談鉛酸蓄電池的電解液及其密度調整

文/肖 艷

談鉛酸蓄電池的電解液及其密度調整

文/肖 艷

電解液（也叫電解質），在啟動用鉛蓄電池中是以水溶液狀態的稀硫酸作為電解液的。使用前將電解液從注液孔注入電池內部，與極板的活性物質發生作用產生電能。所以，電解液的多少、純度， 將直接影響到鉛蓄電池的電氣性能和使用壽命。

1.電解液對蓄電池使用性能的影響

（1）電解液濃度與鉛酸蓄電池的電動勢和開路電壓的關系。鉛酸蓄電池的電動勢和開路電壓與鉛酸蓄電池的電解液比H2SO4的濃度有關，隨著電解液H2SO4的濃度下降，鉛酸蓄電池的電動勢和開路電壓也下降，因此，可以通過測定電解液的濃度來了解鉛酸蓄電池的電動勢和開路電壓。鉛酸蓄電池開路電壓與電解液H2SO4的濃度的關系曲線如圖1；鉛酸蓄電池的電動勢與電解液H2SO4的濃度關系如表1。為了正確使用蓄電池，僅僅了解它的基本原理和構造是不夠的，還應當掌握蓄電池工作的有關規律。蓄電池的全部工作，就是充電和放電的不斷反復。在這兩個過程中，它的電壓、電解液密度以及極板上的活性物質是在隨時發生變化的，它具有一定的規律性，這對實際使用有著指導意義。

圖1 鉛酸蓄電池開路電壓與電解液H2SO4的濃度的關系曲線

表1 鉛酸蓄電池的電動勢與電解液H2SO4的濃度的關系

（2）電解液相對密度對放電電流和容量的影響。任何流體都具有一定的粘滯性。在鉛蓄電池內，電解液產生粘滯性。電解液密度越高其濃度也就濃，反之則稀。電解液濃度過稀，則電池的電阻系數很大，使用時，電壓會很快下降，不能保證額定容量的輸出。電解液過濃其粘度就大，由于粘度大而影響離子的擴散速度。離子擴散速度愈大，電化作用就愈好，電池的容量也就愈能發揮。當電液粘度太大時離子擴散速度降低，電化作用就差，電池的容量發揮得也差。由于電解液的濃度直接影響到蓄電池的容量，所以必須選擇適當密度的電解液。

在正常使用范圍內，電解液相對密度越低、容量越大；但也不能過低或過高，過低或過高都會導致容量下降。蓄電池對電解液的質量要求較高，規定要用純凈的硫酸和蒸餾水配制，如果用工業硫酸（內含有鐵、銅等雜質）和非蒸餾水配制，則將帶進雜質，造成極板的早期損壞和容量的自行消失。在緊急情況下，若實在找不到蒸餾水時，可暫用雨水、雪水代替。

電解液密度的高低對蓄電池的性能和壽命有很大的影響。若增加比重，雖然電解液和極板間的化學作用增強，電動勢會隨之升高，而且在一定范圍內還可以避免電解液結冰，但隔板將被硫酸加速腐蝕，極板也易于硫化，使蓄電池壽命縮短。據試驗，當電解液密度為1.29時（與電解液密度為1.25～1.26時比），蓄電池壽命將縮短40%。

（3）電解液密度對鉛蓄電池的性能和壽命的影響。電解液密度決定蓄電池的電動勢，密度影響電解液粘度，因而影響離子的擴散速度；密度影響電解液的電阻；密度影響極板微孔內外的密度差，也影響離子的擴散速度。電解液密度對蓄電池的工作有很大的影響。密度增大，電解液冰點降低，并且可以提高容量；但密度過大，粘度增加，電解液滲透困難，容量反而降低，并且極板容易硫化，會縮短使用壽命。當電解液密度過高時，不僅增加了電解液的電阻和粘度，而且還增加了負極板的局部放電和腐蝕，顯然，這樣不但不會增加蓄電池的容量，反而會降低蓄電池容量及影響使用壽命。為此，在實際應用中，電解液的密度必須適當。新蓄電池應按照出廠說明書加注適當密度的電解液。

（4）電解液溫度對鉛蓄電池的放電特性的影響。電解液溫度增高，電解質的活動能力增強，它容易形成電離子狀態，這樣也增加了蓄電池的容量。當溫度降低時，一方面由于電解液的粘度增大，滲透阻力增加，向極板內部補充的速度減慢，極板深處活性物質的利用率減少，因此，放電過程中端電壓下降很快，容量顯著減小；另一方面，電解液的粘度增大，使電解液電阻增大，放電中消耗的內電壓降增大，也使端電壓下降，容量減小。特別是低溫大電流放電，對特性影響就更大。但在實際工作中，絕不允許為了加大容量而提高工作溫度。通常， 固定式蓄電池的溫度不允許超過35℃，移動式蓄電池的溫度不允許超過45℃。溫度過高，會損壞蓄電池的極板和隔板。通常考核蓄電池容量是在25℃條件下，以20小時率放電進行檢驗。

