电池行业发展概况铅酸蓄电池的构成和工作原理Word格式.docx

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在电池中，化学电池是最主要的电池。

化学电池按是否可以循环使用，分为一次电池和二次电池两大类。

其中，一次电池是活性物质仅能使用一次的电池，又称原电池，如锌锰电池，碱锰电池等;

二次电池可充电、循环使用，又称蓄电池。

蓄电池利用电池内活性物质在放电状态下发生化学反应输出电流，在充电状态下发生逆向化学反应储存电能。

蓄电池按电极材料和工作原理的不同，主要分为铅酸蓄电池、锂离子电池、镍氢电池、镍镉电池等四大类。

其中，铅酸蓄电池具有性价比高、容量大、功率高、寿命长、安全可靠等优点，是目前世界上产量最大、用途最广的一种电池;

锂离子电池凭借能量密度高的优势也占据一定的市场份额。

2、铅酸蓄电池概述

（1）铅酸蓄电池的构成和工作原理

铅酸蓄电池由正极板、负极板、隔板、电解液、塑料槽等组成。

铅酸蓄电池正极活性物质为二氧化铅（PbO2），负极活性物质是铅（Pb），电解液是稀硫酸，正负极之间由隔板隔开，电解液中的离子可以通过隔板中的微孔，电极上的电子不能通过隔板。

铅酸蓄电池放电后，正极板的活性物质二氧化铅（PbO2）转化成硫酸铅（PbSO4）附着在正极板上，负极活性物质铅（Pb）也转化成硫酸铅（PbSO4）附着在负极上，电解液中的硫酸扩散到极板中去，电解液的浓度降低。

铅酸蓄电池在充电时，发生相反的反应。

通过充电、放电反应，铅酸蓄电池可以反复使用，直到储存的容量达不到电器的要求时，寿命终止。

铅酸蓄电池单格电池（又称单体电池）的标准电压是2V。

为满足用电器高电压的需要，电池常通过串联组合成6V、12V等电池组;

为满足用电器高容量需要，常通过增加极板面积或将相同极板并联焊成极群来实现。

将完全处于充电状态的电池，按一定放电条件，放电到所规定电压时所释放出的电量称为电池的容量，单位一般用安培小时（简称安时，用“Ah”表示）。

电池释放电量的能力称为能量，为电池的容量乘以平均放电电压，通常用伏安时（VAh）或千伏安时（kVAh）表示。

（2）铅酸蓄电池的发明

1799年伏打（AlessandroVolta）用锌片与铜片夹以盐水浸湿的纸片组装成电堆;

1836年，丹尼尔（JohnFredericDaniell）利用伏打电堆的工作原理制成了第一个实用电池，标志着化学电池进入生产和生活中，但铜锌体系的电池用完后不能充电供重复使用，阻碍了其更广泛地应用。

1801年，戈特洛（NicolasGautherot）在实验中用伏打电堆和两根铂丝电解盐水产生氢气和氧气，在其撤走电源并将两根铂丝直接接触时，出现了短时间的反向电流（当时也被称为二次电流，今称放电电流），但电流维持的时间太短，没有实用价值。

1802年里特（JohannWilhelmRitter）用伏打电堆向一叠夹以盐水浸湿纸片的铜片进行充电，在撤走电源后，其发现两片铜片之间存在0.3V的电压;

之后再用金属铅、锡和铜替代铜片进行了实验，均测到了不同的电压值。

1854年德国科学家辛斯特登（WilhelmJosephSinsteden）在使用多种电池进行研究时，认识到浸没在硫酸中的铅电极具有一定的储能容量，即对电极充电之后可以向负载供电，并报道了其能量密度，但其未意识到这一发现的重要价值。

1859年，普兰特（RaymondGastonPlante）独立于辛斯特登发现并报道了从浸在硫酸溶液中并充电的一对铅板，在撤去充电电流并加上负载后可以得到有效的放电电流，这个体系的放电电流在诸多电极-电解液体系中可以维持最长的时间，并且电压也最高。

