第三章 研製結果
第二節 鉛酸電池
第一款 緒論
鉛酸電池係以PbO2為正極,Pb為負極,(H2SO4+H2O)為電解液之蓄電池,
在現行車輛上,普遍做電力的供應來源,在環境污染日趨嚴重的今日,電
動車輛之研發,亦如火如荼的快速進展,而鉛酸電池由於成本低廉,價格
便宜,瞬間放電能力佳,發展較為成熟,常用來做為電動車之動力來源,
但由於能量密度較不理想,補充能量(充電時間)較長,充電地點受到限
制...因此,其將來有被不受時空限制,可快速補充能量(直接補充燃料
即可)之燃料電池所取代,但在電動機車上,仍是較佳選擇.
第二款 鉛酸電池之種類:
2.1 傳統式,需加水式鉛酸電池(Lead-Acid Battery - LAB):
極板合金格子體,為鉛銻合金.
2.2 密閉式,免加水式鉛酸電池(Sealed Lead-Acid Battery - SLAB)
或稱閥調節式鉛酸電池(Valve-Regulated
Lead Acid Battery -
VRLAB):其極板合金格子體,為鉛鈣合金.
表2.2.1 鉛酸電池之種類表
傳統式,需加水式電池 | 密閉式,免加水式電池 | |
極板合金格子體 | 鉛銻合金 | 鉛鈣合金 |
材料結構 | 強 | 弱 |
負極之氫氣過電壓氣化點 | 低 | 升高 |
相同充電電壓,氫氣量 | 多 | 少 |
氣體重反應 | 無 | 將氧回收成水 |
第三款 鉛酸電池在車輛上之功用:
3.1 發動引擎時,供給起動馬達大量之電流.
3.2 當發電機電壓 < 電瓶電壓時,由電瓶供給全車電器所需用電,稱為放
電.
3.3 當發電機電壓
> 電瓶電壓時,由發電機供給全車電器所需用電,並由
電瓶儲存發電機之剩餘電流,稱為充電.
3.4 平衡汽車上的電壓,使其不過高或過低.
第四款 鉛酸電池之電動勢ε:
電動勢ε:將單位正電荷由負極,經由電池內部移向正極所作的功.
表2.4.1 鉛酸電池之電動勢
名稱 | 代號 | 公式 | 單位 | 單位 | 備考 |
電動勢 | ε | = W / q | 伏特 | V | |
內電阻 | r | I = ε/ (r+R) | 歐姆 | Ω | 串連外電路 |
端電壓 | Vab | Vab = I R = ε- I r | 伏特 | V | 電池兩端的電位差 |
第五款 鉛酸電池之氧化/還原:
表2.5.1 氧化種類
|
反應 |
方程式 |
變化 |
1 |
與氧結合 |
C+O 2→CO2 |
C →CO2 |
2 |
與氫分離 |
CH 4+2O2→CO2+2H2O |
CH 4→CO2 |
3 |
失去電子 |
Na →Na![]() ![]() |
Na →Na![]() ![]() |
4 |
氧化數增 |
C+O 2→CO2 |
C →CO2 |
表2.5.2 還原種類
|
反應 |
方程式 |
變化 |
1 |
與氧分離 |
CuO+H 2→Cu+H2O |
CuO →Cu |
2 |
與氫結合 |
H 2+Cl2→2HCl |
Cl 2→HCl |
3 |
獲得電子 |
F+e ![]() |
F+e ![]() |
4 |
氧化數減 |
Na |
Na |
第六款 傳統式 ,需添加蒸餾水式鉛酸電池:
第一目 鉛酸電池之放電反應:
1.1 電瓶放電反應
正極端:PbO2PbO
2 → Pb Pb
+ 2e
Pb
+ SO
還原反應:
Pb電池放電正極全反應:
PbO2
+ H2SO4 + 2e有
2H2O產生:放電時,有多餘之水產生→電解液變稀→比重減少1.2 電瓶放電反應
負極端:PbPb
→ Pb Pb
+ SO
氧化反應:
Pb分解成Pb電池放電負極全反應:
Pb + H
2SO4 → PbSO4 + 2H1.3
電解液放電反應:2H
2SO4 → 4H1.4 電池放電總反應:
PbO
2 + Pb + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O
表2.6.1 鉛酸電池放電流程
電子 |
正 極 |
電 解 液 |
負極 |
電子 |
|||
PbO 2 |
2H2SO4 |
Pb |
|
||||
↓ |
↓ |
↓ |
↓ |
↓ |
↓ ↓ ↓ ↓ |
||
Pb |
2O |
4H |
SO |
SO |
|||
→ |
↓ ↓ |
↓ |
↓ |
↓ ↓ ↓ ↓ |
↓ ↓ ↓ ↓ |
→ |
|
+2e |
2H 2O |
-2e |
|||||
Pb |
|
Pb |
|
||||
↓ |
↓ |
||||||
PbSO 4 |
PbSO 4 |
第二目 鉛酸電池之充電反應:
2.1 電瓶充電反應
正極端:PbSO4PbSO4
→ Pb Pb
Pb
+ 2O
→ PbO2
電池充電正極全反應:
PbSO
4 + 2H2O → PbO2 + H2SO4 + 2e有
2H2O之消耗,2.2 電瓶充電反應
負極端:PbSO4PbSO4
→ Pb Pb
+ 2e
電池充電負極全反應:
PbSO4
+ 2H2.3
電解液充電反應:O2 為危險助燃物,充電需注意通風.
