管狀板。

管狀板。

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管狀板:高管式電池與平板電池。

1. 鉛酸電池板的類型。

電池簡介。

有幾種類型的電化學電源(也稱為電電池、伏特電池或電池)。 電池被定義為將化學能轉化為電能的電化學裝置,反之亦然。 電池的學科屬於電化學,它簡單地被定義為處理化學能和電能的轉換的主題。 在這篇文章中,我們將詳細討論管狀板。

這些細胞通過自發的氧化還原反應(氧化還原反應)產生電能,這些反應涉及正極、負極和電解質中的化學物質,這些物質發生在每個電極中,稱為半細胞。 活性材料中的化學能轉化為電能。 還原反應產生的電子通過連接兩個半電池的外部電路,從而產生電流。 氧化反應通過從陽極材料(主要是金屬)釋放電子而發生,當電子通過外部電路到達陰極(主要是氧化物、氯化物、氧氣等)時,就會產生還原反應。 電路通過電解質完成。

鉛酸電池系統:

當外部電路閉合時,電子開始從負極中產生,因為反應將鉛(電化學氧化)轉化為二分鉛離子(Pb2+)。 (后一離子與硫酸鹽分子反應,在細胞內形成硫酸鉛(PbSO4)。 這些電子穿過外部電路,到達正板,將二氧化鉛轉化為硫酸鉛,即由於Pb4+離子在PbSO4中轉化為Pb2+離子,二氧化鉛在電化學上被化為硫酸鉛。

細胞整體反應寫為:

PbO2 = Pb = 2pbSO4 電荷↔放電 2pbSO4 = 2H2O

我們可以看到鉛 (Pb + ) 的價增加至 Pb

,

在放電過程中釋放2個電子。 這種價值的增加在電化學術語中被描述為氧化。

另一個方向,二氧化鉛中的鉛的價價(鉛二氧化鉛中鉛的價為 4 瓦)降低到 2°

吸收來自氧化反應的兩個電子。 這種價值的降低,即電化學術語的降低。

這些術語也可以通過放電期間電池的單個電極電位的變化來描述。 電鉛電極(放電期間陽極)的電位(電壓)在放電期間移動到更多的正值後增加。 電位值的這種增加即為氧化。 因此,鉛酸電池中鉛的負板電位從-0.35到-0.20伏特。 這是潛力的增加。 因此,這種反應在性質上是無名小道。

相反,二氧化鉛電極(放電期間的陰極)的電位通過向負側移動而降低,即隨著放電的進行,該值變得越來越低。 鉛酸電池中二氧化鉛的正板電位從約1.69到約1.5伏特。 這是潛力的降低。 因此,這種反應在性質上是陰極的,我們說在放電過程中,在正板上發生減少。

放電期間工作電壓的這些降低是由於兩個電極上產生的過壓、+ 和內部電阻的組合引起的極化。 簡單地說,過壓是OCV和工作電壓的差異。

因此,在放電過程中,Edisch = EOCV – [POS – μNEG – IR。

但是, 對於充電反應 ECh = Eocv = _Pos = {Neg) = Ir 。

IR 是指電池內部材料(如電解質、活性材料等)提供的內部電阻。 IR 取決於電池的設計,即使用的分離器、板之間的間距、活性材料的內部參數(顆粒大小、表面積、孔隙度等)、活性材料中的PbSO4溫度和數量。 它可以作為頂部引線、活性品質和腐蝕層、電解質、分離器和活性材料極化提供的幾個電阻的總和。

前三個因素受細胞設計的影響。 不能對極化值進行一般性陳述,但它通常與頂引線提供的初始電阻大小相同。 較長的板具有更多的紅外。 它可以從排放曲線的初始部分的斜率確定。 對於相同的設計,具有較高容量的電池的內部電阻較低。 12V/28Ah VRLAB 的內部電阻為6 mΩ,而低容量電池(12V/7Ah)的內部電阻為20至23 mΩ。

