解释铅酸电池的超级秘密工作原理

作者:Stu Oltman -技术编辑，Wing World杂志
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一个12伏的摩托车电池是由一个装有6个电池格的塑料盒组成的。每个电池由一组正负极板组成，浸泡在一种被称为电解质的稀硫酸溶液中，充满电时每个电池的电压约为2.1伏。六个电池单元连接在一起，产生一个充满电约12.6伏特的电池。

这很好，但是把铅板粘在硫酸里是怎么发电的呢?电池利用电化学反应将化学能转化为电能。让我们看一看。每个单元都包含类似于小方形网球拍的板，由铅锑或铅钙制成。然后，一种被称为“活性物质”的糊状物被粘在板上;负极板用海绵铅，正极板用二氧化铅。当电负载放在电池端子上时，这种活性物质与硫酸发生化学反应。

工作原理

对于那些不太注重细节的人，我先给你们介绍一下总体情况。基本上，当电池放电时，电解液中的硫酸被耗尽，因此电解液更接近于水。与此同时，酸中的硫酸盐覆盖在板上，减少了化学反应发生的表面积。充电可以逆转这一过程，将硫酸盐驱回酸中。简单来说就是这样，但为了更好地理解，请继续阅读。如果你已经尖叫着跑出房间，扯着头发，不要担心。

电解液(硫酸和水)含有带电的硫酸离子和氢离子。硫酸根离子带负电荷，氢离子带正电荷。这是当你打开负载(前灯，启动器等)时发生的事情。硫酸根离子移动到负板上，并放弃了他们的负电荷。剩余的硫酸盐与板上的活性物质结合形成硫酸铅。这降低了电解液的强度，而平板上的硫酸盐就起到了电绝缘体的作用。多余的电子从电池的负极流出，通过电子器件，再流回电池的正极。在电池正极，电子冲回来并被正极极板接受。活性物质(二氧化铅)中的氧与氢离子反应生成水，铅与硫酸反应生成硫酸铅。

电解液中移动的离子产生了电流，但随着电池放电，电解液中离子的数量减少，可接受它们的活性物质的面积也减少，因为它被硫酸盐包裹着。记住，化学反应发生在与板结合的活性物质的气孔中。

许多人可能已经注意到，用于曲柄自行车的电池无法启动，很快就会达到甚至无法启动发动机的地步。然而，如果让电池休息一段时间，它似乎又会活过来。另一方面，如果你把开关放在“停车”位置过夜(只亮几个小灯)，电池在早上就完全没用了，休息再多也不会使它恢复正常。为什么会这样?由于电流是由板表面的化学反应产生的，大电流流动会迅速将板表面的电解质降低为水。电压和电流将降低到不足以操作起动器的水平。更多的酸通过电解液扩散到平板表面需要时间。短时间的休息就可以做到这一点。当电流流量很小时(比如给尾灯供电)，酸的消耗不会那么快，而且扩散速率足以维持电压和电流。这很好，但是当电压最终下降时，就没有更多的酸隐藏在细胞的外部迁移到平板上了。 The electrolyte is mostly water, and the plates are covered with an insulating layer of lead sulfate. Charging is now required.

自放电

铅酸电池的一个不太好的特点是，即使不使用，它们也会自行放电。ob欧宝网页版入口一般的经验法则是每天百分之一的自排率。这个速率在高温下增加，在低温下减少。别忘了，你的金翼，一个时钟，音响和无线电，永远不会完全关闭。这些设备都有一个“保持活跃的存储器”来保存你的收音机预设和时间，这些存储器消耗大约20毫安，或0.020安培。在华氏80度的温度下，这将每天从电池中消耗大约半安培小时。如果自行车无人看管，无人驾驶，再加上自放电率，你的电池将在两周内放电50%。

当电池充电时

充电是一个逆转电化学反应的过程。它将充电器的电能转化为化学能。记住,电池不能储存电能;它储存产生电力所必需的化学能。

一个电池充电器逆转电流流动，只要充电器的电压大于电池的电压。充电器在负极板上产生了过多的电子，正极的氢离子就会被吸引到负极板上。氢气与硫酸铅反应生成硫酸和铅，当大部分硫酸盐消失后，氢气从负极板上升。水中的氧气与正极板上的硫酸铅发生反应，再次将其转化为二氧化铅，当反应几乎完成时，氧气气泡从正极板上升起。

很多人以为电池充满电的时候，电池的内阻很高，其实不是这样的。如果你仔细想想，你会记得硫酸铅是一种绝缘体。极板上的硫酸盐越多，电池的内阻就越高。放电电池的高电阻使其能够接受比接近充满电时更高的充电速率，而不会产生气体或过热。接近满电时，没有多少硫酸盐能维持逆向化学反应。不使电池过热或电解液分解成氢和氧的充电电流水平被称为电池的“自然吸收率”。当充电电流超过自然吸收率时，就会发生过充电。电池可能会过热，电解液会起泡。事实上，即使在正确的充电水平下，一些充电电流也会作为热量被浪费掉，这种低效率导致电池需要投入更多的安培小时。稍后再详细介绍。

我的电池能用多久?

有很多事情会导致电池故障或大幅缩短电池寿命。其中之一就是让电池保持部分放电状态．我们讨论了在放电过程中在电池极板表面形成的硫酸盐，硫酸盐也是自放电的结果。如果允许电解液水平下降到板暴露的程度，硫酸盐也会迅速形成。如果允许这种硫酸盐残留在平板上，晶体就会变大变硬，直到无法通过充电将其清除。因此，化学反应可用表面积的数量将永久减少。这种情况被称为“硫酸化”，它会永久性地降低电池的容量。一个20安培小时的电池可能开始像一个16安培小时(或更小)的电池一样，在负载下迅速失去电压，在启动时无法保持足够的电压来操作自行车的点火系统。最后一种情况很明显，当你把手指从启动按钮上移开时，引擎就会拒绝启动。当你释放启动器，电池电压立即跳回一个足够的水平。由于发动机仍在短暂转动，现在通电点火将点燃火花塞。 In the next installment, we'll see exactly why increased internal resistance due to sulfation causes less power to be delivered to the starter.

