管状板

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管状板:高管式电池与平板电池

1. 铅酸电池板的类型

电池简介

有几种类型的电化学电源(也称为电电池、伏特电池或电池)。 电池被定义为将化学能转化为电能的电化学装置,反之亦然。 电池的学科属于电化学,它简单地被定义为处理化学能和电能的转换的主题。 在这篇文章中,我们将详细讨论管状板。

这些细胞通过自发的氧化还原反应(氧化还原反应)产生电能,这些反应涉及正极、负极和电解质中的化学物质,这些物质发生在每个电极中,称为半细胞。 活性材料中的化学能转化为电能。 还原反应产生的电子通过连接两个半电池的外部电路,从而产生电流。 氧化反应通过从阳极材料(主要是金属)释放电子而发生,当电子通过外部电路到达阴极(主要是氧化物、氯化物、氧气等)时,就会产生还原反应。 电路通过电解质完成。

铅酸电池系统:

当外部电路闭合时,电子开始从负极中产生,因为反应将铅(电化学氧化)转化为二分铅离子(Pb2+)。 (后一离子与硫酸盐分子反应,在细胞内形成硫酸铅(PbSO4)。 这些电子穿过外部电路,到达正板,将二氧化铅转化为硫酸铅,即由于Pb4+离子在PbSO4中转化为Pb2+离子,二氧化铅在电化学上被化为硫酸铅。

细胞整体反应写为:

PbO2 = Pb = 2pbSO4 电荷↔放电 2pbSO4 = 2H2O

我们可以看到铅 (Pb + ) 的价增加至 Pb

在放电过程中释放2个电子。 这种价值的增加在电化学术语中被描述为氧化。

另一个方向,二氧化铅中的铅的价价(铅二氧化铅中铅的价为 4 瓦)降低到 2°

吸收来自氧化反应的两个电子。 这种价值的降低,即电化学术语的降低。

这些术语也可以通过放电期间电池的单个电极电位的变化来描述。 电铅电极(放电期间阳极)的电位(电压)在放电期间移动到更多的正值后增加。 电位值的这种增加即为氧化。 因此,铅酸电池中铅的负板电位从-0.35到-0.20伏特。 这是潜力的增加。 因此,这种反应在性质上是无名小道。

相反,二氧化铅电极(放电期间的阴极)的电位通过向负侧移动而降低,即随着放电的进行,该值变得越来越低。 铅酸电池中二氧化铅的正板电位从约1.69到约1.5伏特。 这是潜力的降低。 因此,这种反应在性质上是阴极的,我们说在放电过程中,在正板上发生减少。

放电期间工作电压的这些降低是由于两个电极上产生的过压、+ 和内部电阻的组合引起的极化。 简单地说,过压是OCV和工作电压的差异。

因此,在放电过程中,Edisch = EOCV – [POS – μNEG – IR。

但是, 对于充电反应 ECh = Eocv = _Pos = {Neg) = Ir 。

IR 是指电池内部材料(如电解质、活性材料等)提供的内部电阻。 IR 取决于电池的设计,即使用的分离器、板之间的间距、活性材料的内部参数(颗粒大小、表面积、孔隙度等)、活性材料中的 PbSO4 温度和数量。 它可以作为顶部引线、活性质量和腐蚀层、电解质、分离器和活性材料极化提供的几个电阻的总和。

前三个因素受细胞设计的影响。 不能对极化值进行一般性陈述,但它通常与顶引线提供的初始电阻大小相同。 较长的板具有更多的红外。 它可以从排放曲线的初始部分的斜率确定。 对于相同的设计,具有较高容量的电池的内部电阻较低。 12V/28Ah VRLAB 的内部电阻为 6 mΩ,而低容量电池(12V/7Ah)的内部电阻为 20 至 23 mΩ。

在非常低的值下,与当前关系(I)采用欧姆定律的形式,上述方程被简化为

Edisch = Eocv – IR。
Ech = Eocv = Ir。

以上讨论涉及铅酸细胞的放电反应。
在铅酸细胞的电荷反应过程中出现相反的现象。

在原电池的情况下,正极通常称为阴极,而负极称为阳极,这是明确的,因为只发生放电。

因此,在充电反应期间,充当阳极的铅电极充当阴极,而充当阴极的二氧化铅电极现在充当阳极。 为了避免歧义,我们简单地在二级细胞中使用正极和负极或板。
为了说明这在实践中的工作原理,下图显示了铅酸电池放电和充电的一些假设曲线。

实用放电电压低于2.05V的开路电压,实际放电电压高于该值。 对 μ 的偏差是细胞内部电阻和极化损耗综合影响度量。 每当放电或电荷电流被提高时,根据上述方程,μ 的值就会变大。

