鉛蓄電池（英文名稱：Lead–acid battery），是一種蓄電池，又名鉛酸電池、鉛酸蓄電池，它用填滿海綿狀鉛的鉛板做負極，填滿的鉛板做正極，并用22%~28%的稀硫酸做。電池在放電時，鉛是負極，發生氧化反應，被氧化為；是正極，發生還原反應，被還原為硫酸鉛。電池在用直流電充電時，兩極分別生成鉛和二氧化鉛。移去電源后，它又恢復到放電前的狀態，組成化學電池。鉛蓄電池是能反復充電、放電的電池，稱為二次電池。鉛蓄電池可分為普通鉛蓄電池、干荷蓄電池和免維護鉛蓄電池。
大部分的鉛蓄電池用來作為動力來源，如在交通領域用于電動車、汽車等；在通信行業中采用鉛蓄電池當作備用電源；鉛蓄電池在儲能領域用作二次電源。
相關歷史
1802年里特（Johann Wilhelm Ritter）用伏打電堆向一疊夾以鹽水浸濕紙片的銅片進行充電，在撤走電源后，他發現兩片銅片之間存在0.3V的電壓。之后他用金屬鉛、錫和銅替代銅片進行了實驗，均測到了不同的電壓值，但他沒有采用硫酸作為電解液，否則或許鉛蓄電池的發現將提前。當時已有其他科學家通過浸沒在硫酸中的鉛電極制得了PbO2，可以說離鉛蓄電池的最終發明已經很近了。
1854年德國科學家辛斯特登（Wilhelm Joseph Sinsteden）在使用多種電池進行研究時，認識到浸沒在硫酸中的鉛電極具有一定的儲能容量，即對電極充電之后可以向負載供電，并報道了其能量密度，但他仍未意識到這一發現的重要價值。
1859年，法國科學家普蘭特（Raymond Gaston 植物界）獨立于辛斯特登發現并報道了從浸在硫酸溶液中并充電的一對鉛板，在撤去充電電流并加上負載后可以得到有效的放電電流，這個體系的放電電流在諸多電極一電解液體系中可以維持最長的時間，并且電壓也最高。他根據這一原理設計了具有實用價值的蓄電池，并在1860年向法國科學院展示了這一可充電電池，這標志著第一個可以重復使用的電池問世，即加上反向電流就可以對電池進行充電，充電之后電池就可以繼續使用。因為此前發明的電池都只能隨著反應物耗盡而廢棄，因而鉛蓄電池能為人們更廣泛、廉價地利用電能提供便利，具有重大意義。
到了1870年，發電廠開始使用直流發電機，并引入鉛蓄電池進行負載調峰，即在晚上充電，白天供電。1879年托馬斯·愛迪生（Thomas Edison）發明了白熾燈，讓電力走進千家萬戶，同時激發了用戶在輸電線架設不到的地方使用電源的需求，這正是鉛蓄電池的應用場合。然而限于制造工藝，那時鉛蓄電池還無法大規模生產，但越來越多的研究者已開始參與鉛蓄電池的研究。從此，鉛蓄電池開始處于因為市場需求而促進其研發的狀態，人們對它進行不斷地研究和改進，使其得到極大地發展。可以說鉛蓄電池是迄今發展時間最長，技術最成熟的電池技術。
1881年，富萊（Camille Alphonse Faure）和布魯希（Charles Francis Brush）二人制成涂膏式極板，即用鉛的氧化物和硫酸水溶液混合制成鉛膏涂在鉛板上，較好地防止了活性物質的脫落，使鉛蓄電池的制造工藝有了很大進步。1882年賽隆（John Scudamore Sellon）采用Pb-Sb合金制造板柵，克服了由于充放電前后電極活性物質體積膨脹、收縮使得作為活性物質載體的板柵發生變形的問題，大大提高了電池極板的強度，使鉛蓄電池的壽命有了較大提高。
在1970年之前，鉛蓄電池的極板需浸在可流動的硫酸中使用，在電池充電后期和過充電時，會發生電解水的副反應，氫氣和氧氣可無障礙地釋放出來，這帶來電解液失水，電池需定期維護的問題。于是研究人員一直試圖研制“密封式”鉛蓄電池，希望能克服上述問題。1957年德國陽光（Sonnenschein）發明了SiO2膠體密封鉛蓄電池，即閥控式密封鉛蓄電池（VRLA）的Gel技術。1971年美國蓋茨（Gates）公司發明了吸液式超細玻璃棉隔板即閥控式密封鉛蓄電池的AGM技術。從實踐上解決了電池內部氧氣的復合循環問題，運行及安全性能遠遠超過之前的技術。
