1、電池行業(yè)發(fā)展概況

 

電池制造業(yè)在我國既是傳統產業(yè)，又是新能源產業(yè)的重要組成部分，與新能源汽車、可再生能源、現代電子信息、新材料、裝備制造等多個戰(zhàn)略性新興產業(yè)關聯緊密，電池制造業(yè)也是我國國民經濟建設中最重要的基礎性產業(yè)，關系國計民生和建成小康社會的基礎;電池產品在適應我國新形勢下的國民經濟發(fā)展，保障國防戰(zhàn)略需要，滿足大眾工作、生活消費多樣化需求等方面，具有廣泛的應用領域和十分重要的作用。電池包括物理電池和化學電池。物理電池是利用物理效應，將太陽能、熱能或核能直接轉換成直流電能的裝置，如太陽能電池、溫差發(fā)電器、核電池等;化學電池是一種將化學能直接轉變成直流電能的裝置， 如鉛酸蓄電池、鋰離子電池、鋅錳電池等。在電池中，化學電池是最主要的電池。化學電池按是否可以循環(huán)使用，分為一次電池和二次電池兩大類。其中，一次電池是活性物質僅能使用一次的電池， 又稱原電池， 如鋅錳電池， 堿錳電池等;二次電池可充電、循環(huán)使用，又稱蓄電池。蓄電池利用電池內活性物質在放電狀態(tài)下發(fā)生化學反應輸出電流，在充電狀態(tài)下發(fā)生逆向化學反應儲存電能。

 

蓄電池按電極材料和工作原理的不同，主要分為鉛酸蓄電池、鋰離子電池、鎳氫電池、鎳鎘電池等四大類。其中，鉛酸蓄電池具有性價比高、容量大、功率高、壽命長、安全可靠等優(yōu)點，是目前世界上產量最大、用途最廣的一種電池;鋰離子電池憑借能量密度高的優(yōu)勢也占據一定的市場份額。

 

 

 

2、鉛酸蓄電池概述

 

(1)鉛酸蓄電池的構成和工作原理

 

鉛酸蓄電池由正極板、負極板、隔板、電解液、塑料槽等組成。鉛酸蓄電池正極活性物質為二氧化鉛(PbO2)，負極活性物質是鉛(Pb)，電解液是稀硫酸，正負極之間由隔板隔開，電解液中的離子可以通過隔板中的微孔，電極上的電子不能通過隔板。鉛酸蓄電池放電后， 正極板的活性物質二氧化鉛(PbO2)轉化成硫酸鉛(PbSO4)附著在正極板上，負極活性物質鉛(Pb)也轉化成硫酸鉛(PbSO4)附著在負極上， 電解液中的硫酸擴散到極板中去， 電解液的濃度降低。 鉛酸蓄電池在充電時，發(fā)生相反的反應。通過充電、放電反應，鉛酸蓄電池可以反復使用，直到儲存的容量達不到電器的要求時，壽命終止。

 

 

 

鉛酸蓄電池單格電池(又稱單體電池)的標準電壓是 2V。為滿足用電器高電壓的需要，電池常通過串聯組合成 6V、12V 等電池組;為滿足用電器高容量需要，常通過增加極板面積或將相同極板并聯焊成極群來實現。將完全處于充電狀態(tài)的電池，按一定放電條件，放電到所規(guī)定電壓時所釋放出的電量稱為電池的容量，單位一般用安培小時(簡稱安時，用“Ah”表示)。電池釋放電量的能力稱為能量，為電池的容量乘以平均放電電壓，通常用伏安時(VAh)或千伏安時(kVAh)表示。

 

(2)鉛酸蓄電池的發(fā)明

 

