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專家開講:深入了解電池技術──Part 3

上網時間: 2014年01月15日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:鉛酸電池  專家開講  工業  二次電池  深循環 

資深工程師 Ivan Cowie 的「深入了解電池技術」專欄Part 3來囉!這次要介紹的是鉛酸電池(lead-acid batteries)技術。

鉛酸電池是在1859年由法國物理學家Gaston Plante所發明,這種二次電池的能量-重量(energy-to-weight)比、能量-體積(energy-to-volume)比都非常低,但能以低成本提供高浪湧電流做為補償。有四種主要動力促進了鉛酸電池技術的發展:小型消費性裝置、啟動/車輛、深循環(deep cycle)以及工業應用。

鉛酸電池有兩種不太需要維護的種類──凝膠式(gel cell)以及吸附玻璃纖維式(absorbed glass mat,AGM);而這兩種電池又被稱為閥調節式鉛酸電池(valve-regulated lead-acid,VRLA)或是密封式鉛酸電池。以下是鉛酸電池的一些技術規格:

˙能量比(specific energy):30~40 Wh/kg;

˙能量密度:60~75 Wh/L;

˙功率比(specific power):180 W/kg;

˙能量/消費價格(Energy/consumer price):1美元約7~18 Wh;

˙自放電率(self-discharge rate):每月3~20%;

˙循環耐久性(cycle durability):最高可達800循環週期(通常為500);

˙標稱電壓(nominal cell voltage):2.1V;

˙每節電池浮動充電電壓(float-charge voltage per cell):2.23 (膠狀),2.32 (液式),2.25 (AGM);

˙截止電壓(Cutoff voltage):每節1.75V (液式);

˙充電溫度:-40°C (最低)~ 49°C (最高);其餘規格細節請參考電池供應商產品。

化學反應式

˙放電時負極板(negative plate)化學反應:

Pb(s) + HSO4-(aq) → PbSO4 (s) + H+(aq) + 2e-

˙放電時正極板(positive plate)化學反應:

PbO2 (s) + HSO4-(aq) + 3H+(aq) + 2e- → PbSO4 (s) + 2H2O(l)

˙放電時整體化學反應:

Pb(s) + PbO2 (s) + 2H2SO4 (aq) → 2PbSO4 (s) + 2H2O(l)

˙充電時負極板化學反應:

PbSO4 (s) + H+(aq) + 2e- → Pb(s) + HSO4-(aq)

˙充電時正極板化學反應:

PbSO4 (s) + 2H2O(l) → PbO2 (s) + HSO4-(aq) + 3H+(aq) + 2e-

充電

除了車用電池,密封式鉛酸電池的充電時間約為12~16個小時,或是大型電池站最常充電時間可達36~48小時;若以較高的充電電流或是多階段式(multi-stage)充電方法,可將充電時間縮減到10小時以下,不過可能達不到充飽電(topping charge)的狀態。密封式鉛酸電池技術反應速度較慢,無法像其他種類的電池系統那樣快速充電。

為了達到最佳充電效果,鉛酸電池應該採取三階段充電:恆流充電能提供最大的電流輛,佔據整個充電所需時間的一半左右,注滿充電採用較低的電流將電量充飽,浮動充電則補償自放電導致的電量損失;如下圖所示

鉛酸電池的三階段充電
鉛酸電池的三階段充電

下面的兩張圖是閥調節式鉛酸電池的放電電流/電壓變化範例,採用的是Panasonic美國分公司製造的UP-VW1220P1電池產品。

不同溫度下的放電電流
不同溫度下的放電電流充電

放電時不同階段的端電壓比較
放電時不同階段的端電壓比較

報廢的鉛酸電池不能送到垃圾掩埋場或是焚化爐,需要送到回收廠,可透過網路查詢回收據點;在接下來的文章中作者還會繼續探討更多電池技術,也歡迎大家討論!

延伸閱讀

˙專家開講:深入了解電池技術──Part 1

˙專家開講:深入了解電池技術──Part 2-1

˙專家開講:深入了解電池技術──Part 2-2

˙專家開講:深入了解電池技術──Part 2-3

編譯:Judith Cheng

(參考原文: All About Batteries, Part 3: Lead-Acid Batteries,by Ivan Cowie)





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