工作原理
傳統鉛蓄電池
鉛蓄電池是一種蓄電池，它用填滿海綿狀鉛的鉛板做負極，填滿二氧化鉛的鉛板做正極，并用22%~28%的稀硫酸做電解質。
電池放電反應為：
電池充電反應為：
傳統鉛蓄電池在充電后期和過充電時，會發生電解水的副反應，在電極上產生一定量的氣體，如下所示：
正極：
負極：
電池在放電時，鉛是負極，發生氧化反應，被氧化為硫酸鉛；二氧化鉛是正極，發生還原反應，被還原為硫酸鉛。電池在用直流電充電時，兩極分別生成鉛和二氧化鉛。移去電源后，它又恢復到放電前的狀態，組成化學電池。鉛蓄電池是能反復充電、放電的電池，稱為二次電池。它的電壓是2V，通常把三個鉛蓄電池串聯起來使用，電壓是6V。性能較好的蓄電池可以反復充放電上千次，直至活性物質脫落到不能再用，隨著放電的繼續進行，蓄電池中的硫酸逐漸減少，水分增多，電解液的相對密度降低；反之，充電時蓄電池中水分減少，硫酸濃度增大，電解液相對密度上升。大部分的鉛蓄電池放電后的密度為1.1~1.3kg/cm3，充滿電后的密度為1.23~1.3kg/cm3，所以在實際工作中，可以根據電解液相對密度的高低判斷蓄電池充放電的尺度。
在正常情況下，蓄電池不要放電過度，不然將會使活性物質（正極的二氧化鉛，負極的海綿狀鉛）與混在一起的細小硫酸鉛結晶成較大的結晶體，增大了極板電阻。按規定鉛蓄電池放電深度（即每一充電循環中的放電容量與電池額定電容量之比）不能超過額定容量的75%，以免在充電時很難復原，縮短蓄電池的壽命。
閥控密封鉛蓄電池
閥控密封式鉛蓄電池為密封結構，不會漏酸，也不會排酸霧。該電池通過“內部氧循環”的方式來實現密封，正極析氧反應為：
①
析出的氧通過特殊的氣體空隙轉移至負極板，在負極板上再化合成水，也稱再化合反應，其反應方程為：
②
在VRLA電池充電期間，還存在2個副反應是負極析氫反應和正極板柵的腐蝕，即：
③
④
式①和式②組成的氧循環使負極的電勢負移較少，并且由于采用特定的合金板柵，式③中氫氣的析出速度被降到非常低的水平。使用單向的限壓閥就可以確保氫氣積累不會在電池內部造成過高的壓力。VRLA從1973年于小型電池實現商業化之后至今，在外形及尺寸上均有了較大的發展，因而廣泛適用于眾多領域，成為蓄電池產品中的重要組成部分。
分類
普通鉛蓄電池
普通鉛蓄電池的極板由鉛和鉛的氧化物構成，電解液是硫酸的水溶液。它的主要優點是電壓穩定、價格便宜，缺點是比能量（即每千克蓄電池存儲的電能）低、使用壽命短且日常維護頻繁。老式普通鉛蓄電池一般壽命在2年左右，而且需定期檢查電解液的高度并添加蒸餾水。
干荷蓄電池
干荷蓄電池的全稱是干荷電鉛蓄電池，它的主要特點是負極板有較高的儲電能力，在完全干燥狀態下能在兩年內保存所得到的電量，使用時只需加入電解液，等待20~30min即可使用。
干荷電鉛蓄電池與普通鉛蓄電池的區別是，極板組在干燥狀態下，能夠較長時期保存在制造過程中所得到的電荷，在規定的保存期內（一般為兩年）如需使用，只要灌入符合規定比重的電解液，放置半小時，調整液面高度至規定值，不需進行初充電即可使用。因此，它使用方便，是應急的理想電源。
免維護鉛蓄電池
免維護鉛蓄電池由于自身結構上的優勢，電解液的消耗量非常小，在使用壽命內基本不需要補充蒸餾水。它具有耐振、耐高溫、體積小、自放電小的特點。使用壽命一般為普通鉛蓄電池的兩倍。市場上的免維護鉛蓄電池也有兩種：一種是在購買時一次性加電解液以后使用中不需要添加補充液；另一種是電池本身出廠時就已經加好電解液并封死，用戶根本就不能加補充液。
閥控密封式鉛蓄電池
閥控密封式鉛蓄電池在使用期間不用加酸加水維護，電池為密封結構，不會漏酸，也不會排酸霧，電池蓋子上設有溢氣閥（也稱安全閥），該閥的作用是當電池內部氣體量超過一定值，即當電池內部氣壓升高到一定值時，溢氣閥自動打開，排出氣體，然后自動關閉，防止空氣進入電池內部。
