鉛酸蓄電池發展綜述

陳漢武，謝遠鋒

(1.泛亞汽車技術中心有限公司，上海200000；2.湖北省蓄電池產品質量監督檢驗中心，湖北 襄陽441000)

1 引言

鉛酸電池自1859年問世以來，經歷了近160年的發展，無論在理論研究方面，還是在產品設計、產品種類、產品性能等方面都得到了長足的進步，其運用領域涉及通信、交通、軍事、電力等各個領域，在經濟發展中鉛酸蓄電池發揮了極其重要的作用。

2 鉛酸蓄電池的基本結構

鉛酸蓄電池的基本結構一般包括正極板、負極板、隔板、殼體、電解液、液孔塞（排氣閥）、聯接條等，如圖1所示。

2.1 極板

極板包括正極板、負極板，對應電池的正極和負極。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，經過干燥、固化、化成而成的多孔電極。正極板的有效物質為褐色的二氧化鉛，負極的有效物質為深灰色的海綿狀鉛正負極板數的多少，由電池的容量的大小來決定為了獲得較大的蓄電池容量，常將多片正、負極板通過連接條分別并聯，組成正負極極板群。

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，但無論哪種隔板其基本作用就是防止正負極板的活性物質相互接觸發生短路，而讓電解液能夠順利通過，參與正負極板的化學反應。隔板上密布著細小的孔，既可以保證電解液的自由擴散和離子的遷移，又可以阻隔正、負極板之間活性物質的脫落造成的接觸。

2.3 電解液

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

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，根據電池的應用領域不同，殼體也會具有耐低溫、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程產生的氫氣、氧氣及酸性氣體達到一定壓力時順利排出，而電解液不能從液孔塞流出。加液孔蓋上的通氣孔應保持暢通，防止蓄電池過早損壞或爆炸。

2.6 聯結條（匯流排）

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

圖1 鉛酸蓄電池的結構

3 鉛酸蓄電池充、放電的基本原理

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

其具體的化學反應方程式如下：

①放電反應：

總反應：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O

②充電反應：

總反應：2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4

4 鉛酸電池的發展歷程

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；1882年Tudpr建立了世界上第一個鉛酸蓄電池廠；1890年Phillipart和Wood-ward發明了初級管狀電極，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，免維護電池由此誕生；1938年A.Dassler提出氣體復合原理，進一步完善了密封鉛酸電池的理論基礎；1971年美國GATES公司發明了洗液式超細玻璃纖維隔板（AGM）實現了電池內部氧氣的循環復合，使鉛酸電池實現密封，從而使AGM技術的閥控式密封鉛酸電池在通信、電力、計算機等工業領域廣泛應用，并作為動力電池在電動自行車、高爾夫車等中應用。

5 鉛酸電池的優勢和劣勢

鉛酸電池因其原料豐富、制造工藝成熟、成品價格低廉、性能安全可靠等顯著優勢在通信、交通、電力等各個領域內都得到廣泛應用。目前，在汽車起動、電動助力車、通信基站、工業叉車等諸多領域，鉛酸電池始終仍然占據行業主導地位。

雖然鉛酸電池的取得很大的發展，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題：比能量低、比功率低和循環壽命短等，使得在如今電動汽車行業中越來越邊緣化，而且少部分企業存在環境保護設施不完善、污染嚴重等問題，為社會輿論詬病。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、鎳氫電池都占有優勢。

6 鉛酸電池的未來發展方向

近年來，國際上新型的鉛酸電池正在快速發展，如卷繞式電池、超級電池、雙極性電池等，經過技術改造和設備更新，很大程度上提升了行業技術水平。

①瑞典OPTIMA公司與VOLVO公司聯合開發的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。電池采用雙極性結構，以陶瓷做隔膜，與傳統鉛酸蓄電池相比用鉛減少50%，重量減少20%，具有循環壽命長、安全免維護、充放電效率高、價格便宜、容易回收等特點，如圖2所示。

②美國Hawker公司開發了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到氫鎳電池水平，成本不足氫鎳電池的1/2。

③美國EastPann公司生產的超級電池已在HondaCivic中等混合的HEV上應用。應用結果顯示，超級電池完全可以替代MH-Ni等電池，比MH-Ni電池具有更好的運行性能，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 結語

隨著國家《鉛酸電池行業準入條件》的發布，將淘汰那些產能低、環保不合格的鉛酸蓄電池企業，從而保證鉛酸蓄電池從生產到再回收都能滿足環保要求。未來的20年中，鉛酸蓄電池仍然會占有主導地位，當然這也需要廣大的研究鉛酸蓄電池的科研人員齊心協力、開拓創新，研發科技含量更高和質量更好的鉛酸蓄電池[2]。