电池原理图解 文/明哲工作室在数据中心和通信行业，会用到很多蓄电池
文/明哲工作室
在数据中心和通信行业，会用到很多蓄电池，这些蓄电池可作为交流不间断电源系统、直流电源系统备用电源，又可作为油机等起动动力电源，还可作为高压配电系统中的直流操作及控制电源。通信行业会最早使用的是干电池，最常用的是铅酸电池，随着技术的进步和行业的发展，铁锂电池、燃料电池和光伏电池等新技术电池也在逐渐推广和应用中。
一、干电池
干电池结构：这是最早被使用的电池，普通干电池大都是锰锌电池，中间是正极碳棒，外包石墨和二氧化锰的混合物，再外是一层纤维网，网上涂有很厚的电解质糊，其构成是氯化氨溶液和淀粉，另有少量防腐剂，结构如图1。
图1 干电池结构
干电池工作原理： 干电池的主要工作原理就是氧化还原反应在闭合回路中实现，化学方程式为：Zn+2MnO2+=ZnCl2++Mn2O3+2NH3+H2O，金属锌皮做的筒，也就是负极，电池放电就是氯化氨与锌的电解反应，释放出的电荷由石墨传导给正极碳棒，锌的电解反应会释放氢气的，这气体是会增加电池内阻的，和石墨相混的二氧化锰就是用来吸收氢气。
二、铅酸蓄电池
2.1铅酸蓄电池结构
主要由正极板、负极板、电解液、隔板、电池槽和安全阀等组成，结构如下图2所示，正常情况，电池单体标称电压2V，电池充满电后单体端电压为2.1V，如图3。通信用阀控电池的单体浮充电压为2.23-2.25V，均充电压为2.3-2.4V，通常由24节电池串联组成-48V电池组。
图2 蓄电池结构
图3 蓄电池电压
2.2铅酸蓄电池工作原理
“双极硫酸盐化理论”最能说明铅酸蓄电池工作原理，铅酸蓄电池在放电时，正负极的活性物质均变成硫酸铅（PbSO4），充电后又恢复到原来的状态，即正极转变成二氧化铅（PbO2），负极转变成海绵状铅（Pb）。如下图4所示。
图4 蓄电池工作原理
2.3蓄电池放电
电流从正极经外电路流向负极，再由负极经内电路流向正极，电池向外电路输送电流的过程，叫做电池的放电。在放电过程中，两极活性物质逐渐被消耗，放电过程中两极都生成了硫酸铅，随着放电的不断进行，硫酸逐渐被消耗，同时生成水，使电解液的浓度逐渐降低，图5。
图5 蓄电池放电
2.4蓄电池充电
放电以后，外来直流电源以适当的反向电流注入，这种反向电流使活性物质还原的过程叫做充电。铅酸蓄电池的充电反应是放电反应的逆反应，正负极板上的硫酸铅分别变成二氧化铅和海绵状铅，电解液中的水分子不断消耗，硫酸分子不断生成，电解液密度不断升高，图6。
图6 蓄电池充电
2.5蓄电池容量下降原因
电池池失水、硫酸盐化、极板腐蚀、正极板腐蚀和泥化脱落等情况会导致电池容量下降或者提前失效。
1）电池失水
电池充电后期存在副反应，电解水反应导致气体析出，水分损失一定程度后，内阻增大，电池容量下降，图7。
图7 电解液浓缩导致容量下降
导致电池失水原因：充电电压过高；充电电流大；电池内部温度高；运行环境温度高；电池密封不良（安全阀、端子、槽盖）；壳体裂纹等。
2）硫化
负极板的表面附着一层白色坚硬的硫酸铅结晶体，充电后依旧无法转化为活性物质，简称“硫化”，图8。
图8 极板硫化
硫化的原因：蓄电池长期充电不足或放电后没有及时充电，部分PbSO4溶解后析出并在极板结晶形成硫化；电解液液面过低，使极板上部与空气接触而被氧化后硫化；长期过量放电或小电流深度放电，使极板深处活性物质的孔隙内生成PbSO4。
3）极板腐蚀
电池极板发生腐蚀，导致电池失效。
极板栅腐蚀的因素：参数设置不合理，充电电压过高，电池过充电，板栅腐蚀速率越快。电池使用环境温度过高，腐蚀速度加快。电解液密度越高，板栅腐蚀速率越快。 板栅合金材质不纯，或铸造工艺不合理，板栅内部存在气孔。板栅厚度设计太薄，设计板栅厚度应高于3.0 mm。
4）热失控
电池工作环境温度过高或充电电压过高，没有配置温度补偿功能，蓄电池内部温度升高，电池内阻下降，充电电流又升高，电池内阻进一步降低 ，形成恶性循环。
引起电池热失控的原因：环境温度过高；电池参数设置不合理，导致电池过充电。安全阀失效，电池内部压力过大。
5）正极板泥化脱落
泥化原因：电池充放电过程中，正极活性物质在PbO2和PbSO4之间转化。正极反应物的体积变化，PbSO4体积是PbO2体积的2.68倍。正极活性物质是非常坚硬的网络结构，正极活性物质的体积在不断反复收缩和膨胀，就使二氧化铅粒子之间的相互结合逐渐减弱，造成正极活性物质泥化。
