铅酸蓄电池综述

第一节 铅酸蓄电池起源

GastonPlante于1859年在法国科学院展示了第一个铅酸蓄电池。和碱锰电池一样，电池反应的化合物没有改变，还是最先被发明时的样子，但是内部设计、铅合金的组成、包装材料以及工作方式都发生了完全的改变。通过以下工程技术的改进，车辆启动电池（SLI）功率密度显著提高：1）采用聚丙烯取代硬质橡胶来作为薄壁箱体的材料，能够剩余出更多空间来安装电池极板，2）电池内部连接采用穿壁焊降低了内阻并且增加了活性物质的容量，3）更薄的聚合物隔膜进一步降低了内阻并且增强了电池启动引擎时的功率，4）采用含钙的合金作为板栅材料，能够使得电池在使用期间无需维护。

贝尔实验室采用圆形电池结构来为电话中继局提供长时间有效的后备电源。这种电源在70年代中期商业化。它到现在已经有了很长的卓越表现历史，为建立可信赖的电话通讯系统做出了重要贡献。

小型低维护铅酸蓄电池采用凝胶电解质来避免漏液，用作移动设备电源。不久以后，商业化的卷绕式的圆柱电池就在美国出现了，它用玻璃毡来吸纳电解质酸。这种电池在以高电压、低成本在紧急照明和其他需要考虑预算的领域取代了密封镍镉电池。两项新的技术，称为阀控铅酸蓄电池（VRLA）技术，从数个安培小时到几千个安培小时的几乎所有的铅酸蓄电池上应用了。采用了新的板栅合金和水基涂布过程，因此在化成时必须很小心，来保证电池能够有长的循环寿命。采用薄电极的电池组能够提供相当打的电流。电池组从一开始就用作紧急照明的后备电源和通信电源。现在它还用于启动、照明和点火（SLI）。

电池根据SLI和电动车的不同需要而分别设计。启动电池工作在低放电深度但是高倍率而电动车电池需要在小一些的电流下面工作更长时间，达到更深的放电深度。在汽车上增加各种电子设备的的趋势现在达到了一个瓶颈，目前的SLI电池负荷有限无法提供设备的能量和功率的需求。因此，电池工业正准备通过增加一个36V的VRLA电池来和原来的12V富液电池一起组成一个42V的电源体系。新的36V电池通常是缠绕结构，具有高的表面积和高的功率输出能力。这个新系统将在未来的10年内普及，达到减少车辆燃料消耗和增加新的舒适、安全设备的目的。

能量存储和不间断后备电源越来越多的被用于各种用途，因为电网会老化，变得越来越不可靠。发电系统和电压转换系统受到环境的局限，对可靠电源需求的增加和对安全相关的电源需求的增加使得能量存储电源系统的市场增大。一个持续运行的计算机互联网络需要可靠度极高的电源，因此，一个包含后备电池的电源调节电路能够防止断电、过压、电峰值、欠电压等等情况。和主电网相连的电池系统已经达到了40MW的水平。甚至脱离电网无需电压转换系统的直接给用户供能的燃料电池系统也需要铅酸电池来达到最佳工作状态。燃料电池系统在一个恒定负载的情况下能够更有效率的工作，但是家庭用户在电器设备开关的时候总会造成电能的脉冲。铅酸电池能够消除一半这样的脉冲来减小设备的损耗和燃料的使用。铅酸电池还要为燃料电池的启动提供动力。

可再生能源系统，如太阳能和风能需要电池来存储电能以便能够在晚上和阴天使用。在这些体系中，富液电池和VRLA电池都能够用于这些体系。很多这样的系统不跟主电网相连。这些偏远地区的电源供应（RAPS）一般0.1到10KW但是需要一个容量在1到100KWh的电池。大型电池的操作、在偏远地区安置电池和恶劣的环境给储能电池系统的设计带来了新的挑战。高额维护费用促成了远距离监控设备的发展。监视和控制电池充电状态的方法和评估电池寿命的方法在不断进步。在恶劣的环境中，交互式电子控制器能够根据温度调整充电电压和限制充电电流来最大限度地增加VRLA电池的寿命和安全。

在很多设备中，电池只放电到50％或者远低于它们的容量但是几乎从不充满。铅酸蓄电池在这种部分充电状态（PSOC）模式下和原来相比将会有多种失效的模式。这些新出现的失效原因给电池设计者带来了新的挑战。研究这些失效模式的电化学机理，改进电池隔膜、电极添加剂和集流体的铅合金材料等能够增强电池的性能和寿命。

