深度探討鉛酸蓄電池的工作原理及維護技術(shù)

崔建國，寧永香

(山西工程技術(shù)學院，山西 陽泉 045000)

0 引言

鉛酸蓄電池的應(yīng)用范圍極其廣泛,如運輸、金融、通訊、電信、礦山、日常生活(電動自行車)等。由于鉛酸蓄電池的性價比比較高，故社會對這種電池的使用數(shù)量及其可觀，每年我們國家淘汰、拋棄的鉛酸蓄電池數(shù)量極其可怕，對環(huán)境的污染極其嚴重，因此，如何能夠減少鉛酸蓄電池的淘汰數(shù)量是擺在我們科研工作者面前的一道難題。

1 鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)以及工作原理

所謂蓄電池即是貯存化學能量，在必要時放出電能的一種電氣化學設(shè)備。構(gòu)成鉛蓄電池之主要成份如下：陽極板(過氧化鉛.PbO2)→活性物質(zhì)；陰極板(海綿狀鉛.Pb)→活性物質(zhì)；電解液(稀硫酸)→硫酸.H2SO4+水·H2O；電池外殼；隔離板；其它(液口栓.蓋子等)[1]。

鉛蓄電池內(nèi)的陽極(PbO2)及陰極(Pb)浸到電解液(稀硫酸)中，兩極間會產(chǎn)生2 V的電力，這是鉛蓄電池的工作原理。

放電中的化學變化方程式為：

PbO2+2H2SO4+Pb=PbSO4+2H2O+PbSO4

充電中的化學變化方程式為：

PbSO4+2H2O+PbSO4=PbO2+2H2SO4+Pb

2 鉛酸蓄電池老化或失效詳解

由以上介紹可以得出這樣一個結(jié)論：在理想的狀況下，鉛酸電瓶可經(jīng)由充電，放電，無限次數(shù)重復(fù)使用而不會有生命終點。而事實上，因放電所產(chǎn)生的硫酸鉛，部份形成極難分解的結(jié)晶附著于正負極板上，而無法以正常的充電方式還原，每放電一次電瓶就因附著在極板上的硫酸鉛結(jié)晶增加，使它的壽命縮短一些，也就是一般人所謂充放電次數(shù)的記憶現(xiàn)象，隨著充放電次數(shù)的增加,在極板上形成的非活性硫酸鉛結(jié)晶也變大，最后使極板完全喪失活性，此乃造成電瓶老化(硫化)不堪使用的最大原因[2]。

2.1 新電瓶極板,硫化電瓶極板之比較

下面通過圖1比較新電瓶極板與硫化電瓶之極板，可看出硫化對電瓶的巨大破壞作用。

圖1 新電瓶極板,硫化電瓶極板之比較

由圖1我們可很明顯地看出,海綿狀的極板與電解液接觸的表面積較大,故其參與化學反應(yīng)的有效面積同樣較大,反映出來的現(xiàn)象即電池容量較大;當鉛板上的微孔被硫酸鉛結(jié)晶顆粒堵塞時,鉛板參與化學反應(yīng)的有效面積逐漸縮小,現(xiàn)象即是電池容量隨之減小,負載能力降低。隨著極板上硫酸鉛顆粒(結(jié)晶)的逐漸增大,形成如圖所示的極板,導致極板完全喪失活性,最后導致電瓶的報廢。

2.2 電池是否老化(硫化)及老化程度如何

從以下幾個癥狀可大致判斷電瓶的老化程度：電瓶服務(wù)時間愈來愈短，電量很快就耗盡；電動車速度變慢(由于電壓偏低而影響電路板功能，甚至造成故障)；電瓶內(nèi)電解液變熱；各單元電池之電解液比重都不一樣；充電完成后，電解液比重仍偏低；充電電壓太高；電瓶耗水量偏高,增加保養(yǎng)上的困擾。