在非常低的值下,與當前關係(I)採用歐姆定律的形式,上述方程被簡化為。

Edisch = Eocv – IR。
Ech = Eocv = Ir。

以上討論涉及鉛酸細胞的放電反應。
在鉛酸細胞的電荷反應過程中出現相反的現象。

在原電池的情況下,正極通常稱為陰極,而負極稱為陽極,這是明確的,因為只發生放電。

因此,在充電反應期間,充當陽極的鉛電極充當陰極,而充當陰極的二氧化鉛電極現在充當陽極。 為了避免歧義,我們簡單地在二級細胞中使用正極和負極或板。
為了說明這在實踐中的工作原理,下圖顯示了鉛酸電池放電和充電的一些假設曲線。

實用放電電壓低於2.05V的開路電壓,實際放電電壓高於該值。 對 μ 的偏差是細胞內部電阻和極化損耗綜合影響度量。 每當放電或電荷電流被提高時,根據上述方程,μ的值就會變大。

管狀板電壓變化。
圖1。 鉛酸電池電壓的變化和正負板的氧化還原反應。
管狀板。
圖2。 以鉛酸電池為例,在電荷放電期間,板和電池電壓的變化。

要總結反應:
引線,負活性材料:
放電期間:Pb = Pb2 = 2e-
充電期間:Pb2= Pb(即 PbSO4 = Pb)

二氧化鉛,正活性材料:
放電期間:Pb4° = Pb2°(PbO2 = PbSO4)
充電期間:Pb2° = PbO2(即 PbSO4 = PbO2)

由於這兩種電極材料都轉化為硫酸鉛,因此在1882年格拉德斯通和部落將這種反應稱為「雙硫酸鹽理論」。

電池分類。

根據這些細胞中發生的電化學反應的性質,它們可以分類為。

  • 主電池。
  • 輔助(或蓄電池或蓄能器)
  • 燃料電池。

首先,最好瞭解這些類型之間的差異。 在初級電池中,電化學反應是不可逆的,而次生電池以其反應的可逆性而廣為人知。 燃料電池也是一個原發電池,但燃料電池和原生電池的區別在於反應物被保存在細胞容器之外,而在原生電池中,反應物在細胞內。

  • 在原細胞(例如,手錶中使用的銀氧化物鋅細胞,用於閃光手電筒筒的MnO2-Zn細胞和交流裝置、電視等的遙控器)屬於這一類,在這些細胞中,反應只能向一個方向進行,我們不能通過向相反方向傳遞電來逆轉反應。
  • 相反,次要調用以其對產生能量的反應的可逆性而為人所知。 放電后,如果以相反方向傳遞直接電流,則從反應產品中再生原始反應物。 此類電池的示例包括鉛酸電池、鋰離子電池、鎳 Cd 電池(實際上是 NiOOH-Cd 電池)、Ni-Fe 電池、鎳氫電池,這一點還提到最常見的二次電池。
  • 為了詳細闡述可逆性的概念,當兩種材料在能量生產反應過程中,正極(通常稱為”板”)和鉛(Pb)中的二氧化鉛(Pb2)和鉛(Pb)均轉化為硫酸鉛(PbSO4)。 這由電化學家代表,如下所示:
  • PbO2 = Pb = 2pbSO4 電荷↔放電 2pbSO4 = 2H2O
  • 燃料電池也是一個原發性電池,但它的反應物是從外部餵養的。 燃料電池的電極是惰性的,因為它們在電池反應期間不消耗,而只是説明電子傳導和電催化效果。 后一種特性使反應物(活性材料)的電還原或電氧化。
  • 燃料電池中使用的陽極活性材料通常是氣態或液體燃料,如氫氣、甲醇、碳氫化合物、天然氣(富含氫氣的材料稱為燃料),這些燃料被送入燃料電池的陽極側。 由於這些材料與熱發動機中使用的傳統燃料一樣,”燃料電池”一詞已經建立,用於描述此類電池。 氧氣,通常是空氣,是主要的氧化劑,並進入陰極。