閥控密封式鉛蓄電池分為AGM和GEL（膠體）電池兩種。AGM采用吸附式玻璃纖維棉作隔膜，電解液吸附在極板和隔膜中，電池內無流動的電解液，電池可以立放工作，也可以臥放工作；膠體（GEL）以SiO2作凝固劑，電解液吸附在極板和膠體內，一般立放工作。如無特殊說明，閥控密封式鉛蓄電池皆指AGM電池。電動汽車使用的動力電池一般是閥控密封式鉛蓄電池。
結構
鉛蓄電池主要由正極板、負極板、接線端子、隔板、安全閥、電解溶液、跨橋、電池蓋、接頭密封材料及附件等部分組成。
正負極板
蓄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栗色的二氧化鉛（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柵架上，柵架的材料可以是鉛銻合金、純鉛或其他合金。負極板的厚度為1.8mm，正極板的厚度為2.2mm，為了提高蓄電池的容量，大多采用厚度為1.1~1.5mm的薄型極板。另外，為了提高蓄電池的容量，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
正負極板之間均有一塊絕緣的隔板，隔板的作用就是為了避免正負極板彼此接觸而造成短路，并可使電池裝配緊密，縮小電池體積，還可防止極板變形、彎曲和活性物質脫落。隔板具有多孔性，以便電解液滲透和流通，減小電池的內阻。此外，隔板材料還應具有良好的耐酸性和抗氧化性。常用的隔板材料有木質、微孔橡膠、微孔塑料（聚氯乙稀、PF）、玻璃纖維等，以微孔塑料隔板使用最為普遍。有些鉛蓄電池的隔板是呈袋狀的微孔塑料隔板，這種隔板可將正極板緊緊地套在里面，很好地防止了正極板活性物質脫落。
鉛蓄電池隔板需具備的條件：
電池槽和電池蓋
蓄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，多用硬橡膠制成。中國早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）、質量輕、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
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，傳導溶液正負離子。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℃）。
正負接線柱
蓄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，形成蓄電池正負接線柱，實現電池與外界的連接，傳導電池，接線柱的材質一般是鋼材鍍銀，正極標“+”號或涂紅色，負極標“一”號或涂藍色、綠色。
安全閥
安全閥一般由塑料材料制成，對電池起密封作用，阻止空氣進入，防止極板氧化同時可以將充電時電池內產生的氣體排出電池，避免電池產生危險。使用時必須將排氣栓上的盲孔用鐵絲刺穿，以保證氣體溢出通暢。
應用領域
交通領域
汽車、摩托車用鉛蓄電池 汽車和摩托車用鉛蓄電池主要用途是為發動機的起動、車載電子設備的使用，如照明等，以及發動機的點火提供電能。車用鉛蓄電池的主要設計要求是在低溫條件下仍能將發動機帶到較高的轉速，這種情況下電池主要處于浮充狀態。但隨著車內輔助電器如報警器、音響、空調和衛星定位系統等的增加，這些電器大約占整個鉛蓄電池用量的80%。隨著車輛流線性和行人碰撞保護要求的增加，蓄電池的外形已成為一個大問題。一方面要求保持性能不變，另一方面又要求減小外形尺寸。為了適應車載的條件，鉛蓄電池做了諸多改造，如為了抑制析氫，將合金板柵中的Sb含量從4%~5%降到1%～2%或者無Sb，同時采用了更薄的材料來減小電池的體積等。
