鉛蓄電池

常用的充電電池除了鋰電池之外，鉛蓄電池也是非常重要的一個電池系統。鉛蓄電池的優點是放電時電動勢較穩定，缺點是比能量（單位重量所蓄電能）小，對環境腐蝕性強。鉛蓄電池的工作電壓平穩、使用溫度及使用電流範圍寬、能充放電數百個循環、貯存性能好（尤其適於乾式荷電貯存）、造價較低，因而套用廣泛。

2019年1月，9部門聯合印發《廢鉛蓄電池污染防治行動方案》，整治廢鉛蓄電池非法收集處理環境污染，落實生產者責任延伸制度，提高廢鉛蓄電池規範收集處理率。

基本介紹

• 中文名：鉛蓄電池
• 外文名：Lead–acid battery
• 優點：放電時電動勢較穩定
• 缺點：比能量小，對環境腐蝕性強
• 發明者：普蘭特

基本介紹

鉛蓄電池(Lead–acid battery)：其體積和重量一直無法獲得有效的改善，因此目前最常見還是使用在汽車、機車發動之上。鉛酸電池最大的改良，則是新近採用高效率氧氣重組技術完成水份再生，藉此達到完全密封不需加水的目的，而製成的“免加水電池”其壽命可長達4年(單一極板電壓 2V)。

鉛酸蓄電池自1859年由普蘭特發明以來，至今已有150多年的歷史，技術十分成熟，是全球上使用最廣泛的化學電源。儘管近年來鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池等新型電池相繼問世並得以套用，但鉛酸蓄電池仍然憑藉大電流放電性能強、電壓特性平穩、溫度適用範圍廣、單體電池容量大、安全性高和原材料豐富且可再生利用、價格低廉等一系列優勢，在絕大多數傳統領域和一些新興的套用領域，占據著牢固的地位。

構造

鉛蓄電池的組成：極板、隔板、殼體、電解液、鉛連線條、極柱等

1．正、負極板

分類及構成：極板分正極板和負極板兩種，均由柵架和填充在其上的活性物質構成。

作用：蓄電池充、放電過程中，電能和化學能的相互轉換，就是依靠極板上活性物質和電解液中硫酸的化學反應來實現的。

鉛蓄電池原理圖

顏色區分：正極板上的活性物質是二氧化鉛(PbO₂)，呈深棕色；負極板上的活性物質是海綿狀純鉛(Pb)，呈青灰色。

柵架的作用：容納活性物質並使極板成形。

極板組：為增大蓄電池的容量，將多片正、負極板分別並聯焊接，組成正、負極板組。

安裝的特別要求：安裝時正負極板相互嵌合，中間插入隔板。在每個單體電池中，負極板的數量總比正極板多一片。

2．隔板

作用：為了減小蓄電池的內阻和尺寸，蓄電池內部正負極板應儘可能地靠近；為了避免彼此接觸而短路，正負極板之間要用隔板隔開。

材料要求：隔板材料應具有多孔性和滲透性，且化學性能要穩定，即具有良好的耐酸性和抗氧化性。

材料：常用的隔板材料有木質隔板、微孔橡膠、微孔塑膠、玻璃纖維和紙板等。

安裝要求：安裝時隔板上帶溝槽的一面應面向正極板。

3．殼體

作用：用來盛放電解液和極板組

材料：由耐酸、耐熱、耐震、絕緣性好並且有一定力學性能的材料製成。

結構特點：殼體為整體式結構，殼體內部由間壁分隔成3個或6個互不相通的單格，底部有突起的肋條以擱置極板組。肋條之間的空間用來積存脫落下來的活性物質，以防止在極板間造成短路，極板裝入殼體後，上部用與殼體相同材料製成的電池蓋密封。在電池蓋上對應於每個單格的頂部都有一個加液孔，用於添加電解液和蒸餾水，也可用於檢查電解液液面高度和測量電解液相對密度。