管状板电压变化
图1。 铅酸电池电压的变化和正负板的氧化还原反应
管状板
图2。 以铅酸电池为例,在电荷放电期间,板和电池电压的变化

要总结反应:
引线,负活性材料:
放电期间:Pb = Pb2 = 2e-
充电期间:Pb2= Pb(即 PbSO4 = Pb)

二氧化铅,正活性材料:
放电期间:Pb4° = Pb2°(PbO2 = PbSO4)
充电期间:Pb2° = PbO2(即 PbSO4 = PbO2)

由于这两种电极材料都转化为硫酸铅,因此在1882年格拉德斯通和部落将这种反应称为”双硫酸盐理论”。

电池分类

根据这些细胞中发生的电化学反应的性质,它们可以分类为

  • 主电池
  • 辅助(或蓄电池或蓄能器)
  • 燃料电池

首先,最好了解这些类型之间的差异。 在初级电池中,电化学反应是不可逆的,而次生电池以其反应的可逆性而广为人知。 燃料电池也是一个原发电池,但燃料电池和原生电池的区别在于反应物被保存在细胞容器之外,而在原生电池中,反应物在细胞内。

  • 在原细胞(例如,手表中使用的银氧化物锌细胞,用于闪光手电筒的MnO2-Zn细胞和交流装置、电视等的遥控器)属于这一类,在这些细胞中,反应只能向一个方向进行,我们不能通过向相反方向传递电来逆转反应。
  • 相反,次要调用以其对产生能量的反应的可逆性而为人所知。 放电后,如果以相反方向传递直接电流,则从反应产品中再生原始反应物。 此类电池的示例包括铅酸电池、锂离子电池、镍 Cd 电池(实际上是 NiOOH-Cd 电池)、Ni-Fe 电池、镍氢电池,这一点还提到最常见的二次电池。
  • 为了详细阐述可逆性的概念,当两种材料在能量生产反应过程中,正极(通常称为”板”)和铅(Pb)中的二氧化铅(Pb2)和铅(Pb)均转化为硫酸铅(PbSO4)。 这由电化学家代表,如下所示:
  • PbO2 = Pb = 2pbSO4 电荷↔放电 2pbSO4 = 2H2O
  • 燃料电池也是一个原发性电池,但它的反应物是从外部喂养的。 燃料电池的电极是惰性的,因为它们在电池反应期间不消耗,而只是帮助电子传导和电催化效果。 后一种特性使反应物(活性材料)的电还原或电氧化。
  • 燃料电池中使用的阳极活性材料通常是气态或液体燃料,如氢气、甲醇、碳氢化合物、天然气(富含氢气的材料称为燃料),这些燃料被送入燃料电池的阳极侧。 由于这些材料与热发动机中使用的传统燃料一样,”燃料电池”一词已经建立,用于描述此类电池。 氧气,通常是空气,是主要的氧化剂,并进入阴极。

燃料电池

  • 从理论上讲,单个 H2/O2 燃料电池在环境条件下可以产生 1.23 V。

    反应是:H2 = 1/2 O2 = H2O 或 2H2 = O2 = 2H2O E = 1.23 V

    然而,实际上,燃料电池产生的有用电压输出与理论电压1.23 V的电压很远,因此,燃料电池的运行范围一般在0.5至0.9 V之间。理论值的电压损耗或降低称为”极化”,哪个术语和现象在不同程度上适用于所有电池。

铅酸电池

在铅酸电池的生产中,使用各种正极(或通常称为”板”):
它们是:

a. 平板或格板或粘贴板或格子型或福雷板(1.3 至 4.0 mm 厚度)
B。 管板(内径 = 4.9 至 7.5 mm)
C。 植物板(6 至 10 毫米)
D。 锥形板
e. 果冻卷板 (0.6 至 0.9 mm)
F。 双极板

