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
負極之氫氣過電壓氣化點 升高
相同充電電壓,氫氣量
氣體重反應 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+O2CO2

CCO2

2

與氫分離

CH4+2O2CO2+2H2O

CH4CO2

3

失去電子

NaNa+e

NaNa+e

4

氧化數增

C+O2CO2

CCO2

表2.5.2 還原種類

 

反應

方程式

變化

1

與氧分離

CuO+H2Cu+H2O

CuOCu

2

與氫結合

H2+Cl22HCl

Cl2HCl

3

獲得電子

F+eF

F+eF

4

氧化數減

Na+eNa

Na+eNa


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:PbO2

PbO2 Pb + 2O

     Pb + 2e Pb

                                         Pb + SO PbSO4

還原反應: Pb分解成Pb,多了二個電子.

電池放電正極全反應:

PbO2 + H2SO4 + 2e + 2H PbSO4 + 2H2O

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:Pb

Pb Pb + 2e

         Pb + SO PbSO4

氧化反應: Pb分解成Pb,少了二個電子.

電池放電負極全反應:

Pb + H2SO4 PbSO4 + 2H + 2e

1.3 電解液放電反應:

2H2SO4 4H + 2SO

1.4 電池放電總反應:

PbO2 + 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

 

     PbO2

         2H2SO4 

  Pb

 

 

 

  ↓

  ↓

  ↓

  ↓

  ↓

  ↓

  ↓

  ↓

  ↓

  Pb

  2O

  4H

  SO

  SO

  ↓

  ↓

  ↓

  ↓

  ↓

  ↓

  ↓

  ↓

  ↓

  ↓

  ↓

  ↓

+2e

    2H2O

-2e

 

  Pb

 

 

 Pb

 

 

 

  ↓

  ↓

           PbSO4 

    PbSO4


第二目 鉛酸電池之充電反應:

2.1 電瓶充電反應正極端:PbSO4 

PbSO4 Pb + SO

       Pb Pb + 2e

                                 Pb + 2O PbO2

電池充電正極全反應:

PbSO4 + 2H2O PbO2 + H2SO4 + 2e + 2H

2H2O之消耗,
→表示充電時,原放電生成之水,會被消耗
→電解液變濃
→電解液比重復原

2.2 電瓶充電反應負極端:PbSO4

PbSO4 Pb + SO

     Pb + 2e Pb

電池充電負極全反應:

PbSO4 + 2H + 2e Pb + H2SO4

2.3 電解液充電反應:
2.3.1
稀硫酸還原:4H + 2SO 2H2SO4
2.3.2
充電時,電解水:
2H2O 2OH + 2H
2
OH → 2O + 2H
正極反應,產生氧氣:
2O O2 + 4e
負極反應,產生氫氣:
4H + 4e 2H2
傳統開放需加水式鉛酸電池充電時,會分解電解液的水,
當充電達70%時,會產生氧氣(正極),
當充電達90%時,會產生氫氣(負極),
而氧氣與氫氣會自然揮發至大氣,造成電解液水分散失,因此,需添加蒸餾
水來補充.

O2 為危險助燃物,充電需注意通風.
H2 為危險易燃物,充電需注意通風.

2.4 電池充電總反應:

2PbSO4 + 2H2O PbO2 + Pb + 2H2SO4

2.6.2 鉛酸電池充電流程

電子

  正   極 

      電     解     液

  負  極

電子

   PbSO4

       2H2O 

    2H2O

   PbSO4

 

 

 

 ↓

 ↓

 ↓

 ↓

 ↓

 ↓

 ↓

 ↓

 ↓

 Pb

 SO

 2H

 2O

 2H

 2O

 4H

 SO

 Pb

 ↓

 ↓ 

 ↓

 ↓ 

 ↓

 ↓

 ↓

 ↓

 ↓

 ↓

 ↓

 ↓

 ↓

 ↓

 ↓

 ↓

 ↓

 ↓

+2e

   H2SO4

 O2(+)

2H2(-)

-2e

 

 Pb

 

 

 

 Pb

 

 ↓

          H2SO4 

        PbO2 







第三目 

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,
導致電解液之水解
,其結果在電池正極產生氧氣,在負極產生氫氣,造成電
解液之水分之損耗
,因此,需添加蒸餾水以補充電解液,然密閉式免加水之
鉛酸電池
,在充飽電時,負極不會有充滿之現象,所以不會產生氫氣,而正
極則會充飽
,產生氧氣,與負極板之鉛,反應成PbO,再與電解液產生PbSO4
 ,
因此,正極所產生之氧,直接由負極板吸收,不會釋出電池外部消耗,
以能避免水分散失
.

7.2
密閉式,免加水式電池反應:
2PbO + 2H
2SO4 2PbSO4 + 2H2O
2Pb + O
2 2PbO
2PbSO
4 + 4H + 4e 2Pb + 2H2SO4
O
2 + 4H + 4e 2H2O






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