鉛酸電池（鉛acid Battery）是所有蓄電池中技術成型最早、發(fā)展最為成熟的電池，其正極材料為二氧化鉛，負極材料為鉛，在充放電時通過電池內(nèi)部兩極發(fā)生的氧化還原反應來完成電能和化學能的相互轉(zhuǎn)化，在充電過程中電解液會發(fā)生水解生成氧氣和氫氣，半密封式鉛酸電池直接將氣體排出引起電解液的干涸，而閥控式密封鉛酸電池則通過引發(fā)氣體的化合反應有著更高的可靠性，廢舊電池中的鉛對生態(tài)環(huán)境有著巨大的危害，需要進行回收處理，鉛酸電池有著技術成熟、成本低、安全性好、大電流放電能力強的優(yōu)勢，因此在交通、儲能、商業(yè)和工業(yè)不間斷電源以及便攜式電子設備等領域得到了廣泛的應用。
發(fā)展歷史
1859年法國物理學家普朗特（Raymond Gaston Plante）在兩個鉛箔中間加入布條，并浸入硫酸溶液，發(fā)明出了歷史上第一個鉛酸電池。 密封鉛酸蓄電池誕生于20世紀70年代，到1975年時，在一些發(fā)達國家已形成相當?shù)纳a(chǎn)規(guī)模，并迅速實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，大量投放市場，并逐步取代傳統(tǒng)開口式電池。
1881法國研究者福雷（Faure）改進了生成活性物質(zhì)的方式，他用氧化鉛-硫酸鉛和制的鉛膏涂在鉛箔上制成正極板，為了更好的保存電極活性物質(zhì)，其他研究者們在此基礎上進行改進，發(fā)展出了平板式電極和管式電極。
1957年德國陽光公司（Sonnenschein）發(fā)明出了膠體密封的鉛酸蓄電池，也被稱為閥控式密封鉛酸電池（Valve—regulated 鉛acid Batteries，VRLA)，大大提高了鉛酸電池的性能，但無法處理充電過程中產(chǎn)生的氧氣。
1971年美國蓋茨公司（Gates）推出了吸液式超細玻璃棉隔板（Absorbed Glass Mat，AGM）技術，利用其和氣體再化合的原理，將電池內(nèi)部氧氣化合成水，完美的處理了電池腐蝕、漏液以及維護問題，成為了鉛酸電池發(fā)展歷史上的一個極其重要的里程碑。
進入二十一世紀，鉛酸電池的研發(fā)重點為在活性物質(zhì)中添加高比表面積的碳材料，從而改善電池的充電性能和荷電態(tài)性能，活性碳、碳纖維、碳納米管以及石墨烯等材料的引入成為了推動鉛酸電池發(fā)展的巨大助力。
組成結(jié)構(gòu)
電極
鉛酸電池的電極板一般由板柵和活性物質(zhì)組成，板柵的主要作用是支持和容納活性物質(zhì)以及在充放電過程中收集、傳遞電流，因此板柵通常制成網(wǎng)格狀以獲得最大的活性物質(zhì)容量。板柵的材料通常為鉛合金、純鉛或其他合金。
在電池的循環(huán)充放電過程中正極板柵會不停地受到腐蝕，并且正極活性物質(zhì)導電性較差，板柵需要承擔主要的導電任務，因此正極板柵的筋條必須做的又粗又密，通常為管式極板的板柵（如下圖），降低了活性物質(zhì)的涂覆量，從而降低了單片正極板的容量。而負極不會發(fā)生板柵腐蝕的現(xiàn)象，且負極活性物質(zhì)導電性較好，因此負極板柵可以做的又細又疏，即下圖的涂膏式極板的板柵。
在充電過程結(jié)束后，正極活性物質(zhì)為二氧化鉛，負極活性物質(zhì)為絨狀的或者海綿狀的鉛。在放電過程結(jié)束后，正極和負極的活性物質(zhì)均為硫酸鉛。為了改善電池的性能，活性材料中通常加有添加劑，纖維玻璃和聚烯烴纖維可以增加正極穩(wěn)定性，硫酸可以使負極保持較大的表面積，石墨纖維可以提高正、負極導電性。
