放電溫度

放電溫度

蓄電池放電容量與溫度有關,規(guī)定蓄電池額定容量的基準溫度有25℃、20℃兩種。 電池的容量和周圍的溫度有著密切的聯(lián)系，就是存在反比函數(shù)的關系。我們看到電池上表明的容量是按照標準溫度（氣溫）攝氏25℃計算的。當溫度每下降1℃時，相對容量大約下降0.8%。這就不難解釋為什么電動車電池在冬天的容量會變小了。如果掌握了容量和溫度的關系，在電池修復過程中，對于判斷修復結果有重要意義。比如氣溫或周圍溫度0℃時修復后的電池5A放電達到100分鐘，不考慮環(huán)境溫度這個因素，那么計算出的容量約為8AH左右，但是由于環(huán)境溫度比標準溫度低25℃,電池本身的容量已下降了20%左右，如果加上這個因素，經(jīng)過計算這塊電池應該達到標準電池容量10AH。2100433B

電暈放電的特征是伴有“嘶嘶”的響聲，有時有微弱的輝光；當導體上有曲率半徑很小的尖端存在時，則發(fā)生電暈放電。電暈放電可能指向其他物體也可能不指向某一特定方向。電暈放電時，尖端附近的場強很強，尖端附近氣體被電離，電荷可以離開導體；而遠離尖端處場強急劇減弱，電離不完全，因而只能建立起微小的電流。電暈放電的特征是伴有“嘶嘶”的響聲，有時有微弱的輝光。電暈放電可以是連續(xù)放電，也可以是不連續(xù)的脈沖放電。電暈放電的能量密度遠小于火花放電的能量密度。在某些情況下，如果升高尖端導體的電位，電暈會發(fā)展成為通向另一物體的火花。

形成電暈所需電場不均勻的程度與氣體的種類有很大關系。在負電性的氣體中，當電極為球一平面、電極間隙為球半徑時，產(chǎn)生電暈放電。相反，若氣體為非負電性氣體時，則不產(chǎn)生電暈放電。

電暈放電的極性決定于具有小曲率半徑電極的極性。如果曲率半徑小的電極帶正電位，則發(fā)生正電暈放電，反之發(fā)生負電暈放電。此外，按提供的電壓類型也可將電暈放電分為直流電暈、交流電暈和高頻電暈。按出現(xiàn)電暈電極的數(shù)目分為單極電暈、雙極電暈和多極電暈。

大氣壓下輝光放電(APGD)

經(jīng)過近20年的發(fā)展，低氣壓低溫等離子體已取得了很大進展。但由于其運行需抽真空、設備投資大、操作復雜、不適于工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)，限制了它的廣泛應用。低氣壓下的輝光放電雖然可以處理這些材料，但存在成本、處理效率等問題，無法規(guī)模化應用于紡織品的表面處理。長期以來人們一直在努力實現(xiàn)大氣壓下的輝光放電(APGD)。