1799 年伏打(Alessandro Volta)用鋅片與銅片夾以鹽水浸濕的紙片組裝成電堆;1836 年，丹尼爾(John Frederic Daniell)利用伏打電堆的工作原理制成了第一個實用電池，標志著化學電池進入生產和生活中，但銅鋅體系的電池用完后不能充電供重復使用，阻礙了其更廣泛地應用。1801 年，戈特洛(Nicolas Gautherot)在實驗中用伏打電堆和兩根鉑絲電解鹽水產生氫氣和氧氣，在其撤走電源并將兩根鉑絲直接接觸時，出現了短時間的反向電流(當時也被稱為二次電流，今稱放電電流)，但電流維持的時間太短，沒有實用價值。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，其發(fā)現兩片銅片之間存在 0.3V的電壓; 之后再用金屬鉛、 錫和銅替代銅片進行了實驗， 均測到了不同的電壓值。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，但其未意識到這一發(fā)現的重要價值。1859 年，普蘭特(Raymond Gaston Plante)獨立于辛斯特登發(fā)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-電解液體系中可以維持最長的時間，并且電壓也最高。普蘭特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。1870 年，發(fā)電廠開始使用直流發(fā)電機，并引入鉛酸蓄電池進行負載調峰，即在晚上充電，白天供電。1879 年愛迪生(Thomas Edison)發(fā)明了白熾燈，讓電力走進千家萬戶，同時激發(fā)了用戶在輸電線架設不到的地方使用電源的需求，這正是鉛酸蓄電池的應用場合。限于制造工藝，當時鉛酸蓄電池還無法大規(guī)模生產，但越來越多的研究者已開始參與鉛酸蓄電池的研究。從此，鉛酸蓄電池開始處于因市場需求而促進其研發(fā)的狀態(tài)，人們對它進行不斷地研究和改進，使其得到極大地發(fā)展。鉛酸蓄電池是迄今發(fā)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，使鉛酸蓄電池的制造工藝有了很大進步。1882 年賽隆(John Scudamore Sellon)采用鉛-銻(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(fā)生變形的問題，大大提高了電池極板的強度，使鉛酸蓄電池的壽命有了較大提高。1970 年之前，鉛酸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(fā)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”鉛酸蓄電池，希望能克服上述問題。1957 年德國陽光(Sonnenschein)發(fā)明了 SiO2 膠體密封鉛酸蓄電池，即閥控式密封鉛酸蓄電池(valve-regulatedlead-acidbatteries，VRLA)的 Gel 技術 。 1971 年 美 國 蓋 茨 (Gates ) 公 司 發(fā) 明 了 吸 液 式 超 細 玻 璃 棉 隔 板(absorbedglassmat)即閥控式密封鉛酸蓄電池的 AGM 技術。Gel 技術和 AGM 技術的閥控密封鉛酸蓄電池，實際解決了電池內部氧氣的復合循環(huán)問題，運行及安全性能遠遠超過之前的技術。VRLA 從 1973 年于小型電池實現商業(yè)化之后至今，在外形及尺寸上均有了較大的發(fā)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。

 

(3)鉛酸蓄電池的分類

 

按照應用領域劃分， 我國的鉛酸蓄電池主要可分為備用電源電池、儲能電池、起動電池和動力電池四大類。備用電源電池是主要用于通訊備用電源、不間斷電源(UPS)、應急照明電源及其他備用電源的蓄電池。儲能電池指適用于供太陽能發(fā)電設備和風力發(fā)電機以及其他可再生能源的儲能用蓄電池。 起動電池是主要應用于汽車、摩托車、燃油發(fā)動機起動、點火和照明的蓄電池。動力電池主要應用于電動自行車、電動特種車(電動游覽車、高爾夫車、巡警車、叉車等)、低速電動乘用車、混合電動車等電動車輛作為動力。

 

 

 

按照電池中極板的結構分為板式、管式和卷繞式等類別，分別稱為平板式電池、管式電池和卷繞式電池。此外，根據鉛酸蓄電池中電解液處于游離狀態(tài)和吸附(或固定)狀態(tài)，分為富液式蓄電池和貧液式蓄電池。貧液電池中，電解液吸附在玻璃纖維隔板中的蓄電池常設計成閥控密封式，稱為閥控式密封蓄電池;電解液用二氧化硅膠體固定的蓄電池稱為膠體電池。

 

3、鉛酸蓄電池的比較優(yōu)勢和不足

 

鉛酸蓄電池是工業(yè)化最早的二次電池，自 1859 年發(fā)明至今已經有 150 多年的歷史，但是該產業(yè)的發(fā)展仍然方興未艾。