電解液
鉛酸電池通常采用硫酸作為電解液，其密度一般取1.2-1.28kg/L（20℃），外觀透明無色。電解液既要參與電池內(nèi)部的氧化還原反應，還要完成傳導離子的任務，因此其性質(zhì)會影響著整個電池的性能以及壽命。硫酸中通常存在著一些雜質(zhì)：鉻、錳、鈦等，會與電極中的活性物質(zhì)反應生成氣體、腐蝕電極，因此需要提前清除。
在放電過程中，硫酸濃度逐漸變低，硫酸鉛的溶解度則逐漸增加，促進了粗粒硫酸鉛（硫酸化）的形成，增加了電池內(nèi)部應力，因此冬季鉛酸電池充電性能差且容易發(fā)生故障。
隔板
隔板的主要任務是保證電池內(nèi)部形成離子回路而不形成電路，通常由有足夠空隙的電絕緣材料構(gòu)成，孔隙中充滿電解液以完成離子導電的任務。鉛酸電池對隔板有以下幾條要求：
常見的隔板包括微孔橡膠隔板、微孔塑料隔板以及塑料框架內(nèi)加玻璃布等。
外殼
外殼的主要作用是容納并保護電極液、電極和隔膜，因此其必須有足夠的機械強度、熱穩(wěn)定性和抗酸堿腐蝕的性能，殼體的上部還設有加液孔，用來添加電極液、蒸餾水以及測量液面高度、電解液的溫度和密度。常用的殼體包括塑料殼體、襯鉛木質(zhì)殼體、玻璃殼體以及硬橡膠殼體。
優(yōu)缺點
優(yōu)點
缺點
分類
按電池槽結(jié)構(gòu)分
半密封式鉛酸電池
鉛酸電池在充電過程中如果充電電壓過高或者充電時間過長，就會加快電解液（硫酸的水溶液）中的水分解，產(chǎn)生氫氣和氧氣，而為了及時地將電池充放電過程中生成的氫氣和氧氣排出，避免影響電池的性能和壽命，半密封式鉛酸電池的排氣閥門通常是打開著的，但時氣體的及時排出也會進一步的促進電解液的分解，消耗電解液，因此需要定期的通過加液孔查看電池內(nèi)部電解液的液面高度以及比重，及時補充電解液或者蒸餾水，為了進一步維持電池的一致性還需要定期的高電壓均衡充電，半密封式鉛酸蓄電池需要經(jīng)常進行維護。
閥控式密封鉛酸電池（Valve-Regulated Lead Acid Battery，VRLA）
VRLA的最大特征是電池內(nèi)部帶有催化劑，可以令充電過程中釋放出來的氫氣和氧氣發(fā)生反應重新形成水回到電池內(nèi)部，避免了水的消耗，因此不需要定期查看電解液液面高度，也不需要定期的維護，因此其應用更為廣泛，主要應用于通信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、應急燈照明系統(tǒng)、自動化控制系統(tǒng)、消防和安全警報系統(tǒng)、太陽能、風能系統(tǒng)、計算機備用電源、便攜式儀器、儀表、醫(yī)療系統(tǒng)設備、電動車、電動工具等領域。
VRLA的密封性較好，在充放電過程中幾乎不會排出氣體或電解液的酸霧，僅會在充電后期電池內(nèi)部壓力超過空氣閥壓力上限時，才會有少量的氫氣和氧氣排出，并且可以用過濾材料來濾除酸霧。電池負極包含有吸附玻璃鋼或是膠體電解液吸附系統(tǒng)，且活性物質(zhì)通常設計成過量的，VRLA為了保證充電過程中正極釋放的氧氣能夠擴散到負極，除了原先存在的氧氣的液相擴散通道，還額外提供了氣體的的傳輸通道，由于正極析出氧氣，壓力較大，而負極消耗氧氣，引起略微的真空，兩端形成壓差，推動氧氣與負極活性物質(zhì)發(fā)生反應，降低負極的電荷狀態(tài)，避免水分解反應的發(fā)生。
