2.1 铅酸动力电池的结构、工作原理及应用

铅酸电池发明距今已有150多年，目前在所有化学电源中，铅酸电池生产规模最大，单就起动蓄电池而言，全世界年产量达10亿个之多。作为发展历史最悠久的动力电池，铅酸电池技术成熟、性能可靠、成本低廉、维护方便，在储能电源、起动电源、车载电源等领域得到了广泛应用。

2.1.1 铅酸电池的类型

根据铅酸电池在汽车中的作用可将其分为三种类型：起动式铅酸电池、牵引式铅酸电池和固定式铅酸电池。这三类铅酸电池的性能差异见表2-1。起动式铅酸电池不能深度充放电，不能用于电动汽车的主电源，一般仅作为低压辅助电源使用；固定式铅酸电池虽然容量可以做到很大，但是比能量较低，体积和质量很大，不适合车用，一般仅用于不间断电源等位置相对固定的场合；牵引式铅酸电池容量相对较大，可深度充放电，比能量较高，可用于电动汽车主动力电源。

2.1.2 铅酸电池的工作原理

铅酸电池的电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液。放电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；充电状态下，正极和负极的主要成分均为硫酸铅。

1．放电原理

当铅酸电池的正、负极板浸入电解液中时，在正、负极板间就会产生约2.1V的静止电动势，此时若接入负载，在电动势的作用下，电流就会从电池的正极经外电路流向电池的负极，这一过程称为放电，电池的放电过程是化学能转变为电能的过程。

放电时，正极板上的PbO₂和负极板上的Pb都与电解液中的H₂SO₄反应生成硫酸铅（PbSO₄），沉附在正、负极板上。电解液中H₂SO₄不断减少，密度下降。

正极化学反应为：

负极化学反应为：

电池总反应：

PbO₂+Pb+2H₂SO₄=2PbSO₄+2H₂O

理论上，放电过程可以进行到极板上的活性物质被耗尽为止，但由于生成的PbSO₄沉附于极板表面，阻碍电解液向活性物质内层渗透，使得内层活性物质因缺少电解液而不能参加反应，因此放完电的电池的活性物质利用率只有20%～30%。因此，采用薄型极板，增加极板的多孔性，可以提高活性物质的利用率，增大电池的容量。

电池放电终了特征：①单格电池电压降到放电终止电压；②电解液密度降到最小许可值。此外放电终止电压与放电电流的大小有关，放电电流越大，允许的放电时间就越短，放电终止电压也越低。

2．充电原理

充电时，电池的正、负极分别与直流电源的正、负极相连，当充电电源的端电压高于电池的电动势时，在电场的作用下，电流从电池的正极流入，负极流出，这一过程称为充电。电池充电过程是电能转换为化学能的过程。充电时，正、负极板上的PbSO₄还原成PbO₂和Pb，电解液中的H₂SO₄增多，密度上升。

正极的化学反应：

负极的化学反应：

PbSO₄+2e^-+2H⁺→Pb+H₂SO₄

2H⁺+2e^-→H₂

当充电接近终了时，PbSO₄已基本还原成PbO₂和Pb，这时，过剩的充电电流将电解水，使正极板附近产生O₂从电解液中逸出，负极板附近产生H₂从电解液中逸出，电解液液面高度降低。因此，铅酸电池需要定期补充蒸馏水。

电池充足电的标志是：①电解液中有大量气泡冒出，呈沸腾状态；②电解液的密度和电池的端电压上升到规定值，且在2～3h内保持不变。

2.1.3 铅酸电池的结构

一个正极板和一个负极板组合成极板组，在正、负极板中间插入一隔板，加入稀硫酸的电解液，这样便组成了一个单格电池。由于单格电池电量有限，实际上铅酸电池都是由多个单格电池组成的。

图2-1所示为6V铅酸电池的结构。它由三个相同的单格电池组成。每个单格电池的电压为2V，用联条把3个单格串联起来，便成了一个6V铅酸电池。

1．极板与极板组

极板是电池的核心部分，是电池储存电能的主要部件。极板分正极板和负极板，做成栅架（网架）形式，上面附满活性物质。正极板上所附活性物质为二氧化铅（PbO₂）呈棕红色；而负极板上所附活性物质为海绵状纯铅（Pb），呈青灰色。电池的充电和放电，就是靠正、负极板上活性物质与硫酸溶液的化学反应来实现的。

栅架是由铅合金制成的网架形式，一般在铅中加入少量的锑，近年来为了改善铅酸电池的自放电性能，而在铅中加入少量的钙。

2．隔板

隔板的作用是把正、负极板隔开，防止正、负极板互相接触造成短路。隔板要耐酸，具有多孔性，以利于电解液的渗透。常用的隔板材料有木质、微孔橡胶和微孔塑料等。微孔塑料隔板孔径小、孔率高、成本低，因此被广泛采用。