燃料電池。

  • 從理論上講,單個 H2/O2 燃料電池在環境條件下可以產生 1.23 V。

    反應是:H2 = 1/2 O2 = H2O 或 2H2 = O2 = 2H2O E = 1.23 V。

    然而,實際上,燃料電池產生的有用電壓輸出與理論電壓1.23 V的電壓很遠,因此,燃料電池的運行範圍一般在0.5至0.9 V之間。理論值的電壓損耗或降低稱為”極化”,哪個術語和現象在不同程度上適用於所有電池。

鉛酸電池。

在鉛酸電池的生產中,使用各種正極(或通常稱為”板”):
它們是:

a. 平板或格板或粘貼板或格子型或福雷板(1.3 至 4.0 mm 厚度)
B。 管板(內徑 = 4.9 至 7.5 mm)
C。 植物板(6 至 10 毫米)
D。 錐形板。
e. 果凍卷板 (0.6 至 0.9 mm)
F。 雙極板。

  • 其中,第一個提到的平板型應用最廣泛;雖然它可以提供短時間重電流(例如,啟動汽車或DG集),但它的使用壽命較短。 在這裡,晶格類型的矩形電流收集器充滿了由含鉛氧化物、水和硫酸的混合物組成的糊狀物,經過精心乾燥和形成。 正板和負板的製作方式相同,添加劑的差異除外。 由於電池很薄,由這種電池製成,可以提供啟動汽車所需的高電流。 在這種申請中,預期壽命為4至5歲。 在交流發電機整流器配置出現之前,壽命更短。
  • 管狀板:下一個廣泛使用的板是管狀板,其壽命更長,但不能像平板電池那樣提供突發電流。 下面我們將詳細討論管狀板。
  • 在發電站和電話交換等場所,鉛酸電池的使用壽命長,可靠性要求最嚴格,首選的是 Plant® 型。 管板的起始材料約為 6-10 mm 厚的高純度鉛板鑄造,具有許多薄的垂直層壓。 管狀板的基本表面積通過層狀結構得到顯著增強,其有效表面積是其幾何面積的12倍。
  • 錐形板是晶格型圓形純鉛柵(以10°角傾斜),板水平堆疊在一個以上,由純鉛製成。 這是由貝爾電話實驗室,美國開發。
  • 果凍卷板是由0.6至0.9毫米厚度的低鉛錫合金製成的薄連續格板,便於高速率。 板用鉛氧化物粘貼,由吸收玻璃墊隔開,螺旋纏繞形成基本細胞元素。
  • 雙極板:這些板有由金屬或導電聚合物製成的中央導電板,一側有正活性材料,另一側為負材料。此類板的堆疊方式使相反的極性活性材料彼此對面,它們之間有一個分離器。以獲得所需的電壓。
  • 在這裡,消除了單獨的單元間連接,從而減少了內部電阻。 可以注意到,雙極電池中的極端板始終為單極型,無論是正極型還是負極型。

2. 各類板材性能的差異。

平板電池用於高電流、短持續時間的放電,如汽車和DG集起動電池。 它們通常壽命為 4 至 5 年,壽命結束的主要原因是正柵格的腐蝕,導致網格與活性材料失去接觸,隨後脫落。

管狀板是堅固的,因此在浮動操作中壽命約為 10 至 15 年。 它們還適合迴圈負荷,並提供最高的循環壽命。 活性材料包含在脊柱和氧化物支架之間的環形空間中。 這會限制由於細胞循環時發生的體積變化而引起的應力。

生命的結束再次是由於脊柱的腐蝕和脊柱和活性材料之間的接觸損失。 然而,在這樣的結構中,脊柱與活性質量之間的接觸面積減少,因此在重電流排放下,較高的電流密度會導致局部加熱,導致管子破裂和腐蝕層破裂。