VRLA內(nèi)部也沒有自由流動的電解液，因此在外部沖擊、振動、疲勞甚至殼體破裂時都不會漏出電解液，電池可以沿任意方向放置。
VRLA的特點：
按用途分
啟動鉛酸電池
用于汽車的啟動，板柵通常為鉛碲合金的，瞬間大電流放電能力強。但難以維持長時間的充放電。
動力鉛酸電池
有著更高的能量密度，板柵通常為鉛鈣合金，能夠完成長時間的充放電，因此可以用于直接給工具長時間供給動力，循環(huán)壽命更長，快速充電能力強。
工作原理
鉛酸電池的正負極板都浸在電解液（硫酸的水溶液）中，因此，當電池充滿電后，正極活性物質(zhì)會溶解并在正極表面形成4價的，使正極電動勢變?yōu)?V，而部分負極活性物質(zhì)Pb則會溶解至電解液中形成2價的，使負極電動勢變?yōu)?0.1V，正、負兩極之間形成了2.1V的電壓，在電池外電路接上負載后，電池就會自動進行放電，負極的Pb失去兩個電子，發(fā)生氧化反應，并與硫酸溶液中的結(jié)合形成附著在負極板上，失去的電子經(jīng)過外電路從負極流向正極，從而形成從正極到負極的電流，正極的得到兩個電子，發(fā)生還原反應，生成的也與硫酸溶液中的結(jié)合形成附著在正極板上。在放電過程中，正負極發(fā)生氧化還原反應形成的都會消耗形成，因此電解液濃度會逐漸降低。由于電解液比重（密度）是硫酸濃度的直觀反映，通過測量電解液比重可快速得知電池的放電量或剩余電量。
電池外電路接電源進行充電時，則是上述反應的逆過程，正極表面附著的發(fā)生氧化反應，失去兩個電子形成，從而得到原來的活性物質(zhì)，失去的電子沿外電路從正極流向負極，負極表面附著的發(fā)生還原反應，得到兩個電子形成Pb，正負極反應都會生成從而使硫酸濃度又逐漸升高。
電池充放電發(fā)生的氧化還原反應如下(向右為充電)：
正極反應：
負極反應：
總反應：
根據(jù)反應式可以看出，該反應理想情況下是完全可逆的，不會造成硫酸電解液的消耗，這種充放電反應理論稱為雙極硫酸鹽化理論。
失效故障
失水
鉛酸電池在運行過程中由于長時間充電引起會使電池內(nèi)部發(fā)生水的分解反應，充電到70%左右正極會析出氧氣，繼續(xù)充電至90%時，負極會析出氫氣，氫氣和氧氣如果不及時從電池內(nèi)部排出，會使電池內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應力，引起電池鼓包，影響電池的性能和壽命，傳統(tǒng)的半密封式鉛酸電池直接通過排氣閥門將氣體排出，但這會使電池內(nèi)部水分解加速，引起過多的水的消耗，導致電解液干涸，因此需要定期的查看電解液液面高度，加水維護。
而VRLA則采用全密封式設計，通過在電池內(nèi)部引發(fā)氫氣、氧氣的復合再利用來抑制氣體的累積和電解液的消耗，避免負極發(fā)生氫氣的析出，但仍會在氣體化合效率較低或是板柵腐蝕的作用下失水。
早期容量損失
鉛酸電池在使用低銻或無銻板柵合金時，容易在早期高倍率放電、深放電、活性材料密度過低或是電解液過剩時引起電池早期容量的下降。
熱失控
電池在放電過程中通常伴隨著熱（歐姆熱、反應熱等）的釋放，引起電池溫度的升高，而在VRLA中，這種現(xiàn)象更明顯，由于氧氣在化合過程中使電池內(nèi)部產(chǎn)生過多熱量，再加上密封降低電池散熱量，其更容易引起電池內(nèi)部熱量的累積和溫度的升高。
