什么是铅酸蓄电池？详解铅酸蓄电池
来源：宝鄂实业
2019-04-14 13:53
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1859年法国物理学家普兰特(Gaston Plante)发明了铅酸电池。他于1860年向法国科学院送交样品，这种电池利用两个陶块铅皮，以橡胶片隔开，中间用橡胶条隔开，浸在10％的稀疏酸中。这种电池的独特之处是，当电池使用一段使电压下降时，可以改变电池的正负极，使电池电压回升。如此反复进行，所得产品能以比当时任何一次电池更大的电流放电。
1873年，西门子发明直流发电机，因为这种铅酸电池能充电，可以反复使用，所以称它为“蓄电池”，又称二次电池。
1881年英国物理学家福特采用糊状氧化铅技术，铅的氧化物(一氧化铅或四氧化铅)以稀硫酸合成铅膏，涂在具有许多凹凸面的铅板上，放在稀硫酸中进行电解而形成极板，这样可在短时间内得到较大容量的极板。
1881，英国人色隆(Sellon)发明了铅锑合金板栅，这种板栅与富尔涂粉方法结合，出现了所谓涂膏式极板。这种生产方法简易可行，大大便利于生产。涂膏式极板进一步发展，另外又产生了管式的极板。
1882年，格拉斯顿和特拉普提出了双极硫化理论，从此建立了公认的铅蓄电池工作原理；
1883年，图德发现在稀硫酸中加腐蚀剂如过氯酸钾等，制成正极板的方法；虽然生产仍比涂膏式复杂，耗铅也多，但寿命特长。
1911年，开始生产铅蓄电池。铅酸电池是世界上第一个商业化应用的可再充电池。铅酸蓄电池生产受到两项大的推动力：一是汽车开始用它来做起动、照明、点火三项任务；二是电话业采用铅酸蓄电池作为备用电源。从此以后铅酸蓄电池用在汽车、摩托车、铁道、矿山、通信等工业，开站稳了脚跟—直到现在。
二、铅酸电池的原理
铅酸电池的基本结构是将二氧化铅和金属铅制成的电极插入到稀硫酸溶液中。它以海绵状的铅作为负极，二氧化铅作为正极，用硫酸水溶液作为电解液，它们共同参与电池的电化学反应。当电路接通时，正极的二氧化铅得到电子变成硫酸铅，而负极的铅失去电子，也变成硫酸铅。当铅和二氧化铅固体都变成硫酸铅后，电池没电了。如果这个时候我们将两边的硫酸铅分别与外加电源相连，在电流的作用下，连接电源正极的硫酸铅失去电子变成二氧化铅，而连接电源负极的硫酸铅得到电子变成铅。也就是说，电池的电量又重新被充满了。
因此化学反应原理如下：PbO₂+2H₂SO₄+Pb→放电—充电←PbSO₄+2H₂O+PbSO₄。从反应结果看，在放电时正极和负极均生成硫酸铅。依照这一反应方程式建立的理论就是双极硫酸盐化理论。正常情况下，所生成的硫酸铅结构疏松，并且其晶体非常细小，电化学活性很高，这种活性很高的硫酸铅在充电时可以在电流作用下重新生成正极的二氧化铅和负极的海绵状铅。通过这种稳定的可逆过程，电池实现了储存电能和释放电能的作用。
铅蓄电池放电时，稀硫酸硫酸成份从电解液中释出生成硫酸铅。放电愈久，硫酸浓度愈稀薄。所消耗之硫酸与放电量成比例，只要测量溶液密度推测其浓度，即可得知放电量或残余电量。在充电时，硫酸铅被分解还原成硫酸，因此电池内电解液的浓度逐渐增加, 亦即电解液之密度上升，并逐渐回复到放电前的浓度。
铅酸蓄电池自发明后，在化学电源中一直占有绝对优势。这是因为其价格低廉、原材料易于获得，使用上有充分的可靠性，适用于大电流放电及广泛的环境温度范围等优点。
三、铅酸电池的缺陷
