鉛酸蓄電池發(fā)展綜述

陳漢武，謝遠(yuǎn)鋒

(1.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海200000；2.湖北省蓄電池產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，湖北 襄陽(yáng)441000)

1 引言

鉛酸電池自1859年問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)歷了近160年的發(fā)展，無(wú)論在理論研究方面，還是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品種類、產(chǎn)品性能等方面都得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步，其運(yùn)用領(lǐng)域涉及通信、交通、軍事、電力等各個(gè)領(lǐng)域，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中鉛酸蓄電池發(fā)揮了極其重要的作用。

2 鉛酸蓄電池的基本結(jié)構(gòu)

鉛酸蓄電池的基本結(jié)構(gòu)一般包括正極板、負(fù)極板、隔板、殼體、電解液、液孔塞（排氣閥）、聯(lián)接條等，如圖1所示。

2.1 極板

極板包括正極板、負(fù)極板，對(duì)應(yīng)電池的正極和負(fù)極。兩種極板都是以鉛合金板柵為骨骼涂上富含各種添加劑的鉛膏，經(jīng)過(guò)干燥、固化、化成而成的多孔電極。正極板的有效物質(zhì)為褐色的二氧化鉛，負(fù)極的有效物質(zhì)為深灰色的海綿狀鉛正負(fù)極板數(shù)的多少，由電池的容量的大小來(lái)決定為了獲得較大的蓄電池容量，常將多片正、負(fù)極板通過(guò)連接條分別并聯(lián)，組成正負(fù)極極板群。

2.2 隔板

隔板包括聚氯乙烯（PVC）塑料隔板、微孔硬橡膠隔板、玻璃纖維隔板等，但無(wú)論哪種隔板其基本作用就是防止正負(fù)極板的活性物質(zhì)相互接觸發(fā)生短路，而讓電解液能夠順利通過(guò)，參與正負(fù)極板的化學(xué)反應(yīng)。隔板上密布著細(xì)小的孔，既可以保證電解液的自由擴(kuò)散和離子的遷移，又可以阻隔正、負(fù)極板之間活性物質(zhì)的脫落造成的接觸。

2.3 電解液

鉛酸蓄電池的電解液是1.200～1.300g/cm3稀硫酸，其相對(duì)密度大小應(yīng)根據(jù)電池的類型來(lái)定。一般固定型和牽引型的電池電解液密度比起動(dòng)型大。電解液中可以添加金屬硫酸鹽等添加劑來(lái)消除鉛酸電池的硫酸鹽化，提高容量，延長(zhǎng)電池的使用壽命。

2.4 殼體

殼體也稱電池槽，包括硬橡膠殼體、聚丙烯塑料殼體。殼體應(yīng)該能夠承載電池電解液和極板，具有耐酸、耐熱等基本性能，根據(jù)電池的應(yīng)用領(lǐng)域不同，殼體也會(huì)具有耐低溫、耐沖擊等性能。

2.5 加液孔蓋

加液孔蓋是旋在電池蓋的通氣孔，一般由橡膠或塑料制成。液孔蓋的作用是使電池在充放電過(guò)程產(chǎn)生的氫氣、氧氣及酸性氣體達(dá)到一定壓力時(shí)順利排出，而電解液不能從液孔塞流出。加液孔蓋上的通氣孔應(yīng)保持暢通，防止蓄電池過(guò)早損壞或爆炸。

2.6 聯(lián)結(jié)條（匯流排）

容量不同的電池需要用不同數(shù)量的正負(fù)極板串并聯(lián)組合起來(lái)，而這種連接串并聯(lián)的鏈條，就是聯(lián)結(jié)條。在塑料外殼的中間壁上打孔連接正負(fù)極極板的稱為穿壁式焊接，在硬橡膠外殼上連接正負(fù)極極板的稱為外露式焊接。

圖1 鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)

3 鉛酸蓄電池充、放電的基本原理

在鉛酸蓄電池中，正極板活性物質(zhì)為PbO2，負(fù)極板活性物質(zhì)為Pb，電解液為H2SO4。放電時(shí)，正極活性材料和負(fù)極材料都生成了PbSO4，充電時(shí)正負(fù)極的PbSO4又都恢復(fù)成各自的活性物質(zhì)，這就是“雙硫酸鹽化理論”。電解液硫酸在其中傳導(dǎo)電流，并參與反應(yīng)。