4．電解液

作用：電解液在電能和化學能的轉換過程即充電和放電的電化學反應中起離子間的導電作用並參與化學反應。

成分：它由純硫酸和蒸餾水按一定比例配製而成，而其密度一般為1.24～1.30g/ml。

特別注意點：電解液的純度是影響蓄電池的性能和使用壽命的重要因素。

5．單體電池的串接方式

蓄電池一般都由3個或6個單體電池串聯而成，額定電壓分別為6V或12V。

串接方式：單體電池的串接方式一般有傳統外露式、穿壁式和跨越式三種方式。

這種連線方式工藝簡單，但耗鉛量多，連線電阻大，因而起動時電壓降大、功率損耗也大，且易造成短路。

穿壁式連線方式：是在相鄰單體電池之間的間壁上打孔供連線條穿過，將兩個單體電池的極板組極柱連焊在一起。

跨越式連線方式：在相鄰單體電池之間的間壁上邊留有豁口，連線條通過豁口跨越間壁將兩個單體電池的極板組極柱相連線，所有連線條均布置在整體蓋的下面。

穿壁式和跨越式連線方式與傳統外露式鉛連線條連線方式相比，有連線距離短、節約材料、電阻小、起動性能好等優點。

規格型號

1)3一Q一75：由3個單體電池組成，額定電壓為6V，額定容量為75A·h的起動用蓄電池。

2)6一QA一105G：由6個單體電池組成，額定電壓為12V，額定容量為105A·h的起動用乾荷電高起動率蓄電池。

3)6一QAW一100：由6個單體電池組成，額定電壓為12V·，額定容量為100A·h的起動用乾荷電免維護蓄電池。

工作原理

鉛蓄電池由正極板群、負極板群、電解液和容器等組成。充電後的正極板是棕褐色的二氧化鉛（PbO₂），負極板是灰色的絨狀鉛（Pb），當兩極板放置在濃度為27%～37%的硫酸(H₂SO₄)水溶液中時，極板的鉛和硫酸發生化學反應，二價的鉛正離子（Pb²⁺）轉移到電解液中，在負極板上留下兩個電子(2e^-)。由於正負電荷的引力，鉛正離子聚集在負極板的周圍，而正極板在電解液中水分子作用下有少量的二氧化鉛（PbO₂）滲入電解液，其中兩價的氧離子和水化合，使二氧化鉛分子變成可離解的一種不穩定的物質——氫氧化鉛〔Pb（OH）₄）。氫氧化鉛由4價的鉛正離子（Pb⁴⁺）和4個氫氧根〔4（OH）^-〕組成。4價的鉛正離子（Pb⁴⁺）留在正極板上，使正極板帶正電。由於負極板帶負電，因而兩極板間就產生了一定的電位差，這就是電池的電動勢。當接通外電路，電流即由正極流向負極。在放電過程中，負極板上的電子不斷經外電路流向正極板，這時在電解液內部因硫酸分子電離成氫正離子（H⁺）和硫酸根負離子（SO₄^2-），在離子電場力作用下，兩種離子分別向正負極移動，硫酸根負離子到達負極板後與鉛正離子結合成硫酸鉛(PbSO₄)。在正極板上，由於電子自外電路流入，而與4價的鉛正離子（Pb⁴⁺）化合成2價的鉛正離子（Pb²⁺），並立即與正極板附近的硫酸根負離子結合成硫酸鉛附著在正極上。

鉛酸蓄電池用填滿海綿狀鉛的鉛板作負極，填滿二氧化鉛的鉛板作正極，並用1.28%的稀硫酸作電解質。在充電時，電能轉化為化學能，放電時化學能又轉化為電能。電池在放電時，金屬鉛是負極，發生氧化反應，被氧化為硫酸鉛；二氧化鉛是正極，發生還原反應，被還原為硫酸鉛。電池在用直流電充電時，兩極分別生成鉛和二氧化鉛。移去電源後，它又恢復到放電前的狀態，組成化學電池。鉛蓄電池是能反覆充電、放電的電池，叫做二次電池。它的電壓是2V，通常把三個鉛蓄電池串聯起來使用，電壓是6V。汽車上用的是6個[2]鉛蓄電池串聯成12V的電池組。鉛蓄電池在使用一段時間後要補充蒸餾水，使電解質保持含有22～28%的稀硫酸。