但是活性硫酸铅生成后的一段时间内活性很强。如果这段时间内未充电，未能及时转化为海绵状铅和二氧化铅，活性硫酸铅会再结晶成为颗粒较大的晶体。颗粒度大的硫酸铅表面积比活性硫酸铅少很多，难溶解，充电时也不能再很容易地还原成海绵状铅和二氧化铅，形成了不可逆的硫酸盐化。此外因为正负极板每次放电时均会形成一部分难溶性硫酸铅，随着充放电次数的增加，难溶性硫酸铅的数量会越积越多，使正负极板的导电性锐减，内阻增大，蓄电池的充放电能力大幅度降低。随着时间的推移，极板上结晶的不可逆硫酸铅累积到一定程度(容量下降到70%以下)，最终导致蓄电池彻底报废。
除了硫酸铅变成颗粒状硫酸铅导致其表面积减少，进而引起电量损失意外。硫酸盐化严重时，结晶硫酸铅附着在电极表面，阻挡了电解液与涂层活性物质的反应，造成内阻增大，电解液温度过高，引起热失控现象。此外，在铅蓄电池在充电过程中，正极除了有硫酸铅转变为二氧化铅以外，还有氧析出反应，特别是电池的充电后期，当电池容量达到80%时，氧的析出反应更为剧烈，而阴极板就产生氢。尤其充电到最后阶段时，电流几乎都用在水的电解。因此，最早期的铅酸电池采用开口式，这种铅酸蓄电池最明显的特征是其顶部有可拧开的塑料密封盖，上面还有通气孔。这些注液盖是用来加注纯水、检查电解液和排放气体之用。
开口式铅酸蓄电池，内部有流动的电解液，内部硫酸溶液在使用运输过程容易溢出，因此搬运很不方便，特别是蓄电池所用液体是硫酸，对使用者有一定的危险性，如酸液腐蚀衣服。此外充电后期时会析出气体，气体溢出时常常携带酸雾，腐蚀周围设备，灼伤皮肤，损毁设备等。传统的铅酸蓄电池, 因为电解导致水分减少, 同时产生氢气和氧气, 硫酸以小液滴的形式随同气体一起溢出，所以需要定期检测和维护电池,使电解液保持在适当的水平。因此开口式铅酸电池需要经常加酸、加水，维护工作繁重，使用不便。开口式普通铅蓄电池生产能力已经在2013年底前强制淘汰。
四、铅酸电池的改进
氧和氢气的产生使电池内部失水，电解液密度发生变化，也使电池难以密封。从铅酸蓄电池诞生以来，人们都一直在寻求电池的密封，以此减少对电池的维护。1912年美国爱迪生(Thomas Edison)发表专利，提出在单体铅酸电池的上部空间使用铂丝，在有电流通过时，铂被加热，成为氢、氧化合的催化剂，使析出的氢气与氧气重新化合，返回电解液中。但是该专利并未能转化为使用产品，主要是因为下面三个原因：①铂催化剂很快失效；②气体不是按氢2氧1的化学计量数析出，电池内部仍有气体发生；③存在爆炸的危险。
二十世纪六十年代，美国Gates公司发明铅钙合金。这种钙铅合金，钙含量仅0.1%左右，氢和氧在该合金板上有较高的析出超电势。利用这种合金制造铅酸蓄电池骨架，水分解的速度减小，铅酸蓄电池失水缓慢，在一定程度上解决了电池充电失水问题，可以达到少维护或免维护的技术要求。这个技术使铅酸蓄电池可以采用密封结构，解决了电池漏酸、腐蚀、维护问题，电池性能大大提高，开创了铅蓄电池发展历史上的一个新的里程碑。
在发明铅钙合金的同时，John Devitt发明了微纤维玻璃棉毡。1971年，美国 Gates 公司发明了吸液式超细玻璃棉隔板(Absorbent Glass Mat)技术，AGM隔板由微纤维玻璃棉制成，所以兼具玻璃和纤维的特性。吸液隔板将酸保持在内，电池内部没有自由酸液，因此电池可放置在任意位置。吸附式 AGM 隔板还提供充电时正极生成的氧气可以渗透到负极的通道，氧气可透过隔板在负极上再化合成水，从实践上解决了电池内部氧气的复合循坏问题。1975年，Gates Rutter公司经过多年研发，获得了一项D型密封铅酸干电池的发明专利，这项专利成为今天闸控式铅酸电池(简称VRLA)的原型。