植物板細胞的壽命最長,但與其他類型相比,容量較差。 但這些電池提供最高的可靠性和最長的浮動壽命。 其成本也較高,但如果估計其壽命,它實際上是較低的相比,與其他固定型細胞。 壽命更長的原因是正板表面在使用壽命內持續再生,幾乎不會損失容量。
錐形板電池由朗訊科技(原美國安培貝爾實驗室)專門設計,使用壽命超過30年。 最近 23 年的腐蝕數據預計此類電池的使用壽命為 68 至 69 年。

由於出色的機械和電氣特性,果凍輥設計適合批量生產。 圓柱形容器中的果凍卷結構(螺旋纏繞電極)可以保持較高的內部壓力而不變形,並且可以設計為具有更高的釋放壓力。
比稜鏡細胞。 這是因為外部金屬容器用於防止塑膠外殼在高溫和內部電池壓力下變形。 對於大型稜鏡電池,排氣壓力範圍可能高達 170 kPa 至 275 kPa(25 至 40 psi = 1.7 至 2.75 bar),用於金屬護套、螺旋纏繞電池,為 7 kPa 至 14 kPa(1 至 2 psi = 0.07 至 0.14 bar)。

雙極板電池。
在雙極板的設計中,一側有一個中央電子導電材料(金屬板或導電聚合物板),一側是正活性材料,另一側是負活性材料。 在這裡,消除了單獨的單元間連接,從而減少了內部電阻。 需要指出的是,雙極端細胞中的極端板始終為單極型,無論是正的還是負的。

這些電池有。

  1. 更高的特定能量和更高的能量密度(即普通鉛酸電池的體積減少 40% 或 60%,重量減少 30%或普通鉛酸電池品質的 70%。
  2. 將循環壽命翻倍。
  3. 所需的鉛量減少了一半,其他材料也減少了。

3. 管狀板電池的應用。

管狀板電池主要用於需要長壽命和更高容量的電池。 它們主要用於電話交換的備用應用,以及大型工廠的材料處理卡車、拖拉機、採礦車輛,以及在某種程度上用於高爾夫球車。

如今,這些電池在逆變器-UPS 應用中隨處可見。

超高型板(高至1米及更多)用於潛艇電池,在潛艇被淹沒時提供動力。 它提供了無聲的力量。 容量從 5,000 到 22,000 Ah。 潛艇細胞有空氣泵插入其中,以消除1至1.4米高的細胞電解質的酸分層。

凝膠電解質管板閥門調節鉛酸電池廣泛應用於太陽能應用等不可再生能源系統。

用於麵包車和公共汽車的細管板 EV 電池可適用於 EV 領域,能夠根據脊柱厚度和特定能量提供 800 到 1500 個迴圈。

下表說明了脊柱厚度、板間距、電解質密度、特定能量和生命週期數之間的關係。

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

參考:K.D.梅爾茲,J.電源,73(1998)146-151。

4. 製造管狀袋、管板和管板電池:

管狀袋。

早期的管狀板由菲力浦特用單獨的環建造,伍德沃德在1890-1900年用管袋建造,而開槽橡膠管(Exide Ironclad)的使用由史密斯在1910年開發。

之前曾將單個管組裝到脊柱上,比將一個完整的柵格插入多管設計要慢一些。 此外,多管各管之間的物理粘結在灌裝單元操作中具有更大的剛性。 由於橫向運動,脊柱的弓被消除。 這就是為什麼電池製造商喜歡使用PT袋多管小鬼。

管準備。 如今,多管或PT袋(小袋)由耐化學腐蝕的玻璃或有機纖維(聚酯、聚丙烯、丙烯酸酯共聚物等)通過編織、編織或毛氈方法生產。

在多管的早期,使用在氯乙烯和醋酸乙烯共聚物的紗線中水平編織的布。 兩層布料在一排圓柱形前人(曼德雷爾)的兩側經過,相鄰的前者之間的接縫被熱焊接。

但醋酸乙烯退化釋放醋酸,這反過來又導致脊柱腐蝕和過早的電池故障。 此外,必須控制和標註熱密封。 如果密封壓力超過極限,接縫很弱,很快層在服務中分離。 相反,如果密封壓力過重,密封是好的,但實際接縫很薄,很快就在服務中分離。