隔板做成一面有沟槽、一面平滑，装入时，沟槽面应竖直对向正极板。这样，可使正极板在化学反应时，与更多的电解液接触反应充分。此外，在电池充电时生成的气泡可随槽上升，脱落的活性物质则会沿槽下沉。

3．电解液

电解液是铅酸电池内部发生化学反应的主要物质，是用纯净硫酸和蒸馏水（去离子水）按一定比例配制而成的，电解液的纯度和密度对电池容量和寿命有重要影响。

电解液中硫酸密度高，可增强化学反应，提高电动势。冬季还可避免电解液冻结。但密度过高，会使极板腐蚀作用加快，缩短极板与隔板的使用寿命。电解液的密度一般为1.24～1.28g/cm³（20℃）。气温高的地区或季节，应采用较低密度；气温低的地区或季节，应采用较高密度。

4．外壳

外壳用硬橡胶或塑料制成。内用间隔分隔成几个单格，每个单格内放入极板组和电解液便组成一个单格电池。壳的底部有凸起的筋条（突棱）用来放置极板组。

各单格电池极板组的正、负极柱，采用联条串联连接，即一个单格电池的正极柱和相邻单格电池的负极柱相连。加液口上有盖，盖上有通气孔，应保持畅通，以防外壳内气体增多而把外壳胀裂。

2.1.4 铅酸电池的性能特点

1．容量

容量分为额定容量和储备容量。额定容量是指完全充满电的电池，在电解液温度为（25±5）℃，密度为（1.28±0.01）g/mL时，以20h放电率的放电电流连续放电，当12V电池端电压降到（10.50±0.05）V、6V电池端电压降到（5.25±0.02）V时所输出的电量，单位是A·h；电池的储备容量是指完全充满电的电池，在电解液温度为（25±2）℃时，以25A电流放电，当12V电池端电压降至（10.50±0.05）V、6V电池端电压降至（5.25±0.02）V时，放电所持续的时间，单位为min。

2．充电特性

充电分为三个阶段，电池组中单格电池充电曲线如图2-2所示，在充电第二个阶段完成后，电池已经基本充满，第三个阶段充电属于对电池的维护性充电，以提高电池组的使用性能。

如果将实际充电过程用电压变换曲线来表示，如图2-3所示，从图中可以看出，充电初期电池的端电压上升很快，如图中的曲线oa段，这是因为开始时电池两端的PbSO₄分别转化为PbO₂和Pb，同时生成H₂SO₄，极板表面和活性物质微孔内的H₂SO₄浓度剧增，又来不及向极板外扩散，电池的电动势迅速升高，所以端电压也急剧上升。充电中期，如图中曲线ab段，由于电解液的相互扩散，极板表面和活性物质微孔内的H₂SO₄浓度增加的速度和向外扩散的速度逐渐趋于平衡，极板表面和微孔内的电解液浓度不再急剧上升，端电压比较缓慢地上升。

随着充电的进行，活性物质逐步转化为PbO₂和Pb，孔隙逐渐扩大，孔率增加，至曲线的b点（此时单格端电压约2.3V左右）时，活性物质已大部分转化为PbO₂和Pb，极板上所余的PbSO₄不多，如果继续充电，则会大量电解水，开始析出气体。由于部分气体吸附在极板表面来不及释放，增加了内阻并造成正极电位升高，电池端电压又迅速上升，如曲线中的bc段。当充电达到cd段时，此时活性物质已全部还原为充满电时的状态，水的分解也逐渐趋于饱和，电解液剧烈沸腾，而电压则稳定在2.7V左右。当充电至d点时应结束充电，以后无论怎样延长充电时间，端电压也不再升高，只是无谓地消耗电能进行水的电解，如果在d点停止充电，端电压会迅速降低至2.3V。

3．放电特性

图2-4所示是在放电电流不变条件下电池端电压与放电时间的变化曲线，从图中可以看出，在大部分放电过程中，电池端电压是稳定下降的，说明电池释放的能量与电池端电压的降低量之间存在着一定的关系。但到了放电末期，出现了一个转折电压，此时电池端电压急剧下降，表现为放电曲线斜率显著增加，这是因为电解液中H₂SO₄的浓度已经很低，电解液扩散到极板的速度不及放电的速度，在电解质不足的情况下，极板的电动势急剧下降，造成电池端电压的下降，此时应停止放电，否则会造成电池的过度放电，过放电会致使电池内部大量的PbSO₄被吸附到电池的负极表面，造成电池负极“H₂SO₄盐化”。由于PbSO₄是一种绝缘体，它的形成必将对电池的充放电性能产生很大的负面影响，在负极上形成的硫酸盐越多，电池的内阻越大，电池的充放电性能就越差，从而使电池的寿命缩短。