普兰特根据这一原理设计了具有实用价值的蓄电池，并在1860年向法国科学院展示了这一可充电电池，这标志着第一个可以重复使用的电池问世。

1870年，发电厂开始使用直流发电机，并引入铅酸蓄电池进行负载调峰，即在晚上充电，白天供电。

1879年爱迪生（ThomasEdison）发明了白炽灯，让电力走进千家万户，同时激发了用户在输电线架设不到的地方使用电源的需求，这正是铅酸蓄电池的应用场合。

限于制造工艺，当时铅酸蓄电池还无法大规模生产，但越来越多的研究者已开始参与铅酸蓄电池的研究。

从此，铅酸蓄电池开始处于因市场需求而促进其研发的状态，人们对它进行不断地研究和改进，使其得到极大地发展。

铅酸蓄电池是迄今发展时间最长，技术最成熟的电池技术。

1881年，富莱（CamilleAlphonseFaure）和布鲁希（CharlesFrancisBrush）二人制成涂膏式极板，即用铅的氧化物和硫酸水溶液混合制成铅膏涂在铅板上，较好地防止了活性物质的脱落，使铅酸蓄电池的制造工艺有了很大进步。

1882年赛隆（JohnScudamoreSellon）采用铅-锑（Pb-Sb）合金制造板栅，克服了由于充放电前后电极活性物质体积膨胀、收缩使得作为活性物质载体的板栅发生变形的问题，大大提高了电池极板的强度，使铅酸蓄电池的寿命有了较大提高。

1970年之前，铅酸蓄电池的极板需浸在可流动的硫酸中使用，在电池充电后期和过充电时，会发生电解水的副反应，氢气和氧气可无障碍地释放出来，这带来电解液失水，电池需定期维护的问题。

于是研究人员一直试图研制“密封式”铅酸蓄电池，希望能克服上述问题。

1957年德国阳光（Sonnenschein）发明了SiO2胶体密封铅酸蓄电池，即阀控式密封铅酸蓄电池（valve-regulatedlead-acidbatteries，VRLA）的Gel技术。

1971年美国盖茨（Gates）公司发明了吸液式超细玻璃棉隔板（absorbedglassmat）即阀控式密封铅酸蓄电池的AGM技术。

Gel技术和AGM技术的阀控密封铅酸蓄电池，实际解决了电池内部氧气的复合循环问题，运行及安全性能远远超过之前的技术。

VRLA从1973年于小型电池实现商业化之后至今，在外形及尺寸上均有了较大的发展，因而广泛适用于众多领域，成为蓄电池产品中的重要组成部分。

（3）铅酸蓄电池的分类

按照应用领域划分，我国的铅酸蓄电池主要可分为备用电源电池、储能电池、起动电池和动力电池四大类。

备用电源电池是主要用于通讯备用电源、不间断电源（UPS）、应急照明电源及其他备用电源的蓄电池。

储能电池指适用于供太阳能发电设备和风力发电机以及其他可再生能源的储能用蓄电池。

起动电池是主要应用于汽车、摩托车、燃油发动机起动、点火和照明的蓄电池。

动力电池主要应用于电动自行车、电动特种车（电动游览车、高尔夫车、巡警车、叉车等）、低速电动乘用车、混合电动车等电动车辆作为动力。

按照电池中极板的结构分为板式、管式和卷绕式等类别，分别称为平板式电池、管式电池和卷绕式电池。

此外，根据铅酸蓄电池中电解液处于游离状态和吸附（或固定）状态，分为富液式蓄电池和贫液式蓄电池。

贫液电池中，电解液吸附在玻璃纤维隔板中的蓄电池常设计成阀控密封式，称为阀控式密封蓄电池;

