第一節(jié) 鉛酸蓄電池起源

GastonPlante于1859年在法國科學(xué)院展示了第一個(gè)鉛酸蓄電池。和堿錳電池一樣，電池反應(yīng)的化合物沒有改變，還是最先被發(fā)明時(shí)的樣子，但是內(nèi)部設(shè)計(jì)、鉛合金的組成、包裝材料以及工作方式都發(fā)生了完全的改變。通過以下工程技術(shù)的改進(jìn)，車輛啟動(dòng)電池（SLI）功率密度顯著提高：1）采用聚丙烯取代硬質(zhì)橡膠來作為薄壁箱體的材料，能夠剩余出更多空間來安裝電池極板，2）電池內(nèi)部連接采用穿壁焊降低了內(nèi)阻并且增加了活性物質(zhì)的容量，3）更薄的聚合物隔膜進(jìn)一步降低了內(nèi)阻并且增強(qiáng)了電池啟動(dòng)引擎時(shí)的功率，4）采用含鈣的合金作為板柵材料，能夠使得電池在使用期間無需維護(hù)。

貝爾實(shí)驗(yàn)室采用圓形電池結(jié)構(gòu)來為電話中繼局提供長時(shí)間有效的后備電源。這種電源在70年代中期商業(yè)化。它到現(xiàn)在已經(jīng)有了很長的卓越表現(xiàn)歷史，為建立可信賴的電話通訊系統(tǒng)做出了重要貢獻(xiàn)。

小型低維護(hù)鉛酸蓄電池采用凝膠電解質(zhì)來避免漏液，用作移動(dòng)設(shè)備電源。不久以后，商業(yè)化的卷繞式的圓柱電池就在美國出現(xiàn)了，它用玻璃氈來吸納電解質(zhì)酸。這種電池在以高電壓、低成本在緊急照明和其他需要考慮預(yù)算的領(lǐng)域取代了密封鎳鎘電池。兩項(xiàng)新的技術(shù)，稱為閥控鉛酸蓄電池（VRLA）技術(shù)，從數(shù)個(gè)安培小時(shí)到幾千個(gè)安培小時(shí)的幾乎所有的鉛酸蓄電池上應(yīng)用了。采用了新的板柵合金和水基涂布過程，因此在化成時(shí)必須很小心，來保證電池能夠有長的循環(huán)壽命。采用薄電極的電池組能夠提供相當(dāng)打的電流。電池組從一開始就用作緊急照明的后備電源和通信電源?，F(xiàn)在它還用于啟動(dòng)、照明和點(diǎn)火（SLI）。

電池根據(jù)SLI和電動(dòng)車的不同需要而分別設(shè)計(jì)。啟動(dòng)電池工作在低放電深度但是高倍率而電動(dòng)車電池需要在小一些的電流下面工作更長時(shí)間，達(dá)到更深的放電深度。在汽車上增加各種電子設(shè)備的的趨勢(shì)現(xiàn)在達(dá)到了一個(gè)瓶頸，目前的SLI電池負(fù)荷有限無法提供設(shè)備的能量和功率的需求。因此，電池工業(yè)正準(zhǔn)備通過增加一個(gè)36V的VRLA電池來和原來的12V富液電池一起組成一個(gè)42V的電源體系。新的36V電池通常是纏繞結(jié)構(gòu)，具有高的表面積和高的功率輸出能力。這個(gè)新系統(tǒng)將在未來的10年內(nèi)普及，達(dá)到減少車輛燃料消耗和增加新的舒適、安全設(shè)備的目的。

能量存儲(chǔ)和不間斷后備電源越來越多的被用于各種用途，因?yàn)殡娋W(wǎng)會(huì)老化，變得越來越不可靠。發(fā)電系統(tǒng)和電壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)受到環(huán)境的局限，對(duì)可靠電源需求的增加和對(duì)安全相關(guān)的電源需求的增加使得能量存儲(chǔ)電源系統(tǒng)的市場(chǎng)增大。一個(gè)持續(xù)運(yùn)行的計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)需要可靠度極高的電源，因此，一個(gè)包含后備電池的電源調(diào)節(jié)電路能夠防止斷電、過壓、電峰值、欠電壓等等情況。和主電網(wǎng)相連的電池系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了40MW的水平。甚至脫離電網(wǎng)無需電壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的直接給用戶供能的燃料電池系統(tǒng)也需要鉛酸電池來達(dá)到最佳工作狀態(tài)。燃料電池系統(tǒng)在一個(gè)恒定負(fù)載的情況下能夠更有效率的工作，但是家庭用戶在電器設(shè)備開關(guān)的時(shí)候總會(huì)造成電能的脈沖。鉛酸電池能夠消除一半這樣的脈沖來減小設(shè)備的損耗和燃料的使用。鉛酸電池還要為燃料電池的啟動(dòng)提供動(dòng)力。

