铅酸蓄电池的容量

式中2.12.1 电池的容量和活性物质的利用率

在一定的放电条件下，可以从电池中获得的电量称为电池的容量，以符号C表示，单位是W·h或A·h，W·h表示电池做功的能力，A·h表示电池输出的电量。铅酸蓄电池的容量愈大，该电池能输出的电量就愈多，做功的能力也愈强。

电池的容量可分为理论容量、额定容量、实际容量。相对应的电池比容量也有理论比容量、额定比容量、实际比容量。理论容量是依据活性物质的量按法拉第定律计算求得的极板上活性物质全部用于放电时的电量，实际上是不可能的;额定容量(也称标称容量或保证容量)是指国家或有关部门颁布的标准，保证电池在一定放电条件下应该放出的最低容量;实际容量总低于理论容量，因为不可能全部的活性物质都参与反应。实际容量等于放电电流与放电时间的乘积，计算公式为

C=∫t0I(t)dt　(2-8)

式中，C为电池输出的容量(A·h)。蓄电池用恒定电流进行放电是实验室放电的主要方式，式(2-8)可简化为

C=It　(2-9)

由于各种原因，限制电极活性物质不能够百分之百地放电，例如前面的终止电压。当电池的输出电压降到最低工作电压，电压再降低，用电器就不再工作，蓄电池要及时充电。这就说明电极上的活性物质没有全放电，利用率没有达到100%。活性物质的利用率还和放电条件、温度和放电电流的大小有关。

电极活性物质利用率为电极实际放出的容量占电极的理论容量的百分比。为了对不同大小的电池进行比较，引入比容量的概念，有质量比容量和体积比容量。

一般电池的输出能量用下列方程式表述:

E=∫t0U(t)I(t)dt　(2-10)式中，E为电池输出的能量(W·h);U为电压(V);I为放电电流(A);t为放电时间(h)。

电池的输出能量也可表示为容量与平均电压的乘积。

2.12.2 影响铅酸蓄电池实际容量的因素和提高方法

1. 影响因素

影响铅酸蓄电池实际容量的因素如下。

(1)放电制度，指放电速率、放电形式、终止电压和温度，高速率和低温环境下放电时，会减少电池输出的容量。

(2)电极的结构，包括电池极板的高宽比例、厚度、空隙率和导电栅网的形式。

(3)制造工艺，包括电池极板的铅膏配比、隔板的压缩比例、硫酸电解液密度和初始充电制度等。

(4)放电率，常用倍率和小时率表示。小时率是以放电时间表示的放电速率，即某电流放电至规定终止电压所经历的时间，假设某电池额定容量是20A·h，若在20h率的情况下放电，则电流应该为10/20=0.5A。倍率是指电池放电电流的数值为额定容量数值的倍数，电池放电倍率越高，放电电流就越大，放电时间就越短，放出的相应容量也就越少，例如放电电流表示为0.1C，对于容量是10A·h的电池，则放电电流为0.1×10=1A，3C就是以3A的电流放电。图2-8所示为放电率对蓄电池容量的影响，由曲线可以看出，随着C/20到C/1放电率的增大，电池容量在减小。

图2-8 放电率对蓄电池容量的影响

(5)放电电流。放电电流越大，蓄电池的容量就越低。因为放电电流越大，单位时间所消耗的硫酸越多。极板空隙内由于硫酸消耗较快造成空隙内电解液密度下降较快，故大电流放电时，极板表面活性物质的空隙极易被生成的硫酸铅堵塞，使空隙内实际参加电化学反应的活性物质的数量下降，随着放电电流的增大，蓄电池的容量减小。因发动机启动时属于大电流放电，如果长时间接通启动机，就会使蓄电池的端电压急速下降至终止电压，输出容量减小，且使蓄电池过早损坏。故在使用启动机启动发动机时，一次启动时间不应超过5s，连续两次启动时间间隔15s以上，使电解液充分渗透到极板空隙内层，以提高极板空隙内活性物质的利用率和再次启动的端电压，延长蓄电池的使用寿命。

