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→CO 2 | C →CO 2
2 | 與氫分離 | CH 4+2O 2→CO 2+2H 2 O | CH 4→CO 2
3 | 失去電子 | Na →Na+e | Na →Na+e
4 | 氧化數增 | C+O 2→CO 2 | C →CO 2

表2.5.2 還原種類

| 反應 | 方程式 | 變化
1 | 與氧分離 | CuO+H 2→Cu+H 2 O | CuO →Cu
2 | 與氫結合 | H 2+Cl 2→2HCl | Cl 2→HCl
3 | 獲得電子 | F+e →F | F+e →F
4 | 氧化數減 | Na+e →Na | Na+e →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:PbO2

PbO

2 → Pb + 2O

Pb + 2e

→ Pb

Pb + SO

→ PbSO 4

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

+ H 2 SO 4 + 2e + 2H → PbSO 4 + 2H 2 O

有

2H 2 O 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

→ PbSO 4

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 + H

2 SO 4 → PbSO 4 + 2H + 2e

1.3

電解液放電反應:

2H

2 SO 4 → 4H + 2SO

1.4 電池放電總反應:

PbO

2 + Pb + 2H 2 SO 4 → 2PbSO 4 + 2H 2 O

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 | 2H 2 SO 4 | Pb |
↓ | ↓ | ↓ | ↓ | ↓ | ↓ ↓ ↓ ↓
Pb | 2O | 4H | SO | SO
→ | ↓ ↓ | ↓ | ↓ | ↓ ↓ ↓ ↓ | ↓ ↓ ↓ ↓ | →
+2e | 2H 2 O | -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:PbSO4

PbSO4

→ Pb + SO

Pb

→ Pb + 2e

Pb + 2O → PbO 2

電池充電正極全反應:

PbSO

4 + 2H 2 O → PbO 2 + H 2 SO 4 + 2e + 2H

有

2H 2 O 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 + H 2 SO 4

2.3

電解液充電反應:
2.3.1 稀硫酸還原:4H + 2SO → 2H 2 SO 4
2.3.2 充電時,電解水:
2H 2 O → 2OH + 2H
2 OH → 2 O + 2H
正極反應,產生氧氣: 2O → O 2 + 4e
負極反應,產生氫氣: 4H + 4e → 2H 2
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:

2PbSO

4 + 2H 2 O → PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4

2.6.2 鉛酸電池充電流程

電子 | 正 極 | 電 解 液 | 負 極 | 電子
| PbSO 4 | 2H 2 O | 2H 2 O | PbSO 4 |
↓ | ↓ | ↓ | ↓ | ↓ | ↓ | ↓ | ↓ | ↓
Pb | SO | 2H | 2O | 2H | 2O | 4H | SO | Pb
← | ↓ ↓ | ↓ | ↓ | ↓ ↓ ↓ ↓ | ↓ ↓ ↓ | ↓ | ↓ | ↓ ↓ ↓ | ↓ ↓ | ←
+2e | H 2 SO 4 | O 2↑(+) | 2H 2↑(-) | -2e
| Pb |  |  | Pb |
↓ | H 2 SO 4 |
PbO 2 |

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 H 2 SO 4 | + | 生成 H 2 O | → | 比重減少 |  |
|  |  | ↓↑ |  | ↓↑ |  | ↓↑
2. | 充電 | → | 生成 H 2 SO 4 | + | 消耗 H 2 O | → | 比重還原
|  |  |  |  | + |  |
消耗 H 2 O | → | 比重增加 | → | 標準比重
↓ |  | ↑ |  |
生成 H 2↑, O 2↑ | → | 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
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,所
以能避免水分散失.
7.2 密閉式,免加水式電池反應:
2PbO + 2H 2 SO 4 → 2PbSO 4 + 2H 2 O
2Pb + O 2 → 2PbO
2PbSO 4 + 4H + 4e → 2Pb + 2H 2 SO 4
O 2 + 4H + 4e → 2H 2 O

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 |