蓄電池充電方法的研究

摘要：針對蓄電池的特點(diǎn)，研究了蓄電池充放電過(guò)程中的極化現象，提出和分析了幾種充電方式，并展望了其發(fā)展前景。

引言

鉛酸蓄電池由于其制造成本低，容量大，價(jià)格低廉而得到了廣泛的使用。但是，若使用不當，其壽命將大大縮短。影響鉛酸蓄電池壽命的因素很多，而采用正確的充電方式，能有效延長(cháng)蓄電池的使用壽命。

研究發(fā)現：電池充電過(guò)程對電池壽命影響最大，放電過(guò)程的影響較少。也就是說(shuō)，絕大多數的蓄電池不是用壞的，而是“充壞”的。由此可見(jiàn)，一個(gè)好的充電器對蓄電池的使用壽命具有舉足輕重的作用。

1 蓄電池充電理論基礎

上世紀60年代中期，美國科學(xué)家馬斯對開(kāi)口蓄電池的充電過(guò)程作了大量的試驗研究，并提出了以最低出氣率為前提的，蓄電池可接受的充電曲線(xiàn)，如圖1所示。實(shí)驗表明，如果充電電流按這條曲線(xiàn)變化，就可以大大縮短充電時(shí)間，并且對電池的容量和壽命也沒(méi)有影響。原則上把這條曲線(xiàn)稱(chēng)為最佳充電曲線(xiàn)，從而奠定了快速充電方法的研究方向[1，2]。

由圖1可以看出：初始充電電流很大，但是衰減很快。主要原因是充電過(guò)程中產(chǎn)生了極化現象。在密封式蓄電池充電過(guò)程中，內部產(chǎn)生氧氣和氫氣，當氧氣不能被及時(shí)吸收時(shí)，便堆積在正極板（正極板產(chǎn)生氧氣），使電池內部壓力加大，電池溫度上升，同時(shí)縮小了正極板的面積，表現為內阻上升，出現所謂的極化現象。

蓄電池是可逆的。其放電及充電的化學(xué)反應式如下：

PbO2＋Pb＋2H2SO42→PbSO4＋2H2O （1）

很顯然，充電過(guò)程和放電過(guò)程互為逆反應。可逆過(guò)程就是熱力學(xué)的平衡過(guò)程，為保障電池能夠始終維持在平衡狀態(tài)之下充電，必須盡量使通過(guò)電池的電流小一些。理想條件是外加電壓等于電池本身的電動(dòng)勢。但是，實(shí)踐表明，蓄電池充電時(shí)，外加電壓必須增大到一定數值才行,而這個(gè)數值又因為電極材料，溶液濃度等各種因素的差別而在不同程度上超過(guò)了蓄電池的平衡電動(dòng)勢值。在化學(xué)反應中，這種電動(dòng)勢超過(guò)熱力學(xué)平衡值的現象，就是極化現象。

一般來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生極化現象有3個(gè)方面的原因。

1）歐姆極化充電過(guò)程中，正負離子向兩極遷移。在離子遷移過(guò)程中不可避免地受到一定的阻力，稱(chēng)為歐姆內阻。為了克服這個(gè)內阻，外加電壓就必須額外施加一定的電壓，以克服阻力推動(dòng)離子遷移。該電壓以熱的方式轉化給環(huán)境，出現所謂的歐姆極化。隨著(zhù)充電電流急劇加大，歐姆極化將造成蓄電池在充電過(guò)程中的高溫。

2）濃度極化電流流過(guò)蓄電池時(shí)，為維持正常的反應，最理想的情況是電極表面的反應物能及時(shí)得到補充，生成物能及時(shí)離去。實(shí)際上，生成物和反應物的擴散速度遠遠比不上化學(xué)反應速度，從而造成極板附近電解質(zhì)溶液濃度發(fā)生變化。也就是說(shuō)，從電極表面到中部溶液，電解液濃度分布不均勻。這種現象稱(chēng)為濃度極化。

3）電化學(xué)極化這種極化是由于電極上進(jìn)行的電化學(xué)反應的速度，落后于電極上電子運動(dòng)的速度造成的。例如：電池的負極放電前，電極表面帶有負電荷，其附近溶液帶有正電荷，兩者處于平衡狀態(tài)。放電時(shí)，立即有電子釋放給外電路。電極表面負電荷減少，而金屬溶解的氧化反應進(jìn)行緩慢Me－e?Me＋，不能及時(shí)補充電極表面電子的減少，電極表面帶電狀態(tài)發(fā)生變化。這種表面負電荷減少的狀態(tài)促進(jìn)金屬中電子離開(kāi)電極，金屬離子Me＋轉入溶液，加速Me－e?Me＋反應進(jìn)行�？傆幸粋�(gè)時(shí)刻，達到新的動(dòng)態(tài)平衡。但與放電前相比，電極表面所帶負電荷數目減少了，與此對應的電極電勢變正。也就是電化學(xué)極化電壓變高，從而嚴重阻礙了正常的充電電流。同理，電池正極放電時(shí)，電極表面所帶正電荷數目減少，電極電勢變負。

這3種極化現象都是隨著(zhù)充電電流的增大而嚴重。

2 充電方法的研究

2.1 常規充電法

常規充電制度是依據1940年前國際公認的經(jīng)驗法則設計的。其中最著(zhù)名的就是“安培小時(shí)規則”：充電電流安培數，不應超過(guò)蓄電池待充電的安時(shí)數。實(shí)際上，常規充電的速度被蓄電池在充電過(guò)程中的溫升和氣體的產(chǎn)生所限制。這個(gè)現象對蓄電池充電所必須的最短時(shí)間具有重要意義。

一般來(lái)說(shuō)，常規充電有以下3種。

2.1.1 恒流充電法

恒流充電法是用調整充電裝置輸出電壓或改變與蓄電池串聯(lián)電阻的方法，保持充電電流強度不變的充電方法，如圖2所示�？刂品椒ê�(jiǎn)單，但由于電池的可接受電流能力是隨著(zhù)充電過(guò)程的進(jìn)行而逐漸下降的，到充電后期，充電電流多用于電解水，產(chǎn)生氣體，使出氣過(guò)甚，因此，常選用階段充電法。

2.1.2 階段充電法

此方法包括二階段充電法和三階段充電法。

1）二階段法采用恒電流和恒電壓相結合的快速充電方法，如圖3所示。首先，以恒電流充電至預定的電壓值，然后，改為恒電壓完成剩余的充電。一般兩階段之間的轉換電壓就是第二階段的恒電壓。

2）三階段充電法在充電開(kāi)始和結束時(shí)采用恒電流充電，

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