  • 其中,第一个提到的平板型应用最广泛;虽然它可以提供短时间重电流(例如,启动汽车或DG集),但它的使用寿命较短。 在这里,晶格类型的矩形电流收集器充满了由含铅氧化物、水和硫酸的混合物组成的糊状物,经过精心干燥和形成。 正板和负板的制作方式相同,添加剂的差异除外。 由于电池很薄,由这种电池制成,可以提供启动汽车所需的高电流。 在这种申请中,预期寿命为4至5岁。 在交流发电机整流器配置出现之前,寿命更短。
  • 管状板:下一个广泛使用的板是管状板,其寿命更长,但不能像平板电池那样提供突发电流。 下面我们将详细讨论管状板。
  • 在发电站和电话交换等场所,铅酸电池的使用寿命长,可靠性要求最严格,首选的是 Plant® 型。 管板的起始材料约为 6-10 mm 厚的高纯度铅板铸造,具有许多薄的垂直层压。 管状板的基本表面积通过层状结构得到显著增强,其有效表面积是其几何面积的12倍。
  • 锥形板是晶格型圆形纯铅栅(以10°角倾斜),板水平堆叠在一个以上,由纯铅制成。 这是由贝尔电话实验室,美国开发。
  • 果冻卷板是由0.6至0.9毫米厚度的低铅锡合金制成的薄连续格板,便于高速率。 板用铅氧化物粘贴,由吸收玻璃垫隔开,螺旋缠绕形成基本细胞元素。
  • 双极板:这些板有由金属或导电聚合物制成的中央导电板,一侧有正活性材料,另一侧为负材料。此类板的堆叠方式使相反的极性活性材料彼此对面,它们之间有一个分离器。以获得所需的电压。
  • 在这里,消除了单独的单元间连接,从而减少了内部电阻。 可以注意到,双极电池中的极端板始终为单极型,无论是正极型还是负极型

2. 各类板材性能的差异

平板电池用于高电流、短持续时间的放电,如汽车和 DG 集起动电池。 它们通常寿命为 4 至 5 年,寿命结束的主要原因是正栅格的腐蚀,导致网格与活性材料失去接触,随后脱落。

管状板是坚固的,因此在浮动操作中寿命约为 10 至 15 年。 它们还适合循环负荷,并提供最高的循环寿命。 活性材料包含在脊柱和氧化物支架之间的环形空间中。 这会限制由于细胞循环时发生的体积变化而引起的应力。

生命的结束再次是由于脊柱的腐蚀和脊柱和活性材料之间的接触损失。 然而,在这样的结构中,脊柱与活性质量之间的接触面积减少,因此在重电流排放下,较高的电流密度会导致局部加热,导致管子破裂和腐蚀层破裂。

植物板细胞的寿命最长,但与其他类型相比,容量较差。 但这些电池提供最高的可靠性和最长的浮动寿命。 其成本也较高,但如果估计其寿命,它实际上是较低的相比,与其他固定型细胞。 寿命更长的原因是正板表面在使用寿命内持续再生,几乎不会损失容量。
锥形板电池由朗讯科技(原美国安培贝尔实验室)专门设计,使用寿命超过30年。 最近 23 年的腐蚀数据预计此类电池的使用寿命为 68 至 69 年。

由于出色的机械和电气特性,果冻辊设计适合批量生产。 圆柱形容器中的果冻卷结构(螺旋缠绕电极)可以保持较高的内部压力而不变形,并且可以设计为具有更高的释放压力
比棱镜细胞。 这是因为外部金属容器用于防止塑料外壳在高温和内部电池压力下变形。 对于大型棱镜电池,排气压力范围可能高达 170 kPa 至 275 kPa(25 至 40 psi = 1.7 至 2.75 bar),用于金属护套、螺旋缠绕电池,为 7 kPa 至 14 kPa(1 至 2 psi = 0.07 至 0.14 bar)。

双极板电池
在双极板的设计中,一侧有一个中央电子导电材料(金属板或导电聚合物板),一侧是正活性材料,另一侧是负活性材料。 在这里,消除了单独的单元间连接,从而减少了内部电阻。 需要指出的是,双极端细胞中的极端板始终为单极型,无论是正的还是负的。

这些电池有

  1. 更高的特定能量和更高的能量密度(即普通铅酸电池的体积减少 40% 或 60%,重量减少 30%或普通铅酸电池质量的 70%。
  2. 将循环寿命翻倍
  3. 所需的铅量减少了一半,其他材料也减少了。

3. 管状板电池的应用

管状板电池主要用于需要长寿命和更高容量的电池。 它们主要用于电话交换的备用应用,以及大型工厂的材料处理卡车、拖拉机、采矿车辆,以及在某种程度上用于高尔夫球车。

如今,这些电池在逆变器-UPS 应用中随处可见。

超高型板(高至1米及更多)用于潜艇电池,在潜艇被淹没时提供动力。 它提供了无声的力量。 容量从 5,000 到 22,000 Ah。 潜艇细胞有空气泵插入其中,以消除1至1.4米高的细胞电解质的酸分层。

