2.1 鉛酸動力電池的結構、工作原理及應用

鉛酸電池發明距今已有150多年，目前在所有化學電源中，鉛酸電池生產規模最大，單就起動蓄電池而言，全世界年產量達10億個之多。作為發展歷史最悠久的動力電池，鉛酸電池技術成熟、性能可靠、成本低廉、維護方便，在儲能電源、起動電源、車載電源等領域得到了廣泛應用。

2.1.1 鉛酸電池的類型

根據鉛酸電池在汽車中的作用可將其分為三種類型：起動式鉛酸電池、牽引式鉛酸電池和固定式鉛酸電池。這三類鉛酸電池的性能差異見表2-1。起動式鉛酸電池不能深度充放電，不能用于電動汽車的主電源，一般僅作為低壓輔助電源使用；固定式鉛酸電池雖然容量可以做到很大，但是比能量較低，體積和質量很大，不適合車用，一般僅用于不間斷電源等位置相對固定的場合；牽引式鉛酸電池容量相對較大，可深度充放電，比能量較高，可用于電動汽車主動力電源。

2.1.2 鉛酸電池的工作原理

鉛酸電池的電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液。放電狀態下，正極主要成分為二氧化鉛，負極主要成分為鉛；充電狀態下，正極和負極的主要成分均為硫酸鉛。

1．放電原理

當鉛酸電池的正、負極板浸入電解液中時，在正、負極板間就會產生約2.1V的靜止電動勢，此時若接入負載，在電動勢的作用下，電流就會從電池的正極經外電路流向電池的負極，這一過程稱為放電，電池的放電過程是化學能轉變為電能的過程。

放電時，正極板上的PbO₂和負極板上的Pb都與電解液中的H₂SO₄反應生成硫酸鉛（PbSO₄），沉附在正、負極板上。電解液中H₂SO₄不斷減少，密度下降。

正極化學反應為：

負極化學反應為：

電池總反應：

PbO₂+Pb+2H₂SO₄=2PbSO₄+2H₂O

理論上，放電過程可以進行到極板上的活性物質被耗盡為止，但由于生成的PbSO₄沉附于極板表面，阻礙電解液向活性物質內層滲透，使得內層活性物質因缺少電解液而不能參加反應，因此放完電的電池的活性物質利用率只有20%～30%。因此，采用薄型極板，增加極板的多孔性，可以提高活性物質的利用率，增大電池的容量。

電池放電終了特征：①單格電池電壓降到放電終止電壓；②電解液密度降到最小許可值。此外放電終止電壓與放電電流的大小有關，放電電流越大，允許的放電時間就越短，放電終止電壓也越低。

2．充電原理

充電時，電池的正、負極分別與直流電源的正、負極相連，當充電電源的端電壓高于電池的電動勢時，在電場的作用下，電流從電池的正極流入，負極流出，這一過程稱為充電。電池充電過程是電能轉換為化學能的過程。充電時，正、負極板上的PbSO₄還原成PbO₂和Pb，電解液中的H₂SO₄增多，密度上升。

正極的化學反應：

負極的化學反應：

PbSO₄+2e^-+2H⁺→Pb+H₂SO₄

2H⁺+2e^-→H₂

當充電接近終了時，PbSO₄已基本還原成PbO₂和Pb，這時，過剩的充電電流將電解水，使正極板附近產生O₂從電解液中逸出，負極板附近產生H₂從電解液中逸出，電解液液面高度降低。因此，鉛酸電池需要定期補充蒸餾水。

電池充足電的標志是：①電解液中有大量氣泡冒出，呈沸騰狀態；②電解液的密度和電池的端電壓上升到規定值，且在2～3h內保持不變。

2.1.3 鉛酸電池的結構

一個正極板和一個負極板組合成極板組，在正、負極板中間插入一隔板，加入稀硫酸的電解液，這樣便組成了一個單格電池。由于單格電池電量有限，實際上鉛酸電池都是由多個單格電池組成的。

圖2-1所示為6V鉛酸電池的結構。它由三個相同的單格電池組成。每個單格電池的電壓為2V，用聯條把3個單格串聯起來，便成了一個6V鉛酸電池。

1．極板與極板組

極板是電池的核心部分，是電池儲存電能的主要部件。極板分正極板和負極板，做成柵架（網架）形式，上面附滿活性物質。正極板上所附活性物質為二氧化鉛（PbO₂）呈棕紅色；而負極板上所附活性物質為海綿狀純鉛（Pb），呈青灰色。電池的充電和放電，就是靠正、負極板上活性物質與硫酸溶液的化學反應來實現的。

柵架是由鉛合金制成的網架形式，一般在鉛中加入少量的銻，近年來為了改善鉛酸電池的自放電性能，而在鉛中加入少量的鈣。

2．隔板

隔板的作用是把正、負極板隔開，防止正、負極板互相接觸造成短路。隔板要耐酸，具有多孔性，以利于電解液的滲透。常用的隔板材料有木質、微孔橡膠和微孔塑料等。微孔塑料隔板孔徑小、孔率高、成本低，因此被廣泛采用。