電動汽車和電動自行車用鉛蓄電池 鉛蓄電池可取代汽油和柴油，應用于電動汽車和電動自行車中作為其行駛動力電源。其應用于非上路型電動車輛如高爾夫車、叉車等已有幾十年歷史，這些車輛大部分使用36V系統，即采用6只6V鉛蓄電池串聯使用。通用汽車的EV1是一款專門設計的電動汽車，具有符合空氣動力學的水滴外形，剎車時能給電池充電，采用鋁合金結構和復合材料面板來減輕質量。電池組由26只12V閥控密封鉛蓄電池組成，行駛里程為88~150km。
通信領域
中、小型密封電池作為后備電源在郵電系統的主要應用領域為用戶接入網和通信專網。鉛蓄電池因其成熟的技術、較長的使用壽命和低廉的價格，作為固定電源和后備電源在通信以及UPS電池領域具有難以取代的優勢。
儲能領域
新能源如風能和太陽光能發電時，除小部分直接輸入電網外，大部分還要和電池配合，如發電時先給鉛蓄電池充電，通過逆變器將鉛蓄電池的直流電變換為交流電，然后對外供電。二次電池用于供電系統被認為是替代昂貴的燃氣或者燃油渦輪發電機來滿足用電高峰時進行負載平衡的替代供電方式，某些場合需要的大型電池組可達50MW·h/1000V量級。這一應用場合回避了鉛蓄電池在比能量方面的不足，且使用溫度范圍廣、安全、價格低，具有很好的性能/價格比，因而鉛蓄電池被認為是在短期內能滿足這種應用的首選方案。
其他
鉛蓄電池是一種使用很普遍的電池，礦燈、無交流電地區的照明與電器供電、一些無線電遙控模型設備和電子設備等都離不開鉛蓄電池。
使用壽命及失效原因
使用壽命
鉛蓄電池在使用初期，隨著充放電循環次數的增加，其容量有所上升，逐漸達到最大值。此后，則會隨著充放電循環次數的增加，容量逐漸減少。例如，鉛酸電池在使用過程中，極板活性物質的自然老化和脫落、極板的腐化和變形、PbSO4的硫化等，均會使蓄電池的放電能力下降。牽引用蓄電池當容量下降至額定容量的80%以下時，就認為達到了該蓄電池的使用壽命極限。深循環蓄電池也是一種鉛蓄電池，又稱為混合蓄電池。它的正極柵格板用含銻2.75%的鉛銻合金制成，負極板用的是鉛鈣合金。極板焊耳靠近極板中心線，柵條以焊耳為中心呈輻射狀分布。更快的速率提供電流；能耐受多次過度充放電而仍能保持最初的儲備容量。不同國家、不同類型的蓄電池都有相應的標準，對蓄電池性能評定方法和使用期限有明確的規定。
失效原因
鉛蓄電池過早失效而報廢的現象，75%以上都是由于鉛蓄電池電池極板上形成不可逆硫酸鉛鹽（即硫酸鹽化，簡稱硫化）、自放電以及活性物質失效并脫落，而這三大難題一直是困擾鉛蓄電池行業的頑癥，至今未有效解決。
所謂硫化，是指正負極板上不可逆地形成一層白色粗粒結晶的硫酸鉛。這種結晶體很難在正常充電時消除，硫化的形成程度與鉛蓄電池容量有很大的關系。硫化越嚴重，電池容量越少，直至報廢。極板硫化的因素很多，主要是鉛蓄電池貯存時間過長，因為極板在化成處理時活性物質表面存在硫酸，導致活性物質表面的硫酸鉛老化后失去電離作用。鉛蓄電池帶電摘置時處于放電狀態，放電后未及時給電池充電，電解液密度過高或不純，都會使正負極板中活性物質的表面形成不可逆硫化。所以，硫化是導致極板活性物質失效報廢的主要原因。
自放電是指鉛蓄電池內電能自行消耗，一般每晝夜容量下降不大于2%，就認為正常；如果每晝夜容量下降大于2%，就認為有故障。自放電原因主要有：生產制造中材料不純（如含過高或其他有害雜質），電解液中含有害雜質（鐵、錳、、銅等離子），正負極板硫化后電極隔板孔隙堵塞，導致鉛蓄電池內阻消耗增大等。所以，制造過程中要求電解液必須是專用硫酸，水必須是蒸餾水或去離子水。
正極板活性物質的脫落主要是由于過充電或大電流放電，而負極板活性物質的脫落是由于過充電或大電流充電，過充電會引起水的電解，產生大量的氫氣和氧氣，當氫氣向孔隙沖出時，會使活性物質脫落，鉛蓄電池在顛振的環境使用也會加速活性物質的脫落。所以，要求鉛蓄電池在使用中一定要避免過充放電發生。
