第4章　铅酸蓄电池

4.1　概述

4.1.1　铅酸蓄电池的发展

铅酸蓄电池已有近150年的历史了。1860年，普朗特（Plante）首先报道了从浸在硫酸溶液中并充电的一对铅板可以得到有效的放电电流，后来富尔（Faure）提出了涂膏极板的概念。此后100多年来，电池的主要组件没有发生根本变化。但随着各国科学家和工程技术人员的不断努力，这种蓄电池仍发生了一系列技术进步，例如管状电极、胶体电解液、超细玻璃纤维隔板（AGM）、阀控密封铅酸蓄电池（VRLA）技术、卷绕VRLA技术等。

铅酸蓄电池的正极活性物质是二氧化铅，负极活性物质是海绵状金属铅，电解液是稀硫酸水溶液。在电化学中该体系表示为：

（-）Pb|H₂SO₄|PbO₂（+）

该电池放电时，把储存的化学能直接转换为电能。正极二氧化铅和负极金属铅分别被还原和氧化为硫酸铅。铅酸蓄电池的标称电压是2V，理论上放出1A·h的电量需要正极活性物质PbO₂ 4.45g、负极活性物质金属铅3.87g、纯硫酸3.66g。如此计算铅酸电池的理论比能量是166.9W·h/kg，实际比能量35～45W·h/kg。

构成铅酸蓄电池的主要部件是正负极和电解液，此外还包括隔板、电池槽和一些必要的零部件。正、负极活性物质是分别固定在各自的板栅上，活性物质加板栅组成正极或负极。

20世纪下半叶铅酸电池在结构上发生了重大变化。此前，铅酸电池的极板是浸在可流动的硫酸中使用，在电池过充时，氢气和氧气可无障碍释放出来，这样就带来电解液失水，电池需定期维护。

长期以来，科学家一直试图研制“密封式”铅酸电池，这样阀控密封铅酸电池（valve-regulated lead-acid，VRLA）应运而生。首批商业化的VRLA电池是20世纪60年代德国的阳光公司和70年代的盖茨能源产品公司设计的。两家公司采用的工艺分别是“胶体”和“超细玻璃纤维隔板（AGM）”工艺。

VRLA蓄电池设计师通过“内部氧循环”的方式来实现密封，如图4-1所示。

正极板在充电后期或过充电时的析氧反应为：

　　（4-1）

析出的氧通过特殊的气体空隙转移到负极板，在负极上再化合成水，其反应为：

Pb+1/2O₂+H₂SO₄PbSO₄+H₂O+热量　　（4-2）

在VRLA蓄电池充电期间，还存在2个反应，即负极的析氢反应和正极板栅的腐蚀，即：

2H⁺+2e^-H₂↑　　（4-3）

　　（4-4）

式（4-1）和式（4-2）组成的氧循环使负极的电势负移较少；并且由于采用Pb-Ca系合金板栅，因此，式（4-3）的析出速度被降到非常低的水平。使用单向的压力缓解阀以确保氢气积累不会在电池内部造成过高的压力。

4.1.2　铅酸蓄电池的结构

自1860年普朗特发明了形成式的铅酸蓄电池以来，陆续产生了涂膏式富液电池、胶体电池、阀控密封铅酸电池和卷绕VRLA电池等不同结构。目前，铅酸电池中的极板主要有涂膏式和管式两种。所谓涂膏式极板是将铅膏涂在铅合金板栅上而形成的极板；管式正极是在铅合金骨架外套以纤维管，并在管中挤入正极铅膏而形成的极板，在胶体VRLA电池中常常采用管式正极。图4-2为铅酸电池的极板和电池结构。

4.1.3　铅酸蓄电池的用途

铅酸蓄电池主要有以下几方面的用途。

（1）启动用铅酸电池　除了供内燃机点火外，主要通过驱动启动电机来驱动内燃机。启动时电流通常为150～500A，而且要求能够在低温时使用，为各种汽车、拖拉机、火车及船用内燃机配套。

（2）固定型铅酸电池　广泛用于发电厂、变电所、电话局、医院、公共场所及实验室等，作为开关操作、自动控制、通讯设备、公共建筑物的事故照明等的备用电源及发电厂储能等用途。对这类电池的特殊要求是寿命要长，一般为15～20年。

（3）电动车用电池　用于各种叉车、铲车、矿用电机车、码头起重车、电动车和电动自行车。

（4）便携设备及其他设备用铅酸电池　常用于照明灯、便携仪器设备的电源。

4.1.4　铅酸蓄电池的特点

铅酸蓄电池的优点有：①原料易得价格低廉；②高倍率放电性能良好；③高低温性能良好，可以在-40～60℃的环境下工作；④适合于浮充使用，使用寿命长无记忆效应；⑤废旧电池容易回收，发达国家铅的回收率高达96%。

铅酸蓄电池的缺点亦十分明显：①比能量低，仅为30～40W·h/kg；②使用寿命没有镉镍电池和锂离子电池长；③制造过程易污染环境。