直流電蓄電池充放電實驗指導(dǎo)書一、實驗?zāi)康?.理解蓄電池直流充放電的基本原理，掌握鉛酸蓄電池（或鋰離子蓄電池）的正負(fù)極化學(xué)反應(yīng)機制。2.掌握蓄電池恒流充電與恒流放電的操作流程，熟悉充放電設(shè)備的參數(shù)設(shè)置與使用方法。3.測量蓄電池的額定容量、充電效率（安時效率）、能量效率（瓦時效率）等關(guān)鍵性能參數(shù)。4.分析充放電過程中電壓-時間曲線（V-t曲線）的變化規(guī)律，理解過充、過放對蓄電池壽命的影響。二、實驗原理蓄電池是一種化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)換的儲能裝置，其核心原理是通過可逆的化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)充電（電能→化學(xué)能）與放電（化學(xué)能→電能）。以下以鉛酸蓄電池（最常見的直流蓄電池）為例說明：（一）基本結(jié)構(gòu)鉛酸蓄電池由正極（PbO?）、負(fù)極（Pb）、電解液（H?SO?水溶液）及隔板、外殼組成。（二）充放電化學(xué)反應(yīng)1.放電過程（化學(xué)能→電能）：負(fù)極（Pb）：\(\text{Pb}+\text{SO}_4^{2-}\rightarrow\text{PbSO}_4+2\text{e}^-\)（氧化反應(yīng)）正極（PbO?）：\(\text{PbO}_2+4\text{H}^++\text{SO}_4^{2-}+2\text{e}^-\rightarrow\text{PbSO}_4+2\text{H}_2\text{O}\)（還原反應(yīng)）總反應(yīng)：\(\text{Pb}+\text{PbO}_2+2\text{H}_2\text{SO}_4\rightarrow2\text{PbSO}_4+2\text{H}_2\text{O}\)（放電時，電解液密度下降）2.充電過程（電能→化學(xué)能）：負(fù)極（PbSO?）：\(\text{PbSO}_4+2\text{e}^-\rightarrow\text{Pb}+\text{SO}_4^{2-}\)（還原反應(yīng)）正極（PbSO?）：\(\text{PbSO}_4+2\text{H}_2\text{O}\rightarrow\text{PbO}_2+4\text{H}^++\text{SO}_4^{2-}+2\text{e}^-\)（氧化反應(yīng)）總反應(yīng)：\(2\text{PbSO}_4+2\text{H}_2\text{O}\rightarrow\text{Pb}+\text{PbO}_2+2\text{H}_2\text{SO}_4\)（充電時，電解液密度上升）（三）關(guān)鍵性能參數(shù)1.額定容量（C?）：蓄電池在額定放電電流下（通常為0.1C?或0.2C?），放電至終止電壓時的電量，單位為安時（Ah）。2.C率：放電電流與額定容量的比值（如1C表示1小時內(nèi)放完額定容量的電流，0.5C表示2小時放完）。3.終止電壓：放電終止電壓：蓄電池放電時不能低于的臨界電壓（鉛酸電池單節(jié)約1.8V，鋰離子電池單節(jié)約3.0V）；充電終止電壓：蓄電池充電時不能超過的臨界電壓（鉛酸電池單節(jié)約2.4V，鋰離子電池單節(jié)約4.2V）。4.充電效率（η?）：放電容量與充電容量的比值，\(\eta?=\frac{Q_{\text{放}}}{Q_{\text{充}}}\times100\%\)（鉛酸電池約80%-90%）。5.能量效率（η?）：放電能量與充電能量的比值，\(\eta?=\frac{W_{\text{放}}}{W_{\text{充}}}\times100\%=\frac{\intU_{\text{放}}I_{\text{放}}dt}{\intU_{\text{充}}I_{\text{充}}dt}\times100\%\)（鉛酸電池約70%-80%）。