《储能材料与器件智能制造技术》课件-3.1.2 铅酸电池

《储能材料与器件智能制造技术》铅酸电池当清晨的电动车载着上班族穿梭于大街小巷，当应急电源在停电时刻点亮医院的生命之光，当汽车引擎在严寒中轰鸣启动，这些熟悉场景的背后，往往都有铅酸电池的身影。作为最早实现工业化生产的二次电池，铅酸电池自1859年问世以来，历经160余年的发展，始终在交通运输、通信储能、应急电源等领域占据重要地位。尽管近年来锂电池等新型电池发展迅猛，但铅酸电池凭借成本低廉、技术成熟、大电流放电性能优异等特点，依然是全球应用最广泛的化学电源之一。深入了解铅酸电池的结构原理、性能优势与应用场景，不仅能帮助我们合理使用这种“电力基石”，更能从中窥见电池技术不断演进的历程。铅酸电池是一种电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。铅酸电池是二次电池。单体铅酸蓄电池主要由正极板，负极板、硫酸、隔板，槽体组成。将数片正负极板相互嵌合，中间插入隔板，就成了单格电池。在每个单格电池中，负极板数量总是比正极板多一片。因为正极板活性物质较疏松，机械强度低，把正极板夹在负极板中间，这样使其两侧放电均匀，正极板放电时不易因活性物质膨张翘曲而脱落。一个单格铅酸电池的标称电压是2.0V，能放电到1.5V，能充电到2.4V。实用的铅酸电池一般是将多个单格铅酸电池串联起来组成标称电压为12V、24V、36V、48V等不同电压的铅酸电池。铅酸电池的结构如图所示正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；放电后，正负极的主要成分均为硫酸铅。铅酸电池在充电状态下正极由二氧化铅转变为硫酸铅，负极由海绵状铅变为硫酸铅，正、负极板上的硫酸铅越来越多，电池电压逐渐降低，硫酸浓度也不断降低。只要测得电解液中的硫酸浓度（比重），即可得知放电量或剩余电量。电池放电时正极由硫酸铅(PbSO4)转化成棕色二氧化铅（PbO2），负极则由PbSO4转变为灰色铅海绵状Pb，电池电压逐渐上升，硫酸浓度不断增高。电池充电时优点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、铅资源丰富，容易再生利用，可大电流放电等优点。铅酸电池自1859年发明至今已经有150多年的历史，目前仍然广泛使用于交通、通信、电力、军事、航海、航空等各个经济领域。缺点铅酸蓄电池不足之处在于：铅原子量大，重量能量密度偏低、循环寿命偏短，主要原材料铅有毒，存在铅污染风险。极板是蓄电池的核心部件，分为“正极板”和“负极板”。极板由铅粉、硫酸、水混合制成铅膏涂填在板栅上，经化成制得。铅粉为PbO65%~85%，Pb15%~35%（重量分数）组成。板栅由铅锑合金浇筑而成，一般由截面积和形状不同的横竖筋头组成栅栏体。板栅的作用是支撑活性物质。极板化成时，正极板上的活性物质发生阳极氧化，生成PbO2。负极板上发生阴极还原，生成海绵状铅。铅酸电池中的关键材料有极板、二氧化铅、铅等。铅酸电池最突出的优势在于其卓越的大电流放电性能。在汽车启动瞬间，铅酸电池能够在短时间内释放数百安培的电流，轻松驱动起动机运转；在电动自行车爬坡或加速时，也能快速提供高功率输出，满足瞬间大电流需求。此外，铅酸电池的成本相对较低，其原材料铅和硫酸来源广泛，生产工艺成熟，使得电池价格亲民，这也是其在电动自行车、低速电动车等对成本敏感领域占据主导地位的重要原因。从安全性角度来看，铅酸电池化学性质稳定，正常使用情况下不易发生起火、爆炸等安全事故。即便电池损坏，也不会像锂电池那样存在热失控风险。而且，铅酸电池的回收体系较为完善，全球铅的回收率超过95%，废旧电池中的铅、硫酸等物质均可实现循环利用，有效减少环境污染和资源浪费。不过，铅酸电池也存在明显的局限性。其能量密度较低，一般在30-50Wh/kg，远低于锂电池（100-260Wh/kg），这导致电池体积和重量较大，续航能力受限。同时，铅酸电池的循环寿命较短，普通铅酸电池充放电循环次数通常在300-500次左右，频繁使用后容量会逐渐衰减，需要定期更换。此外，铅作为重金属，若在生产或回收过程中处理不当，会对环境和人体健康造成危害，因此对生产和回收环节的环保要求极高。面对锂电池等新型电池的竞争，铅酸电池行业不断进行技术创新，以提升性能、拓展应用。在材料方面，采用石墨烯、碳纳米管等新型材料对极板进行改性，提高电池的导电性和充放电效率；研发新型铅合金，减少极板腐蚀，延长电池寿命。在结构设计上，密封免维护技术得到广泛应用，通过特殊的安全阀设计和氧复合原理，实现电池内部气体循环，避免电解液泄漏，用户无需定期添加蒸馏水，使用更加便捷。此外，铅酸电池与锂电池的融合也成为新的发展方向。一些企业推出“铅酸+锂电”的混合供电系统，利用铅酸电池大电流放电优势和锂电池高能量密度特点，实现优势互补。在政策层面，随着环保法规日益严格，铅酸电池行业加速整合，落后产能逐步淘汰，行业集中度不断提高，推动产业向绿色、高效方向发展。从马车时代到新能源汽车浪潮，铅酸电池始终以可靠的电力供应，为人类社会的发展提供坚实支撑。它见证了工业文明的进步，也在新时代的挑战中不断自我革新。尽管新型电池技术层出不穷，但铅酸电池凭借成本、安全、回收等方面的独特优势，在未来很长一段时