隔板做成一面有溝槽、一面平滑，裝入時，溝槽面應豎直對向正極板。這樣，可使正極板在化學反應時，與更多的電解液接觸反應充分。此外，在電池充電時生成的氣泡可隨槽上升，脫落的活性物質則會沿槽下沉。

3．電解液

電解液是鉛酸電池內部發生化學反應的主要物質，是用純凈硫酸和蒸餾水（去離子水）按一定比例配制而成的，電解液的純度和密度對電池容量和壽命有重要影響。

電解液中硫酸密度高，可增強化學反應，提高電動勢。冬季還可避免電解液凍結。但密度過高，會使極板腐蝕作用加快，縮短極板與隔板的使用壽命。電解液的密度一般為1.24～1.28g/cm³（20℃）。氣溫高的地區或季節，應采用較低密度；氣溫低的地區或季節，應采用較高密度。

4．外殼

外殼用硬橡膠或塑料制成。內用間隔分隔成幾個單格，每個單格內放入極板組和電解液便組成一個單格電池。殼的底部有凸起的筋條（突棱）用來放置極板組。

各單格電池極板組的正、負極柱，采用聯條串聯連接，即一個單格電池的正極柱和相鄰單格電池的負極柱相連。加液口上有蓋，蓋上有通氣孔，應保持暢通，以防外殼內氣體增多而把外殼脹裂。

2.1.4 鉛酸電池的性能特點

1．容量

容量分為額定容量和儲備容量。額定容量是指完全充滿電的電池，在電解液溫度為（25±5）℃，密度為（1.28±0.01）g/mL時，以20h放電率的放電電流連續放電，當12V電池端電壓降到（10.50±0.05）V、6V電池端電壓降到（5.25±0.02）V時所輸出的電量，單位是A·h；電池的儲備容量是指完全充滿電的電池，在電解液溫度為（25±2）℃時，以25A電流放電，當12V電池端電壓降至（10.50±0.05）V、6V電池端電壓降至（5.25±0.02）V時，放電所持續的時間，單位為min。

2．充電特性

充電分為三個階段，電池組中單格電池充電曲線如圖2-2所示，在充電第二個階段完成后，電池已經基本充滿，第三個階段充電屬于對電池的維護性充電，以提高電池組的使用性能。

如果將實際充電過程用電壓變換曲線來表示，如圖2-3所示，從圖中可以看出，充電初期電池的端電壓上升很快，如圖中的曲線oa段，這是因為開始時電池兩端的PbSO₄分別轉化為PbO₂和Pb，同時生成H₂SO₄，極板表面和活性物質微孔內的H₂SO₄濃度劇增，又來不及向極板外擴散，電池的電動勢迅速升高，所以端電壓也急劇上升。充電中期，如圖中曲線ab段，由于電解液的相互擴散，極板表面和活性物質微孔內的H₂SO₄濃度增加的速度和向外擴散的速度逐漸趨于平衡，極板表面和微孔內的電解液濃度不再急劇上升，端電壓比較緩慢地上升。

隨著充電的進行，活性物質逐步轉化為PbO₂和Pb，孔隙逐漸擴大，孔率增加，至曲線的b點（此時單格端電壓約2.3V左右）時，活性物質已大部分轉化為PbO₂和Pb，極板上所余的PbSO₄不多，如果繼續充電，則會大量電解水，開始析出氣體。由于部分氣體吸附在極板表面來不及釋放，增加了內阻并造成正極電位升高，電池端電壓又迅速上升，如曲線中的bc段。當充電達到cd段時，此時活性物質已全部還原為充滿電時的狀態，水的分解也逐漸趨于飽和，電解液劇烈沸騰，而電壓則穩定在2.7V左右。當充電至d點時應結束充電，以后無論怎樣延長充電時間，端電壓也不再升高，只是無謂地消耗電能進行水的電解，如果在d點停止充電，端電壓會迅速降低至2.3V。

3．放電特性

圖2-4所示是在放電電流不變條件下電池端電壓與放電時間的變化曲線，從圖中可以看出，在大部分放電過程中，電池端電壓是穩定下降的，說明電池釋放的能量與電池端電壓的降低量之間存在著一定的關系。但到了放電末期，出現了一個轉折電壓，此時電池端電壓急劇下降，表現為放電曲線斜率顯著增加，這是因為電解液中H₂SO₄的濃度已經很低，電解液擴散到極板的速度不及放電的速度，在電解質不足的情況下，極板的電動勢急劇下降，造成電池端電壓的下降，此時應停止放電，否則會造成電池的過度放電，過放電會致使電池內部大量的PbSO₄被吸附到電池的負極表面，造成電池負極“H₂SO₄鹽化”。由于PbSO₄是一種絕緣體，它的形成必將對電池的充放電性能產生很大的負面影響，在負極上形成的硫酸鹽越多，電池的內阻越大，電池的充放電性能就越差，從而使電池的壽命縮短。