當電池環(huán)境溫度過高或是充放電電流較大時，電池產(chǎn)熱增加而散熱降低，內(nèi)部溫度上升較快，使電池內(nèi)阻下降，進一步增加了電池的電流，溫度進一步升高，內(nèi)阻進一步下降，形成了惡性循環(huán)，即為熱失控，引發(fā)電池結(jié)構(gòu)的嚴重變形、殼體的破碎、脹裂，嚴重時還可能引起爆炸，危害人身和財產(chǎn)安全。
環(huán)境危害與回收利用
廢舊的鉛酸電池中仍含有大量的鉛，鉛是重金屬元素，其不僅會對生態(tài)環(huán)境造成危害，污染土壤資源以及水資源，還有可能通過食物鏈直接影響人的身體健康，人體攝入鉛后可能會引發(fā)頭暈乏力、神經(jīng)衰弱、關節(jié)疼痛、消化不良、惡心嘔吐以及其它的病變。
常見的鉛的回收方法包括高溫冶煉法和濕式冶金法，高溫冶煉法是將電池中的二氧化鉛、硫酸鉛、氧化鉛等一同在冶金爐中還原成鉛，但這種方法能耗較高，且會產(chǎn)生二氧化硫以及高溫鉛塵等二次污染物。而濕式冶金法是在溶液條件下加入還原劑將所有鉛的化合物還原成鉛。這種方法回收效果好、環(huán)保但成本卻較高。
應用領域
交通領域
鉛酸電池技術起源較早，發(fā)展較為成熟，因此其在很早期就作為動力電池驅(qū)動電車的行駛，其成本低、安全性高、大電流放電能力強，但能量密度較低，因此目前主要應用于車內(nèi)的低壓系統(tǒng)電源為車內(nèi)電子元件提供能量，包括車內(nèi)的冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及啟動系統(tǒng)，也可以應用于對性能要求不大的電動自行車、巡警車、叉車等電動車輛中。
儲能領域
為了進一步降低對不可再生能源（煤、石油、天然氣）的依賴，可再生能源（風能、太陽能等）的發(fā)電受到了廣泛的關注，但這些可再生能源發(fā)電存在著一定的波動性和間歇性，不能直接將獲取的電能傳輸?shù)诫娋W(wǎng)上，會造成電網(wǎng)的波動，因此需要通過儲能電池儲存一部分可再生能源轉(zhuǎn)換的電能，在電網(wǎng)側(cè)負載較高時供給電能，儲能系統(tǒng)對能量密度和功率密度要求都不大，鉛酸電池較低的成本以及較高的安全性決定了其在儲能系統(tǒng)中的大規(guī)模應用。
其它領域
鉛酸電池技術發(fā)展最為成熟，因此其可以廣泛應用備用電源、不間斷電源（UPS）、通訊設備電源、便攜式電子設備等諸多領域中。
發(fā)展趨勢
盡管閥控式密封鉛酸電池在一定程度上提高了鉛酸電池的性能，但由于鉛酸電池固有的電池特性，決定了其能量密度一定會遠低于鋰離子電池，鉛酸電池最主要的優(yōu)點就是技術成熟成本低、高安全性以及強的大電流放電能力，因此鉛酸電池未來主要的應用領域仍然會是大規(guī)模的電網(wǎng)儲能系統(tǒng)以及汽車的啟動系統(tǒng)。
鉛酸電池未來的發(fā)展趨勢為進一步提高電池的可靠性和循環(huán)壽命，以成為“永久電池”，并盡可能增加電池的能量密度和功率密度，通過使用碳材料取代鉛網(wǎng)絡和電極活性層來增加反應面積、材料利用率以及充電速度，降低電池重量的鉛碳電池是主要的研究方向，澳大利亞Battery Energy公司與CSIRO合作研發(fā)了采用固態(tài)膠體電解質(zhì)的的長壽命免維護BE膠體電池，適用于全球各種工況。同時，必須加強鉛酸電池行業(yè)的管理規(guī)范，建立完備的廢舊電池回收體系，開發(fā)電池材料的循環(huán)利用技術，從而取得更高的經(jīng)濟效益和社會效益，使鉛酸電池得到更加廣泛的應用。
參考資料 >