深度放电是另一个电池杀手。每次电池深度放电时，一些活性物质会从极板上脱落，落到电池壳的底部。自然，这样就少了进行化学反应的物质。如果足够多的这种物质积聚在外壳底部，它会使极板短路并杀死电池。

要价过高是一个阴险的杀手;对于那些花了10美元买了涓流充电器的无辜购买者来说，它的效果通常并不明显，因为他们会让电池长时间地连接在一起。一个//www.iaidesigns.com/battery-chargers/# mce_temp_url #无论电池的充电状态如何，都以恒定的速率充电。如果这个速率超过电池充满电时的自然吸收率，电解液就会开始分解并蒸发掉。许多骑自行车的人在整个冬天都用涓流充电器充电，结果一到春天就发现电池几乎空了。此外，由于充电倾向于氧化正极板，持续过度充电可以腐蚀极板或连接器，直到它们变弱和破裂。

充电不足是很多摩托车都存在的问题。你的电压调节器被设置为保持你的系统电压在14到14.4伏左右。如果你是那种在州际高速公路上行驶时电压表显示只有13.5伏的人，因为你燃烧的灯比梅西百货的圣诞展示的还要多，你应该意识到这个电压足以维持充电的电池，但不足以完全充电。

记住，我们说过，当全部或大部分硫酸铅重新转化为铅和二氧化铅时，就会发生气体化。通常发生这种情况的电压，称为气体电压，通常略高于14伏。如果你的系统电压从来没有那么高，如果你从来没有在家里连接充电器来补偿，硫酸盐就会开始积累和硬化，就像你嘴里的牙菌斑一样。考虑一下，偶尔彻底充电就像用牙线和刷牙一样。如果你的牙齿卫生不好，你可以去看牙医，让他刮掉那些恶心的东西。当你的电池达到这个阶段，就完蛋了!

什么类型的充电器，为什么

你的交流发电机和标准的汽车锥形充电器有很多共同之处;他们试图保持恒定的电压。这里有一个问题，试图快速充电深度放电的电池与任何一个。记得吗，我们讨论过大电流是如何让电池看起来没电的。然后，随着酸在电池中扩散，极板表面的浓度会增加，从而使电池恢复活力。

同样，电池充电时的电压也会随着极板表面酸浓度的增加而增加。如果充电速率显著，电压将迅速上升。当电压高于13.5时，锥形充电器或车载稳压器将大幅降低充电速率，但电池的充电状态是否与电压相称?不!同样，酸在细胞内扩散也需要时间。

虽然电压可能很高，但电池外部的电解质仍然很弱，电池可能处于比电压所指示的低得多的充电状态。只有在以降低的电流充电较长时间后，才能达到满容量。这就是为什么你不能在充电时通过测量电压来判断电池的充电状态。让电池静置至少一个小时后再进行测试。随着酸在细胞内扩散，电压会降低并稳定下来。

在过去的几年里，几家公司已经开发出了充电器，可以快速为耗尽的电池充电，然后将电池保持在一个既不会导致电池充气也不会让电池自放电的电压下。这些有时被称为“智能充电器”或多级充电器。以下是它们的工作原理。

我们说过，电池在部分电量耗尽时可以接受比接近充满电时高得多的充电速率。这些多级充电器利用这一事实，开始在恒流充电，或“批量充电”模式。通常情况下，它们提供的充电速率在650毫安到1.5安培之间，具体取决于制造商和型号。这种大容量电量保持不变(或应该保持不变)，直到电池电压达到13.5伏，从而允许电池在短时间内吸收更大的电量而不损坏。然后充电器切换到恒压或“吸收”充电。

这里的想法是让电池以自然吸收率吸收最后15%的电量，以防止过度充气或加热。最后，这些充电器切换到“浮”模式，在这种模式下，电池电压保持在一个足以防止放电但又不足以引起过充的水平。不同的公司一般不同意这个浮动电压应该是什么，但它通常是在13.2和13.4伏之间。实际上，浮子电压应该在90华氏度的13.1伏到50华氏度的13.9伏之间进行温度补偿。大多数用于大型RV电池的非常昂贵的大功率多级充电器都是温度补偿的，但据我所知，摩托车上的充电器都不是;ob欧宝网页版入口他们使用一种折衷的浮动设置。

所以，我可以设置它，然后忘记它，对吧?嗯，不完全是。首先，你需要偶尔监测电池的正确液位(除非你有一个密封电池)。另一个问题是电池的使用。即使保持在13伏，不变的电压也会使电池最终开始硫化。对于大多数这样的设备，我建议你在季节性储存期间至少每60天拔掉一次充电器。让电池休息几天，然后再插上充电器。

还在这里吗?

如果你还在读这篇文章，那你就是个真正的战士。我知道这个话题可能令人困惑甚至无聊，但振作起来;我对你很宽容。比起这里出现的，还有更多未被揭露的东西。这就是“炮台精选”。我希望这足以让你感兴趣，而不是让你陷入信息过载，而且，也许，现在你知道有多少种方法可以缩短电池的寿命，你知道为什么没有人能预测电池的寿命。很多认为自己很好地照顾电池的骑手实际上是在用善意杀死电池。ob欧宝网页版入口

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