电解液用二氧化硅胶体固定的蓄电池称为胶体电池。

3、铅酸蓄电池的比较优势和不足

铅酸蓄电池是工业化最早的二次电池，自1859年发明至今已经有150多年的历史，但是该产业的发展仍然方兴未艾。

铅酸蓄电池是化学电池中市场份额最大、使用范围最广的电池，特别是在起动和大型储能等应用领域，在较长时间尚难以被其他新型电池替代。

铅酸蓄电池价格较低，具有技术成熟、高低温性能优异、稳定可靠、安全性高、资源再利用性好等比较优势，市场竞争优势明显。

相对于其他电池金属材料，铅资源比较丰富，铅储量和再生铅保证铅酸蓄电池产业可持续发展的年限相对较长，铅酸蓄电池大量应用，较长时间内不会造成铅资源短缺。

铅酸蓄电池不足之处在于：

能量密度偏低、循环寿命偏短，主要原材料铅是一类有毒物质，电池生产和再生铅加工过程中存在铅污染风险，管理不善可能会对环境和人体健康造成危害。

随着新技术的突破和新结构的应用，铅碳电池、双极性电池、非铅板栅电池等先进铅酸蓄电池的不断问世，改变了质量能量比偏低、循环寿命较短等不足，并且随着法规制度的逐步健全和管理水平的提升，铅污染的风险也可防可控。

为铅酸蓄电池产业的持续发展注入了新的活力。

在未来，铅酸蓄电池仍将在备用电源、储能、起动、动力等应用领域发挥重要的作用。

（1）铅酸蓄电池的比较优势

①性能比较优势

目前，大规模产业化的二次电池主要有铅酸蓄电池、镉镍电池、氢镍电池和锂离子电池。

镉镍电池含有剧毒元素镉，已逐步被其他电池所替代。

目前，市场上应用最广泛的电池为铅酸蓄电池、锂离子电池和氢镍电池。

相较于其他二次电池，铅酸蓄电池主要有以下性能比较优势：

A、实现工业化生产的时间最长、技术最成熟的电池，性能稳定、可靠，适用性好;

B、采用稀硫酸作电解液，无可燃性，电池采用常压或低压设计，安全性好;

C、工作电压较高、工作温度范围较宽，适用于混合电动车（HEV）等高倍率放电应用;

D、能浮充电使用，浅充浅放电性能优异，适用于不间断电源（UPS）、新能源储能、电网削峰填谷等领域;

E、大容量电池技术成熟，能制成数千安时的电池，为大规模储能提供了便利。

②成本比较优势

铅酸蓄电池是最廉价的二次电池，单位能量的价格是锂离子电池或氢镍电池的1/3左右。

此外，铅酸蓄电池的主要成分为铅和铅的化合物，铅含量高达电池总质量的60%以上，废旧电池的残值较高，回收价格超过新电池的30%，因此铅酸蓄电池的综合成本更低。

③再生利用比较优势

铅酸蓄电池组成简单，再生技术成熟，回收价值高，是最容易实现回收和再生利用的电池。

全球再生铅产量已经超过原生铅产量，美国废铅酸蓄电池铅的再利用率已超过98.5%，我国废铅酸蓄电池的再利用率也达到90%以上。

镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池多为小型电池，且组成复杂，再生成本高，回收难度大，再生产业难以实现市场化运营。

目前，前述电池全球的平均回收比例不足20%，特别是锂离子电池，多数国家尚未实现有效回收和再生。

（2）铅酸蓄电池的不足

①能量密度偏低

传统的铅酸蓄电池质量和体积能量密度偏低，能量密度只有为锂离子电池的1/3左右，氢镍电池的1/2左右，并且体积较大，不适宜在质量轻、体积小的场合使用。

未来，铅酸蓄电池能量密度仍有较大的提高空间，尤其是泡沫碳等采用新材料、新技术的铅酸蓄电池。

②循环寿命偏短

传统铅酸蓄电池循环寿命较短，理论循环次数为锂离子电池1/3左右。

铅酸蓄电池的循环寿命提高的空间仍然比较大，特别是新材料、新结构和新技术的铅酸蓄电池，如双极性铅酸蓄电池、铅碳电池等。

③产业链存在铅污染风险

铅是铅酸蓄电池的主要原材料，铅占电池质量的60%以上，全球铅酸蓄电池的用铅量占总用铅量的80%以上。

铅为重金属，铅酸蓄电池制造产业链（包括原生铅冶炼、电池制造、电池回收、再生铅冶炼）存在较高的铅污染风险，管理不善会对环境造成污染和对人体健康产生危害。

4、铅酸蓄电池与环保

铅酸蓄电池制造是用铅的主要行业，其产业链在原生铅冶炼、蓄电池生产、废旧蓄电池回收、再生铅冶炼存在铅污染风险，但是该产业链全过程的铅污染可以实现有效控制。

铅污染防治的技术较为成熟，国外已有成套有关