4．自放電性能

鉛酸電池的正、負極都會發生自放電現象。正極自放電是由于在放置期間，正極活性物質發生分解，形成PbSO₄并伴隨著O₂析出。在正極的上端和下端，電極的孔隙和電極表面處酸的濃度不同，因而電極內外和上下形成了濃差電池。處在較稀H₂SO₄區域的PbO₂為負極，進行氧化過程而析出氧氣；處在較濃H₂SO₄區域的PbO₂為正極，進行還原過程，PbO₂還原為PbSO₄。這種濃差電池在充電終了的正極和放電終了的正極都可形成，因此都有O₂析出。但是在電解液濃度趨于均勻后，濃差消失，由此引起的自放電也就停止了。

負極自放電是電池在開路狀態下，Pb的溶解導致容量損失，與Pb溶解的共軛反應通常是溶液中氫的還原過程，該過程的速度與H₂SO₄的濃度、儲存溫度、所含雜質和膨脹劑的類型有關。溶解于H₂SO₄中的氧也可以發生鉛自溶的共軛反應。

5．影響鉛酸電池性能的因素

（1）影響電池容量大小的因素

影響電池容量大小的因素有結構因素和使用因素。結構因素有極板表面積、極板片數和極板的薄厚等，極板表面積越大，極板片數越多，參加反應的活性物質越多，容量越大。此外極板越薄，活性物質的多孔性越好，則電解液向極板內部的滲透越容易，活性物質利用率就越高，輸出容量也就越大。

使用因素有放電電流、電解液溫度、電解液密度等。放電電流越大，電池容量就越小。當放電電流增大時，化學反應速度加快，PbSO₄堵塞孔隙速度越快，導致極板內層大量活性物質不能參與反應，電池的實際輸出容量減小。

（2）溫度對鉛酸電池性能的影響

溫度對電池的容量和電動勢影響很大，當電解液溫度高時擴散速度增加、電阻降低，電池電動勢也略有增加，因此鉛酸電池的容量及活化物質利用率隨溫度的升高而增加。反之，當電解液溫度降低時，其黏度增大，離子運動受到較大阻力，擴散能力降低。在低溫下電解液的電阻也增大，電化學反應的阻力增加，導致電池容量下降。

圖2-5所示是鉛酸電池在不同溫度下以0.3C放電的放電曲線，從圖中可以看出電池放出的容量隨溫度降低而下降，0℃與25℃相比，電池可放出能量降低了約10%。

（3）放電深度對鉛酸電池性能的影響

鉛酸電池在不同放電深度下，電池充電接受能力具有很大的差別。這種差別直接反映為充電過程中恒流充電時間的變化。放電深度大，恒流充電時間長；反之，放電深度小，恒流充電時間短。圖2-6所示為鉛酸電池在不同放電深度下的電流充電時間曲線。

2.1.5 鉛酸動力電池的應用

鉛酸電池發明150多年來，廣泛應用于人類生產和生活的各個方面。作為起動、點火、照明用電池，主要應用于汽車、摩托車、內燃機車和電力機車；作為工業用鉛酸電池，主要應用于郵電、通信、發電廠和變電所開關控制設備以及計算機備用電源等；閥控密封式鉛酸電池可應用于應急燈、不間斷電源（UPS）、電信、廣電、鐵路和航標等；作為動力電池，主要應用于電動汽車、高爾夫車、電動叉車等。

1．電動自行車

在我國，電動自行車應用密封式閥控鉛酸電池（VRLA）。已經有十多年了，如圖2-7所示，目前電池的制造技術和產品質量都有了很大的提高。

2．電動牽引車

電動牽引車是制造工廠、物流中心等搬運產品的常用運輸工具，主要采用富液管式鉛酸電池或膠體VRLA電池作為動力電源，具有無污染、無噪聲的優點，尤其是在需要舉升重物時，鉛酸動力電池還可以起到配重的作用。

3．純電動乘用車

采用鉛酸動力電池作為動力來源的純電動乘用車的典型代表是1996年美國通用汽車公司（GM）制造的EV-1，如圖2-8所示。EV-1的最高車速為100km/h，一次充電的續駛里程為193km，電池重量500kg，售價為33995美元。1999年還推出了第二代EV-1。

鉛酸電池存在充電、放電功能較差，能量和功率密度低，循環壽命短等缺陷。此外，鉛酸電池含有重金屬鉛，對環境污染嚴重，且在強烈的碰撞下會產生爆炸，對消費者的生命安全構成威脅，而且隨著鋰離子電池的應用普及和價格下降，鉛酸電池將面臨在動力電池市場被淘汰的命運。目前在我國二三線城市和農村地區，以VRLA電池為動力源的低速純電動汽車因其購車成本和使用成本低、環保低噪、駕駛技術要求低、安全等優點得到人們的歡迎。在我國許多省份，如山東、廣東、河南等地有許多低速電動車企業受益于這種需求快速發展起來。