《儲(chǔ)能材料與器件智能制造技術(shù)》鉛酸電池當(dāng)清晨的電動(dòng)車載著上班族穿梭于大街小巷，當(dāng)應(yīng)急電源在停電時(shí)刻點(diǎn)亮醫(yī)院的生命之光，當(dāng)汽車引擎在嚴(yán)寒中轟鳴啟動(dòng)，這些熟悉場(chǎng)景的背后，往往都有鉛酸電池的身影。作為最早實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的二次電池，鉛酸電池自1859年問世以來，歷經(jīng)160余年的發(fā)展，始終在交通運(yùn)輸、通信儲(chǔ)能、應(yīng)急電源等領(lǐng)域占據(jù)重要地位。盡管近年來鋰電池等新型電池發(fā)展迅猛，但鉛酸電池憑借成本低廉、技術(shù)成熟、大電流放電性能優(yōu)異等特點(diǎn)，依然是全球應(yīng)用最廣泛的化學(xué)電源之一。深入了解鉛酸電池的結(jié)構(gòu)原理、性能優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用場(chǎng)景，不僅能幫助我們合理使用這種“電力基石”，更能從中窺見電池技術(shù)不斷演進(jìn)的歷程。鉛酸電池是一種電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的蓄電池。鉛酸電池是二次電池。單體鉛酸蓄電池主要由正極板，負(fù)極板、硫酸、隔板，槽體組成。將數(shù)片正負(fù)極板相互嵌合，中間插入隔板，就成了單格電池。在每個(gè)單格電池中，負(fù)極板數(shù)量總是比正極板多一片。因?yàn)檎龢O板活性物質(zhì)較疏松，機(jī)械強(qiáng)度低，把正極板夾在負(fù)極板中間，這樣使其兩側(cè)放電均勻，正極板放電時(shí)不易因活性物質(zhì)膨張翹曲而脫落。一個(gè)單格鉛酸電池的標(biāo)稱電壓是2.0V，能放電到1.5V，能充電到2.4V。實(shí)用的鉛酸電池一般是將多個(gè)單格鉛酸電池串聯(lián)起來組成標(biāo)稱電壓為12V、24V、36V、48V等不同電壓的鉛酸電池。鉛酸電池的結(jié)構(gòu)如圖所示正極主要成分為二氧化鉛，負(fù)極主要成分為鉛；放電后，正負(fù)極的主要成分均為硫酸鉛。鉛酸電池在充電狀態(tài)下正極由二氧化鉛轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩徙U，負(fù)極由海綿狀鉛變?yōu)榱蛩徙U，正、負(fù)極板上的硫酸鉛越來越多，電池電壓逐漸降低，硫酸濃度也不斷降低。只要測(cè)得電解液中的硫酸濃度（比重），即可得知放電量或剩余電量。電池放電時(shí)正極由硫酸鉛(PbSO4)轉(zhuǎn)化成棕色二氧化鉛（PbO2），負(fù)極則由PbSO4轉(zhuǎn)變?yōu)榛疑U海綿狀Pb，電池電壓逐漸上升，硫酸濃度不斷增高。電池充電時(shí)優(yōu)點(diǎn)鉛酸蓄電池價(jià)格較低，具有技術(shù)成熟、高低溫性能優(yōu)異、穩(wěn)定可靠、安全性高、鉛資源豐富，容易再生利用，可大電流放電等優(yōu)點(diǎn)。鉛酸電池自1859年發(fā)明至今已經(jīng)有150多年的歷史，目前仍然廣泛使用于交通、通信、電力、軍事、航海、航空等各個(gè)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。缺點(diǎn)鉛酸蓄電池不足之處在于：鉛原子量大，重量能量密度偏低、循環(huán)壽命偏短，主要原材料鉛有毒，存在鉛污染風(fēng)險(xiǎn)。極板是蓄電池的核心部件，分為“正極板”和“負(fù)極板”。極板由鉛粉、硫酸、水混合制成鉛膏涂填在板柵上，經(jīng)化成制得。鉛粉為PbO65%~85%，Pb15%~35%（重量分?jǐn)?shù)）組成。板柵由鉛銻合金澆筑而成，一般由截面積和形狀不同的橫豎筋頭組成柵欄體。板柵的作用是支撐活性物質(zhì)。極板化成時(shí)，正極板上的活性物質(zhì)發(fā)生陽極氧化，生成PbO2。負(fù)極板上發(fā)生陰極還原，生成海綿狀鉛。鉛酸電池中的關(guān)鍵材料有極板、二氧化鉛、鉛等。鉛酸電池最突出的優(yōu)勢(shì)在于其卓越的大電流放電性能。