Análisis de vida cíclica de baterías de plomo-ácido

Los factores que afectan la vida útil de las baterías de plomo-ácido son varios, incluidos los factores internos de la batería, como la estructura de la batería, los materiales de rejilla positivos y negativos, los materiales activos positivos y negativos, los separadores, la concentración de electrolitos, etc., y también dependen de una serie de factores externos, como la densidad de la corriente de descarga, la temperatura, la profundidad de la descarga, las condiciones de mantenimiento y el tiempo de almacenamiento. Cuanto más profunda sea la descarga, más corta será la vida útil. La sobrecarga también acorta la vida. A medida que aumenta la concentración de ácido, la vida útil de la batería disminuye. En el proceso de investigación de baterías de plomo-ácido de gran capacidad, encontramos que el cortocircuito de plomo-deslizamiento es una causa importante de degradación y falla del rendimiento de la batería. Además, la deformación por corrosión de la rejilla positiva, el desprendimiento del material activo positivo, el ablandamiento, la sulfatación irreversible y la acumulación grave de cerio en el material activo son factores clave que afectan la vida útil de la batería.

Análisis de vida cíclica de baterías de plomo-ácido

Para evitar la corrosión de la rejilla positiva, se desarrolló una aleación multicomponente con bajo contenido de tantalio. La resistencia a la corrosión de esta multi-aleación se mejora enormemente. La rejilla negativa está hecha de cobre con recubrimiento de plomo. La relación entre el peso de la rejilla de cobre y el material activo es de 1: 3, y la energía específica del depósito se mejora significativamente. Además, debido al buen rendimiento eléctrico del electrodo negativo de la rejilla de cobre, la capacidad de aceptación de la carga es fuerte y aumenta la vida útil de la carga y descarga de la batería. La adición de aditivos a los materiales activos positivos y negativos aumenta la tasa de utilización de los materiales activos y prolonga la vida útil. Para evitar el cortocircuito sin plomo, se toman medidas de prevención de cortocircuito integrales. Se utilizan tableros de alto rendimiento y una gama de nuevos procesos de montaje.

Introducción al desarrollo de baterías de plomo-ácido.

La batería de plomo-ácido fue producida por primera vez por Gastron Prandt en 1860 y tiene una historia de más de 140 años. Durante los últimos 100 años, con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, el proceso, la estructura, la mecanización de la producción y la automatización de las baterías de plomo-ácido se han mejorado continuamente y el rendimiento se ha mejorado continuamente. Debido a su excelente rendimiento y relación de precio, la producción y aplicación de baterías de plomo-ácido todavía se encuentran en la cima de varias fuentes de energía química hasta el día de hoy. Las aplicaciones incluyen energía, arranque, emergencia y energía de trabajo, incluidos vehículos, barcos, aviones y telecomunicaciones. Los sistemas, computadoras, instrumentos y otros equipos e instalaciones, especialmente en baterías automotrices y baterías industriales, las baterías de plomo-ácido representan más del 90% de la participación de mercado, con una ventaja absoluta. 121. La pila Valta original apareció por primera vez en 1800. Gotti 1801 Roth ha observado la llamada "corriente secundaria", es decir, la corriente opuesta a la dirección de la corriente de carga se puede obtener después de la carga. Della · Weiwei estudió la batería primaria de Pb02 como un electrodo positivo en una solución de ácido sulfúrico de 1836 a 1843. Varias formas de electrodos de la batería de ácido y el proceso de fabricación del proceso principal se determinaron gradualmente en el medio siglo de 1860 a 1910. El lo primero que apareció fue la placa formada. En 1881, Fore propuso por primera vez el plato pegado. Xielang utilizó por primera vez rejillas de fundición de aleación de Pb.sb para mejorar la fluidez de las aleaciones líquidas y la dureza en estado sólido. 1924 R Rendaojin inventó el molino de bolas y reemplazó el polvo rojo y amarillo con el polvo de bolas como material activo de la batería. El uso de lignina como aditivo de material activo del electrodo negativo evitó eficazmente que el cristal de sulfato de plomo se volviera más grueso y prolongara la vida útil de la batería. Apareció en la década de 1920. Separadores de caucho microporoso, separadores de resina-papel en los años 40, que gradualmente sustituyeron a los tabiques de madera durante los 20 años comprendidos entre los 50 y los 60. Las baterías de plomo-ácido han logrado avances significativos en los procesos de fabricación: plásticos Reemplazo de caucho duro para hacer ranuras y cubiertas de baterías; uso de placas delgadas y diseño de rejilla mejorado; tecnología de soldadura a través de la pared para baterías de arranque; generalmente se utilizan rejillas de fundición de aleación de baja torsión o sin torsión; Tasa de utilización de material activo; proceso de fabricación de baterías de tipo seco. Después de la década de 1970, los países han desarrollado vigorosamente baterías de plomo-ácido selladas y libres de mantenimiento. En teoría básica, la física, especialmente los logros y los medios electrónicos, se utilizan ampliamente: Instrumento de potencial estable, medidor de corriente de barrido, microscopio electrónico de barrido, x. difracción de rayos y neutrones, resonancia magnética nuclear y espectroscopia electrónica, etc. más electrodo de disco rotatorio y medidor. Enfoque de investigación técnica desde la termodinámica hasta la cinética de los electrodos.