三、實驗設(shè)備與材料序號設(shè)備名稱規(guī)格/型號數(shù)量備注1鉛酸蓄電池12V/額定容量（如12V/20Ah）1節(jié)實驗前檢查外觀無損壞2充放電電源恒流源（0-30V/0-10A）1臺支持恒流充電/放電模式3電子負(fù)載恒流負(fù)載（0-30V/0-10A）1臺放電時模擬負(fù)載4萬用表數(shù)字式（直流電壓/電流檔）1塊校準(zhǔn)充放電電源參數(shù)5計時器手機/秒表1個記錄充放電時間6溫度傳感器接觸式（0-100℃）1個監(jiān)測蓄電池表面溫度7連接導(dǎo)線多股銅導(dǎo)線（紅/黑）若干截面積≥2.5mm2（避免發(fā)熱）四、實驗前準(zhǔn)備1.設(shè)備檢查：充放電電源、電子負(fù)載通電測試，確認(rèn)顯示正常；萬用表校準(zhǔn)：直流電壓檔測已知電壓（如1.5V電池），誤差≤1%；蓄電池狀態(tài)檢查：用萬用表測開路電壓（鉛酸電池12V標(biāo)稱值，開路電壓應(yīng)≥12.3V；若＜12V，需先補充電）。2.參數(shù)設(shè)定：根據(jù)蓄電池額定容量（C?），確定充放電電流：充電電流：推薦0.1C?（如20Ah蓄電池，充電電流=2A）；放電電流：推薦0.2C?（如20Ah蓄電池，放電電流=4A）；設(shè)定終止電壓：充電終止電壓：12V鉛酸電池為14.4V（單節(jié)2.4V×6節(jié)）；放電終止電壓：12V鉛酸電池為10.8V（單節(jié)1.8V×6節(jié)）。五、實驗步驟（一）恒流充電實驗1.電路連接：充放電電源設(shè)置為“恒流充電”模式；紅導(dǎo)線連接充放電電源“正極”與蓄電池“正極”（+→+）；黑導(dǎo)線連接充放電電源“負(fù)極”與蓄電池“負(fù)極”（-→-）；溫度傳感器貼于蓄電池側(cè)面（遠離極柱），連接至充放電電源的溫度監(jiān)測端口。2.參數(shù)設(shè)置：輸入充電電流（如0.1C?=2A）；輸入充電終止電壓（如14.4V）；開啟“溫度保護”（閾值設(shè)為45℃，超過則自動停止充電）。3.開始充電：按下充放電電源“啟動”鍵，記錄初始時間（t?）、初始電壓（U?）、初始電流（I?）；每15分鐘記錄一次數(shù)據(jù)：時間（t）、蓄電池端電壓（U）、充電電流（I）、表面溫度（T）；當(dāng)充放電電源顯示“充電完成”（達到終止電壓或溫度保護觸發(fā)），記錄終止時間（t?）、終止電壓（U?）、終止電流（I?）。4.停止充電：先關(guān)閉充放電電源“輸出”開關(guān)，再斷開蓄電池連接導(dǎo)線（避免電?。蛔屝铍姵仂o置30分鐘，測量靜置后的開路電壓（U_rest）。（二）恒流放電實驗1.電路連接：電子負(fù)載設(shè)置為“恒流放電”模式；紅導(dǎo)線連接電子負(fù)載“正極”與蓄電池“正極”（+→+）；黑導(dǎo)線連接電子負(fù)載“負(fù)極”與蓄電池“負(fù)極”（-→-）；溫度傳感器保持貼于蓄電池側(cè)面（無需重新粘貼）。2.參數(shù)設(shè)置：輸入放電電流（如0.2C?=4A）；輸入放電終止電壓（如10.8V）；開啟“過流保護”（閾值設(shè)為放電電流的1.2倍，如4.8A）。3.開始放電：按下電子負(fù)載“啟動”鍵，記錄初始時間（t?’）、初始電壓（U?’）、初始電流（I?’）；每15分鐘記錄一次數(shù)據(jù)：時間（t’）、蓄電池端電壓（U’）、放電電流（I’）、表面溫度（T’）；當(dāng)電子負(fù)載顯示“放電完成”（達到終止電壓），記錄終止時間（t?’）、終止電壓（U?’）、終止電流（I?’）。4.停止放電：先關(guān)閉電子負(fù)載“輸出”開關(guān)，再斷開蓄電池連接導(dǎo)線；讓蓄電池靜置30分鐘，測量靜置后的開路電壓（U_rest’）。六、數(shù)據(jù)記錄與處理（一）數(shù)據(jù)記錄表格表1：恒流充電數(shù)據(jù)記錄表時間（min）01530...t?（終止）端電壓（V）U?U?U?...U?充電電流（A）I?I?I?...I?表面溫度（℃）T?T?T?...T?表2：恒流放電數(shù)據(jù)記錄表時間（min）01530...t?’（終止）端電壓（V）U?’U?’U?’...U?’放電電流（A）I?’I?’I?’...I?’