铅酸蓄电池

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铅蓄电池，又称铅酸电池，是充电电池的一种。电极主要由铅制成，电解液是硫酸溶液的一种蓄电池。一般分为密封铅酸（Sealed Lead–Acid，简称SLA）和阀控铅酸（Valve Regulated Lead–Acid，简称VRLA）。前者需要定期注酸维护，后者为免维护型(电池上通常会标注"免保养电池")。

## 结构

铅酸蓄电池一般由正极板、负极板、隔板、电池槽、电解液和接线端子等部分组成。

正极板为二氧化铅板（PbO2），负极板为铅板（Pb）。

## 原理

铅蓄电池的原理是通过将化学能和直流电能相互转化，在放电后经充电后能复原，从而达到重复使用效果。铅蓄电池的电压为2的倍数。

### 放电化学反应

铅酸蓄电池中的正极活性物质（二氧化铅）与负极活性物质（海绵铅）和电解液（30%-40%的稀硫酸溶液），反应生成硫酸铅和水。

化学方程式为：

$$\rm PbO_{2 (s)} + Pb_{(s)} + 2{H_2SO_4}_{(aq)} \rightarrow 2{PbSO_4}_{(s)} + 2{H_2O}_{(l)}$$

负极反应：$\rm Pb + SO_4^{2-} \rightarrow PbSO_4 +2e^-$

正极反应：$\rm PbO_2 + 4H^+ +SO_4^{2-} + 2e^- \rightarrow 2H_2O + PbSO_4$

### 充电化学反应

硫酸铅和水转化为二氧化铅、海绵铅与稀硫酸。

化学方程式为：

$$\rm 2{PbSO_4}_{(s)} + 2{H_2O}_{(l)} \rightarrow PbO_{2 (s)} + Pb_{(s)} + 2{H_2SO_4}_{(aq)}$$

### 通用的化学反应

在放电反应及充电反应中，没有额外物质减少或增加，由于两个反应条件相同，所以是可逆反应，但实际环境下仍有许多变因。

化学方程式为：

$$\rm PbO_{2 (s)} + Pb_{(s)} + 2{H_2SO_4}_{(aq)} \iff 2{PbSO_4}_{(s)} + 2{H_2O}_{(l)}$$

## 应用

铅蓄电池内电阻小，可符合大电流放电的需要。

中型及小密电池应可广泛用于UPS不间断电源、控制开关、报警器、汽车牵引电源、电动自行车等领域。

大密电池主要应用于大型基站的通讯后备电源。

使用时应注意硫酸液面高度，以免发生意外。

## 周期

### 启动电池

设计用于启动汽车引擎的铅酸电池不适用于深度放电。它们具有大量的薄板，旨在实现最大表面积，从而实现最大电流输出，并且容易因深度放电而损坏。重复的深度放电将导致容量损失，并最终导致过早失效，因为电极会因循环产生的机械应力而分解。以连续浮充电状态启动电池将会遭受电极腐蚀，这也会导致过早失效。因此，起动电池应保持开路，但定期充电（至少每两周一次）以防止硫酸盐化。

启动电池比相同尺寸的深循环电池更轻，因为更薄、更轻的电池板不会一直延伸到电池盒的底部。这使得松散、分解的材料从极板上脱落并收集在电池底部，从而延长电池的使用寿命。如果这些松散的碎片上升得足够多，那么它可能会接触到极板的底部并导致电池故障，从而导致电池电压和容量损失。

### 深循环电池

专门设计的深循环电池不易因循环而退化，适用于电池定期放电的应用，例如光伏系统、电动载具（堆高机、高尔夫球车、电动汽车等）和不间断电源。这些电池具有较厚的极板，可以提供较小的峰值电流，但可以承受频繁放电。

### 快、慢充放电

充电电流需要与电池吸收能量的能力相符。在小电池上使用太大的充电电流会导致电解液沸腾和泄漏。在该图像中，VRLA 电池盒由于过度充电期间产生的高气压而膨胀。

铅酸电池的容量不是固定的量，而是根据放电速度而改变。放电率和容量之间的经验关系称为普克特定律。

当电池充电或放电时，只有电极和电解质之间界面处的反应化学物质最初受到影响。随着时间的推移，储存在界面化学物质中的电荷（通常称为“界面电荷”或“表面电荷”）会透过这些化学物质在整个活性材料体积中的扩散而扩散。

考虑已完全放电的电池（例如将车灯打开过夜时发生的情况，电流消耗约为 6 安培）。如果随后仅进行几分钟的快速充电，则电池极板仅在极板和电解质之间的界面附近充电。在这种情况下，电池电压可能会上升到接近充电器电压的值；这会导致充电电流显著降低。几个小时后，该界面电荷将扩散到电极和电解质的体积中；这会导致界面电量过低，以至于可能不足以启动汽车。只要充电电压保持在析气电压以下（普通铅酸电池约为 14.4 伏特），电池就不太可能损坏，并且电池应及时恢复到标称充电状态。

## 安全

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过度充电会导致电解，释放氢气和氧气。这个过程被称为“放气”。湿电池有开放的通风口，可以释放产生的任何气体，而 VRLA (免保养型)电池则依赖每个电池上安装的阀门。催化帽可用于淹没式电池以重新组合氢气和氧气。VRLA 电池通常会重新组合电池内部产生的任何氢气和氧气，但故障或过热可能会导致气体积聚。如果发生这种情况（例如，过度充电），阀门会排出气体并使压力正常化，从而产生独特的酸性气味。然而，阀门可能会发生故障，例如灰尘和碎片积聚，导致压力增加。

