價升高，被氧化，正電荷流入正極；第二個硫酸鉛中鉛的化合價降低，被還原，負(fù)電荷流入負(fù)極。1、放電中的化學(xué)變化 ：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(zhì)產(chǎn)生反應(yīng),生成新化合物硫酸鉛。經(jīng)由放電硫酸成份從電解液中釋出，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。2、充電中的化學(xué)變化：由于放電時在陽極板，陰極板上所產(chǎn)生的硫酸鉛，會在充電時被分解還原成硫酸,鉛及二氧化鉛,因此電池內(nèi)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(fù)到放電前的濃度，這種變化顯示出蓄電池中的活性物質(zhì)已轉(zhuǎn)換到可以再度供電的狀態(tài)，當(dāng)兩極的硫酸鉛被轉(zhuǎn)變成原來的活性物質(zhì)時，即等于充電結(jié)束，而陰極板就產(chǎn)生氫，陽極板則產(chǎn)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(yīng)以純水補(bǔ)充之。

鉛酸電池充電方法

(1)恒定電流充電法

在充電過程中充電電流始終保持不變，叫做恒定電流充電法，簡稱恒流充電法或等流充電法。在充電過程中由于蓄電池電壓逐漸升高，充電電流逐漸下降，為保持充電電流不致因蓄電池端電壓升高而減小，充電過程必須逐漸升高電源電壓，以維持充電電流始終不變，這對于充電設(shè)備的自動化程度要求較高，一般簡陋的充電設(shè)備是不能滿足恒流充電要求的。恒流充電法，在蓄電池最大允許的充電電流情況下，充電電流越大，充電時間就可以縮短。若從時間上考慮，采用此法有利的。但在充電后期若充電電流仍不變，這時由于大部分電流用于電解水上，電解液出氣泡過多而顯沸騰狀，這不僅消耗電能，而且容易使極板上活性物質(zhì)大量脫落，溫升過高，造成極板彎曲，容量迅速下降而提前報廢。所以，這種充電方法很少采用。

(2)恒定電壓充電法

在充電過程中，充電電壓始終保持不變，叫做恒定電壓充電法，簡稱恒壓充電法或等壓充電法。由于恒壓充電開始至后期，電源電壓始終保持一定，所以在充電開始時充電電流相當(dāng)大，大大超過正常充電電流值。但隨著充電的進(jìn)行，蓄電池端電壓逐漸升高，充電電流逐漸減小。當(dāng)蓄電池端電壓和充電電壓相等時，充電電流減至最小甚至為零。由此可見，采用恒壓充電法的優(yōu)點在于，可以避免充電后期充電電流過大而造成極板活性物質(zhì)脫落和電能的損失。但其缺點是，在剛開始充電時，充電電流過大，電極活性物質(zhì)體積變化收縮太快，影響活性物質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度，致使其脫落。而在充電后期充電電流又過小，使極板深處的活性物質(zhì)得不到充電反應(yīng)，形成長期充電不足，影響蓄電池的使用壽命。所以這種充電方法一般只適用于無配電設(shè)備或充電設(shè)備較簡陋的特殊場合，如汽車上蓄電池的充電，1號至5號干電池式的小蓄電池的充電均采用等壓充電法。采用等壓充電法給蓄電池充電時，所需電源電壓：酸性蓄電池每個單體電池為2．4～2．8V左右，堿性蓄電池每個單體電池為1．6～2．0V左右。

(3)有固定電阻的恒定電壓充電

為補(bǔ)救恒定電壓充電的缺點而采用的一種方法。即在充電電源與電池之間串聯(lián)一電阻，這樣充電初期的電流可以調(diào)整。但有時最大充電電流受到限制，因此隨充電過程的進(jìn)行，蓄電池電壓逐漸上升，電流卻幾乎成為直線衰減。有時使用兩個電阻值，約在2.4V時，從低電阻轉(zhuǎn)換到高電阻，以減少出氣。

