放電溫度簡(jiǎn)介

放電溫度

蓄電池放電容量與溫度有關(guān),規(guī)定蓄電池額定容量的基準(zhǔn)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(guān)系。我們看到電池上表明的容量是按照標(biāo)準(zhǔn)溫度（氣溫）攝氏25℃計(jì)算的。當(dāng)溫度每下降1℃時(shí)，相對(duì)容量大約下降0.8%。這就不難解釋為什么電動(dòng)車電池在冬天的容量會(huì)變小了。如果掌握了容量和溫度的關(guān)系，在電池修復(fù)過(guò)程中，對(duì)于判斷修復(fù)結(jié)果有重要意義。比如氣溫或周圍溫度0℃時(shí)修復(fù)后的電池5A放電達(dá)到100分鐘，不考慮環(huán)境溫度這個(gè)因素，那么計(jì)算出的容量約為8AH左右，但是由于環(huán)境溫度比標(biāo)準(zhǔn)溫度低25℃,電池本身的容量已下降了20%左右，如果加上這個(gè)因素，經(jīng)過(guò)計(jì)算這塊電池應(yīng)該達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)電池容量10AH。2100433B

電暈放電的特征是伴有“嘶嘶”的響聲，有時(shí)有微弱的輝光；當(dāng)導(dǎo)體上有曲率半徑很小的尖端存在時(shí)，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(shí)，尖端附近的場(chǎng)強(qiáng)很強(qiáng)，尖端附近氣體被電離，電荷可以離開導(dǎo)體；而遠(yuǎn)離尖端處場(chǎng)強(qiáng)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(shí)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(yuǎn)小于火花放電的能量密度。在某些情況下，如果升高尖端導(dǎo)體的電位，電暈會(huì)發(fā)展成為通向另一物體的火花。

形成電暈所需電場(chǎng)不均勻的程度與氣體的種類有很大關(guān)系。在負(fù)電性的氣體中，當(dāng)電極為球一平面、電極間隙為球半徑時(shí)，產(chǎn)生電暈放電。相反，若氣體為非負(fù)電性氣體時(shí)，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(fù)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(guò)近20年的發(fā)展，低氣壓低溫等離子體已取得了很大進(jìn)展。但由于其運(yùn)行需抽真空、設(shè)備投資大、操作復(fù)雜、不適于工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)，限制了它的廣泛應(yīng)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(wèn)題，無(wú)法規(guī)?；瘧?yīng)用于紡織品的表面處理。長(zhǎng)期以來(lái)人們一直在努力實(shí)現(xiàn)大氣壓下的輝光放電(APGD)。

1933年德國(guó)Von Engel首次報(bào)道了研究結(jié)果 ，利用冷卻的裸電極在大氣壓氫氣和空氣中實(shí)現(xiàn)了輝光放電，但它很容易過(guò)渡到電弧，并且必須在低氣壓下點(diǎn)燃，即離不開真空系統(tǒng)。1988年，Kanazawa等人報(bào)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(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)出了產(chǎn)生APGD要滿足的三個(gè)條件：（1）激勵(lì)源頻率需在1kHz以上；（2）需要雙介質(zhì)DBD；（3）必須使用氦氣氣體。此后，日本的Okazaki、法國(guó)的Massines和美國(guó)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(zhì)，在一些氣體和氣體混合物中宣稱實(shí)現(xiàn)了大氣壓下“APGD”。1992年，Roth小組在5mm氦氣間隙實(shí)現(xiàn)了APGD，并聲稱在幾個(gè)毫米的空氣間隙中也實(shí)現(xiàn)了APGD, 主要的實(shí)驗(yàn)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(fù)載阻抗匹配。他們認(rèn)為“離子捕獲”是實(shí)現(xiàn)APGD的關(guān)鍵。Roth等人用離子捕獲原理解釋APGD，即當(dāng)所用工作電壓頻率高到半個(gè)周期內(nèi)可在極板之間捕獲正離子，又不高到使電子也被捕獲時(shí)，將在氣體間隙中留下空間電荷，它們影響下半個(gè)周期放電，使所需放電場(chǎng)強(qiáng)明顯降低，有利于產(chǎn)生均勻的APGD。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室的一臺(tái)氣體放電等離子體實(shí)驗(yàn)裝置中實(shí)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(zhì)）、頻率為50Hz的電源，在1.5mm的氣體（氬氣、氮?dú)?、空氣）間隙中做了大量的實(shí)驗(yàn)，并宣稱實(shí)現(xiàn)了大氣壓輝光放電。根據(jù)電流脈沖個(gè)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(gè)外加電壓半周期內(nèi)僅1個(gè)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(nèi)多個(gè)電流脈沖，并且Lisajous圖形為斜平行四邊形，則為絲狀放電。法國(guó)的Massines小組、加拿大的Radu小組和俄羅斯的Golubovskii小組對(duì)APGD的形成機(jī)理也進(jìn)行了比較深入的研究工作。Massines小組對(duì)氦氣和氮?dú)獾腁PGD進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬 ，除了測(cè)量外加電壓和放電電流之外，他們用曝光時(shí)間僅10ns的ICCD相機(jī)拍攝了時(shí)間分辨的放電圖像，用時(shí)空分辨的光譜測(cè)量記錄了放電等離子體的發(fā)射光譜，并結(jié)合放電過(guò)程的一維數(shù)值模擬，他們認(rèn)為，氮?dú)庵械木鶆蚍烹娙詫儆跍烹?，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(rèn)為，得到大氣壓下均勻放電的關(guān)鍵是在較低電場(chǎng)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(zhǎng)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(shí)現(xiàn)輝光放電。