1933年德國Von Engel首次報道了研究結果 ，利用冷卻的裸電極在大氣壓氫氣和空氣中實現(xiàn)了輝光放電，但它很容易過渡到電弧，并且必須在低氣壓下點燃，即離不開真空系統(tǒng)。1988年，Kanazawa等人報道了在大氣壓下使用氦氣獲得了穩(wěn)定的APGD的研究成果，并通過實驗總結出了產(chǎn)生APGD要滿足的三個條件：（1）激勵源頻率需在1kHz以上；（2）需要雙介質DBD；（3）必須使用氦氣氣體。此后，日本的Okazaki、法國的Massines和美國的Roth研究小組分別采用DBD的方法，用不同頻率的電源和介質，在一些氣體和氣體混合物中宣稱實現(xiàn)了大氣壓下“APGD”。1992年，Roth小組在5mm氦氣間隙實現(xiàn)了APGD，并聲稱在幾個毫米的空氣間隙中也實現(xiàn)了APGD, 主要的實驗條件為濕度低于15% 、氣體流速50l/min、頻率為3kHz的電源并且和負載阻抗匹配。他們認為“離子捕獲”是實現(xiàn)APGD的關鍵。Roth等人用離子捕獲原理解釋APGD，即當所用工作電壓頻率高到半個周期內可在極板之間捕獲正離子，又不高到使電子也被捕獲時，將在氣體間隙中留下空間電荷，它們影響下半個周期放電，使所需放電場強明顯降低，有利于產(chǎn)生均勻的APGD。他們在實驗室的一臺氣體放電等離子體實驗裝置中實現(xiàn)了Ar、He和空氣的“APGD”。1993年Okazaki小組利用金屬絲網(wǎng)（絲直徑0.035mm，325目）電極為PET膜（介質）、頻率為50Hz的電源，在1.5mm的氣體（氬氣、氮氣、空氣）間隙中做了大量的實驗，并宣稱實現(xiàn)了大氣壓輝光放電。根據(jù)電流脈沖個數(shù)及Lisajous圖形（X軸為外加電壓，Y軸為放電電荷量）的不同，他們提出了區(qū)分輝光放電和絲狀放電的方法，即若每個外加電壓半周期內僅1個電流脈沖，并且Lisajous圖形為兩條平行斜線，則為輝光放電。若半周期內多個電流脈沖，并且Lisajous圖形為斜平行四邊形，則為絲狀放電。法國的Massines小組、加拿大的Radu小組和俄羅斯的Golubovskii小組對APGD的形成機理也進行了比較深入的研究工作。Massines小組對氦氣和氮氣的APGD進行了實驗研究和數(shù)值模擬 ，除了測量外加電壓和放電電流之外，他們用曝光時間僅10ns的ICCD相機拍攝了時間分辨的放電圖像，用時空分辨的光譜測量記錄了放電等離子體的發(fā)射光譜，并結合放電過程的一維數(shù)值模擬，他們認為，氮氣中的均勻放電仍屬于湯森放電，而氦氣中均勻放電才是真正意義上的輝光放電，或亞輝光放電。他們還認為，得到大氣壓下均勻放電的關鍵是在較低電場下緩慢發(fā)展大量的電子雪崩。因此，在放電開始前間隙中必須存在大量的種子電子，而長壽命的亞穩(wěn)態(tài)及其彭寧電離可以提供這些種子電子。根據(jù)10ns暴光的ICCD拍攝的放電圖像，Radu小組發(fā)現(xiàn)，在大氣壓惰性氣體He、Ne、Ar、Krypton的DBD間隙中，可以實現(xiàn)輝光放電。

從上個世紀末，國內許多單位如科羅納實驗室、清華大學、大連理工大學、華北電力大學、西安交通大學、華中科技大學、中科院物理所、河北師范大學等先后開始了對APGD的研究。由于APGD在織物、鍍膜、環(huán)保、薄膜材料等技術里域有著誘人的工業(yè)化應用前景，在大氣壓下和空氣中實現(xiàn)輝光放電產(chǎn)生低溫等離子體一直是國內外學者探尋的研究重點和熱點。2003年，國家自然科學基金委員會將“大氣壓輝光放電”列為國家重點研究項目。APGD的研究也取得了一些進展，如He、Ne、Ar、Krypton惰性氣體在大氣壓下基本實現(xiàn)了APGD，空氣也已經(jīng)實現(xiàn)了用眼睛看上去比較均勻的準“APGD”。

對APGD的研究結果和認識是仁者見仁，智者見智。APGD的研究方興未艾，已經(jīng)受到國內外許多大學和研究機構的廣泛重視。由于大氣壓輝光放電還沒有一個認可標準，許多實驗所看到的放電現(xiàn)象和輝光放電很相似即出現(xiàn)視覺特征上呈現(xiàn)均勻的“霧狀”放電，而看不到絲狀放電，但這種放電現(xiàn)象是否屬于輝光放電還沒有共識和定論。

次大氣壓下輝光放電(HAPGD)