可再生能源系統(tǒng)，如太陽能和風(fēng)能需要電池來存儲(chǔ)電能以便能夠在晚上和陰天使用。在這些體系中，富液電池和VRLA電池都能夠用于這些體系。很多這樣的系統(tǒng)不跟主電網(wǎng)相連。這些偏遠(yuǎn)地區(qū)的電源供應(yīng)（RAPS）一般0.1到10KW但是需要一個(gè)容量在1到100KWh的電池。大型電池的操作、在偏遠(yuǎn)地區(qū)安置電池和惡劣的環(huán)境給儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了新的挑戰(zhàn)。高額維護(hù)費(fèi)用促成了遠(yuǎn)距離監(jiān)控設(shè)備的發(fā)展。監(jiān)視和控制電池充電狀態(tài)的方法和評(píng)估電池壽命的方法在不斷進(jìn)步。在惡劣的環(huán)境中，交互式電子控制器能夠根據(jù)溫度調(diào)整充電電壓和限制充電電流來最大限度地增加VRLA電池的壽命和安全。

在很多設(shè)備中，電池只放電到50％或者遠(yuǎn)低于它們的容量但是幾乎從不充滿。鉛酸蓄電池在這種部分充電狀態(tài)（PSOC）模式下和原來相比將會(huì)有多種失效的模式。這些新出現(xiàn)的失效原因給電池設(shè)計(jì)者帶來了新的挑戰(zhàn)。 研究 這些失效模式的電化學(xué)機(jī)理，改進(jìn)電池隔膜、電極添加劑和集流體的鉛合金材料等能夠增強(qiáng)電池的性能和壽命。

盡管超過96％的鉛酸電池會(huì)被回收，但是仍然需要延長它們的壽命。目前，對(duì)所有類型的車輛的 研究 顯示鉛酸蓄電池的壽命能夠顯著的延長。通過添加特殊的碳和聚合物添加劑能夠使低性能電池和失效電池重新使用。

第二節(jié) 鉛酸蓄電池的分類

按蓄電池極板結(jié)構(gòu)分類：有形成式、涂膏式和管式蓄電池。

按蓄電池蓋和結(jié)構(gòu)分類：有開口式、排氣式、防酸隔爆式和密封閥控式蓄電池。

按蓄電池維護(hù)方式分類：有普通式、少維護(hù)式、免維護(hù)式蓄電池。

按我國有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定主要蓄電池系列產(chǎn)品有：

起動(dòng)型蓄電池：主要用于汽車、拖拉機(jī)、柴油機(jī)船舶等起動(dòng)和照明。

固定型蓄電池：主要用于通訊、發(fā)電廠、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作為保護(hù)、自動(dòng)控制的備用電源。

牽引型蓄電池：主要用于各種蓄電池車、叉車、鏟車等動(dòng)力電源。

鐵路用蓄電池：主要用于鐵路內(nèi)燃機(jī)車、電力機(jī)車、客車起動(dòng)、照明之動(dòng)力。

摩托車蓄電池：主要用于各種規(guī)格摩托車起動(dòng)和照明。

煤礦用蓄電池：主要用于電力機(jī)車牽引動(dòng)力電源。

儲(chǔ)能用蓄電池：主要用于風(fēng)力、水力發(fā)電電能儲(chǔ)存。

第三節(jié) 鉛酸蓄電池工作原理及制造工藝

一、鉛酸蓄電池工作原理

鉛酸蓄電池正極活性物質(zhì)是二氧化鉛，負(fù)極活性物質(zhì)是海綿鉛，電解液是稀硫酸溶液，其放電化學(xué)反應(yīng)為二氧化鉛、海綿鉛與電解液反應(yīng)生成硫酸鉛和水，Pb（負(fù)極）+PbO2（正極）+2H2SO4====2PbSO4+2H2O（放電反應(yīng))其充電化學(xué)反應(yīng)為硫酸鉛和水轉(zhuǎn)化為二氧化鉛、海綿鉛與稀硫酸。2PbSO4+2H2O====Pb（負(fù)極）+PbO2（正極）+2H2SO4(充電反應(yīng))鉛酸蓄電池單格額定電壓為２.0V，一般串聯(lián)為６V、１２V用于汽車、摩托車啟動(dòng)照明使用，單替電池一般串聯(lián)為４８Ｖ、９６Ｖ、１１０或２２０Ｖ用于不同場(chǎng)合。電池內(nèi)正、負(fù)極板間采用電阻極低、雜質(zhì)少成分穩(wěn)定離子能通過的橡膠、ＰＶＣ、ＰＥ或ＡＧＭ隔板。

