铅酸蓄电池基础知识培训

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1、铅酸蓄电池基础介绍：化学电源的发展化学电源，是一种将化学能转化为电能的装置，自 1859 年普兰特（R,G,Plante）试制成功铅酸电池，1868 年法国勒克朗谢（G,lechance）制成锌锰干电池以来，化学电源经历了 100 多年的发展历史，现已形成独立完整的科技与工业体系，全世界已有 1000 多种不同系列和型号规格的电池产品。化学电源已成为人民生活中应用极为广泛的方便能源。今天，人造卫 星、宇宙 飞船、火车、汽车、潜艇、鱼雷、 军用导弹、火箭、飞机，哪一样都离不开电源技术的发展。电源技 术的进步，大大加速了现代移动通信、家用电器乃至儿童玩具的发展速度。随着高新技术的发展和为了保护人类

2、生存的环境，对新型化学电源又提出了更高的要求。可以预言：产量大、价格低、 应用范围广的 锌- 锰电池， 铅酸蓄电池仍将占有世界上电池的大部分市场，并且近年来市场保持 10%的增长,而性能优越的锂离子电池，金属氢化物-镍电池，可充无汞碱性锌- 锰电池，燃料 电池将是 21 世纪最受欢迎的绿色电池并挤占电池市场。随着人民生活水平的提高和电池技术的发展，以电池为能源的电动自行车将代替摩托车,电动汽车将逐步取代燃油汽车，新型化学电源的时代已经到来。铅酸蓄电池的发展历史蓄电池是 1859 年由普兰特（Plante）发明的，至今已有一百多年的历史。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

3、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。到 20 世纪初，铅酸蓄电池历经了许多重大的改进，提高了能量密度、循 环寿命、高倍率放电等性能。然而，开口式铅酸蓄电池有两个主要缺点：充电末期水会分解为氢、氧气体析出，需经常加酸、加水，维护工作繁重；气体溢出 时携带酸雾，腐蚀周围设备，并污染环境，限制了电池的应用。近二十年来，为了解决以上的两个问题，世界各国竞相开发密封铅酸蓄电池，希望实现电池的密封， 获得干净的绿色能源。1912 年 Thomas Edison 发表专利，提出在 单体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

4、催化剂，使析出的 H2 与 O2 重新化合，返回电解液中。但该专利未能付诸实现：铂 催化剂很快失效；气体不是按 氢 2 氧 1 的化学计量数析出，电池内部合仍有气体发生；存在爆炸的危险。 60 年代，美国 Gates 公司发明铅钙合金，引起了密封铅酸蓄电池开发热，世界各大电池公司投入大量人力物力进行开发。1969 年，美国登月计划实施，密封 阀控铅酸蓄电池和镉镍电池被列入月球车用动力电源，最后 镉镍电池被采用，但密封铅酸蓄电池技术从此得到发展。1969-1970 年，美国 EC 公司制造了大约 350，000 只小型密封铅酸蓄电池，该电池采用玻璃纤维棉隔板，贫液式系统，这是最早的商业用阀控式铅

5、酸蓄电池，但当时尚未认识到其氧再化合原理。1975 年，Gates Rutter 公司在经过许多年努力并付出高昂代价的情况下， 获得了一项 D 型密封铅酸蓄电池的发明专利，成为今天 VRLA 的电池原型。1979 年，GNB 公司在购买 Gates 公司的专利后，又发明了 MFX 正板栅专利合金，开始大 规模宣传并生产大容量吸液式密封免维护铅酸蓄电池。1984 年，VRAL 电池在美国和欧洲得到小范 围应用。1987 年，随着电信业的飞速发展， VRLA 电池在电信部门得到迅速推广使用。1991 年，英国电信部门对正在使用的 VRLA 电池进行了检查和测试，发现 VRLA 电池并不象厂商宣传的

6、那样，电池出现了热失控、燃烧和早期容量失效等现象， 这引起了电池工业界的广泛讨论，并对VRLA 电池的发展前途、容量 监测技术、 热失控和可靠性表示了疑问，此时，VRLA 电池市场占有率还不到富液式电池的 50，原来提到的“密封免维护铅 酸电池”名称正式被“VRLA 电池”取代，原因是 VRLA电池是一种还需要管理的电池，采用“免维护”容易引起误解。1992 年，针对 1991 年提出的问题， 电池专家和生产厂家的技术员纷纷发表文章提出对策和看法，其中Dr Darid Feder 提出利用测电导的方法对 VRLA 电池进行监测。I.c.Bearinger 从技术方面评述 VRLA 电池的先进性