2.電解液的性質

鉛蓄電池的電解液是稀硫酸溶液，是由濃硫酸和蒸餾水合配制而成。鉛蓄電池用的電解液必須采用最純潔的濃硫酸和蒸餾水按一定的比例進行混合。純潔的濃硫酸是無色、粘稠、油狀、透明的液體。在25℃時，它的密度為1.835，沸點為338℃，它能以任何比例溶于水，硫酸與水混合時放出大量的熱量，硫酸和水的親和力是如此之大，以致它能從若干有機物質，如蓄電池用木隔板中，吸收氫和氧的元素，所以木材浸在中等濃度的硫酸中會燒壞，因為硫酸從木材中吸收氫和氧，就剩下了碳，使木頭變成暗黑色。硫酸加熱時，它以氣體形式放出硫酐，硫酐從空氣中吸收水蒸氣而形成白色濃霧。

（1）電解液的收縮。在配制電解液時，硫酸與水相混合，所得混合液較原來各體積之和要小。混合液體積的收縮，是隨所得混合密度大小而異，在電解液的密度一直達到1.600為止，其收縮量是逐漸增加的，但當密度超過1.600以后，收縮量則隨密度的增加反而減少。在配制電解液時， 應以質量為計算根據才較準確， 因為硫酸和水相混合使體積收縮， 而質量是不變的。

（2）電解液的冰點。電解液隨濃度的不同， 其冰點也不同， 所以對某一電池在充電狀態與放電狀態的冰點也是不同的， 電解液在各種密度時的冰點如表2所示。由表中可見電解液的密度與冰點的關系，并非單一的直線關系，而是有兩個峰谷的曲線。但密度為1.295（25℃）的電解液冰點最低， 當密度較此為低的電解液凍結時，從電解液中析出普通的冰塊結晶，此密度較大的電解液凍結時析出硫酸四水物（H2S04?4H2）的結晶。普通移動型蓄電池在完全充電時的電解液密度為1.280～1.300，相當硫酸冰點最低，因此，即使蓄電池在最嚴寒的條件下也不致冰凍。

表2 電解液的冰點

（3）電解液的電阻系數。電解液的電阻系數隨其密度和溫度的不同而異，但因為電解液的電阻系數在密度1.150～1.300范圍內較低，所以蓄電池均采用此范圍的電解液。電阻系數最小的電解液為25℃時密度為1.196的電解液。如表3為在25℃時各種密度的電解液的電阻系數（25℃時不同密度的電解液每立方厘米的電阻歐姆數叫做電解液的電阻系數）。

為了使蓄電池的內阻減低，所以采用密度1.200左右的電解液。但在放電時濃度逐漸變稀，在此情況下只有提高電解液的濃度，如移動型蓄電池大都采用較濃的電解液，以適應快速放電和防止放電后電解液變稀在冬季發生凍結。電解液的電阻又隨溫度的升高而降低。

（4）蒸氣壓力。硫酸的吸水性很強，濃硫酸強烈地從空氣中吸收水蒸氣，硫酸溶液具有一定的蒸氣壓力，此壓力隨溫度和濃度的變化而變化。人們常常發現，有時電解液很容易蒸發，有時卻不容易蒸發，我們在維護中發現經常要給電解液添加蒸餾水，其實大部分蓄電池所失去的水分是在充電期間，由于放出氣體以及“冒氣”時濺出散失的。硫酸并未蒸發，只有當電解液蒸汽壓力大于空氣的蒸汽壓力時，才發生蒸發。當電解液蒸汽壓力較小時，反而會從空氣中吸收水分，這就告訴我們為什么電槽的電解液有時會無故地多出。了解了硫酸的吸水性質后，就可以清楚地知道， 雖然硫酸傾倒出來很久，但長時間不會蒸發，也就是說不會“干枯”的原因了。由于這樣，就是涂了防酸漆設備的表面也會被硫酸所腐蝕，所以必須及時把電解液清洗掉。

表3 電解液的電阻系數

3.電解液比重與放電

（1）不同地理和氣候條下的電解液密度。電解液密度究竟是高好還是低好，需要對于具體情況作具體的分析。冬季氣溫低，電解液的粘度大，不易滲入極板內部，蓄電池的端電壓和容量都將下降，特別在強烈放電時表現尤為顯著。在蓄電池放電較多的情況下，電解液還有結冰的危險。因此在冬季或寒區，應該采用密度較高的電解液。相反，在夏季或熱區，則應采用密度較低的電解液，防止隔板和極板的早期損壞。根據我國的地理和氣候條件，充足電的電解液密度可參考表4選擇。