积聚的氢气和氧气有时会在内部爆炸中点燃。爆炸的力量可能导致电池外壳破裂，或导致其顶部飞出，喷出酸液和外壳碎片。一个电池中的爆炸可能会点燃其余电池中的任何可燃气体混合物。同样，在通风不良的区域，如果有任何气体从电池中排出，将闭合电路（例如负载或充电器）连接到电池端子或断开电池端子也可能引起火花和爆炸。

电池内的单一电池也可能短路，导致爆炸。

当内部压力升高时，VRLA 电池的电池通常会膨胀，从而向使用者和机械师发出警告。各单元的变形各不相同，并且在壁面不受其他单元支撑的端部处最大。应仔细隔离并丢弃此类过压电池。在有爆炸危险的电池附近工作的人员应戴上面罩、工作服和手套，保护眼睛和暴露的皮肤免受喷酸和火灾造成的烧伤。使用护目镜代替面罩会牺牲安全性，因为脸部会暴露在可能飞溅的酸液、外壳或电池碎片以及潜在爆炸产生的热量下。

## 环境

### 环境问题

根据美国环保协会和密歇根州安娜堡生态中心2003 年题为“消除铅”的报告，道路上的车辆电池中估计含有 2,600,000 公吨（2,600,000 长吨；2,900,000 短吨）铅。有些铅化合物具有剧毒。长期接触即使是微量的这些化合物也会导致儿童的大脑和肾脏损伤、听力障碍和学习问题。汽车工业每年使用超过 1,000,000 公吨（980,000 长吨；1,100,000 短吨）铅，其中 90% 用于传统铅酸汽车电池。虽然铅回收是一个成熟的行业，但每年有超过 40,000 公吨（39,000 长吨；44,000 短吨）最终进入垃圾掩埋场。根据联邦有毒物质排放清单，铅开采和制造过程中还排放了 70,000 公吨（69,000 长吨；77,000 短吨）。

由于担心不当处置和冶炼操作对环境造成的影响等原因，人们正在尝试开发替代品（特别是汽车用途的替代品）。在引擎启动或备用电源系统等应用中，替代品不太可能取代它们，因为电池虽然重，但成本低廉。

### 回收

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铅对人体有剧毒，回收铅会导致污染和污染人类，导致许多持久的健康问题。

有效的污染控制系统是防止铅排放的必要条件。需要不断改进电池回收厂和熔炉设计，才能跟上铅冶炼厂的排放标准。

## 添加剂

自从铅酸电池成为商业产品以来，化学添加剂就一直被使用，以减少硫酸铅在极板上的堆积，并在添加到通风铅酸电池的电解液中时改善电池状况。这种治疗方法很少有效。

用于此目的的两种化合物是泻利盐和EDTA。泻利盐可降低弱电池或损坏电池的内阻，并可稍微延长电池寿命。EDTA 可用于溶解严重放电极板的硫酸盐沉积物。然而，溶解的材料将无法再参与正常的充放电循环，因此用 EDTA 暂时恢复的电池的预期寿命将会缩短。铅酸电池中残留的 EDTA 会形成有机酸，加速铅板和内部连接器的腐蚀。

活性材料在充电/放电过程中改变物理形态，导致电极生长和变形，以及电极脱落到电解质中。一旦活性材料从极板上脱落，就无法透过任何化学处理将其恢复原位。同样，内部物理问题（例如板破裂、连接器腐蚀或分离器损坏）也无法透过化学方法修复。

## 腐蚀问题

铅酸电池外部金属零件的腐蚀是由电池端子、插头和连接器的化学反应引起的。

正极端子的腐蚀是由电解引起的，这是由于制造电池端子和电缆连接器时使用的金属合金不匹配造成的。白色腐蚀通常是硫酸铅或锌的晶体。铝连接器会腐蚀硫酸铝。铜连接器会产生蓝色和白色的腐蚀晶体。透过在电池端子上涂上凡士林或为此目的制造的市售产品，可以减少电池端子的腐蚀。

如果电池充满水和电解液，热膨胀会迫使一些液体从电池通风口流到电池顶部。然后，该溶液会与电池连接器中的铅和其他金属发生反应并导致腐蚀。

电解液可能会从电池端子穿透塑胶外壳的塑胶铅密封处渗出。

通常由过度充电和电池箱通风不足引起的透过通风盖蒸发的酸烟可能会使硫酸烟积聚并与暴露的金属发生反应。

## 外部链接

- magnalabs.com , battery plate sulfation
- reuk.co.uk , battery desulfation
- reuk.co.uk , lead-acid batteries
- cbcdesign.co.uk , DC supply (April 2002)
- comcast.net, sme technical details on lead-acid batteries
- btterycouncil.org (BCI), lead-acid battery manufacturers' trade organization.
- batteryfaq.org , car and deep-cycle battery FAQ
- atsdr.cdc.gov , lead (Pb) toxicity: key concepts | ATSDR – environmental medicine & environmental health education - CSEM case studies in environmental medicine (CSEM), agency for toxic substances and disease registry
- alton-moore.net , lead-acid battery desulfator (Home Power #77 June/July 2000)

## 基本资料

- 比能：33–42 Wh/kg
- 能量密度：60–110 Wh/l
- PtoW：180 W/kg
- CtoDE：50–95%
- EtoCP：7(sld)–18(fld) Wh/US$
- SDR：3–20%/月
- CD：500–800 充电周期
- NomV：2.0 V
- CTI：最低 −35 °C, 最高 45 °C