凝胶电解质管板阀门调节铅酸电池广泛应用于太阳能应用等不可再生能源系统。

用于面包车和公共汽车的细管板 EV 电池可适用于 EV 领域,能够根据脊柱厚度和特定能量提供 800 到 1500 个循环。

下表说明了脊柱厚度、板间距、电解质密度、特定能量和生命周期数之间的关系。

Tube Diameter mm --> 7.5 6.1 4.9
Electrolyte Density (Kg/Litre) 1.280 1.300 1.320
Number of spines 19 24 30
Tubular plate pitch 15.9 13.5 11.4
Spine thickness 3.2 2.3 1.85
Specific energy (Wh per kg) at 5 hour rate 28 36 40
Cycle life 1500 1000 800

参考:K.D.梅尔兹,J.电源,73(1998)146-151。

4. 制造管状袋、管板和管板电池:

管状袋

早期的管状板由菲利普特用单独的环建造,伍德沃德在1890-1900年用管袋建造,而开槽橡胶管(Exide Ironclad)的使用由史密斯在1910年开发。

之前曾将单个管组装到脊柱上,比将一个完整的栅格插入多管设计要慢一些。 此外,多管各管之间的物理粘结在灌装单元操作中具有更大的刚性。 由于横向运动,脊柱的弓被消除。 这就是为什么电池制造商喜欢使用PT袋多管小鬼。

管准备。 如今,多管或PT袋(小袋)由耐化学腐蚀的玻璃或有机纤维(聚酯、聚丙烯、丙烯酸酯共聚物等)通过编织、编织或毛毡方法生产。

在多管的早期,使用在氯乙烯和醋酸乙烯共聚物的纱线中水平编织的布。 两层布料在一排圆柱形前人(曼德雷尔)的两侧经过,相邻的前者之间的接缝被热焊接。

但醋酸乙烯退化释放醋酸,这反过来又导致脊柱腐蚀和过早的电池故障。 此外,必须控制和标注热密封。 如果密封压力超过极限,接缝很弱,很快层在服务中分离。 相反,如果密封压力过重,密封是好的,但实际接缝很薄,很快就在服务中分离。

虽然这在维修方面没有造成严重问题,但在处理和灌装的初始操作中,接缝有分离的趋势,管状板的中心往往呈下降头,这在以下单元操作中造成了问题,例如,有时由于板过大,很难将板材插入细胞容器中。

试图采用各种方法替代热密封,如复合编织技术,其中管子在一次操作中编织,丝在管之间交错,形成整体接缝。 调制解调器多管使用热密封或缝合聚酯丝编织成布或无纺布。

无纺布的吸引力在于,由于通过消除编织工艺降低了基本材料成本,制造成本更低。 然而,要达到相同的爆裂强度顺序,无纺布管必须比其编织的管更厚。 这既降低了电解质的体积(由于无纺布材料体积更大)。 管内的活性物质体积也会减少,这反过来又会稍微降低细胞的容量。

优秀的管板可以使用单独的管或多管提供
用于制造管子的纱线是一种在服务中不容易变性的纱线。 特别配制的玻璃和聚酯长丝均符合这一要求。

管状板电池在应用或机车中是静止的,通常每个电池的电压为 2.2 至 2.30 伏电压浮动充电,具体取决于电解质的特定重力。 例如常见的逆变器/UPS 电池、电话电池、列车照明和空调电池(TL 和交流电池)。

管状板

在管板中,从铅合金中铸造的一系列适当厚度的脊柱连接到顶部母线,无论是手动还是使用压力压铸机。 脊柱入管状袋中,脊柱和 PT 袋之间的空间(也称为氧化物架)充满干氧化物或湿硫氧化物膏。 脊柱通过脊柱提供的星形突起保持中心位置。 PT 袋始终由编织或毛毡聚酯纤维制成。 因此,精心准备的管状板随后被腌制、固化/干燥,或者由罐形或罐形制成,具有适当的电解质密度。

填充氧化物可以有任何成分:只有灰氧化物,灰氧化物和红铅(也称为”最小”)不同的比例。

在正组合中具有红色铅的好处是,形成时间按比例减少其包含的红色铅的百分比。 这是因为红色铅已经含有大约三分之一的二氧化铅,其余的是铅一氧化碳。 也就是说,红色引线 Pb3O4 = 2pbO = PbO2。

或者,填充的管板可以直接组装,在去除粘附在管外的松散氧化物颗粒后,放入电池和电池以及罐状。

负板是按照平板制造惯例照常制造的。 扩展器是相同的,但是,与汽车粘贴相比,”blanc fix”的数量更多。 管状板在固化炉中固化约2至3天,通过用电或气体加热的干燥隧道,以去除表面水分,使板材在后续处理过程中不会相互粘结。