放電時,正極反應為:PbO₂ + 4H⁺ + SO4^2- + 2e^- = PbSO₄ + 2H₂O

負極反應: Pb + SO₄^2- - 2e^- = PbSO₄

總反應: PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄ === 2PbSO₄ + 2H₂O (向右反應是放電,向左反應是充電)

套用

目前鉛蓄電池廣泛套用於汽車、火車、拖拉機、機車、電動車以及通訊、電站、電力輸送、儀器儀表、UPS電源和飛機、坦克、艦艇、雷達系統等領域。隨著世界能源經濟的發展和人民生活水平的日益提高，在二次電源使用中，鉛蓄電池已占有85%以上的市場份額。鉛酸蓄電池以技術成熟、成本低、大電流放電性能佳、適用溫度範圍廣、安全性高，可做到完全回收利用等優點在汽車起動電池和電動車領域尚無法被其它電池取代。

充電放電

隨著蓄電池的放電，正負極板都受到硫化，同時電解液中的硫酸逐漸減少，而水分增多，從而導致電解液的比重下降在實際使用中，可以通過測定電解液的比重來確定蓄電池的放電程度。在正常使用情況下，鉛蓄電池不宜放電過度，否則將使和活性物質混在一起的細小硫酸鉛晶體結成較大的體，這不僅增加了極板的電阻，而且在充電時很難使它再還原，直接影響蓄池的容量和壽命。鉛蓄電池充電是放電的逆過程。

鉛酸蓄電池充、放電化學反應的原理方程式如下：

正極：　PbO₂ + 2e- + SO₄^2- + 4H+ == PbSO₄ + 2H₂O

負極：　Pb -2e + SO₄ ^2- == PbSO₄

陰極：PbSO₄ + 2e- = Pb + SO₄^2-；

陽極：PbSO₄ + 2H₂O - 2e- = PbO₂ + 4H+ + SO₄^2-。

總反應：　PbO₂ + 2 H₂SO₄ + Pb == 2 PbSO₄ + 2H₂O（正向放電，逆向充電）

（鉛蓄電池在放電時正負極的質量都增大，原因：鉛蓄電池放電時，正極極板上有PbSO4附著，質量增加：負極極板上也有PbSO4附著，所以質量也增加。）

使用條件

（1） 避免將電池與金屬容器直接接觸，應採用防酸和阻熱材料，否則會引起冒煙或燃燒。

（2）使用指定的充電器在指定的條件下充電，否則可能會引起電池過熱、放氣、泄露、燃燒或破裂。

（3）不要將電池安裝在密封的設備里，否則可能會使設備浦破裂。

（4）將電池使用在醫護設備中時，請安裝主電源外的後備電源，否則主電源失效會引起傷害。

（5）將電池放在遠離能產生火花設備的地方，否則火花可能會引起電池冒煙或破裂。

（6）不要將電池放在熱源附近（如變壓器），否則會引起電池過熱、泄漏、燃燒或破裂。

（7）套用中電池數目超過一隻時，請確保電池間連線無誤，且與充電器或負載連線無誤，否則會引起電池破裂、燃燒或電池損害，某些情況下還會傷人。

（8）特別注意別讓電池砸在腳上。

（9）電池的指定使用範圍如下。超出此範圍可能會引起電池損害。　電池的正常操作範圍為：77.F（25℃）　電池放電後（裝在設備中）：5.F到122.F(-15℃到50℃)　充電後：32.F到104.F(0℃到40℃）　儲存中：5.F到104.F（-15℃到40℃）