尽管超过96％的铅酸电池会被回收，但是仍然需要延长它们的寿命。目前，对所有类型的车辆的研究显示铅酸蓄电池的寿命能够显著的延长。通过添加特殊的碳和聚合物添加剂能够使低性能电池和失效电池重新使用。

第二节 铅酸蓄电池的分类

按蓄电池极板结构分类：有形成式、涂膏式和管式蓄电池。

按蓄电池盖和结构分类：有开口式、排气式、防酸隔爆式和密封阀控式蓄电池。

按蓄电池维护方式分类：有普通式、少维护式、免维护式蓄电池。

按我国有关标准规定主要蓄电池系列产品有：

起动型蓄电池：主要用于汽车、拖拉机、柴油机船舶等起动和照明。

固定型蓄电池：主要用于通讯、发电厂、计算机系统作为保护、自动控制的备用电源。

牵引型蓄电池：主要用于各种蓄电池车、叉车、铲车等动力电源。

铁路用蓄电池：主要用于铁路内燃机车、电力机车、客车起动、照明之动力。

摩托车蓄电池：主要用于各种规格摩托车起动和照明。

煤矿用蓄电池：主要用于电力机车牵引动力电源。

储能用蓄电池：主要用于风力、水力发电电能储存。

第三节 铅酸蓄电池工作原理及制造工艺

一、铅酸蓄电池工作原理

铅酸蓄电池正极活性物质是二氧化铅，负极活性物质是海绵铅，电解液是稀硫酸溶液，其放电化学反应为二氧化铅、海绵铅与电解液反应生成硫酸铅和水，Pb（负极）+PbO2（正极）+2H2SO4====2PbSO4+2H2O（放电反应)其充电化学反应为硫酸铅和水转化为二氧化铅、海绵铅与稀硫酸。2PbSO4+2H2O====Pb（负极）+PbO2（正极）+2H2SO4(充电反应)铅酸蓄电池单格额定电压为２.0V，一般串联为６V、１２V用于汽车、摩托车启动照明使用，单替电池一般串联为４８Ｖ、９６Ｖ、１１０或２２０Ｖ用于不同场合。电池内正、负极板间采用电阻极低、杂质少成分稳定离子能通过的橡胶、ＰＶＣ、ＰＥ或ＡＧＭ隔板。

二、铅酸蓄电池工艺流程及主要设备

铅粉制造è板栅铸造è极板制造è极板化成è装配电池

铅粉制造设备：铸粒机或切段机、铅粉机及运输储存系统（推荐：沈阳电工机械联合公司）

板栅铸造设备：熔铅炉、铸板机及各种模具（推荐：沈阳巨谷蓄电池设备研究所）

极板制造设备：和膏机、涂片机、表面干燥、固化干燥系统等（推荐：风帆机电设备公司）

极板化成设备：充放电机（推荐：张家港金帆电源有限公司）、

水冷化成及环保设备（推荐：无锡三环实业有限公司）

装配电池设备：汽车蓄电池、摩托车蓄电池、大中小型密封阀控铅酸蓄电池装配线（推荐：南京先特自动化设备有限公司）

电池检测设备：各种电池性能检测（推荐：贵州机电装备研究所）

三、典型铅酸蓄电池工艺过程概述

铅酸蓄电池主要由电池槽、电池盖、正负极板、稀硫酸电解液、隔板及附件构成。工艺制造简述如下：

铅粉制造：将1#电解铅用专用设备铅粉机通过氧化筛选制成符合要求的铅粉。

板栅铸造：将铅锑合金、铅钙合金或其他合金铅通常用重力铸造的方式铸造成符合要求的不同类型各种板板栅。

极板制造：用铅粉和稀硫酸及添加剂混合后涂抹于板栅表面再进行干燥固化即是生极板。

极板化成：正、负极板在直流电的作用下与稀硫酸的通过氧化还原反应生产氧化铅，再通过清洗、干燥即是可用于电池装配所用正负极板。

装配电池：将不同型号不同片数极板根据不同的需要组装成各种不同类型的蓄电池。

备注：各单位因工艺条件不同可选择不同的流程。

（一）板栅铸造简介

板栅是活性物质的载体，也是导电的集流体。普通开口蓄电池板栅一般用铅锑合金铸造，免维护蓄电池板栅一般用低锑合金或铅钙合金铸造，而密封阀控铅酸蓄电池板栅一般用铅钙合金铸造。