(6)终止电压，指电池放电时电压下降到不能再继续放电时的最低工作电压。一般在高倍率、低温条件下放电时，终止电压要低一些。VRLA电池10h率的终止电压为1.8V/单体。由于VRLA电池本身的特性，即使放电的终止电压继续降低，电池也不会放出太多的电量，但是终止电压过低会对电池造成损伤，会降低电池的使用寿命。

(7)温度。同一系列的电池，以相同的放电率在一定环境下进行放电，放电容量随温度升高而升高，随温度降低而降低。按国际标准，VRLA电池放电时，若温度不是标准温度25℃，则需要把实测容量换算成标准温度的实际容量。环境温度和电池容量关系的计算公式为

式中，Ce为标准温度下电池放电的容量;Cr为非标准温度下电池放电容量;T为环境温度;k为温度系数，10h率容量实验时为0.006℃-1，3h率容量实验时为0.008℃-1，1h率容量实验时为0.01℃-1。

不断提高电池的比容量和比能量的措施如下:

①采用新型板栅合金材料或高强度的轻物质作为铅酸蓄电池的板栅材料，以减小极板质量，如复合铅布板栅、铅网、泡沫铅、泡沫石墨板栅等;

②采用新型结构设计，如水平式、双极性、卷绕式;

③采用新型添加剂和铅膏配方提高活性物质的利用率。

电解液温度较低时，其黏度增大，致使渗透力下降、容量降低。此外，温度越低，电解液的溶解度与黏度也越低，则加剧了容量的下降。温度每下降1℃，容量下降约1%(小电流放电)或2%(大电流放电)。因此，适当提高蓄电池的温度，将有利于提高蓄电池的容量及启动性能。

在寒冷地区冬季启动汽车时，低温和大电流放电是造成启动困难的原因之一。

(8)电解液的相对密度。适当地增加电解液的相对密度，可减小内阻，有利于提高电解液的渗透能力，使蓄电池的容量增加。但相对密度较高时，由于电解液的黏度增加使内阻增加，引起渗透能力降低从而导致容量下降。此外，电解液相对密度较高时易造成极板硫化而导致容量下降。实践证明，电解液相对密度偏低，有利于提高放电电流和容量，延长蓄电池的使用寿命。故冬季在电解液不会结冰的前提下，也应尽可能采用相对密度稍低的电解液。

2. 提高实际电容量的方法

提高铅酸蓄电池的实际容量，主要采取以下措施。

1)增加活性物质量

参加反应的活性物质量的多少与极板的厚度有关，由于小电流长时间放电时，电解液能够渗透到极板深层的活性物质空隙中，活性物质利用率高，放电容量就大。相反，在短时间里，放电电流过大，极板表面生成的硫酸铅容易堵塞活性物质的孔隙，导致极板深层活性物质得不到电解液的及时补充而终止放电。因此，采用大电流短时间放电，放电容量取决于极板面积的大小。

2)改变活性物质空隙率

活性物质中孔洞所占的总体积(容积)与活性物质总体积(容积)之比，叫活性物质的空隙率(孔度)。根据定义可知，活性物质的空隙率越大，实际孔洞就越多，活性物质就越少。虽然空隙率越大，电解液与活性物质接触面积越大，电池放电量越大，但是因为孔洞太多，活性物质就会减少，电池的放电量反而减小。所以，一定存在一个最佳的空隙率，一般情况下正极板空隙率为55%，负极板为60%。另外，当活性物质组成中二氧化铅的β-Pb O2多时，放电容量就大。