雖然這在維修方面沒有造成嚴重問題,但在處理和灌裝的初始操作中,接縫有分離的趨勢,管狀板的中心往往呈下降頭,這在以下單元操作中造成了問題,例如,有時由於板過大,很難將板材插入細胞容器中。

試圖採用各種方法替代熱密封,如複合編織技術,其中管子在一次操作中編織,絲在管之間交錯,形成整體接縫。 調製解調器多管使用熱密封或縫合聚酯絲編織成布或無紡布。

無紡布的吸引力在於,由於通過消除編織工藝降低了基本材料成本,製造成本更低。 然而,要達到相同的爆裂強度順序,無紡布管必須比其編織的管更厚。 這既降低了電解質的體積(由於無紡布材料體積更大)。 管內的活性物質體積也會減少,這反過來又會稍微降低細胞的容量。

優秀的管板可以使用單獨的管或多管提供。
用於製造管子的紗線是一種在服務中不容易變性的紗線。 特別配製的玻璃和聚酯長絲均符合這一要求。

管狀板電池在應用或機車中是靜止的,通常每個電池的電壓為 2.2 至 2.30 伏電壓浮動充電,具體取決於電解質的特定重力。 例如常見的逆變器/UPS 電池、電話電池、列車照明和空調電池(TL和交流電池)。

管狀板。

在管板中,從鉛合金中鑄造的一系列適當厚度的脊柱連接到頂部母線,無論是手動還是使用壓力壓鑄機。 脊柱入管狀袋中,脊柱和 PT 袋之間的空間(也稱為氧化物架)充滿乾氧化物或濕硫氧化物膏。 脊柱通過脊柱提供的星形突起保持中心位置。 PT 袋始終由編織或毛氈聚酯纖維製成。 因此,精心準備的管狀板隨後被醃制、固化/乾燥,或者由罐形或罐形製成,具有適當的電解質密度。

填充氧化物可以有任何成分:只有灰氧化物,灰氧化物和紅鉛(也稱為”最小”)不同的比例。

在正組合中具有紅色鉛的好處是,形成時間按比例減少其包含的紅色鉛的百分比。 這是因為紅色鉛已經含有大約三分之一的二氧化鉛,其餘的是鉛一氧化碳。 也就是說,紅色引線 Pb3O4 = 2pbO = PbO2。

或者,填充的管板可以直接組裝,在去除粘附在管外的鬆散氧化物顆粒后,放入電池和電池以及罐狀。

負板是按照平板製造慣例照常製造的。 擴展器是相同的,但是,與汽車粘貼相比,”blanc fix”的數量更多。 管狀板在固化爐中固化約2至3天,通過用電或氣體加熱的乾燥隧道,以去除表面水分,使板材在後續處理過程中不會相互粘結。

酸的酸的初始填充比重的差異,用於醃制和未採摘的蒼白,產生於前者含有更多的酸,因此選擇較低的比重為醃制管板電池,通常低約20點。 電解質的精加工比重為 1.240 ± 0.010,在 27°C 時。
電解質的比重越高,這些電池的容量就會越高,但壽命將受到不利影響。
或者,管狀板可以像平常一樣進行罐式、乾燥和組裝和充電。

5. 不同類型的管狀板。

管板製造工藝。
圖3。 描述單位操作的流程圖。
管狀板形狀不同。
圖4。 管也可以是橢圓形或扁平或方形或矩形類型。

大多數電池製造商都使用圓柱管來製造管板和電池。 即使在這個管的直徑,因此,脊柱的直徑可能從約8毫米到4.5毫米不等。

但是,管也可以是橢圓形或扁平或方形或矩形類型。 基本結構與先行者圓柱管板相同(如上圖所示)。

7. 使用管狀板的優點。

管狀板因沒有脫落活性材料而非常有名。 活性材料由管狀袋持有,因此較低的包裝密度可用於最大化使用係數。 由此產生的高孔隙度也有助於在能源生產過程中使用更活躍的材料。 脊柱越厚,從這種管狀板中獲得的生命週期就會越長。

生命週期數介於 1000 到 2000 個週期之間,具體取決於板的厚度。 管狀板越厚,它們給出的循環次數就越小。 據說,與相同厚度的平板相比,管狀板的使用壽命數是兩倍。

8. 如何使用管狀板提高電池壽命?

