阀控密封式铅酸蓄电池(VRLA)是传统铅酸电池在免维护方向上的一次重大技术革新。它通过一系列材料和结构上的优化,从源头上抑制气体(尤其是氢气)的产生,并利用氧循环再化合机制,使电池在密封状态下仍能正常工作,实现了无需加水、任意方向安装、不溢酸的优异性能。具体来说,VRLA普遍采用Pb-Ca合金作为板栅材料。与过去常用的Pb-Sb合金相比,氢在Pb-Ca合金上的析出过电位高出约200mV,这大大减缓了充电过程中氢气的析出和电池的自放电。即使在充电电压较高时产生少量氢气,部分氢气也能被正极的PbO?氧化而生成水。虽然在没有催化剂的情况下,该反应的化合效率不高(传统的铅酸电池曾用铂丝或高分散度钯作催化剂,但VRLA一般不再采用催化装置),VRLA从设计上优先抑制氢气的产生,剩余氢气则通过安全阀排出。
更关键的是,VRLA采用了吸液式隔板(即AGM隔板),结合贫液设计和限压单向阀,实现了氧气的再化合循环。其过程是:正极在充电时发生反应2H?O - 4e? = 4H? + O?↑,生成的氧气通过贫液状态下未被电解液充满的“通道”和气室扩散至负极,与金属铅反应生成PbO(Pb + ½O? = PbO)。生成的PbO再与硫酸反应生成PbSO?和水(PbO + H?SO? = PbSO? + H?O)。于是,氧从液相(水)中析出进入气相,扩散至负极后转化为固相(PbO),最终又回到液相(水),完成了氧的循环。这种设计极大地减少了氧的逸出,使电池虽然做不到完全密封,但完全可以做到阀控密封——即内部气压超限时阀门开启排气,正常时保持气密。
在性能设计方面,VRLA的单体电动势接近2V,具体数值取决于电解液浓度和温度(例如25℃、5.55 mol/kg时E=2.1079V)。放电时,若非高倍率放电,极化和电压下降不大。单体工作电压一般为1.8~2.0V。容量设计上,理论容量遵循法拉第电解定律:1 mol PbO?、1 mol Pb和2 mol H?SO?对应理论电量2F≈53.60 Ah。实际使用中,蓄电池容量受放电电流影响,通常用20h率容量C??标称。若用户要求以电流I放电t小时,则需通过Peukert方程(t = K·I??)确定所需C??值,即先确定20h率放电电流I??=0.05C??,再通过20 = K·I????和t = K·I??求出C??与I、t的关系。这是产品设计的核心。
总之,VRLA是铅酸电池适应现代免维护、高可靠需求的重要演进,在通信、UPS、电动车、铁路、航空等领域发挥着不可替代的作用。
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