在汽車啟動(dòng)瞬間，鉛酸電池能夠在短時(shí)間內(nèi)釋放數(shù)百安培的電流，輕松驅(qū)動(dòng)起動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；在電動(dòng)自行車爬坡或加速時(shí)，也能快速提供高功率輸出，滿足瞬間大電流需求。此外，鉛酸電池的成本相對(duì)較低，其原材料鉛和硫酸來源廣泛，生產(chǎn)工藝成熟，使得電池價(jià)格親民，這也是其在電動(dòng)自行車、低速電動(dòng)車等對(duì)成本敏感領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位的重要原因。從安全性角度來看，鉛酸電池化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，正常使用情況下不易發(fā)生起火、爆炸等安全事故。即便電池?fù)p壞，也不會(huì)像鋰電池那樣存在熱失控風(fēng)險(xiǎn)。而且，鉛酸電池的回收體系較為完善，全球鉛的回收率超過95%，廢舊電池中的鉛、硫酸等物質(zhì)均可實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，有效減少環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。不過，鉛酸電池也存在明顯的局限性。其能量密度較低，一般在30-50Wh/kg，遠(yuǎn)低于鋰電池（100-260Wh/kg），這導(dǎo)致電池體積和重量較大，續(xù)航能力受限。同時(shí)，鉛酸電池的循環(huán)壽命較短，普通鉛酸電池充放電循環(huán)次數(shù)通常在300-500次左右，頻繁使用后容量會(huì)逐漸衰減，需要定期更換。此外，鉛作為重金屬，若在生產(chǎn)或回收過程中處理不當(dāng)，會(huì)對(duì)環(huán)境和人體健康造成危害，因此對(duì)生產(chǎn)和回收環(huán)節(jié)的環(huán)保要求極高。面對(duì)鋰電池等新型電池的競爭，鉛酸電池行業(yè)不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，以提升性能、拓展應(yīng)用。在材料方面，采用石墨烯、碳納米管等新型材料對(duì)極板進(jìn)行改性，提高電池的導(dǎo)電性和充放電效率；研發(fā)新型鉛合金，減少極板腐蝕，延長電池壽命。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，密封免維護(hù)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，通過特殊的安全閥設(shè)計(jì)和氧復(fù)合原理，實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)部氣體循環(huán)，避免電解液泄漏，用戶無需定期添加蒸餾水，使用更加便捷。此外，鉛酸電池與鋰電池的融合也成為新的發(fā)展方向。一些企業(yè)推出“鉛酸+鋰電”的混合供電系統(tǒng)，利用鉛酸電池大電流放電優(yōu)勢(shì)和鋰電池高能量密度特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。在政策層面，隨著環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格，鉛酸電池行業(yè)加速整合，落后產(chǎn)能逐步淘汰，行業(yè)集中度不斷提高，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)向綠色、高效方向發(fā)展。從馬車時(shí)代到新能源汽車?yán)顺?，鉛酸電池始終以可靠的電力供應(yīng)，為人類社會(huì)的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)支撐。它見證了工業(yè)文明的進(jìn)步，也在新時(shí)代的挑戰(zhàn)中不斷自我革新。盡管新型電池技術(shù)層出不窮，但鉛酸電池憑借成本、安全、回收等方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在未來很長一段時(shí)