第一步：根据电池类型确定合金铅型号放入铅炉内加热熔化，达到工艺要求后将铅液铸入金属

模具内，冷却后出模经过修整码放。

第二步：修整后的板栅经过一定的时效后即可转入下道工序。

板栅主要控制参数：板栅质量；板栅厚度；板栅完整程度；板栅几何尺寸等；

（二）铅粉制造简介

铅粉制造有岛津法和巴顿法，其结果均是将1#电解铅加工成符合蓄电池生产工艺要求的铅粉。铅粉的主要成份是氧化铅和金属铅，铅粉的质量与所制造的质量有非常密切的关系。在我国多用岛津法生产铅粉，而在欧美多用巴顿法生产铅粉。

岛津法生产铅粉过程简述如下：

第一步：将化验合格的电解铅经过铸造或其他方法加工成一定尺寸的铅球或铅段；

第二步：将铅球或铅段放入铅粉机内，铅球或铅段经过氧化生成氧化铅；

第三步：将铅粉放入指定的容器或储粉仓，经过2-3天时效，化验合格后即可使用。

铅粉主要控制参数:氧化度；视密度；吸水量；颗粒度等；

（三）极板制造简介

极板是蓄电池的核心部分，其质量直接影响着蓄电池各种性能指标。涂膏式极板生产过程简述如下：

第一步：将化验合格的铅粉、稀硫酸、添加剂用专用设备和制成铅膏；

第二步：将铅膏用涂片机或手工填涂到板栅上；

第三步：将填涂后的极板进行固化、干燥，即得到生极板。

生极板主要控制参数:铅膏配方；视密度；含酸量；投膏量；厚度；游离铅含量；水份含量等。

（四）装配工艺简介

蓄电池装配对汽车蓄电池和密封阀控铅酸蓄电池有较大的区别，密封阀控铅酸蓄电池要求紧装配一般用AGM隔板,而汽车蓄电池一般用PE、PVC或橡胶隔板。装配过程简述如下：

第一步：将化验合格的极板按工艺要求装入焊接工具内；

第二步：铸焊或手工焊接的极群组放入清洁的电池槽；

第三步：汽车蓄电池需经过穿壁焊和热封后即可,而密封阀控铅酸蓄电池若采用ABS电池槽需用专用粘合剂粘接。

电池装配主要控制参数:汇流排焊接质量和材料；密封性能、正、负极性等。

（五）化成工艺简介

极板化成和蓄电池化成是蓄电池制造的两种不同方法，可根据具体情况选择。极板化成一般相对较容易控制成本较高且环境污染需专门治理。蓄电池化成质量控制难度较大，一般对所生产的生极板质量要求较高，但成本相对低一些。密封阀控铅酸蓄电池化成简述如下：

第一步：将化验合格的生极板按工艺要求装入电池槽密封；

第二步：将一定浓度的稀硫酸按规定数量灌入电池；

第三步：经放置后按按规大小通直流电，一般化成后需进行放电检查配组后入库准备出厂。

电池化成主要控制参数:罐酸量；罐酸密度；罐酸温度；充电量和时间等。

（六）使用与维护

铅酸蓄电池以其制造工艺简单、原材料来源丰富、价格适中在二次化学电源中起着不可替代的作用，特别是阀控电池的出现又使传统的蓄电池焕发出了勃勃生机。蓄电池使用寿命与制造有着密切的关系，同时与使用方法也有很大的影响，正确掌握的使用方法对延长蓄电池的寿命大有益处。对于传统开口式蓄电池日常须对以下几方面注意：

①电解液的数量、密度以及充电程度等方面加以注意，尤其是与其密切相关的充电系统特别关心，若充电量较大则蓄电池失水多，容易造成极板的活性物质脱落，造成底部短路使电池内部温度较高而缩短寿命，若充电量较小则容易造成电池的亏电，蓄电池在长期亏电的情况下，可导致极板的不可逆硫酸盐化，其表现是充电过程电压上升较快，很短时间完成，放电时电压下降迅速。

②电解液的纯度，一般采用蓄电池专用电解液或补充液灌注，严禁用普通硫酸和自来水替代。

③日常使用表面保持清洁，排气口畅通。

④放置不用时应先充满电，同时三个月进行一次补充电。

对于密封阀控铅酸蓄电池日常须对以下几方面注意：

①注意充电电压的范围浮充使用时电压一般控制在2.15±0.1V/单格，循环使用时电压一般控制在2.35±0.1V/单格，若说明书有要求时应按说明书操作。

②注意使用环境温度，一般不超过30度为宜。温度变化较大时应加强对电压的调节。

③对于不同厂家的产品不可混用，同一厂家的产品新旧不可混用。