由于大氣壓輝光放電技術雖有報道但技術還不成熟，沒有見到可用于工業(yè)生產(chǎn)的設備。而次大氣壓輝光放電技術則已經(jīng)成熟并被應用于工業(yè)化的生產(chǎn)中。次大氣壓輝光放電可以處理各種材料，成本低、處理的時間短、加入各種氣體的氣氛含量高、功率密度大、處理效率高?？蓱糜诒砻婢酆?、表面接枝、金屬滲氮、冶金、表面催化、化學合成及各種粉、粒、片材料的表面改性和紡織品的表面處理。次大氣壓下輝光放電的視覺特征呈現(xiàn)均勻的霧狀放電；放電時電極兩端的電壓低而功率密度大；處理紡織品和碳纖維等材料時不會出現(xiàn)擊穿和燃燒并且處理溫度接近室溫。次大氣壓輝光放電技術可用于低溫材料、生物材料、異型材料的表面親水處理和表面接枝、表面聚合、金屬滲氮、冶金、表面催化、化學合成等工藝。由于是在次大氣壓條件下的輝光放電，處理環(huán)境的氣氛濃度高，電子和離子的能量可達10eV以上。材料批處理的效率要高于低氣壓輝光放電10倍以上。 可處理金屬、非金屬、（碳）纖維、金屬纖維、微粒、粉末等。

由圖1可見，蓄電池放電時端電壓的變化也分為3個階段。在放電初始的很短時間內，端電壓急劇下降，然后端電壓緩慢下降，當接近放電終期時，蓄電池的端電壓又在很短時間內迅速下降。當電壓降到一定值(1.8V左右)時，必須停止放電，否則會導致鉛蓄電池極板硫化，縮短其使用壽命。其中第二階段維持時間越長，鉛蓄電池的特性越好。

在放電之前，蓄電池極板上活性物質微孔中硫酸溶液的密度與本體溶液的密度相等，電池的電壓為開路電壓。

在放電初期，極板微孔中硫酸首先被消耗，微孔內溶液密度立即下降，而本體溶液中的硫酸向微孔內擴散的速度很慢，不能立即補充所消耗的硫酸，使微孔中硫酸濃度下降，故本體溶液與微孔中的溶液形成較大的濃度差，即此階段的濃差極化較大，結果導致電池端電壓明顯下降(oa段)。隨著濃度差的增大，使硫酸的擴散速度增加，當電極反應消耗硫酸的速度與硫酸擴散的速度相等時，此階段結束。

在放電中期，由于電子移動速度、電極反應速度與硫酸擴散速度基本達成一致，即極化引起的超電壓基本穩(wěn)定。因此，這個階段蓄電池的端電壓主要與電池的電動勢和歐姆內阻有關。而電動勢與電解液的濃度有關，所以蓄電池端電壓隨電解液濃度的逐漸減小和歐姆內阻的逐漸增大而緩慢下降(ab段)。

在放電后期，蓄電池正、負極板上的活性物質逐漸轉變成硫酸鉛，并逐步向極板深處擴展，使極板活性物質微孔被體積較大的硫酸鉛阻塞，本體溶液中的硫酸向微孔內擴散變得越來越困難，導致微孔中硫酸的密度急劇下降，因此濃差極化也急劇增大。此外，放電產(chǎn)物硫酸鉛是不良導體，使電池歐姆內阻增大，所以此階段的端電壓下降速度很快(be段)。

當端電壓下降到C點后，如果再繼續(xù)放電，端電壓下降的速度更快(cd段)。這是因為微孔中的硫酸濃度由于得不到補充已降至很低，使放電反應無法進行。所以C點為蓄電池端電壓急劇下降的臨界點，即放電終止電壓(1.8V左右)，此時應立即停止放電。

當停止放電后，放電反應不再發(fā)生，蓄電池本體溶液中的硫酸逐漸向微孔中擴散，使微孔中的溶液濃度逐漸上升，并最終與本體溶液的濃度相等，使電池的開路電壓逐漸上升并穩(wěn)定在2V左右(ce段)。