表面溫度（℃）T?’T?’T?’...T?’（二）數(shù)據(jù)處理1.計算充電容量（Q?）：充電時間\(t_{\text{充}}=t?-t?\)（單位：小時），充電電流取平均值\(I_{\text{充avg}}=\frac{I?+I?+...+I?}{n+1}\)，則：\[Q_{\text{充}}=I_{\text{充avg}}\timest_{\text{充}}\]（單位：Ah）2.計算放電容量（Q?）：放電時間\(t_{\text{放}}=t?’-t?’\)（單位：小時），放電電流取平均值\(I_{\text{放avg}}=\frac{I?’+I?’+...+I?’}{n+1}\)，則：\[Q_{\text{放}}=I_{\text{放avg}}\timest_{\text{放}}\]（單位：Ah）3.計算充電效率（η?）：\[\eta?=\frac{Q_{\text{放}}}{Q_{\text{充}}}\times100\%\]4.計算能量效率（η?）：充電能量：\(W_{\text{充}}=\sum_{i=0}^{n}U_iI_i\Deltat_i\)（Δt_i=15分鐘=0.25小時，取每段的平均電壓、電流計算）；放電能量：\(W_{\text{放}}=\sum_{i=0}^{n}U_i’I_i’\Deltat_i’\)；能量效率：\(\eta?=\frac{W_{\text{放}}}{W_{\text{充}}}\times100\%\)。5.繪制充放電曲線：以時間（t）為橫坐標(biāo)，端電壓（U）為縱坐標(biāo)，繪制充電V-t曲線（圖1）和放電V-t曲線（圖2）；分析曲線特征：充電時電壓緩慢上升（前期）→快速上升（后期，接近終止電壓）；放電時電壓緩慢下降（前期）→快速下降（后期，接近終止電壓）。七、實驗結(jié)果分析1.容量驗證：放電容量（Q?）是否接近蓄電池額定容量（C?）？若Q?＜0.8C?，說明蓄電池性能衰減（如極板硫化、電解液不足）。2.效率分析：充電效率（η?）是否在80%-90%范圍內(nèi)？若η?過低，可能是充電電流過大（導(dǎo)致析氣損失）或蓄電池老化。能量效率（η?）是否在70%-80%范圍內(nèi)？若η?過低，可能是充放電過程中內(nèi)阻損耗過大（如導(dǎo)線截面積小、接觸不良）。3.溫度影響：充電時表面溫度（T）是否超過40℃？若超過，說明充電電流過大或蓄電池散熱不良，需降低充電電流。八、注意事項（一）安全操作1.防短路：連接導(dǎo)線時，正負(fù)極不得直接接觸（避免電弧灼傷或設(shè)備損壞）；2.防過充過放：嚴(yán)格設(shè)置充放電終止電壓，禁止超過蓄電池額定電壓范圍；3.通風(fēng)要求：鉛酸電池充電時會釋放氫氣（H?）和氧氣（O?），實驗需在通風(fēng)良好的環(huán)境中進行（遠離火源）；4.溫度監(jiān)測：若蓄電池表面溫度超過45℃，立即停止充放電，待冷卻后檢查原因。（二）設(shè)備使用1.充放電順序：充電：先接蓄電池，再開充放電電源；放電：先接電子負(fù)載，再開電子負(fù)載；停止時：先關(guān)設(shè)備輸出，再斷開蓄電池連接。2.參數(shù)校準(zhǔn)：實驗前用萬用表校準(zhǔn)充放電電源的電壓、電流顯示（避免設(shè)備誤差）。（三）蓄電池維護1.實驗后，蓄電池需補充電至開路電壓≥12.3V（鉛酸電池），避免極板硫化；2.禁止將不同容量、不同型號的蓄電池串聯(lián)/并聯(lián)充放電；3.鋰離子電池實驗需使用專用充放電電源（支持恒壓限流模式），避免過充爆炸。九、實驗報告要求1.實驗?zāi)康?、原理（簡要描述）?.實驗設(shè)備清單（規(guī)格/型號）；3.數(shù)據(jù)記錄表格（表1、表2）；4.充放電曲線（圖1、圖2，標(biāo)注橫縱坐標(biāo)、單位、關(guān)鍵點（如終止電壓、終止時間））；5.數(shù)據(jù)處理結(jié)果（容量、效率計算）；6.結(jié)果分析（容量、效率、溫度的影響）；7.問題討論（如“為什么充電后期電壓上升加快？”“如何提高蓄電池充放電效率？”）。附錄：常見蓄電池參數(shù)參考蓄電池類型標(biāo)稱電壓（單節(jié)）充