蓄電池充放電時,兩極活性物質(zhì)隨著體積的變化而反復(fù)膨脹與收縮，兩極活性物質(zhì)中，陰極板之海綿狀鉛的結(jié)合力較強，而陽極板之過氧化鉛的結(jié)合力弱，因而在充放電之際，會徐徐脫落，此即為鉛蓄電池壽命受到限制的原因之一。期望蓄電池使用期限延長、能耐震并耐沖擊，則陽極板的改良即成當急要務(wù)[3]。

確實如此,由于鉛酸蓄電池的特性、結(jié)構(gòu)、材料、生產(chǎn)環(huán)境、工藝及使用保養(yǎng)維護等因素，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，鉛酸蓄電池過早失效而報廢的現(xiàn)象，75%以上都是由于鉛酸蓄電池極板上形成不可逆硫酸鉛鹽鉛化、自放電、活性物質(zhì)失效或者脫落，這三大難題一直是困擾鉛酸蓄電池行業(yè)難于攻克的頑癥。如普通鉛酸蓄電池設(shè)計壽命為2-3年，而往往實際使用只一年半時間或更短，免維護鉛酸蓄電池設(shè)計壽命為7-15年，有的制造出來由于貯存時間過長，未經(jīng)使用就已失效而報廢，遠遠短于預(yù)期使用壽命，導致能源的浪費及應(yīng)用的經(jīng)濟效益。

2.3 電瓶被硫化的原因及如何消除或減少硫化

由于自放電、活性物質(zhì)失效或者脫落的原因?qū)е码娖康膱髲U，本文不詳細討論；電瓶遭物理性破壞如漏液、接線柱被腐蝕等，只要注意清潔即可避免。我們今天將重點討論電瓶被硫化的原因及如何消除或減少硫化，以恢復(fù)或延長電瓶的壽命。

2.3.1 蓄電池極板硫化的主要原因

造成蓄電池極板硫化的原因主要是：過度放電；長期充電不足，或長期處于半放電狀態(tài)；電解液降低，極板上部經(jīng)常露液面；電解液比重過高，溫度過高；電池停用貯存時，沒有及時進行補充充電；電池使用不當，內(nèi)部短路。

上述情況將導致蓄電池的極板上形成粗大、難溶解、導電性差的硫酸鉛結(jié)晶顆粒，堵塞極板的微孔，妨礙電解液的滲透作用，使極板內(nèi)部的活性物質(zhì)不能很好地參加化學反應(yīng)，導致容量下降，內(nèi)阻增加。故我們可知蓄電池極板硫化的最主要原因還是由于充放電不當，蓄電池有其正確充電方法及充電曲線[4]。

2.3.2 電瓶硫化的消除或減輕

對硫酸鉛結(jié)晶的處理，不外乎物理方法與化學(電化學)方法兩個方面。

這種利用物理以及電化學的方法可以連續(xù)地清除電池極板上的結(jié)晶硫化物，并有效地防止新的結(jié)晶硫化物產(chǎn)生，使蓄電池極板始終呈全新和高效工作狀態(tài)，恢復(fù)和保證蓄電池穩(wěn)定的容量輸出，提高蓄電池的工作效率，從根本上改善鉛酸蓄電池的工作性能，大大延長蓄電池壽命，節(jié)約資金和能源。

上面提到的物理方法處理蓄電池極板，通常通過清洗蓄電池極板來實現(xiàn)。有的讀者使用自來水反復(fù)沖洗極板，我們認為效果不好，連稀硫酸都不能溶解或反應(yīng)的硫酸鉛結(jié)晶，自來水能行嗎？經(jīng)我們反復(fù)實驗及參考國外有關(guān)資料，我們發(fā)現(xiàn)這一種配方的試劑可軟化溶解堅硬的結(jié)晶硫化物，也就是說該試劑可以消除或緩解硫化。該配方所用試劑及比例如表1所示。