(4)階段等流充電法

綜合恒流和恒壓充電法的特點，蓄電池在充電初期用較大的電流，經(jīng)過一段時間改用較小的電流，至充電后期改用更小的電流，即不同階段內(nèi)以不同的電流進(jìn)行恒流充電的方法，叫做階段恒流充電法。階段恒流充電法，一般可分為兩個階段進(jìn)行，也可分為多個階段進(jìn)行。

階段等流充電法所需充電時間短，充電效果也好。由于充電后期改用較小電流充電，這樣減少了氣泡對極板活性物質(zhì)的沖刷，減少了活性物質(zhì)的脫落。這種充電法能延長蓄電池使用壽命，并節(jié)省電能，充電又徹底，所以是當(dāng)前常用的一種充電方法。一般蓄電池第一階段以10h率電流進(jìn)行充電，第二階段以20h率電流進(jìn)行充電。各階段充電時間的長短，各種蓄電池的具體要求和標(biāo)準(zhǔn)不一樣。

(5)浮充電法

間歇使用的蓄電池或僅在交流電停電時才使用的蓄電池，其充電方式為浮充電式。一些特殊場合使用的固定型蓄電池一般均采用浮充電方法對蓄電池進(jìn)行充電。浮充電法的優(yōu)點主要在于能減少蓄電池的析氣率，并可防止過充電，同時由于蓄電池同直流電源并聯(lián)供電，用電設(shè)備大電流用電時，蓄電池瞬時輸出大電流，這有助于鎮(zhèn)定電源系統(tǒng)的電壓，使用電設(shè)備用電正常。浮充電法的缺點是個別蓄電池充電不均衡和充不足電，所以需要進(jìn)行定期的均衡充電。

鉛酸電池快速充電

(1)定電流定周期快速充電法

這種方法的特點是，以電流幅度恒定和周期恒定的脈沖充電電流對蓄電池充電，兩個充電脈沖之間有一放電脈沖進(jìn)行去極化，以提高蓄電池的充電接受能力。在充電過程中，充電電流及其脈寬不受蓄電池充電狀態(tài)的影響。因此，它是一種開環(huán)式脈沖充電。這種充電方法易使蓄電池充滿容量，但如果不增加防止過充電的保護(hù)裝置，容易造成強(qiáng)烈的過充電，影響蓄電池的使用壽命。在這種充電方法中，雖然整個充電過程均加有去極化措施，但是這種固定的去極化措施，難于適合充電全過程的要求。

(2)定電流定出氣率脈沖充電放電去極化快速充電法

這種充電方法的特點是：在整個充電過程中，充電電流脈沖的幅值和蓄電池的出氣率始終保持不變。充電過程初期，充電電流略低于蓄電池的初始接受電流。在充電過程中，由于蓄電池可接受的電流逐漸減小，所以經(jīng)過一段時間后，充電電流將超過蓄電池的可接受電流，因而蓄電池內(nèi)將產(chǎn)生較多的氣體，出氣率顯著增加。此時，氣體檢測元件能夠及時發(fā)出控制信號，迫使蓄電池停止充電，進(jìn)行短時放電。這樣蓄電池內(nèi)部的極化作用很快消失，因而出氣率可以始終保持在較低的預(yù)定值內(nèi)。國外有這樣的方案。國內(nèi)因缺少氣體敏感元件， 對這種方法很少研究。

(3)定電流定電壓脈沖充電放電去極化快速充電法

這種充電方法的特點是，以恒定大電流充電，待充到一定電壓(相當(dāng)于蓄電池出氣點的電壓)時，停止充電并進(jìn)行大電流(或小電流)放電去極化，然后再以恒定大電流充電，依此，充放電過程交替地進(jìn)行。放電脈沖的頻率隨充人電量的增加而增加，充電脈沖的寬度隨充人電量的增加而減少。當(dāng)充電量和放電量基本相等時，表示蓄電池已充滿電，立即結(jié)束充電。