7、。这此文章对 VRLA 电池的发展和推广应用起了很大的促进作用。1992 年，世界上 VRLA 电池用量在欧洲和美洲都大幅度增加，在亚洲国家电信部门提倡全部采用VRLA 电池；1996 年 VRLA 电池基本取代传统的富液式电池，VRLA 电池已经得到了广大用户的认可。（二）化学电源的分类一、一次化学电源一次电池生产历史最久，产量最大， 应用最广， 这 种电池不能用简单方法再生，不能充电，用后废弃。二、镉-镍电池镉-镍电池是 1899 年瑞典尤格尔（W,Jungner）发明的，可满足大功率放电的要求，用于导弹，火箭及人造卫星的能源系统。镉-镍电池的最大特点：循环寿命长：可达 20004000

8、次，电池结构紧凑，牢固，耐冲击性，耐振动，自放电较小，性能 稳定可靠，可大电流放电，使用温度范围宽（-40+40），缺点：电流效率，能量效率，活性物质利用率较低，价格 较贵。三、氢-镍电池高压氢-镍电 池是 20 世纪 70 年代补由美国的 M.Klein 和 J,F,Sfockel 首先研制，具有较高的比能量，寿命长，耐过充过放，反极以及可以通过氢压来指示荷电状态等优点。其缺点： 1.容器需要耐高氢压，一般充电后氢压达 3-5Mpa，这就需要用较重耐压容器，降低了电池的体积比能量及质量比能量；2.自放电较大；3.不能漏气，否则电池容量减小，并且容易发生爆炸事故；4.成本高；5.体积比能量低。

9、目前研制的高 压氢-镍电池主要是应用于空间技术,目前由深圳一家公司展出的镍氢电池用在电动车上续行里程已经达到 100公里,显示出较好的发展前景.三、锂电池锂电池是用金属锂作负极活性物质的电池的总称。以锂为负极组成的电池具有比能量大，电池电压高的电性能，并且放电电压平稳，工作温度范 围宽（-4050 ），低温性能好，贮存寿命长等优点。主要应用于心脏起搏器、电子手表、计算器、录音机、无线电通讯设备、导弹点火系统、大炮发射设备、潜艇、 鱼雷、飞机及一些特殊的军事用途。四、锂离子电池锂离子电池是指 Li+嵌入化合物为正、 负极板二次 电池。 锂离子电池由于工作电压高（3.6V ），是镉- 镍，氢-镍电

10、池的 3 倍，体积小，比氢-镍电池小 30；质量轻，比氢-镍电池轻 50；比能量高（140WhKg -1）无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长、是 21 世纪发展的理想电源。在移动电话、摄像机、笔记 本电脑、便携式电器上大量应用,由于它不具备大电流放电的功能虽然现在正在研究的锂聚合物电池可以具备但它也在研究阶段,因此在动力电池领域给了铅酸电池发展的时间。五、燃料电池燃料电池（FC）是 1839 年由 W,R,Grove 首先制成，特点：燃料电池不同于一般的原电池和蓄电池，所需的化学原料全部由电池外部供给，是一种将化学能转变为电能的特殊装置。20 世纪 20 年代，燃料电池的应用已由空间飞行

11、、军用设施扩大到商业和工业领域（燃料电池电站和燃料电池汽车）。六、铅酸蓄电池铅酸蓄电池是 1859 年由普兰特（Plante）发明的二次 电池。由于具有价格低廉，原料易得，使用可靠，又可大电流放电等优点，因此，一直是化学电源中产量大应用范围广的产品。（三）铅酸蓄电池铅酸蓄电池按电解液和充电维护情况分类：1、干放电蓄电池；2、干荷电蓄电池；3、带液充电蓄 电池；4、免维护，少维护蓄电池；5、湿荷电蓄电池。1、阀控式铅酸蓄电池的定义普通的铅酸蓄电池在充电后期或搁置期间，由于正极析氧，负极析氢导致电解液中水分损失，需 经常对电池加水维护。阀控式铅酸蓄电池是 70 年代出现的新型铅酸蓄电池，英文名称为