表4 不同地區和氣溫條件下的電解液相對密度

鉛酸蓄電池的電解液，是由相對密度為1.84的純硫酸和蒸餾水按一定的比例配制而成。相對密度一般在1.24～1.31的范圍之內。根據蓄電池的用途，工作環境溫度不同，可以選用不同相對密度的電解液。固定式鉛蓄電池不十分追求質量輕，而看重使用壽命，常常選用密度低的電解液；電瓶車用鉛蓄電池對質量有一定的要求，常常選用密度適中的電解液；啟動用鉛蓄電池，既要求質量輕，又要求瞬時放電能力強，常常選用密度高的電解液。

我國幅員廣闊，南方氣溫較高，應選用密度較低的電解液；北方全年溫差變化大，夏季與冬季應使用不同密度的電解液。配制不同密度的電解液可以按表5進行。

表5 電解液配制成分的比例

（2）電解液的液面高度。蓄電池的電解液液面應高出極板10～15 mm。若液面過低，則露出液面部分的極板，不能參加化學反應，使蓄電池容量減小，同時露出的部分還容易硫化而損壞。若液面過高，電解液又容易濺出；積存在蓋上，使之兩極柱間構成通路而自行放電，且易腐蝕極柱和接線夾。因此，應及時補充蒸餾水，不得添加電解液。因為液面下降的原因是水蒸發和充電時水的電解所致，任意添加稀硫酸導致電液密度上升，影響極板使用壽命。只有電液外濺或倒出的情況下才允許在充電終了時，添加適當密度的電解液。

（3）電解液相對密度。蓄電池在充足電時的電液相對密度為1.31，放電25%時的相對密度為1.27，放電5%時的相對密度應為1.23。根據電液相對密度數值，即可判斷蓄電池的放電程度。電液相對密度較充足電時的相對密度每降0.01，相當于放電6%，即相對密度降低0.04，放電近似25%。

用高頻放電計可精確地測出蓄電池的放電程度，將其觸針用力壓在單格電池的兩極柱上，通過跨于兩觸針之間的負荷電阻放電。放電叉是一只3 V電壓表和一個定值負載電阻并聯裝在一個帶柄的叉中的放電計，它只能檢查單格（即2 V）。檢查時將兩針抵牢單格的正負電樁，在指針穩定的3～5 s內，迅速讀出所指示的放電值。指示在1.5～1.75 V之間應及時充電；在1.5 V以下為蓄電池有故障，應予排除。

4.電解液密度的調整

蓄電池在充電接近終期時，電解液中的水不斷的減少，密度在增高。由于各電池的反應不盡一致，電解液的密度就會出現高低不一，按規程規定各電池間的密度差不應超過0.005，為此充電接近終期應進行密度的調整。

調整密度的方法看來簡單，但要熟練正確掌握，還要在實踐中總結和摸索規律，掌握了規律，經過1～2次的調整，各電池的密度基本可趨于一致。而盲目的調整，將使密度越調越亂，參差不齊。調整方法一般從全測記錄中可以看出多數的密度基本是接近的，少數有偏高或偏低的，若多數的密度在規定的1.200～1.210（25℃）范圍內，這部分電池先不必調整。少數密度低于上述范圍的暫時也不需調整，可繼續充電觀察，一般這部分電池的密度將隨著充電的進行還會逐漸上升。少數密度高于上述范圍的電池則應根據密度偏差的大小，確定添加蒸餾水的多少，密度每降0.001需添加的蒸餾水量是隨電池容量的不同而不一樣，應在實踐中找出規律。一般經驗數為2K-10（720 Ah）電池密度降0.001需添蒸餾水100 ml左右，找出這個基本量后，即可按比例估算出密度偏高的電池應添加的蒸餾水量。一般不宜過多，避免由于添加蒸餾水過多使密度始終充不起來。第1次調整后經過繼續充電1 h，再進行全測一遍，若個別電池的密度達不到要求范圍，則可進行第2次調整，一般經過1～2次調整即可使每個電池間的密度差不超0.005。

當每個電池間的密度差調整符合規程要求后，可觀察電液液面是否都在極板上沿10 mm以上，若個別液面低于上述規定時，可將密度接近而液面較高的電池中抽出一部分添加在液面過低的電池內補充。如果充電后的電解液密度經幾次調整后仍高于規定值，且液面又太高， 可先從電池中抽出一部分電解液， 再添加蒸餾水調整之。如果經過幾次過充電后，確認電池無障礙，但鉛蓄電池電解液的密度仍低于1.200時，方可添加密度在1.230以下的稀硫酸并繼續充電，待電解液充分混合后，逐步調整到密度符合規定為止。

在實際工作中，密度的調整，一般是添加蒸餾水而很少添加稀硫酸。對液面過低的平時應勤添而少加，要避免一次添加過多影響電液的混合。充電前如液面過低時可在充電前先添加蒸餾水補足液面，然后進行充電，這樣可在氣體發生時使電解液充分混合均勻。如確認電池內缺酸時則添加稀硫酸應在蓄電池充電接近終期，極板發生氣泡時進行，添加稀硫酸后，應繼續用末期充電電流充電1～2 h，使電解液混合均勻。