如上所述,管板電池的使用壽命高於平板電池。 以下句子描述了管板電池壽命延長的原因。 最重要的是,活性材料由氧化支架管剛性地保持,從而防止材料脫落,這是電池故障的主要原因。 此外,隨著時間的推移,脊柱得到二氧化鉛的保護蓋,這有助於降低脊柱的腐蝕率。 腐蝕就是將鉛合金脊柱轉化為二氧化鉛。

熱力學鉛和鉛合金在超過1.7至2.0伏特的高氧化電位下不穩定,在硫酸的腐蝕性大氣中往往被腐蝕並轉化為PbO2。

每當電池在遠離高側開路電壓 (OCV) 的電壓下充電時,氧氣都會因水的電解分離而進化,氧氣在正管板表面形成,並且必須擴散到脊柱上進行腐蝕。 由於脊柱周圍有一層厚厚的正活性物質 (PAM),氧氣必須從表面遠距離移動,因此腐蝕率往往會降低。 這有助於延長管狀板細胞的使用壽命。

9. 哪些電池應用應理想地使用管狀電池板?

管狀板主要用於大容量長週期電池,如工業內部運輸車輛(叉車、電動汽車等)。 它還用於儲能應用,如電池儲能系統 (BESS),其中電池的容量可能高達 11000 Ah 和 200 至 500 kWh 和高達 20 MWh。

BESS 的典型應用適用於峰值剃鬚、頻率控制、旋轉保留、負載調平、緊急電源等。

如今,一些國家的每家每戶都至少有一個管狀板電池用於逆變器-UPS應用。 更別提一些商業機構,例如流覽中心,那裡需要持續供應能源。

最近,凝膠管板閥門調節鉛酸電池廣泛應用於太陽能應用等不可再生能源系統中。 在這裡,凝膠類型是最適合的。

需要 800 個迴圈的 EV,其特定能量為 40 Wh/kg,因此可以最好地使用薄管式 EV 電池。 可用容量範圍為 200Ah 至 1000Ah,速率為 5 小時。

10. 管狀板電池的重要技術特性。

管板電池最重要的技術特點是它能夠在整個使用壽命內保留活性材料,而不會在正常過程中發生脫落過程,從而為長壽命打下基礎。

在浮動充電條件下,如電話交換、儲能等,使用此類板的電池在固定應用中的使用壽命為 15-20 年。 對於迴圈操作(如牽引電池),電池可以提供 800 到 1500 個迴圈,具體取決於每個週期的能量輸出。 每個週期的能量輸出越低,壽命越高。

管狀板最適合凝膠電解質閥調節版中的太陽能應用,電解質中無分層問題。 由於它不需要定期加註經批准的水,而且這些電池沒有發出令人討厭的氣體,因此它們非常適用於太陽能應用。

11. 結論。

在當今使用的電化學電源中,鉛酸電池的數量超過了單獨考慮的所有其他系統。 在鉛酸電池中,無處不在的汽車電池引領著團隊。 接下來是管狀板工業電池。 汽車電池的容量範圍為 33 Ah 至 180 Ah,全部為單片容器,但另一種電池的容量為 45 Ah 至數千 Ah。

小容量管板電池(高達200 Ah)以單片和大容量2v電池組裝在單個容器中,並連接在一起和並行排列。 大容量管板電池用作電話交換、儲能設施等的固定電源。 牽引電池有幾個應用,如物料搬運卡車,叉車,高爾夫球車等。

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