二、鉛酸蓄電池工藝流程及主要設(shè)備

鉛粉制造è板柵鑄造è極板制造è極板化成è裝配電池

鉛粉制造設(shè)備：鑄粒機(jī)或切段機(jī)、鉛粉機(jī)及運(yùn)輸儲(chǔ)存系統(tǒng)（推薦：沈陽電工機(jī)械聯(lián)合公司）

板柵鑄造設(shè)備：熔鉛爐、鑄板機(jī)及各種模具（推薦：沈陽巨谷蓄電池設(shè)備 研究 所）

極板制造設(shè)備：和膏機(jī)、涂片機(jī)、表面干燥、固化干燥系統(tǒng)等（推薦：風(fēng)帆機(jī)電設(shè)備公司）

極板化成設(shè)備：充放電機(jī)（推薦：張家港金帆電源有限公司）、

水冷化成及環(huán)保設(shè)備（推薦：無錫三環(huán)實(shí)業(yè)有限公司）

裝配電池設(shè)備：汽車蓄電池、摩托車蓄電池、大中小型密封閥控鉛酸蓄電池裝配線（推薦：南京先特自動(dòng)化設(shè)備有限公司）

電池檢測(cè)設(shè)備：各種電池性能檢測(cè)（推薦：貴州機(jī)電裝備 研究 所）

三、典型鉛酸蓄電池工藝過程概述

鉛酸蓄電池主要由電池槽、電池蓋、正負(fù)極板、稀硫酸電解液、隔板及附件構(gòu)成。工藝制造簡述如下：

鉛粉制造：將1#電解鉛用專用設(shè)備鉛粉機(jī)通過氧化篩選制成符合要求的鉛粉。

板柵鑄造：將鉛銻合金、鉛鈣合金或其他合金鉛通常用重力鑄造的方式鑄造成符合要求的不同類型各種板板柵。

極板制造：用鉛粉和稀硫酸及添加劑混合后涂抹于板柵表面再進(jìn)行干燥固化即是生極板。

極板化成：正、負(fù)極板在直流電的作用下與稀硫酸的通過氧化還原反應(yīng)生產(chǎn)氧化鉛，再通過清洗、干燥即是可用于電池裝配所用正負(fù)極板。

裝配電池：將不同型號(hào)不同片數(shù)極板根據(jù)不同的需要組裝成各種不同類型的蓄電池。

備注：各單位因工藝條件不同可選擇不同的流程。

（一）板柵鑄造簡介

板柵是活性物質(zhì)的載體，也是導(dǎo)電的集流體。普通開口蓄電池板柵一般用鉛銻合金鑄造，免維護(hù)蓄電池板柵一般用低銻合金或鉛鈣合金鑄造，而密封閥控鉛酸蓄電池板柵一般用鉛鈣合金鑄造。

第一步：根據(jù)電池類型確定合金鉛型號(hào)放入鉛爐內(nèi)加熱熔化，達(dá)到工藝要求后將鉛液鑄入金屬

模具內(nèi)，冷卻后出模經(jīng)過修整碼放。

第二步：修整后的板柵經(jīng)過一定的時(shí)效后即可轉(zhuǎn)入下道工序。

板柵主要控制參數(shù)：板柵質(zhì)量；板柵厚度；板柵完整程度；板柵幾何尺寸等；

（二）鉛粉制造簡介

鉛粉制造有島津法和巴頓法，其結(jié)果均是將1#電解鉛加工成符合蓄電池生產(chǎn)工藝要求的鉛粉。鉛粉的主要成份是氧化鉛和金屬鉛，鉛粉的質(zhì)量與所制造的質(zhì)量有非常密切的關(guān)系。在我國多用島津法生產(chǎn)鉛粉，而在歐美多用巴頓法生產(chǎn)鉛粉。