12、 Valve Regulated Lead Battery（简称 VRLA 电池），其基本特点是使用期间不加酸加水 维护，电池为密封结构，不会漏酸，也不会排酸雾，电池盖子上设有单向排气阀（也叫安全阀），该阀的作用是当电池内部气体量超过一定值（通常用气压值表示），即当电池内部气压 升高到一定值时，排气 阀 自动打开，排出气体，然后自 动关阀，防止空气进 入电池内部。这种电池的板栅是采用铅钙系列合金或低锑合金，自放电极少，常温下 贮存一年自放电损失小于 40。 2、阀控式铅酸蓄电池的分类阀控式铅酸蓄电池分为 AGM 和 GEL(胶体)电池两种，AGM 采用吸附式玻璃纤维棉（Absorbed Gla

13、ss Mat）作隔膜，电解液吸附在极板和隔膜中，贫电液设计，电池内无流动的电解液，电池可以立放工作，也可以卧放工作；胶体（GEL）采用 SiO2 作凝固剂，电解液吸附在极板和胶体内，一般立放工作。目前文献和会议讨论的 VRLA 电池除非特别指明，皆指 AGM 电池。3、阀控式铅酸蓄电池的基本原理31 阀控式铅酸蓄电池的电化学反应原理阀控式铅酸蓄电池的电化学反应原理就是充电时将电能转化为化学能在电池内储存起来，放电时将化学能转化为电能供给外系统。其充电和放电过程是通过电化学反应完成的，电化学反应式如下：充电充电充电充电 放电放电正极：PbSO4+2H2O PbO2+H2SO4+2H+2e（1）副

14、反应：H 2O 1/2O2+2H+2e （2）负极：A. PbSO4+2H+2e Pb+H2SO4 （3）副反应： 2H+2e H2 （4）从上面反应式可看出，充电过程中存在水分解反应，当正极充电到 70时，开始析出氧气， 负极充电到 90时开始析出氢气，由于氢氧气的析出，如果反应产生的气体不能重新复合使用， 电池就会失水干涸；对于早期的传统式铅酸蓄电池，由于氢氧气的析出及从电池内部逸出，不能进行气体的再复合，是需经常加酸加水维护的重要原因；而阀控式铅酸蓄电池能在电池内部对氧气再复合利用，同时抑制氢气的析出，克服了传统式铅酸蓄 电池的主要缺点。3.2 阀控式铅酸蓄电池的氧循环原理阀控式铅酸蓄电

15、池采用负极活性物质过量设计，AG 或 GEL 电解液吸附系统，正极在充电后期产生的氧气通过 AGM 或 GEL 空隙扩散到负极，与负极海绵状铅发生反应变成水，使负极处于去极化状态或充电不足状态，达不到析氢过电位，所以 负极不会由于充电而析出氢气， 电池失水量很小，故使用期间不需加酸加水维护。阀控式铅酸蓄电池氧循环图示如下：正极 PbSO4+H2O PbO2+O2PbSO4 Pb O2负极 H2OH2SO4+PbO可以看出，在阀控式铅酸蓄电池中， 负极起着双重作用，即在充电末期或过充电时，一方面极板中的海绵状铅与正极产生的 O2 反应而被氧化成一氧化 铅，另一方面是极板中的硫酸 铅又要接受外电路

16、传输来的电子进行还原反应，由硫酸铅反应成海绵状铅。在电池内部，若要使氧的复合反应能够进行，必须使氧气从正极扩散到负极。氧的移 动过程越容易，氧循环就越容易建立。在阀控式蓄电池内部，氧以两种方式传输：一是溶解在电解液中的方式，即通过在液相中的扩散，到达负极表面；二是以气相的形式扩散到负极表面。传统富液式电池中，氧的传输只能依赖于氧在正极区H2SO4 溶液中溶解，然后依靠在液相中 扩散到负极。如果氧呈气相在电极间直接通过开放的通道移动，那么氧的迁移速率就比单靠液相中扩散大得多。充电末期正极析出氧气，在正极附近有轻微的过压，而负极化合了氧， 产生一轻微的真空，于是正、 负间的压差将推气相氧经过电极间的气体通道向负极移动。阀控式铅蓄电池的设计提供了这种通道，从而使阀控式电池在浮充所要求的电压范围下工作，而不损失水。