鉛酸蓄電池的發(fā)展及應(yīng)用

日期：2025-12-15 15:27

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摘要：　　鉛酸蓄電池是1859年由普蘭特(Plante)發(fā)明的，至今已有一百五十年的歷史。鉛酸蓄電池自發(fā)明后，在化學(xué)電源中一直占有優(yōu)良優(yōu)勢。這是因為其原材料易于獲得，價格低廉，使用上有充分的可靠性，適用于大電流放電及廣泛的環(huán)境溫度范圍等優(yōu)點。

　　鉛酸蓄電池是1859年由普蘭特(Plante)發(fā)明的，至今已有一百五十年的歷史。鉛酸蓄電池自發(fā)明后，在化學(xué)電源中一直占有優(yōu)良優(yōu)勢。這是因為其原材料易于獲得，價格低廉，使用上有充分的可靠性，適用于大電流放電及廣泛的環(huán)境溫度范圍等優(yōu)點。

到20世紀(jì)初，鉛酸蓄電池歷經(jīng)了許多重大的改進(jìn)，提高了能量密度、循環(huán)壽命、高倍率放電等性能。然而，開口式鉛酸蓄電池有兩個主要缺點：一是充電末期水會分解為氫，氧氣體析出，需經(jīng)常加酸、加水，維護(hù)工作繁重；二是氣體溢出時攜帶酸霧，腐蝕周圍設(shè)備，并污染環(huán)境，限制了電池的應(yīng)用。近二十年來，為了解決以上的兩個問題，世界各國競相開發(fā)密封鉛酸蓄電池，希望實現(xiàn)電池的密封，獲得干凈的綠色能源。

1912年ThomasEdison發(fā)表磚利，提出在單體電池的上部空間使用鉑絲，在有電流通過時，鉑被加熱，成為氫、氧化合的催化劑，使析出的H2與O2重新化合，返回電解液中。但該磚利未能付諸實現(xiàn)：主要原因有如下三點，一是鉑催化劑很快失效；二是氣體不是按氫2氧1的化學(xué)計量數(shù)析出，電池內(nèi)部仍有氣體存在；三是存在爆炸的危險。20世紀(jì)60年代，世界各大電池公司投入大量人力物力進(jìn)行開發(fā)。1969年，美國登月計劃實施，密封閥控鉛酸蓄電池和鎘鎳電池被列入月球車用動力電源，*后鎘鎳電池被采用，但密封鉛酸蓄電池技術(shù)從此得到迅速發(fā)展。隨著電信業(yè)的飛速發(fā)展，VRLA電池在電信部門也得到了迅速推廣使用。1991年，英國電信部門對正在使用的VRLA電池進(jìn)行了檢查和測試，發(fā)現(xiàn)VRLA電池并不象廠商宣傳的那樣性能先進(jìn)穩(wěn)定可靠，電池出現(xiàn)了熱失控、燃燒和早期容量失效等現(xiàn)象，這引起了電池工業(yè)界的廣泛討論，并對VRLA電池的發(fā)展前途、容量監(jiān)測技術(shù)、熱失控和可靠性表示了疑問，此時，VRLA電池市場占有率還不到富液式電池的50％，原來提到的“密封免推護(hù)鉛酸電池”名稱正式被“VRLA電池”取代，原因是VRLA電池是一種還需要管理的電池，采用“免維護(hù)”容易引起誤解。針對這些問題，電池專家和生產(chǎn)廠家的技術(shù)員紛紛發(fā)表文章提出對策和看法，這些文章對VRLA電池的發(fā)展和推廣應(yīng)用起了很大的促進(jìn)作用。1992年，世界上VRLA電池用量在歐洲和美洲都大幅度增加，在亞洲國家電信部門提倡全部采用VRLA電池；1996年VRLA電池基本取代傳統(tǒng)的富液式電池，VRLA電池已經(jīng)得到了廣大用戶的認(rèn)可。

2閥控式鉛酸蓄電池的定義

閥控式鉛酸蓄電池的英文名稱為ValveRegulatedLeadAcidBattery(簡稱VRLA電池)，其基本特點是密封結(jié)構(gòu)，使用期間不用加酸加水維護(hù)，不會漏酸，正確使用也不會向空氣中排放酸霧，單體電池的上部設(shè)有**閥，該閥的作用是當(dāng)電池內(nèi)部氣體量超過一定壓力時，排氣閥自動打開，排出氣體，防止因電池內(nèi)部壓力過大而引起電池殼體破裂或爆炸，待壓力達(dá)到平衡后自動關(guān)閥，防止空氣進(jìn)入電池內(nèi)部。