島津法生產(chǎn)鉛粉過程簡述如下：

第一步：將化驗(yàn)合格的電解鉛經(jīng)過鑄造或其他方法加工成一定尺寸的鉛球或鉛段；

第二步：將鉛球或鉛段放入鉛粉機(jī)內(nèi)，鉛球或鉛段經(jīng)過氧化生成氧化鉛；

第三步：將鉛粉放入指定的容器或儲(chǔ)粉倉，經(jīng)過2-3天時(shí)效，化驗(yàn)合格后即可使用。

鉛粉主要控制參數(shù):氧化度；視密度；吸水量；顆粒度等；

（三）極板制造簡介

極板是蓄電池的核心部分，其質(zhì)量直接影響著蓄電池各種性能指標(biāo)。涂膏式極板生產(chǎn)過程簡述如下：

第一步：將化驗(yàn)合格的鉛粉、稀硫酸、添加劑用專用設(shè)備和制成鉛膏；

第二步：將鉛膏用涂片機(jī)或手工填涂到板柵上；

第三步：將填涂后的極板進(jìn)行固化、干燥，即得到生極板。

生極板主要控制參數(shù):鉛膏配方；視密度；含酸量；投膏量；厚度；游離鉛含量；水份含量等。

（四）裝配工藝簡介

蓄電池裝配對(duì)汽車蓄電池和密封閥控鉛酸蓄電池有較大的區(qū)別，密封閥控鉛酸蓄電池要求緊裝配一般用AGM隔板,而汽車蓄電池一般用PE、PVC或橡膠隔板。裝配過程簡述如下：

第一步：將化驗(yàn)合格的極板按工藝要求裝入焊接工具內(nèi)；

第二步：鑄焊或手工焊接的極群組放入清潔的電池槽；

第三步：汽車蓄電池需經(jīng)過穿壁焊和熱封后即可,而密封閥控鉛酸蓄電池若采用ABS電池槽需用專用粘合劑粘接。

電池裝配主要控制參數(shù):匯流排焊接質(zhì)量和材料；密封性能、正、負(fù)極性等。

（五）化成工藝簡介

極板化成和蓄電池化成是蓄電池制造的兩種不同方法，可根據(jù)具體情況選擇。極板化成一般相對(duì)較容易控制成本較高且環(huán)境污染需專門治理。蓄電池化成質(zhì)量控制難度較大，一般對(duì)所生產(chǎn)的生極板質(zhì)量要求較高，但成本相對(duì)低一些。密封閥控鉛酸蓄電池化成簡述如下：

第一步：將化驗(yàn)合格的生極板按工藝要求裝入電池槽密封；

第二步：將一定濃度的稀硫酸按規(guī)定數(shù)量灌入電池；

第三步：經(jīng)放置后按按規(guī)大小通直流電，一般化成后需進(jìn)行放電檢查配組后入庫準(zhǔn)備出廠。

電池化成主要控制參數(shù):罐酸量；罐酸密度；罐酸溫度；充電量和時(shí)間等。

（六）使用與維護(hù)

鉛酸蓄電池以其制造工藝簡單、原材料來源豐富、價(jià)格適中在二次化學(xué)電源中起著不可替代的作用，特別是閥控電池的出現(xiàn)又使傳統(tǒng)的蓄電池?zé)òl(fā)出了勃勃生機(jī)。蓄電池使用壽命與制造有著密切的關(guān)系，同時(shí)與使用方法也有很大的影響，正確掌握的使用方法對(duì)延長蓄電池的壽命大有益處。對(duì)于傳統(tǒng)開口式蓄電池日常須對(duì)以下幾方面注意：

①電解液的數(shù)量、密度以及充電程度等方面加以注意，尤其是與其密切相關(guān)的充電系統(tǒng)特別關(guān)心，若充電量較大則蓄電池失水多，容易造成極板的活性物質(zhì)脫落，造成底部短路使電池內(nèi)部溫度較高而縮短壽命，若充電量較小則容易造成電池的虧電，蓄電池在長期虧電的情況下，可導(dǎo)致極板的不可逆硫酸鹽化，其表現(xiàn)是充電過程電壓上升較快，很短時(shí)間完成，放電時(shí)電壓下降迅速。

②電解液的純度，一般采用蓄電池專用電解液或補(bǔ)充液灌注，嚴(yán)禁用普通硫酸和自來水替代。

③日常使用表面保持清潔，排氣口暢通。

④放置不用時(shí)應(yīng)先充滿電，同時(shí)三個(gè)月進(jìn)行一次補(bǔ)充電。

對(duì)于密封閥控鉛酸蓄電池日常須對(duì)以下幾方面注意：

①注意充電電壓的范圍浮充使用時(shí)電壓一般控制在2.15±0.1V/單格，循環(huán)使用時(shí)電壓一般控制在2.35±0.1V/單格，若說明書有要求時(shí)應(yīng)按說明書操作。

②注意使用環(huán)境溫度，一般不超過30度為宜。溫度變化較大時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)電壓的調(diào)節(jié)。

③對(duì)于不同廠家的產(chǎn)品不可混用，同一廠家的產(chǎn)品新舊不可混用。

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