Los principales productores de baterías de plomo-ácido se distribuyen en varios países desarrollados, incluidos Estados Unidos, Europa (Reino Unido, Alemania, Francia, etc.) y Japón, y su producción total representa aproximadamente el 70% de la producción total mundial. Estados Unidos tiene EXIDE Technologies, el mayor productor mundial de baterías de plomo-ácido (con ventas globales anuales de $ 2.8 mil millones), y otros grandes fabricantes de baterías de plomo-ácido como JOHNSON, CONTROL, DEKA y DELPHI. El valor de producción de las baterías de plomo-ácido en los Estados Unidos representa aproximadamente el 20% del total mundial. Sin embargo, en los últimos años, con los cambios en factores como la tecnología y los costos laborales, algunas empresas de baterías de plomo-ácido han experimentado una disminución. La producción de baterías de plomo-ácido se transfiere a países como India, el sudeste asiático y otros países donde los costos laborales son bajos. Hay muchos grandes fabricantes de baterías de plomo-ácido en Europa, como CHLORIDE, HOPPECKE, F1AMM, DETA, HAWKER, etc. Las baterías de plomo-ácido en Europa juegan un papel importante en el mundo, con una tecnología líder en tecnología bien establecida. fabricante de baterías de ácido como Sunshine (ahora una subsidiaria de EXIDE). En 2001, la producción de baterías de plomo-ácido en Europa fue de 48,1 millones y en 2002 se estimó en 49,1 millones. En 2005, alcanzará los 51,8 millones. En términos de baterías industriales, el número de baterías de repuesto en 2000 fue de 130.000, el número de baterías selladas de menos de 24 Ah fue de 110.000 y el número de baterías selladas de más de 24 Ah fue de 430.000. Los productores de baterías de plomo-ácido en Japón incluyen principalmente Yuasa Battery Co., Ltd., Matsushita Battery Co., Ltd., Furukawa Battery Co., Ltd., Shin-Kobe Electric Co., Ltd. y Japan Battery (GS ). Según las estadísticas de las partes pertinentes, en 2002, el valor de producción de las baterías de plomo-ácido en Japón fue de aproximadamente 1,160 millones de dólares estadounidenses, las baterías de arranque de las baterías de plomo-ácido representaron el 55,7% y las baterías industriales (baterías fijas de plomo-ácido). ) representó el 6,7%. Pequeño plomo ácido La batería representa el 8. O%, el otro representó el 29,7%. Desde la década de 1990, la proporción de baterías de plomo-ácido en el valor de producción total de baterías secundarias se ha mantenido en alrededor del 20% y ha aumentado en los últimos años.

En los últimos años, el rendimiento de las baterías de plomo-ácido en China se ha mejorado enormemente, y la relación entre la energía y el peso y el volumen se han mejorado enormemente. Las baterías de plomo-ácido selladas reguladas por válvula y sin mantenimiento y sin mantenimiento están creciendo rápidamente.

Estructura, composición y clasificación de la batería de plomo-ácido

La expresión electroquímica de una batería de plomo-ácido es (1) PbIH2SO · IPb02 (+).

La estructura principal de la batería de plomo-ácido incluye un electrodo positivo, un electrodo negativo, un separador, un electrolito de ácido sulfúrico, un tanque de batería y una tapa. Los electrodos positivo y negativo se sueldan respectivamente en un grupo de polos, y la batería de gran capacidad se saca de la barra colectora para formar un polo. El electrolito utilizado en la batería de plomo-ácido es una cierta concentración de electrolito de ácido sulfúrico. La función del separador de lluvia es separar los electrodos positivo y negativo. Es un aislante eléctrico (como caucho, plástico, fibra de vidrio, etc.), resistente a la corrosión por ácido sulfúrico, resistente a la oxidación y tiene suficiente porosidad y tamaño de poro para permitir que el electrolito y los iones pasen libremente. El cuerpo del tanque también es un aislante eléctrico, que es resistente al ácido y la temperatura y tiene una alta resistencia mecánica. Generalmente, se utiliza caucho duro o plástico como cuerpo del tanque.