根據(jù)這種方法，國內(nèi)外都有多種方案來實現(xiàn)蓄電池快速充電。這種方法，充電初期無去極化措施。在加有去極化措施后充電脈沖寬度不斷減小，使得充電電流平均值下降較快，延長了充電時間。

(4)定電流提升電壓脈沖充電放電去極化快速充電法

這種方法是定電流定電壓脈沖充電放電去極化快速充電方法的改進(jìn)。它是以恒定電流(如IC)充電，當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到充電出氣點電壓后(單格電池電壓2. 35～2.5V)時，停止充電并進(jìn)行放電(如放電電流2～3C，脈沖寬度為1ms)，然后再充電。從加有放電去極化脈沖以后，用積分器件階梯形跟蹤調(diào)高充電控制電壓(提升出氣點電壓)，以加快充電速度和提高充滿程度。其它和定電流定電壓法相同。

(5)定電壓定頻率脈沖充電放電去極化快速充電法

這種方法的特點是，充電脈沖的電壓幅值保持恒定，隨著充電過程的進(jìn)行，蓄電池電動勢逐漸上升，充電電流幅值逐漸減小，充電脈沖電流的頻率恒定，在兩個充電脈沖之間加有放電去極化脈沖。

(6)端電壓和充放電頻率選擇脈沖充電放電去極化快速充電法

這種方法的特點是，根據(jù)蓄電池充電過程中的極化情況選擇充放電脈沖的頻率，并在充電后期將蓄電池端電壓限定在預(yù)選的數(shù)值，使出氣率限制在一定的容許值。

(7)適應(yīng)全過程去極化脈沖充電放電去極化快速充電法

這種方法的特點是，在充電全過程都適時加有去極化的放電脈沖，在放電脈沖后充電電流恢復(fù)之前，均進(jìn)行去極化效果檢測，達(dá)到一定去極化效果再轉(zhuǎn)回充電，否則再次進(jìn)行去極化放電，直至達(dá)到去極化要求的效果才轉(zhuǎn)回充電，這樣，可使去極措施適應(yīng)全過程。這種方案能有效地將氣體析出量抑制在很小的數(shù)值內(nèi)。

鉛酸電池理想充電

我國常規(guī)充電制度，是在缺乏對于充電規(guī)律認(rèn)識的情況下，被迫采用的不合理的充電方法。常規(guī)充電方法的缺點就是充電時間長、效率低、出氣量大、蓄電池的利用周轉(zhuǎn)率低、充電管理制度繁雜等。這種充電制度的落后性與蓄電池應(yīng)用的廣泛性是存在著一定的矛盾的。為此，在充電領(lǐng)域內(nèi)，必須加強(qiáng)對充電規(guī)律的認(rèn)識和研究，逐步探討一套既快又好的充電制度，以使蓄電池適應(yīng)于各部門經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要和國防建設(shè)的需要。

(1)三階段充電法

航空蓄電池均采用階段恒流充電法進(jìn)行充電。一般酸性航空蓄電池采用恒流兩階段充電法。堿性航空蓄電池采用恒流兩階段充電法或恒流一階段充電法。但這種充電法在充電中間階段遠(yuǎn)離了充電電流接受率曲線，所以三階段充電法更好一點。

三階段充電法是兩階段等流充電法和恒定等壓充電法相結(jié)合的方式。充電開始和結(jié)束時采用恒定電流，中間階段為恒定電壓充電。蓄電池在充電初期用較大的電流，經(jīng)過一段時間改為恒定電壓充電，當(dāng)電流衰減到預(yù)定值時，由第二階段轉(zhuǎn)到第三階段。采用三階段充電法的優(yōu)點是：避免了恒定電壓充電法開始充電電流過大，而后期電流又過小的情況，比二階段等流充電在中間階段更接近充電電流接受率曲線。這種充電法減少了充電出氣量，充電又徹底，延長了蓄電池使用壽命。三階段充電法充電電流和充電電壓變化曲線如圖1所示。