（10）不要將裝在機車上的電池放在高溫下、直射陽光中、火爐或火前，否則可能會造成電池泄漏、起火或破裂。

（11）不要在充滿灰塵的地方使用電池，可能會引起電池短路。在多塵環境中使用電池時，應定期檢查電池。

安裝調試

（1） 使用帶有絕緣套的工具如鉗子等。使用不絕緣的工具會造成電池短路、發熱或燃燒，損害電池。

（2） 不要將電池放置在密閉的房間或近火源的地方，否則可能會由於電池釋放的氫氣造成爆炸或起火。

（3） 不要用稀釋劑、汽油、煤油或合成液去清潔電池。使用上述材料會導致電池外殼破裂泄漏或起火。

（4） 當處理45伏或更高電壓的電池時，要採取安全措施帶上絕緣橡皮手套，否則可能會遭到電擊。

（5） 不要將電池放在可能被水淹的地方。如果電池浸在水中，它可能會燃燒或電擊傷人。

（6） 拆卸電池時請緩慢處理。不要使電池破裂、泄漏。

（7） 將電池裝在設備上時，應儘量將它裝在設備的最下面，以便檢查、保養和更換。

（8） 電池充電時不要搬動電池。不要低估電池的重量，不細心的處理可能會對操作者造成傷害。

（9） 不要用能產生靜電的材料覆蓋電池。靜電會引發起火或爆炸。

（10）在電池端子、連線片上使用絕緣蓋，以防電擊傷人。

（11）電池的安裝和維護需要合格的專人進行。不熟練的人進行那樣的操作可能會造成危險。

使用事項

（1） 確保在電池和設備之間和周圍進行充分的絕緣措施。不充分的絕緣措施可能引起電擊、短路發熱、冒煙或燃燒。

（2） 充電套用充電器，直接連在直流電源可能會引起電池泄漏、發熱或燃燒。

（3） 由於自放電，電池容量會緩慢減少。在儲存長時間後使用前，請重新對電池充電。

優缺點

鉛蓄電池的優點是放電時電動勢較穩定，工作電壓平穩、使用溫度及使用電流範圍寬、能充放電數百個循環、貯存性能好（尤其適於乾式荷電貯存）、造價較低，因而套用廣泛。 缺點是比能量（單位重量所蓄電能）小，十分笨重，對環境腐蝕性強，循環使用壽命短，自放電大，不易過放電。

主要特點可以用價格便宜來描述，但對於電池內阻要求低，放電電流大的負載不太適合，使用了對電壓要求不嚴格，比如機車，汽車的點火裝置，只需要瞬間放電，持續大電流放電不適合鉛蓄電池。

分類

（1）按蓄電池極板結構分類：有形成式、塗膏式和管式蓄電池；

（2）按蓄電池蓋和結構分類：有開口式、排氣式、防酸隔爆式和密封閥控式蓄電池；

（3）按蓄電池維護方式分類：有普通式、少維護式、免維護式蓄電池。

（4）按國家有關標準規定主要蓄電池系列產品有：

起動型蓄電池：主要用於汽車、拖拉機、柴油機船舶等起動和照明；

固定型蓄電池：主要用於通訊、發電廠、計算機系統作為保護、自動控制的備用電源；

牽引型蓄電池：主要用於各種蓄電池車、叉車、鏟車等動力電源；

鐵路用蓄電池：主要用於鐵路內燃機車、電力機車、客車起動、照明之動力；

機車蓄電池：主要用於各種規格機車起動和照明；

煤礦用蓄電池：主要用於電力機車牽引動力電源；

儲能用蓄電池：主要用於風力、水力發電電能儲存。

維護保養

發電機組中最重要的部件就是鉛蓄電池，鉛蓄電池的性能穩定才能保證整個發電機組的性能良好，那么如何保證鉛蓄電池的性能穩定呢？這就需要做好電池的維護保養工作了。 　
首先，鉛蓄電池的連線要正確，防止出現短路情況 　
鉛蓄電池應該擺放在靠近發電機組，這樣電池的連線線就不會過長，同時還需要將電池放在便於保養的地方。電池在連結到發電機時，首先接正極，再接負極，當負載或停機時，應及時斷開連結，防止電池出現正負極短路。 　
其次，做好電池的日常檢查工作 　
要定期對電池進行檢查，包括電池端的電壓情況；電池中電解液的密度、溫度、高度情況；注意電池連結先是否按照規格連結；檢查電池記住是否有腐蝕情況；定期做放電測試等等，這些日常工作都是需要進行的。 　
最後，電池充電工作要格外注意 　
電池充電是基本工作，應當在通風良好、沒有雨雪、火花、明火環境下充電；充電最好使用原裝充電機充電；充電時，電線的連結要正確；使用合理的電流進行充電；電池充電時，當溫度高於45℃時，應當停止充電工作，做散熱處理。 　
發電機組鉛蓄電池保養工作非常重要，在日常使用中一定要注意了。