3閥控式鉛酸蓄電池的分類

閥控式鉛酸蓄電池分為AGM和GEL（膠體）電池兩種，AGM采用吸附式玻璃纖維棉(AbsorbedGlassMat)作隔膜，電解液吸附在極板和隔膜中，貧液設(shè)計，電池內(nèi)無流動的電解液,電池可以立放工作，也可以臥放工作；膠體（GEL）SiO2作凝固劑，電解液吸附在極板和膠體內(nèi)，一般立放工作。目前文獻(xiàn)和會議討論的VRLA電池除非特別指明，一般是指AGM電池。

4鉛酸電池的工作原理

4.1開口式鉛酸電池的工作原理

鉛酸電池是一種使用*廣泛的蓄電池，它以海綿狀的鉛作為負(fù)極，二氧化鉛作為正極，用硫酸水溶液作為電解液，它們共同參與電池的電化學(xué)反應(yīng)。化學(xué)反應(yīng)原理如下：

PbO2+2H++2HSO4-+Pb→2PbSO4+2H2O

從反應(yīng)原理可以看到，在放電時，正負(fù)極材料都與電解液中的硫酸反應(yīng)生成硫酸鉛，正常情況下，所生成的硫酸鉛結(jié)構(gòu)疏松，并且其晶體非常細(xì)小，電化學(xué)活性很高，這種活性很高的硫酸鉛在充電時可以在電流作用下重新生成正極的二氧化鉛和負(fù)極的海綿狀鉛。通過這種穩(wěn)定的可逆過程，電池實現(xiàn)了儲存電能和釋放電能的作用。

放電時生成硫酸鉛的過程亦稱為“鹽化反應(yīng)”、“硫化反應(yīng)”，這種硫酸鹽生成后的一段時間內(nèi)活性很強。如果這段時間內(nèi)未充電，未能及時轉(zhuǎn)化為海綿狀鉛和二氧化鉛。隨溫度下降，活性的硫酸鉛會再結(jié)晶成為顆粒較大的晶體。這種白色粗晶粒硫酸鉛導(dǎo)電性能很差，難溶解，充電時也不能再很容易地還原成海綿狀鉛和二氧化鉛，形成了不可逆的硫酸鹽化，嚴(yán)重時，這些結(jié)晶體附著在電極表面，阻擋了電解液與涂層活性物質(zhì)的反應(yīng)，造成內(nèi)阻增大，容量下降，電解液溫度過高，O2、H2溢出而失水，電極柵板變形，活性物質(zhì)脫落，單格電池短路或斷路等惡性循環(huán)發(fā)生。

4.2閥控式鉛酸電池的工作原理

電池充電過程中存在水分解反應(yīng)，當(dāng)正極充電到70％時，開始析出氧氣，負(fù)極充電到90％時開始析出氫氣。閥控式鉛酸蓄電池能在電池內(nèi)部對氧氣再復(fù)合利用，同時抑制氫氣的析出，克服了傳統(tǒng)式鉛酸蓄電池的主要缺點。

閥控式鉛酸蓄電池采用負(fù)極活性物質(zhì)過量設(shè)計，正極在充電后期產(chǎn)生的氧氣通過空隙擴(kuò)散到負(fù)極，與負(fù)極海綿狀鉛發(fā)生反應(yīng)，使負(fù)極處于去極化狀態(tài)或充電不足狀態(tài)，達(dá)不到析氫過電位，所以負(fù)極不會由于充電而析出氫氣，電池失水量很小，故使用期間不需加酸加水維護(hù)。在閥控式鉛酸蓄電池中，負(fù)極起著雙重作用，即在充電末期或過充電時，一方面極板中的海綿狀鉛與正極產(chǎn)生的O2反應(yīng)而消耗氧氣，另一方面是極板中的硫酸鉛又要接受外電路傳輸來的電子進(jìn)行還原反應(yīng)，由硫酸鉛反應(yīng)成海綿狀鉛。在電池內(nèi)部，若要使氧的復(fù)合反應(yīng)能夠進(jìn)行，必須使氧氣從正極順暢的擴(kuò)散到負(fù)極。氧的移動過程越容易，氧循環(huán)就越容易建立。在閥控式蓄電池內(nèi)部，氧以兩種方式傳輸：一是溶解在電解液中的方式，即通過在液相中的擴(kuò)散，到達(dá)負(fù)極表面；二是以氣相的形式擴(kuò)散到負(fù)極表面。傳統(tǒng)富液式電池中，氧的傳輸只能依賴于氧在正極區(qū)H2SO4溶液中溶解，然后依靠在液相中擴(kuò)散到負(fù)極。如果氧呈氣相在電極間直接通過開放的通道移動，那么氧的遷移速率就比單靠液相中擴(kuò)散大得多。充電末期正極析出氧氣，在正極附近有輕微的過壓，而負(fù)極化合了氧，產(chǎn)生一輕微的真空，于是正、負(fù)間的壓差將推動氣相氧經(jīng)過電極間的氣體通道向負(fù)極移動。閥控式鉛蓄電池的設(shè)計提供了這種通道，從而使閥控式電池在浮充所要求的電壓范圍下工作，而不損失水。

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