表1 鉛酸蓄電池軟化劑配方表

將該試劑注入蓄電池后，能使已經(jīng)在極板上的硫化物質(zhì)軟化，溶解，加速蓄電池的可逆電化學反應(yīng)，并可在蓄電池極板上生成保護層，減小蓄電池內(nèi)部自放電，增加電池容量，從而延長電池壽命。此法所用試劑在一般化學藥品店皆可購買到，且價格不高，有興趣的朋友不妨一試。

3 免維護型鉛酸蓄電池的修復(fù)

3.1 利用自制的電瓶修復(fù)儀修復(fù)電瓶

以上介紹的方法只適用于普通型鉛酸蓄電池，不適合我們計算機機房常用的電源逆變器的免維護型鉛酸蓄電池，因后者是完全密封的，一旦拆開很難復(fù)原。故需另想辦法。下面我們介紹另一種辦法，該方法既適合修復(fù)普通型鉛酸蓄電池，又適用于修復(fù)密封型免維護鉛酸蓄電池，屬于上面提到的電化學方法。該設(shè)備的原理其實就是網(wǎng)商有售的鉛酸蓄電池保護器或修復(fù)儀的簡化版，由于結(jié)構(gòu)簡單完全可以自制，下面我們以一個例子詳細介紹。

有一個12 V、60 Ah的密封蓄電池，由于有三個半月時間忘記充電，現(xiàn)在無法充電，不管充多少時間，電壓始終為12 V，接上負載就掉至5 V左右。由于電池剛買一年出頭，電池自安裝好后沒動過位置，且沒有漏液痕跡，估計電解液不會缺很多，明顯是極板硫化的現(xiàn)象，經(jīng)過反復(fù)試驗，我們用一只鎮(zhèn)流器加一個二極管組成一個簡單電路試著修復(fù)之，詳細過程如下：

用一只60 W日光燈的老式鎮(zhèn)流器(用連接燈管的兩個接頭，因為一般18 W～60 W鎮(zhèn)流器有四個接頭，有兩個接頭是連接啟輝器的)，串一只3 A以上的整流二極管，這時電路兩端電壓大概是100 V左右的脈動直流電，然后接上電瓶，用電壓表監(jiān)視電瓶電壓，電壓會逐漸減小，到20 V左右不再減小時就用充電器正常充電10多個小時，這樣就可以了。如果電瓶沸騰了得立即停止，改用充電器充電，簡易電路圖如圖2。

圖2 自制電瓶修復(fù)儀電路圖

如果沒有那種老式整流器，可以用變壓器代替整流器，不過注意功率，用匝數(shù)多的一組，一旦發(fā)現(xiàn)變壓器冒煙，趕快斷電。這一方法同樣適合于普通型鉛酸蓄電池，有興趣的讀者同樣可以一試，千萬注意安全！

3.2 密封型免維護鉛酸蓄電池的加液問題

關(guān)于密封型免維護鉛酸蓄電池的加液問題，有朋友采用撬開表層加蒸餾水的辦法。我們不提倡，原因上面提到了：密封性不好恢復(fù)。我們可以采用1mm的鉆頭在頂上鉆幾個孔(幾格就鉆幾個)，用注射器打入蒸餾水，加水至適當液面后用“哥倆好”A、B雙組分密封膠密封。加好蒸餾水后再充電，充好后再放電，循環(huán)幾次，對于由于缺液而導致容量下降的電池應(yīng)該會恢復(fù)的。提醒一句：只能加蒸餾水或純水，千萬不能圖省事加飲用礦泉水或純凈水，原因不羅嗦了。

4 結(jié)語

雖然有些蓄電池經(jīng)過處理可以繼續(xù)發(fā)揮余熱，但我們要明白無論采用什么辦法修復(fù)蓄電池，修復(fù)后的蓄電池容量都會有一定程度的降低，電池用到一定時間壽終正寢是必然的。最重要的還是要多學習相關(guān)專業(yè)知識，了解鉛酸蓄電池的正確使用方法，做到未雨綢繆，事后彌補畢竟是下策。