影响因素：频繁放电，加速正极活性物质的体积膨胀和收缩，从而导致电池极板的快速软化。参数设置不合理，电池过充电或过度放电，正极活性物质体积变化过大，加快活性物质软化速率，提前失效。
三、铁锂电池
磷酸铁锂电池简称铁锂电池，采用橄榄石结构的作为电池的正极，由铝箔与电池正极连接，中间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开，但锂离子可以通过而电子不能通过，右边是由石墨组成的电池负极，由铜箔与电池的负极连接。电池的上下端之间是电解质，电池由金属外壳密闭封装，如图9。电池在充电时，正极中的锂离子通过聚合物隔膜向负极迁移；在放电过程中，负极中的锂离子通过隔膜向正极迁移，锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而命名的。
图9 铁锂电池结构图
3.1电池充电
充电时，锂离子在电场力的作用下，从磷酸铁锂晶体表面，进入电解液，穿过隔膜，再迁移到石墨晶体的表面，然后嵌入石墨晶格中。锂离子从磷酸铁锂脱嵌后，磷酸铁锂转化成磷酸铁，过程如图10。
图10 电池充电模式
3.2电池放电
放电时，锂离子从石墨晶体中脱嵌出来，进入电解液，穿过隔膜，迁移到磷酸铁锂晶体的表面，然后重新嵌入到磷酸铁锂的晶格内。过程如图11。
图11 电池放电模式
磷酸铁锂电池单体标称电压3.2V，单体充电电压为3.7V，放电终止电压为2.5V，电池模组由电池单体和电池管理系统（BMS）组成，通常由15节或16节单体串联组成-48V电池模组，推荐15节。
四、燃料电池
燃料电池是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地直接转化为电能的电化学装置。燃料电池的活性物质是存储在电池之外，只要不断地供给燃料和氧化物就能一直持续发电，图12为燃料电池在基站的使用情况。
图12 燃料电池在通信行业的应用
4.1燃料电池的组成
燃料电池是一个复杂的系统，由燃料和氧化剂供给系统，水管理系统，热管理系统以及控制系统等几个子系统组成。燃料电池含有阳阴两个电极，分别充满电解液，而两个电极间则为具有渗透性的薄膜所构成。氢气由阳极进入供给燃料，氧气或空气由阴极进入电池，如图13。
图13 燃料电池结构
4.2燃料电池工作原理
进入电池的氢气在催化剂的作用，阳极的氢原子分解成氢质子与电子，其中质子进入电解液中，被氧“吸引”到薄膜的另一边，电子经由外电路形成电流后，到达阴极。在阴极催化剂之作用下，氢质子、氧及电子，发生反应形成水分子，如图14。这是水的电解反应的逆过程，因此水是燃料电池唯一的排放物。
图14燃料电池工作原理
4.3燃料电池的分类
1)、按燃料类型分为：氢燃料电池、甲烷燃料电池、甲醇燃料电池、乙醇燃料电池
2)、按燃料电池的运行机理分为酸性燃料电池和碱性燃料电池
3)、按电解质的种类不同，有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质 ，具体分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) 、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、 固体氧化物燃料电池（SOFC）
五、光伏电池
在太阳光照射下，一些特定的半导体内会产生自由电荷，这些自由电荷定向移动和积累并产生一定的电动势，可以向外电路提供电流，图15，这种现象被称为光生伏特效应或光伏效应。
图15 光伏电池原理
5.1光伏电池连接
太阳能光伏电池可以模块化制造，并根据需要组合成不同功率的电站，图16，通信基站通过光伏电池的不同组合，可以达到500W——10KW左右的输出功率。
图16 光伏电池连接组成
5.2基站光伏电池系统
由于光伏发电受气候影响大，要保证通信系统的电源供应，太阳能组件就必须和蓄电池、控制器、逆变器等组成光伏发电系统，见图17
图17基站光伏系统
5.3风光互补系统
另外光伏电池还可以和风力发电组成风／光互补系统，图18，因为风力资源和太阳光资源具有较好的互补特性。没有太阳的时候经常有风，没有风的时候常常有太阳，可以提高通信站点供电的可靠性。
图18 风光互补系统