鉛酸蓄電池中氣體的發生
鉛酸蓄電池在化成、充電以及擱置過程都有氣體發生。氣體的析出(H2與O2)對電池性能有很大的影響,起破壞作用。如增大電池的內壓力,使電池難以密封,此外有氧發生會加劇正板柵腐蝕,另外隨著氣體逸出,有酸霧散發,這對設備、對環境都有污染與腐蝕。
(1) 氫氣產生
在負極有氫氣析出。
PbSO4+2e~->Pb+HSO4
2H++2e->H2個
這是兩個平等反應式,因PbSO4還原為Pb的反應交換電流密度io值相當大,約為10-3A/cm2,所以對應的超電勢值小;而2H+還原為H2反交電流極小,約10-15A/cm,故對應的超電勢很大。兩反應是同時進行的,如圖2-8所示,由于Pb與H2在陰極上析出的超電勢值不一樣,因而這兩個反應速度亦不相同。
(2)氧的發生
在鉛酸蓄電池整個壽命期內均有氧發生,主要是因為正極活性物質(PbO2)與H2SO4溶液直接作用與濃差電池的作用。
①電池長期開路擱置的狀態
在電池長期存放過程,PbO2與 H2SO4 溶液反應如下。
PbO2+H2SO4=PbSO4+H2+1/2O2
反應的速度隨H2SO4溶液濃度增加而增加,同時還與電極結構有關。
②電池充電時的狀態
電池在充電過程一部分電流用于電極反應,一部分用于氧氣發生,它們是平行反應。正極在充電初期氧發生很慢,這是因為氧氣是在正極PbO2表面上生成,而正極充電反應既要PbO2作為導電物質,又要 PbO2 作為反應物質,PbSO4 也是反應物,故在 PbO2與PbSO4交界面上反應。
在充電初期,電極表面PbO2生成的多,PbSO4表面少,它在內層,故充電反應很容易進行,氧氣的發生困難。
在充電末期,氧氣發生是由于正極活性物質深處與外表附近H+離子濃度嚴重不均勻,而產生濃差電池,其機理如下。
a. 水分子氧化
H2O——0H + H+ + e-
H+離子遷移至整體溶液,電子透過 PbO2進入板柵。
b. OH基的再化合 2HO——O+H2O 或OH+HO- ——O- +H2O
c. c.氧離子放電O- ——O2 + e-
d.氧原子結合為氧分子 2O一O2
在以上四步中,b為控制步驟,一切阻礙OH基再結合的措施,都有利于減小b反應速度。由步驟d生成的氧氣大部分擴散至PbO2晶格中去而被PbO2吸附。隨著充電過程的極化電勢增大,而具有析氧的趨勢。在傳統富液式鉛酸蓄電池中,氧析出后沿著極板表面自下而上竄出電解液,并帶著H2O和H2SO4的微珠(即酸霧)。若電池充滿電開路擱置(存放),電池內部產生氧氣,它是正極活性物質晶格中氧氣穩定擴散的結果,當電池存放得時間較長后放電,PbO2小孔中H+濃度與整體溶液中H+濃度相同,濃差電池的電動勢非常小,所以氧析量極小。
(3)氫氧氣體析出與電池端電壓的關系
當鉛酸蓄電池充電,端電壓達到2.30~2.35V/單體電池之后,就發現氫氧氣體竄動形成的電解液“沸騰”現象,電壓再升高時,冒氣就更加激烈。通常定義 2.3V/單體電池,氣體發生量達到最大值,進入電池的電流幾乎全部用在電解水。
析氫速率小于析氧速率的主要原因是正極的濃差極化大,充電初期電極電勢上升快而負極的濃差極化小,電極電勢變化緩慢。所以只有當負極活性物質恢復到一定程度之后,電極電勢變動到一定數據才有較多氫氣析出。因而前期主要析出氧氣,而至充電中期、后期氫氣才析出,而且析氫量要超過氧氣析出量。
綜合上述,氫、氧氣體析出是人們不愿意看到的,但對鉛酸蓄電池而言,又是不可避免的,因而只能采取某些措施抑制析氣,這些措施包括: a.控制充電過程端電壓,使之不超過析氣點;b.減少電池極化電勢,如提高活性物質真實表面積,改善電解液擴散條件,減少電池內阻,降低電池自放電速率等,以減少氣體發生速率; c.采用催化栓,使電池里析出的氫氣和氧氣在催化劑作用下化合為水。
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