其具體的化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

①放電反應(yīng)：

總反應(yīng)：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O

②充電反應(yīng)：

總反應(yīng)：2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4

4 鉛酸電池的發(fā)展歷程

1881年Faure成功研制涂膏式極板，SwSellon成功研制Pb-Sb板柵合金代替平板鉛片；1882年Ttibe和Gladstone提出了雙極硫酸鹽化理論，成為沿用至今的鉛酸電池的理論基礎(chǔ)；1882年Tudpr建立了世界上第一個(gè)鉛酸蓄電池廠；1890年P(guān)hillipart和Wood-ward發(fā)明了初級(jí)管狀電極，形成管式電池；1935年Haring和Thomas成功研制了Pb-Ca板柵合金，使電池不再需要加液，免維護(hù)電池由此誕生；1938年A.Dassler提出氣體復(fù)合原理，進(jìn)一步完善了密封鉛酸電池的理論基礎(chǔ)；1971年美國(guó)GATES公司發(fā)明了洗液式超細(xì)玻璃纖維隔板（AGM）實(shí)現(xiàn)了電池內(nèi)部氧氣的循環(huán)復(fù)合，使鉛酸電池實(shí)現(xiàn)密封，從而使AGM技術(shù)的閥控式密封鉛酸電池在通信、電力、計(jì)算機(jī)等工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，并作為動(dòng)力電池在電動(dòng)自行車、高爾夫車等中應(yīng)用。

5 鉛酸電池的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)

鉛酸電池因其原料豐富、制造工藝成熟、成品價(jià)格低廉、性能安全可靠等顯著優(yōu)勢(shì)在通信、交通、電力等各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)都得到廣泛應(yīng)用。目前，在汽車起動(dòng)、電動(dòng)助力車、通信基站、工業(yè)叉車等諸多領(lǐng)域，鉛酸電池始終仍然占據(jù)行業(yè)主導(dǎo)地位。

雖然鉛酸電池的取得很大的發(fā)展，但與鋰離子電池、鎳氫等其他電池相比，鉛酸電池也存在一系列問(wèn)題：比能量低、比功率低和循環(huán)壽命短等，使得在如今電動(dòng)汽車行業(yè)中越來(lái)越邊緣化，而且少部分企業(yè)存在環(huán)境保護(hù)設(shè)施不完善、污染嚴(yán)重等問(wèn)題，為社會(huì)輿論詬病。但是在成本、安全可靠性以及回收利用率等方面均比鋰離子電池、鎳氫電池都占有優(yōu)勢(shì)。

6 鉛酸電池的未來(lái)發(fā)展方向

近年來(lái)，國(guó)際上新型的鉛酸電池正在快速發(fā)展，如卷繞式電池、超級(jí)電池、雙極性電池等，經(jīng)過(guò)技術(shù)改造和設(shè)備更新，很大程度上提升了行業(yè)技術(shù)水平。

①瑞典OPTIMA公司與VOLVO公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的HEV專用陶瓷隔膜雙極性鉛酸蓄電池是鉛酸蓄電池的新突破。電池采用雙極性結(jié)構(gòu)，以陶瓷做隔膜，與傳統(tǒng)鉛酸蓄電池相比用鉛減少50%，重量減少20%，具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全免維護(hù)、充放電效率高、價(jià)格便宜、容易回收等特點(diǎn)，如圖2所示。

②美國(guó)Hawker公司開(kāi)發(fā)了36V/8Ah雙極耳卷繞式閥控鉛酸蓄電池組，該電池采用了壓延薄極板（0.4mm）、不固化內(nèi)化城、高裝配壓力等多種新工藝，8Ah電池可以250A高倍率放電，其比功率等性能已達(dá)到氫鎳電池水平，成本不足氫鎳電池的1/2。

③美國(guó)EastPann公司生產(chǎn)的超級(jí)電池已在HondaCivic中等混合的HEV上應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果顯示，超級(jí)電池完全可以替代MH-Ni等電池，比MH-Ni電池具有更好的運(yùn)行性能，電池成本大幅度降低，更有利于廢舊電池的回收利用[1]。

圖2 各種新型鉛酸蓄電池

7 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家《鉛酸電池行業(yè)準(zhǔn)入條件》的發(fā)布，將淘汰那些產(chǎn)能低、環(huán)保不合格的鉛酸蓄電池企業(yè)，從而保證鉛酸蓄電池從生產(chǎn)到再回收都能滿足環(huán)保要求。未來(lái)的20年中，鉛酸蓄電池仍然會(huì)占有主導(dǎo)地位，當(dāng)然這也需要廣大的研究鉛酸蓄電池的科研人員齊心協(xié)力、開(kāi)拓創(chuàng)新，研發(fā)科技含量更高和質(zhì)量更好的鉛酸蓄電池[2]。