2.4 電池充電總反應:
2PbSO
4 + 2H2O → PbO2 + Pb + 2H2SO42.6.2 鉛酸電池充電流程
電子 |
正 極 |
電 解 液 |
負 極 |
電子 |
||||||
PbSO 4 |
2H2O |
2H 2O |
PbSO 4 |
|
||||||
↓ |
↓ |
↓ |
↓ |
↓ |
↓ |
↓ |
↓ |
↓ |
||
Pb |
SO |
2H |
2O |
2H |
2O |
4H |
SO |
Pb |
||
← |
↓ ↓ |
↓ |
↓ |
↓ ↓ ↓ ↓ |
↓ ↓ ↓ |
↓ |
↓ |
↓ ↓ ↓ |
↓ ↓ |
← |
+2e |
H 2SO4 |
O 2↑(+) |
2H 2↑(-) |
-2e |
||||||
Pb |
|
Pb |
||||||||
↓ |
H2SO4 | |||||||||
PbO 2 |
表2.6.3 鉛酸電池充放電反應與比重之關係
反應 |
反應物 |
反應物 |
比重 |
比重 |
|||||
1. |
放電 |
→ |
消耗 H2SO4 |
+ |
生成 H2O |
→ |
比重減少 |
||
↓↑ |
↓↑ |
↓↑ |
|||||||
2. |
充電 |
→ |
生成 H2SO4 |
+ |
消耗 H2O |
→ |
比重還原 |
||
+ |
|||||||||
消耗 H2O |
→ |
比重增加 |
→ |
標準比重 |
|||||
↓ |
↑ |
|
|||||||
生成 H2↑, O2↑ |
→ |
需添加 蒸餾水補充水份 |
|||||||
↓ |
|||||||||
要注意通風良好 ,以免燃燒,爆炸電瓶蓋之通風氣孔 不可阻塞 |
第七款 密閉式,免加水之鉛酸電池
7.1 作用原理
在傳統開放需加水式鉛酸電池
,經過不飽和充電後,又進行過度充電時,會
第八款 鉛酸電池充電法:
定電流充電法,定電壓充電法,定電壓二段式充電法
表2.7.1 鉛酸電池充電法
類別 | 充電法 | 優點 | 缺點 |
定電流充電法 | 使用定電流來充電 | 電池容量(安培小時)=充電電流(安培)×充電時間(小時) | 充電電流過低,充電時間過長 |
定電壓充電法 | 使用定電壓來充電 | 結構簡單,成本低廉,控制容易 | 充電初期,充入電流過大,損壞極板,溫度上升,縮短壽命,充放電不佳 |
定電壓二段式充電法 (定電壓充電改良法) |
充電初期,以較低電壓充電至設定電壓,再提升電壓繼續充電 | 為定電壓充電法缺點改良法 | |
定電流定電壓充電法 | 充電初期,以定電流充電至設定電壓,再以定電壓繼續充電 | 充電電流隨電池電壓上升而下降,至電流很小時,即已充飽 | |
脈衝充電法 | 以週期性的脈充電流來充電 充電過程中,提供電池休息的時間,使電化學反應有緩衝的機會 |
提高電池充放電效率,使用壽命 可快速充電,以較大電流充電,減少充電時間 |
|
Reflex充電法 (脈衝充電改良法) |
每一充電脈衝緊接著一放電脈衝 | 利用放電脈衝,使電池打嗝(burp),除去電極氣泡 |