Análisis de la vida útil del ciclo de la batería de plomo ácido

1.2.1 Material activo positivo

El material activo del electrodo positivo es dióxido de plomo. Las formas cristalinas de Pb02 son d - Pb02 y 0 - Pb02. En una solución de ácido sulfúrico,

La reacción del electrodo de Pb02 es:

Pb02 + HS04 "+ 3H ++ 2e = PbS04 + 2H20

Las pruebas han demostrado que la capacidad de descarga de B-Pb02 es siempre mayor que la capacidad de descarga de a - Pb02. Esto se debe a que la verdadera área de superficie específica de? B-Pb02 es mayor que la de Q-Pb02, lo que afecta directamente el crecimiento y la difusión del sulfato de plomo en su superficie, afectando así la tasa de utilización de las sustancias activas. Durante la carga y descarga, n - Pb02 y B-Pb02 se transforman entre sí, principalmente a - Pb02 se convierte en 13 - Pb02. El mecanismo de reacción de carga y descarga del electrodo positivo se puede dividir en un mecanismo de deposición por disolución y un mecanismo de estado sólido.

Para mejorar la tasa de utilización del material activo del electrodo positivo, se utilizan varios aditivos, incluidos los aditivos conductores, aditivos inorgánicos como bario, sulfato de calcio, sulfato de aluminio, zeolita y similares, y aditivos orgánicos y poliméricos. Wei Guolin cree que el aditivo BD puede mejorar enormemente la capacidad de la batería. Mejora significativamente la tasa de utilización de materiales activos, puede formar una microestructura con más poros, mejorando así el proceso de transferencia de masa y mejorando significativamente el rendimiento de carga y descarga del electrodo positivo. La combinación de BD y PII puede aumentar significativamente la capacidad de la batería y la tasa de utilización del material activo positivo.

Los estudios de Ramanthanll41 han demostrado que se agrega sulfato de calcio al material activo positivo para mejorar el rendimiento de la batería a altas tasas de descarga y bajas temperaturas. La adición de RS03H al material activo del electrodo positivo mejora la condición de difusión de H + en los microporos del electrodo positivo y aumenta en gran medida la capacidad de descarga del electrodo positivo y la tasa de utilización del material activo del electrodo positivo 115]. D. Pavlov y N. CopkOV mezclan Pb, 04 y polvo de plomo y obtienen la pasta 4PbO · PbS04 como electrodo positivo después del curado a alta temperatura. El ciclo de vida de la batería aumenta en un 30% debido a la sustancia activa a. El contenido de Pb02 aumenta significativamente en I ". El documento 1171 presenta una placa de electrodo positivo de alto rendimiento con persulfato agregado a la composición de pasta de plomo común, el material activo tiene alta porosidad y área de superficie específica, y la potencia de descarga es de al menos 1 W / cm2. El material tiene una porosidad del 55% y una superficie específica de al menos 4 m2 / g. La literatura [181 propone agregar PbF2 a la pasta de plomo y agregar látex de fluororesina como aglutinante, que no requieren curado, lo que es beneficioso para la alta potencia de salida de la batería.Se propone usar propileno y propileno estireno mientras se agrega carbono al material activo, que es principalmente beneficioso para la formación de una red y aumenta la porosidad.

1.2.6 Clasificación

Las baterías de plomo-ácido se utilizan habitualmente en tres clasificaciones.

1) Clasificados por finalidad

Los productos de baterías de plomo-ácido de China se clasifican según su uso. Principalmente dividido en arranque, fijo, potencia y otros aspectos. Entre ellos, la batería de arranque se utiliza principalmente para varios automóviles, locomotoras, arranque de barcos e iluminación. Se requiere descargar a alta corriente, puede comenzar a baja temperatura, la resistencia interna de la batería debe ser pequeña y las placas positivas y negativas deben ser delgadas. La batería fija de plomo-ácido se utiliza principalmente como fuente de energía de respaldo para varios sistemas de equipos a gran escala, la placa es gruesa, el electrolito es delgado y la vida útil es larga. La batería de energía proporciona principalmente energía para varios sistemas de energía, y los requisitos de rendimiento a corto y largo plazo son mejores.

