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禁摩後助力電動車已經相當普及,因此充電幾乎就是每天都會發生的事情,當然好事的吃瓜群眾也有一個刁鑽的問題,根據質能方程,充電是一個電池吸收電能的過程,理論上來看電瓶的質量應該會增加,但事實上大家都知道,充電只是一個電化學發生過程,質量真的會增加嗎?下文以鉛酸電池為例來個簡單說明。
鉛酸電池的結構和充放電過程
鉛酸電池是一種歷史比較悠久的蓄電池,法國人普蘭特於1859年發明了鉛酸電池,經過150年的發展,現在已經應用到了各行各業,比如汽車啟動電池,機房UPS電池,甚至你家裡的電動助力車大都用的是鉛酸電池。
典型的鉛酸電池結構
鉛酸電池的正極板主要成分是二氧化鉛,負極板的主要成分是鉛,充電狀態下,兩極的均有鉛轉換為硫酸鉛。單格鉛酸電池標準電壓是2V,我們常用的12V鉛酸電池是用6格2V的電池串聯而成,一般情況下12V的電池充滿電壓為13.5V以上,可以放電到10.8V,也可以深度放電,但損傷電池。
鉛酸電池充電過程鉛酸電池充電時,正極的二氧化鉛材料在電解液(稀硫酸溶液)中水分子為媒介的作用下,與水生成可離解的不穩定物質一氧化鉛,氫氧根離子在電解液中,鉛離子則留在了正極板上,正極的一氧化鉛中缺少電子!
鉛酸電池的負極材料是鉛,與電解溶液中的稀硫酸反應生成鉛離子,轉移到電解液稀硫酸中,因此負極上多了兩個電子。
鉛酸電池的充電反應過程
此時在接通正負極電極以前,正極板上缺少電子,而負極板上則有多餘電子,兩極之間存在電位差,這就是鉛酸電池的電動勢來歷!
鉛酸電池放電過程放電時在兩極板子的電位差作用下,負極板上的電子經過負載進入正極從而形成電流,與此同時電池內部的化學反應過程也同步開始,負極板上鉛原子釋放出兩個電子後生成鉛離子,和電解液中的硫酸根離子反應生成硫酸鉛。正極板上的鉛離子獲得兩個電子後成為二價鉛離子,和電解液中的硫酸根離子反應在極板上生成硫酸鉛。
鉛酸電池放電過程
放電時電解液中硫酸的濃度下降,正負極板上的硫酸鉛增加,鉛酸電池的內阻加大,電池電動勢降低,負載帶動能力下降。
鉛酸電池的充放電過程中質量會發生變化嗎?
從點化學反應過程角度來看,充放電前後電池的質量是一致的,因為在充電過程中儘管有電子流經電池,但電池卻不會多截留一個,當然放電時電池也不會少一個電子,假如將電池看成是一個封閉系統的話,裡面啥都沒有增加,當然也沒有減少,因此從質量守恆角度來看,充放電前後電池質量是一致的!
但事實上這中間已經發生了能量交換,鉛酸電池的充電效率大約是80%(鋰離子電池可以大於97%),愛因斯坦的質能方程告訴我們,有能量發生的地方必定會產生質量變化,因此我們可以考慮下這個充電過程會產生多大的質量變化。
一節12V/100AH的UPS電池,其理論存放的電能約1200瓦/H,也就是1/3度電左右,如果按80%的效率計算,那麼充電需要消耗大約1500瓦/H。
按1度(1kw·h)=3.6×10^6焦耳(J)計算,電池被充入的能量為1.2×10^6焦耳
電源消耗的總能量為:1.5×10^6焦耳。
那麼E=mc2可以計算出總質量為:1.66×10^-11千克
電池獲得的質量為1.34×10^-11千克
看起來電池還是變重了,儘管這個質量是任何一臺天平都稱不出來的。
電池的質量真的增加了嗎?
其實您不要以為這事就完了,其實還沒有,因為電池最終的質量最終還是減少了,因為電池在充放電過程中會發熱導致電解液蒸發損失,另外還有一個電解的過程,這也導致氫氣溢出,這可是一個危險的信號,因為氫氣的爆炸弄度為4%-75.6%,範圍極寬,當然你無需擔心在家充電的電動車會在充電過程中氫氣溢出,因為實在是太微量了,但蓄電池室的氫氣溢出還是必須要考慮的。
大型電池室必須有良好通風
另外一個就是發熱導致的水分蒸發,鉛酸蓄電池的電解液硫酸濃度大致為1/3(硫酸:水),使用時間久了需要加蒸餾水,這就是水分蒸發或電解損失,這是可測量的質量,而因為充電增加的能量卻只是理論可計算值,因此從宏觀來看,蓄電池的質量還是減少了,而且充電一次少一次!