3)改变电解液的温度、密度和放电电流

电解液密度和纯度都对铅酸蓄电池的容量有影响。温度低，硫酸电解液的黏度和电阻都增大，扩散困难，浓度差急剧增加，电阻增大，使活性物质内部的化学反应难以进行。电解液密度低，参加反应的硫酸量不够;密度太高，电解液的黏度和电阻也会增加。刚开始使用的铅酸蓄电池一般采用1.270～1.290g/cm3密度的电解液。此外，放电电流也会影响铅酸蓄电池的容量。利用较小电流放电时，电流密度小，铅离子的数量在电极附近少，即铅离子过饱和度小，容易形成疏松的、晶粒粗大的硫酸铅盐层，有利于硫酸电解液通过空隙扩散到极板深处与活性物质接触，放电容量会提高。

4)铅酸蓄电池不能闲置时间太长

铅酸蓄电池闲置时间太长，会使容量越来越低，如图2-9所示。

图2-9 闲置时间与残存容量比的关系

2.12.3 极板化成

极板化成是利用化学和电化学反应使极板转化成具有电化学特征的正、负极的过程。极板化成时需要用直流电源在正、负极间施加电压，形成电流通过电极而实现电极物质的氧化-还原反应，正极板上的活性物质发生电化学氧化，生成二氧化铅，负极板上发生电化学还原，生成海绵状铅。在极板化成的中后期将会有氧气和氢气排出，这是由于电解液在电流作用下分解成氧气和氢气。因此，极板化成肯定有少量的气体排出，如果有大量的气体排出则表明电池被过充电，这时会有火花产生，将有可能导致电池爆炸。

化成工序常在化成槽中加入密度为1.05g/cm3的硫酸，正、负极板分别作为阳极和阴极进行通电。一般汽车型极板要用20～30h才能完成。在化成的末期进行10～30min的短时间放电(称保护放电)，使极板表面生成一层薄的硫酸铅，可以减少和降低负极海绵状的铅与空气接触时的氧化，还可以增加正极板活性物质的强度，减少活性物质的脱落。最后经水洗后，再干燥去掉水分。若干燥过程中采取不当的工艺措施，会使部分铅被氧化，这时化成的极板称为熟极板。

极板在化成过程中发生两类反应，即化学反应和电化学反应，它们之间既有联系又相互独立。生极板的主要成分是氧化铅和铅的碱式硫酸盐，它们是碱性化合物，在放入盛有稀硫酸的化成槽后，正、负极必然会有如下反应:

Pb O+H2SO →—4 Pb SO4+H2O　(2-12)

3Pb O·Pb SO4·H2O+3H2SO →—4 4Pb SO4+4H2O　(2-13)

Pb O·Pb SO4+H2SO →—4 2Pb SO4+H2O　(2-14)

随着反应物的消耗，中和反应的速率逐渐减慢，当反应物消耗完时中和反应就停止。在一般情况下，中和反应大概要占整个实验过程的一半或者短一些。

2.12.4 铅酸蓄电池的型号

国产铅酸蓄电池的型号分为三部分，其排列及含义如下。

第一部分表示串联的单格电池数，用阿拉伯数字表示。铅酸蓄电池标准电压是这个数字的2倍。

第二部分表示串联蓄电池的类型和特征，用汉语拼音字母表示。其中前一部分字母表示蓄电池的类型，如“Q”表示蓄电池;后一部分字母为蓄电池的特征代号，如“A”表示干荷电铅酸蓄电池，具有两种特征时按顺序将两个代号并列标志。

第三部分表示蓄电池的额定容量，我国目前采用20 h放电率的容量，单位为A· h(安时)。

此外，有的蓄电池在额定容量后面还用一个字母表示其具有的特殊性能，如G为高启动率，S为塑料外壳，D为低温启动性能好，具体见表2-1。

例如:6-QAW-100S型蓄电池是一种由6个单格电池串联而成，额定电压为12V，额定容量是100A·h的启动型干荷电免维护蓄电池，采用了塑料整体式外壳及薄型极板。

表2-1 铅酸蓄电池各特征代号的含义