酸的酸的初始填充比重的差异,用于腌制和未采摘的苍白,产生于前者含有更多的酸,因此选择较低的比重为腌制管板电池,通常低约20点。 电解质的精加工比重为 1.240 ± 0.010,在 27°C 时。
电解质的比重越高,这些电池的容量就会越高,但寿命将受到不利影响。
或者,管状板可以像平常一样进行罐式、干燥和组装和充电。

5. 不同类型的管状板

管板制造工艺
图3。 描述单位操作的流程图
管状板形状不同
图4。 管也可以是椭圆形或扁平或方形或矩形类型

大多数电池制造商都使用圆柱管来制造管板和电池。 即使在这个管的直径,因此,脊柱的直径可能从约8毫米到4.5毫米不等。

但是,管也可以是椭圆形或扁平或方形或矩形类型。 基本结构与先行者圆柱管板相同(如上图所示)。

7. 使用管状板的优点

管状板因没有脱落活性材料而非常有名。 活性材料由管状袋持有,因此较低的包装密度可用于最大化使用系数。 由此产生的高孔隙度也有助于在能源生产过程中使用更活跃的材料。 脊柱越厚,从这种管状板中获得的生命周期就会越长。

生命周期数介于 1000 到 2000 个周期之间,具体取决于板的厚度。 管状板越厚,它们给出的循环次数就越小。 据说,与相同厚度的平板相比,管状板的使用寿命数是两倍。

8. 如何使用管状板提高电池寿命?

如上所述,管板电池的使用寿命高于平板电池。 以下句子描述了管板电池寿命延长的原因。 最重要的是,活性材料由氧化支架管刚性地保持,从而防止材料脱落,这是电池故障的主要原因。 此外,随着时间的推移,脊柱得到二氧化铅的保护盖,这有助于降低脊柱的腐蚀率。 腐蚀就是将铅合金脊柱转化为二氧化铅。

热力学铅和铅合金在超过1.7至2.0伏特的高氧化电位下不稳定,在硫酸的腐蚀性大气中往往被腐蚀并转化为PbO2。

每当电池在远离高侧开路电压 (OCV) 的电压下充电时,氧气都会因水的电解分离而进化,氧气在正管板表面形成,并且必须扩散到脊柱上进行腐蚀。 由于脊柱周围有一层厚厚的正活性物质 (PAM),氧气必须从表面远距离移动,因此腐蚀率往往会降低。 这有助于延长管状板细胞的使用寿命。

9. 哪些电池应用应理想地使用管状电池板?

管状板主要用于大容量长周期电池,如工业内部运输车辆(叉车、电动汽车等)。 它还用于储能应用,如电池储能系统 (BESS),其中电池的容量可能高达 11000 Ah 和 200 至 500 kWh 和高达 20 MWh。

BESS 的典型应用适用于峰值剃须、频率控制、旋转保留、负载调平、紧急电源等

如今,一些国家的每家每户都至少有一个管状板电池用于逆变器-UPS应用。 更别提一些商业机构,例如浏览中心,那里需要持续供应能源。

最近,凝胶管板阀门调节铅酸电池广泛应用于太阳能应用等不可再生能源系统中。 在这里,凝胶类型是最适合的。

需要 800 个循环的 EV,其特定能量为 40 Wh/kg,因此可以最好地使用薄管式 EV 电池。 可用容量范围为 200Ah 至 1000Ah,速率为 5 小时。

10. 管状板电池的重要技术特性

管板电池最重要的技术特点是它能够在整个使用寿命内保留活性材料,而不会在正常过程中发生脱落过程,从而为长寿命打下基础。

在浮动充电条件下,如电话交换、储能等,使用此类板的电池在固定应用中的使用寿命为 15-20 年。 对于循环操作(如牵引电池),电池可以提供 800 到 1500 个循环,具体取决于每个周期的能量输出。 每个周期的能量输出越低,寿命越高。

管状板最适合凝胶电解质阀调节版中的太阳能应用,电解质中无分层问题。 由于它不需要定期加注经批准的水,而且这些电池没有发出令人讨厌的气体,因此它们非常适用于太阳能应用。

11. 结论

在当今使用的电化学电源中,铅酸电池的数量超过了单独考虑的所有其他系统。 在铅酸电池中,无处不在的汽车电池引领着团队。 接下来是管状板工业电池。 汽车电池的容量范围为 33 Ah 至 180 Ah,全部为单片容器,但另一种电池的容量为 45 Ah 至数千 Ah。

小容量管板电池(高达200 Ah)以单片和大容量2v电池组装在单个容器中,并连接在一起和并行排列。 大容量管板电池用作电话交换、储能设施等的固定电源。 牵引电池有几个应用,如物料搬运卡车,叉车,高尔夫球车等。

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