3.3　鉛酸電池

3.3.1　鉛酸電池的結構

鉛酸電池主要由極板、電解液、隔板、電極、殼體等部分組成。其中極板分為正極板和負極板兩種。鉛酸電池的充電過程是依靠極板上的活性物質和電解液中硫酸的化學反應來實現的。正極板上的活性物質是深棕色的二氧化鉛（PbO2），負極板上的活性物質是海綿狀、青灰色的純鉛（Pb）。正、負極板的活性物質分別填充在鉛銻合金鑄成的柵架上，加入銻的目的是提高柵架的機械強度和澆鑄性能。但銻有一定的副作用，銻易從正極板柵架中析出而引起鉛酸電池的自行放電和柵架的膨脹、潰爛，從而影響其使用壽命。負極板的厚度為1.8mm，正極板的厚度為2.2mm，為了提高鉛酸電池的容量，國外大多采用厚度為1.1～1.5mm的薄型極板。另外，為了提高鉛酸電池的容量，將多片正、負極板并聯，組成正、負極板組。在每單格電池中，負極板的數量總比正極板多一片，正極板都處于負極板之間，使其兩側放電均勻，否則因正極板機械強度差，單面工作會使兩側活性物質體積變化不一致，造成極板彎曲。

隔板的作用是減小鉛酸電池的內阻和體積。正、負極板應盡量靠近但彼此又不能接觸而短路，所以在相鄰正、負極板間加有絕緣隔板。隔板應具有多孔性，以便電解液滲透，而且應具有良好的耐酸性和抗堿性。隔板材料有木質、微孔橡膠、微孔塑料以及浸樹脂紙等。近年來，出現了將微孔塑料隔板做成袋狀，緊包在正極板的外部，防止活性物質脫落。

鉛酸電池的外殼是用來盛放電解液和極板組的，外殼應耐酸、耐熱、耐震，以前多用硬橡膠制成。現在國內已開始生產聚丙烯塑料外殼。這種殼體不但耐酸、耐熱、耐震，而且強度高、殼體壁較薄（一般為3.5mm，而硬橡膠殼體壁厚為10mm）、質量小、外形美觀、透明。殼體底部的凸筋是用來支持極板組的，并可使脫落的活性物質掉入凹槽中，以免正、負極板短路，若采用袋式隔板，則可取消凸筋以降低殼體高度。

電解液的作用是使極板上的活性物質發生溶解和電離，產生電化學反應，它由純凈的硫酸與蒸餾水按一定的比例配制而成。電解液的相對密度一般為1.24～1.30（15℃）。

現代鉛酸電池一般采用穿壁式連接方式將每一個單格連接起來。鉛酸電池各單格電池串聯后，兩端單格的正、負極樁分穿出蓄電池蓋，形成鉛酸電池極樁。正極樁標“+”號或涂紅色，負極樁標“-”號或涂藍色、綠色等。

3.3.2　鉛酸電池的工作原理

鉛酸電池的充電過程和放電過程是一種可逆的化學反應，充、放電過程中鉛酸電池內的導電是靠正、負離子的反向運動來實現的。

（1）放電過程　當極板浸入電解液時，負極板上有少量鉛溶入電解液生成Pb2+，從而在負極板上留下兩個電子2e，使負極板帶負電，此時負極板具有0.1V的負電位；正極板上，少量PbO2溶入電解液，與水反應生成Pb（OH）4，再形成四價鉛離子和氫氧根離子，一部分Pb4+沉積在正極板上，使極板呈正電位，約為+2.0V。故當外電路未接通時，鉛酸電池的靜止電動勢約為E0=2.0-（-0.1）=2.1V。

若接通外電路，在電動勢的作用下，使電路產生電流，在正極板處Pb4+和負極板來的電子結合，生成二價鉛離子Pb2+，Pb2+再與電解液中的S結合，生成PbSO4而沉積在正極板上，使正極板電位降低。

放電時的化學反應式為

PbO2+2H2SO4+Pb2PbSO4+2H2O

如果外電路不中斷，正、負極板上的PbO2和Pb將不斷地轉化為PbSO4。電解液中的H2SO4將不斷減少，而H2O增多，電解液相對密度下降。理論上講，放電過程將進行到極板上的活性物質全部變為PbSO4為止。但由于電解液不能滲透到活性物質的最內層中去，在使用中，放電完了的鉛酸電池，也只有20%～30%的活性物質變成了PbSO4。故采用薄型板，增加孔隙率，有利于提高活性物質的利用率。

（2）充電過程　充電時，鉛酸電池接直流電源，因直流電源端電壓高于鉛酸電池電動勢，故電流從正極流入，負極流出。這時，正、負極板發生的反應與放電過程相反，如正極板處有少量PbSO4溶于電解液變成Pb2+和S，Pb2+在電源作用下失去兩個電子變成Pb4+，它又和電解液中OH-結合，生成Pb（OH）4，Pb（OH）4又分解成PbO2和H2O，PbO2沉積在正極板上，而S與電解液中的H+結合成H2SO4。

負極板上有少量PbSO4溶入電解液中，變成Pb2+和S，Pb2+在電源作用下獲得兩個電子變成Pb，沉積在負極板上，S則和電解液中H+結合成H2SO4。可見充電過程中消耗了水，生成了硫酸，故充電時電解液的相對密度是上升的，而放電時電解液的相對密度是下降的。