從上個(gè)世紀(jì)末，國(guó)內(nèi)許多單位如科羅納實(shí)驗(yàn)室、清華大學(xué)、大連理工大學(xué)、華北電力大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、中科院物理所、河北師范大學(xué)等先后開始了對(duì)APGD的研究。由于APGD在織物、鍍膜、環(huán)保、薄膜材料等技術(shù)里域有著誘人的工業(yè)化應(yīng)用前景，在大氣壓下和空氣中實(shí)現(xiàn)輝光放電產(chǎn)生低溫等離子體一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者探尋的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。2003年，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)將“大氣壓輝光放電”列為國(guó)家重點(diǎn)研究項(xiàng)目。APGD的研究也取得了一些進(jìn)展，如He、Ne、Ar、Krypton惰性氣體在大氣壓下基本實(shí)現(xiàn)了APGD，空氣也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了用眼睛看上去比較均勻的準(zhǔn)“APGD”。

對(duì)APGD的研究結(jié)果和認(rèn)識(shí)是仁者見仁，智者見智。APGD的研究方興未艾，已經(jīng)受到國(guó)內(nèi)外許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的廣泛重視。由于大氣壓輝光放電還沒有一個(gè)認(rèn)可標(biāo)準(zhǔn)，許多實(shí)驗(yàn)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(shí)和定論。

次大氣壓下輝光放電(HAPGD)

由于大氣壓輝光放電技術(shù)雖有報(bào)道但技術(shù)還不成熟，沒有見到可用于工業(yè)生產(chǎn)的設(shè)備。而次大氣壓輝光放電技術(shù)則已經(jīng)成熟并被應(yīng)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(shí)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?yīng)用于表面聚合、表面接枝、金屬滲氮、冶金、表面催化、化學(xué)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(shí)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(shí)不會(huì)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(shù)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(xué)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(dá)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(shí)端電壓的變化也分為3個(gè)階段。在放電初始的很短時(shí)間內(nèi)，端電壓急劇下降，然后端電壓緩慢下降，當(dāng)接近放電終期時(shí)，蓄電池的端電壓又在很短時(shí)間內(nèi)迅速下降。當(dāng)電壓降到一定值(1.8V左右)時(shí)，必須停止放電，否則會(huì)導(dǎo)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(shí)間越長(zhǎng)，鉛蓄電池的特性越好。

在放電之前，蓄電池極板上活性物質(zhì)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(nèi)溶液密度立即下降，而本體溶液中的硫酸向微孔內(nèi)擴(kuò)散的速度很慢，不能立即補(bǔ)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(jié)果導(dǎo)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(kuò)散速度增加，當(dāng)電極反應(yīng)消耗硫酸的速度與硫酸擴(kuò)散的速度相等時(shí)，此階段結(jié)束。

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

在放電后期，蓄電池正、負(fù)極板上的活性物質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)變成硫酸鉛，并逐步向極板深處擴(kuò)展，使極板活性物質(zhì)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(nèi)擴(kuò)散變得越來(lái)越困難，導(dǎo)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(dǎo)體，使電池歐姆內(nèi)阻增大，所以此階段的端電壓下降速度很快(be段)。

當(dāng)端電壓下降到C點(diǎn)后，如果再繼續(xù)放電，端電壓下降的速度更快(cd段)。這是因?yàn)槲⒖字械牧蛩釢舛扔捎诘貌坏窖a(bǔ)充已降至很低，使放電反應(yīng)無(wú)法進(jìn)行。所以C點(diǎn)為蓄電池端電壓急劇下降的臨界點(diǎn)，即放電終止電壓(1.8V左右)，此時(shí)應(yīng)立即停止放電。

當(dāng)停止放電后，放電反應(yīng)不再發(fā)生，蓄電池本體溶液中的硫酸逐漸向微孔中擴(kuò)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)。