2) Clasificación por estructura de placa

Principalmente dividido en pasta, tubo y formación. El óxido de plomo se ajusta en una pasta de plomo con una solución de ácido sulfúrico, se recubre sobre una rejilla fundida con una aleación de plomo, se seca y se forma una placa pastosa. El esqueleto está hecho de una aleación de plomo, y el tubo fibroso se prepara en la carcasa exterior del esqueleto y el tubo se llena con un material activo. Esta placa de electrodos se llama placa tubular. La placa polar está hecha de plomo puro y se llama formación.

3) Clasificado por electrolito y mantenimiento de carga.

Principalmente dividido en batería de descarga seca, batería de carga seca, batería de carga húmeda, batería sin mantenimiento, menos mantenimiento, batería sellada controlada por válvula.

Fuerza electromotriz, voltaje de circuito abierto, voltaje de trabajo

La fuerza electromotriz de la batería es la diferencia entre los potenciales de equilibrio de los electrodos de los dos electrodos. La fuerza electromotriz de la batería es función de la concentración de ácido sulfúrico. El voltaje de circuito abierto de la batería es la diferencia de potencial entre los electrodos cuando no fluye corriente a través del circuito externo, y generalmente es menor que la fuerza electromotriz de la batería, que está directamente relacionada con el estado de carga de la batería. El voltaje de funcionamiento de la batería, también conocido como voltaje de descarga o voltaje de carga, se refiere a la diferencia de potencial entre los dos polos de la batería cuando hay una corriente externa. El voltaje de operación es siempre menor que el voltaje de circuito abierto porque la resistencia causada por la resistencia de polarización y la resistencia óhmica debe superarse cuando la corriente pasa por el interior de la batería. A medida que avanza la descarga de la batería, los materiales activos positivos y negativos y el ácido sulfúrico se consumen gradualmente, la cantidad de agua aumenta, la concentración de ácido disminuye y el voltaje de la batería disminuye.

Duración de la batería de plomo-ácido

La vida útil de las baterías de plomo-ácido es uno de sus indicadores de rendimiento importantes. La vida útil de una batería se expresa generalmente en ciclos. La batería se carga y descarga, lo que se denomina ciclo. En un determinado sistema de carga y descarga o modo de funcionamiento, el número de ciclos a los que se somete la batería antes de que la capacidad de la batería descienda al valor especificado se denomina vida útil, es decir, vida útil de la batería. La vida también se puede expresar en términos de tiempo de uso. En aplicaciones prácticas, la duración de la batería tiene una variedad de expresiones, como período de prueba de banco, período supuesto y tiempo de uso real, que se determinan principalmente por la forma en que se usa la batería. Los factores que afectan la vida útil de la batería incluyen los factores internos de la batería, incluida la estructura de la batería, el material de la red, el rendimiento del material activo, etc., y también dependen de una serie de factores externos como la densidad de la corriente de descarga, temperatura, profundidad de descarga, estado de mantenimiento y tiempo de almacenamiento. Esperar. Cuanto mayor sea la profundidad de descarga, menor será la vida útil. La sobrecarga también acorta la vida. La vida útil de la batería aumenta al aumentar la temperatura. A medida que aumenta la concentración de ácido, la vida útil de la batería disminuye. Los factores internos de la batería afectan su vida útil principalmente en los siguientes aspectos.

Cortocircuito de plomo

En la investigación de baterías de plomo-ácido de gran capacidad, encontramos que el cortocircuito de plomo-deslizamiento es una causa importante de degradación del rendimiento de la batería y, en última instancia, falla. Durante el reciclaje de la batería, el material activo y el aditivo de fibra de las placas positiva y negativa se despegan, una parte del cual está presente en forma sólida y otra parte se disuelve en el electrolito. A medida que avanza el proceso de carga y descarga, el material disuelto se reduce y precipita en el electrodo negativo, y las sustancias y aditivos no disueltos también pueden precipitarse en las placas positivas y negativas y en otros lugares del grupo polar. A medida que pasa el tiempo, el ciclo de carga y descarga de la batería aumenta, se depositan más y más sustancias y, finalmente, los electrodos positivo y negativo se conectan localmente, lo que da como resultado un microcortocircuito, llamado cortocircuito de plomo. El punto de cortocircuito aumenta la autodescarga y la temperatura aumenta. Con la acumulación de tiempo, el área de cortocircuito del cable aumenta, la eficiencia de carga se reduce en gran medida, la capacidad de la batería disminuye y la cantidad de desprendimiento de hidrógeno aumenta. Además, la alta temperatura local puede hacer que el separador se queme, pierda el efecto de aislamiento, los electrodos positivo y negativo están conectados en un cuerpo, la estructura se daña, la función se pierde y finalmente se termina la vida útil de la batería.

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