新型鉛蓄電池
雙極耳卷繞式電池
雙極耳卷繞式電池是由美國Hawker公司開發的，采用了多種新工藝，8A·h電池可以達到250A的高倍率放電。這種電池已經成功地應用于本田技研工業生產的“Insight”混合電動汽車上，經過幾年的路上試驗，其性能完全滿足混合電動汽車的要求。
VRLA-C電池和超級電池
美國Axion動力跨國公司開發了電池與超級電容器混合的Pb-C電池技術。Pb-C電池（VRLA-C電池）和標準鉛蓄電池的區別在于其負極采用了活性炭電極，正極同樣為含PbO2的活性物質，Pb-C電池的主要優點如下：
①循環壽命長；②充電高倍率；③負極沒有硫酸鹽化問題；④較輕的質量；⑤較高的動力容量。
Pb-C電池采用的關鍵技術是連續混合電池膏的加碳和膏設備。而常規鉛蓄電池只是負極和膏中摻入大量碳。
Pb-C電池的板柵技術：采用壓延后沖孔的方法，柵格比普通鑄造板柵密，以提高膏與板柵的結合力。
澳大利亞CSIRO也開發了鉛蓄電池和超級電容器聯合的超級電池，它與VRLA-C電池的區別在于負極，超級電池的負極由兩部分組成，一半負極是鉛蓄電池普通鉛負極，另一半負極為超級電容器的炭電極，原理結構如圖所示。
泡沫石墨鉛酸蓄電池
美國美國航空航天局開發出泡沫石墨鉛蓄電池。泡沫石墨鉛蓄電池的技術創新點在于拋棄了鉛板柵，保留了活性物質，用泡沫石墨代替鉛，這樣比普通鉛酸蓄電池減少了70%的Pb，減輕了質量，降低了成本。
環境影響
環境危害
鉛蓄電池廣泛用于汽車和其他電氣設備，可以反復充放電，其主要組成部分是鉛。眾所周知，鉛是一種可存留多年的有毒重金屬。在室溫下，鉛不蒸發。鉛被人體吸收后可作用于全身各系統和器官，主要累及神經、造血、消化、心血管、腎臟及免疫等系統，其毒性機理主要是鉛與人體某些酶的活性中心巰基有著特別強的親和力，通過與其結合使酶喪失生物活性，也可以通過與酶的非活性部位結合而改變活性部位的構象或與起輔酶作用的鈣、鋅、鐵等二價離子置換，使酶的活性減弱甚至喪失。鉛蓄電池采用稀釋硫酸溶液作為電池液。廢舊鉛蓄電池中的鉛和硫酸是可再利用資源，但處置不當會對環境造成嚴重破壞。日本、韓國、中國和其他許多國家利用回收的廢舊鉛蓄電池來生產制造新的鉛蓄電池。值得注意的是，當裝備鉛蓄電池的機動車和叉車被出口到不具備回收技術的發展中國家，可能也會引發環境問題，因此廢棄鉛蓄電池也是《巴塞爾公約》的關注目標之一。
回收處理
完整的廢蓄電池通常由液態的電解液（H2SO4溶液，占11%~30%）和固態的有機化合物（聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙稀、膠木等占22%~30%）、金屬鉛（板柵、連接條占24%~30%）、鉛膏（占30%~40%）或渣泥4類物質組成。其回收利用是為了回收鉛、硫酸以及聚丙烯塑料外殼。
廢鉛酸蓄電池中約含有60%的鉛，其中鉛連接條占13.8%，板柵占38.2%，填料占到48%，這些鉛物料平均含鉛約87%。板柵約含Pb93%、Sb3%和極少量的其他金屬。生產上，重力分選出的混合料稱為鉛膏，其鉛品位65%～80%，含硫約7%，硫酸鉛占鉛膏總鉛量60%。因此廢鉛酸蓄電池鉛料是一種含鉛量極高、成分簡單、雜質含量少、以硫酸鉛為主的高鉛物料，如不加區分直接火法冶煉，鉛回收率僅70%～85%，混煉損失嚴重。廢鉛酸蓄電池鉛料是一種含鉛量極高、成分簡單、雜質含量少、以硫酸鉛為主的高鉛物料，如不加區分直接火法冶煉，鉛回收率僅70%，混煉損失嚴重。
廢鉛酸蓄電池的處理一般都經破碎分選、廢料高效再生兩個階段，分出板柵、鉛膏和有機廢塑料3種成分，因此廢鉛酸蓄電池各組成部分的綜合利用和鉛物料的冶煉過程具有典型的循環型經濟的特征。
參考資料 >