4．自放电性能

铅酸电池的正、负极都会发生自放电现象。正极自放电是由于在放置期间，正极活性物质发生分解，形成PbSO₄并伴随着O₂析出。在正极的上端和下端，电极的孔隙和电极表面处酸的浓度不同，因而电极内外和上下形成了浓差电池。处在较稀H₂SO₄区域的PbO₂为负极，进行氧化过程而析出氧气；处在较浓H₂SO₄区域的PbO₂为正极，进行还原过程，PbO₂还原为PbSO₄。这种浓差电池在充电终了的正极和放电终了的正极都可形成，因此都有O₂析出。但是在电解液浓度趋于均匀后，浓差消失，由此引起的自放电也就停止了。

负极自放电是电池在开路状态下，Pb的溶解导致容量损失，与Pb溶解的共轭反应通常是溶液中氢的还原过程，该过程的速度与H₂SO₄的浓度、储存温度、所含杂质和膨胀剂的类型有关。溶解于H₂SO₄中的氧也可以发生铅自溶的共轭反应。

5．影响铅酸电池性能的因素

（1）影响电池容量大小的因素

影响电池容量大小的因素有结构因素和使用因素。结构因素有极板表面积、极板片数和极板的薄厚等，极板表面积越大，极板片数越多，参加反应的活性物质越多，容量越大。此外极板越薄，活性物质的多孔性越好，则电解液向极板内部的渗透越容易，活性物质利用率就越高，输出容量也就越大。

使用因素有放电电流、电解液温度、电解液密度等。放电电流越大，电池容量就越小。当放电电流增大时，化学反应速度加快，PbSO₄堵塞孔隙速度越快，导致极板内层大量活性物质不能参与反应，电池的实际输出容量减小。

（2）温度对铅酸电池性能的影响

温度对电池的容量和电动势影响很大，当电解液温度高时扩散速度增加、电阻降低，电池电动势也略有增加，因此铅酸电池的容量及活化物质利用率随温度的升高而增加。反之，当电解液温度降低时，其黏度增大，离子运动受到较大阻力，扩散能力降低。在低温下电解液的电阻也增大，电化学反应的阻力增加，导致电池容量下降。

图2-5所示是铅酸电池在不同温度下以0.3C放电的放电曲线，从图中可以看出电池放出的容量随温度降低而下降，0℃与25℃相比，电池可放出能量降低了约10%。

（3）放电深度对铅酸电池性能的影响

铅酸电池在不同放电深度下，电池充电接受能力具有很大的差别。这种差别直接反映为充电过程中恒流充电时间的变化。放电深度大，恒流充电时间长；反之，放电深度小，恒流充电时间短。图2-6所示为铅酸电池在不同放电深度下的电流充电时间曲线。

2.1.5 铅酸动力电池的应用

铅酸电池发明150多年来，广泛应用于人类生产和生活的各个方面。作为起动、点火、照明用电池，主要应用于汽车、摩托车、内燃机车和电力机车；作为工业用铅酸电池，主要应用于邮电、通信、发电厂和变电所开关控制设备以及计算机备用电源等；阀控密封式铅酸电池可应用于应急灯、不间断电源（UPS）、电信、广电、铁路和航标等；作为动力电池，主要应用于电动汽车、高尔夫车、电动叉车等。

1．电动自行车

在我国，电动自行车应用密封式阀控铅酸电池（VRLA）。已经有十多年了，如图2-7所示，目前电池的制造技术和产品质量都有了很大的提高。

2．电动牵引车

电动牵引车是制造工厂、物流中心等搬运产品的常用运输工具，主要采用富液管式铅酸电池或胶体VRLA电池作为动力电源，具有无污染、无噪声的优点，尤其是在需要举升重物时，铅酸动力电池还可以起到配重的作用。

3．纯电动乘用车

采用铅酸动力电池作为动力来源的纯电动乘用车的典型代表是1996年美国通用汽车公司（GM）制造的EV-1，如图2-8所示。EV-1的最高车速为100km/h，一次充电的续驶里程为193km，电池重量500kg，售价为33995美元。1999年还推出了第二代EV-1。

铅酸电池存在充电、放电功能较差，能量和功率密度低，循环寿命短等缺陷。此外，铅酸电池含有重金属铅，对环境污染严重，且在强烈的碰撞下会产生爆炸，对消费者的生命安全构成威胁，而且随着锂离子电池的应用普及和价格下降，铅酸电池将面临在动力电池市场被淘汰的命运。目前在我国二三线城市和农村地区，以VRLA电池为动力源的低速纯电动汽车因其购车成本和使用成本低、环保低噪、驾驶技术要求低、安全等优点得到人们的欢迎。在我国许多省份，如山东、广东、河南等地有许多低速电动车企业受益于这种需求快速发展起来。