充電時的化學反應式為

2PbSO4+2H2OPbO2+Pb+2H2SO4

3.3.3　閥控鉛酸電池的使用管理

閥控鉛酸電池的極板柵架主要采用鉛鈣合金，以提高其正、負極析氣（H2和O2）過電位，達到減少其充電過程中析氣量的目的。正極板在充電達到70%時，氧氣就開始產生，而負極板達到90%時才開始產生氧氣。在生產工藝上，一般情況下正、負極板的厚度之比為6∶4，根據正、負極活性物質量比的變化，當負極上絨狀Pb達到90%時，正極上的PbO2接近90%，再經少許的充電，正、負極上的活性物質分別氧化還原達95%，接近完全充電，這樣可使H2、O2氣體析出減少。采用超細玻璃纖維（或硅膠）來吸儲電解液，并同時為正極上析出的氧氣向負極擴散提供通道。這樣，氧一旦擴散到負極上，立即被負極吸收，從而抑制了負極上氧氣的產生，使浮充電過程中產生的氣體90%以上被消除（少量氣體通過安全閥排放出去）。自20世紀80年代貧液式閥控密封鉛酸電池問世以來，作為一種更新換代產品，較原來富液式開口或防酸隔爆式電池有特殊的優點，在使用過程中無需添加蒸餾水，減輕了維護人員的工作量，實現了電池內部的氧循環，正常使用條件下不會產生大量的氫、氧氣體并夾帶酸霧逸出。

影響閥控鉛酸電池容量的因素有結構因素和使用因素。其中結構因素對電池容量的影響有：極板厚度，極板越薄，活性物質的多孔性越好，電解液越容易滲透，有效利用率越高，電池的容量越大；極板表面積，表面積越大，參加化學反應的活性物質越多，電池的容量越大；同性極板中心距，中心距小可減小電池內阻，增大電池容量。

（1）閥控鉛酸電池的放電管理

① 放電時的硫化現象　由放電時的化學反應式看出，鉛酸電池在放電過程中兩極板的活性物質轉換成硫酸鉛。長時間充電不足或過度放電的鉛酸電池，在電解液中就會有大量的硫酸鉛析出并沉積在極板和隔板上，包裹極板的活性物質（正極板氧化鉛為PbO2，負極板為純鉛Pb），堵塞隔板孔隙，阻礙電解液中的H2SO4與正、負極板的活性物質進行化學反應，導致鉛酸電池容量降低。鉛酸電池充電不足或過度放電的時間越長，內阻越大，接受充電和對外放電的能力越低，以至于無法正常使用。

② 防止電池硫化的措施

a.驅動控制器設置電源低電壓保護。為了增加續駛里程，希望將電源最低電壓保護設置得越低越好，但這會造成過放電，嚴重影響鉛酸電池的使用壽命。建議60V鉛酸電池最低放電保護電壓不可低于52.5V，72V鉛酸電池不低于63.0V。

b.使用保護。在使用鉛酸電池作動力源時要做到“勤充電、不過充電”。用戶可根據自己的出行里程規律估算蓄電池的放電程度，再參考電量表對蓄電池進行適度充電。整車不用或電池存放尚未裝車時，也應每個月對電池檢查充電一次。

c.采用新技術保護。隨著技術的進步，車用動力電池制造企業正在不斷地采用對極板滲碳及在電池正、負極并聯大電容器等新技術，以保護動力電池，延長電池的使用壽命。

（2）閥控鉛酸電池的充電管理

① 影響電池充電過程的因素

a.電池溫度的影響。溫度高低會影響鉛酸電池的容量，主要原因是溫度變化會導致電解液的密度發生變化，影響極板的活性物質利用率，同時溫度高低還會影響鉛酸電池內阻的大小、使用壽命的長短。

b.充電電流的影響。充電電流的大小直接影響充電時間的長短，合理的較大的充電電流會大大縮短充電時間。但過大的充電電流對鉛酸電池是有害的。在充電過程中伴隨電解水的發生，充電電流越大電解水的反應越激烈，水電解后產生大量的氫氣和氧氣，當氫氣從極板的孔隙向外沖出時會造成活性物質脫落，進而使鉛酸電池容量下降，極易造成自放電和極板短路故障。過大的充電電流還會造成鉛酸電池內部溫度升高過快，容易使鉛酸電池過熱，內阻下降。鉛酸電池內阻的下降又使充電電流進一步增加，充電電流的增加又會導致內阻下降。長時間充電會造成熱失控現象，導致鉛酸電池殼體變形，線路溫升過高、老化加劇。

② 對電池充電采取的保護措施　在充電機內設置穩壓限流電路，如圖3-8所示。

充電機通過穩壓觸發限流裝置對鉛酸電池充電，穩壓限流值與電池的規格有關，充電電流大小根據電池許可按其容量的0.1～0.3倍計算（即1C～3C充電率）。充電電流過大會造成活性物質脫落，過小會使充電時間延長，難以充足電量。在實際充電過程中，電流傳感器檢測電池的實際充電電流，通過穩壓觸發限流裝置對電池電流的實際大小實行閉環控制。溫度傳感器檢測電池的實際溫度，穩壓觸發限流裝置根據實際溫度，適當調整充電電流大小直至停止充電，從而避免充電不足或過充電對電池容量和壽命造成不良影響。

在實際使用中，由于車輛的行駛造成電池過度放電或充電不足，導致容量早期損失；環境溫度變化對電池壽命及容量的影響；開關電源電池管理功能的優劣對電池容量和壽命的影響等諸多因素證實，對閥控鉛酸電池的維護與普通富液式電池相比“少維護、強管理”的概念較為實際。鉛酸動力電池是從普通鉛酸電池經技術發展演化來的，一般正常使用壽命為3～5年，嚴格按鉛酸電池規律使用能延長壽命1～2年。傳統燃油車鉛酸電池充電一般由車載發電機進行，只要發動機運行就會給鉛酸電池充電，而低速短途電動汽車只能在停車時充電，放電后必須在24h內補充充電，防止造成鉛酸電池的永久損壞。使用鉛酸電池的電動汽車要“勤用勤充、不虧不過”。