铅酸蓄电池的特点与使用

铅酸蓄电池是以二氧化铅和海绵状金属铅分别为正、负极活性物质，硫酸溶液为电解质（electrolyte）的一种蓄电池。在世界范围内，其产量（按电能计算）产值多年来居各种化学电源（electrochemical power sources）与物理 电 源（physical power sources）首位，形成了较完整的工业部门。这是世界经济与工业发展形成的，是和铅酸蓄电池本身的特点和优点紧密联系在一起的。

首先是正、负电极的电极电位（electrode potential）之差较大，电池的电动势（electric kinetic potential；electromotive force；E.M.F）较高。两极的电极反应（electrode reaction）分别是

正极 PbO₂+3H⁺+HSO₄^-+2e=PbSO₄+2H₂O

其标准电极电位（standard electrode potential）为1.685V。

负极 Pb+HSO₄^--2e=PbSO₄+H⁺

其标准电极电位为-0.126V。

如果再考虑电解质的活度（activity），正、负电极组成的电池的电动势可以超过2V，除锂电池外，比绝大多数电池的电动势都高。

铅酸蓄电池的另一特点是充放电时，无论是电化学极化（electrochemical polarization）即活化极化（activation polarization）或者浓差极化（concentration polarization）引起的过电位（over-potential）数值较小，正极电极电位的降低，负极电极电位的升高都比较少，放电时电池的工作电压（operating voltage；working voltage）略低于电动势，充电时的充电电压略高于电动势。也就是说，铅酸蓄电池可以在较高的工作电压下放电，如果放电电流密度不是特别大，其标称电压或额定电压（nominal voltage）很接近实际放电电压。

铅酸蓄电池的第三个特点是内阻小。电池内阻（internal re-sistance of a cell）包括电池的金属（或非金属）固相物与电解质组成的欧姆电阻和电化学反应过程中电化学极化与浓差极化电阻。前面已提到极化问题，这里只说欧姆电阻。铅酸蓄电池的电解质一般是密度为1.27～1.29kg·L^-1（质量百分含量37～39）的硫酸溶液。其电导率较高，如H₂SO₄含量39%的溶液在25℃的电导率约为78Ω^-1m^-1。实际应用的6只单体蓄电池（cell）串联成的蓄电池组（battery）的内阻约为10^-3Ω的数量级，容量大的内阻小，反之内阻大。蓄电池以工作电流I放电时，工作电压U与电动势E的关系应服从全电路欧姆定律

U=E-Ir

这里r表示蓄电池的内阻。如果r值小，U与E的值的差别就小，蓄电池的工作电压U的值就会高些。(www.xing528.com)

铅酸蓄电池的这三个特点在实际应用上表现出的一大优点就是放电电压较高而且平稳。在放出实际容量80%甚至更多电量的过程中，工作电压可以平稳保持在2V（单体蓄电池）或12V（6只单体蓄电池串联成的蓄电池组）上下，只是在放电深度（depth of discharge；DOD）接近90%时工作电压才会较快地下降。铅酸蓄电池是较理想的实际稳恒电源。

铅酸蓄电池的第四个特点是放电电流密度大。放电电流值（A）通常可以达到蓄电池额定容量值（A·h）的10～15倍，甚至更大。铅电极、二氧化铅电极在硫酸溶液中都是可逆性好的电极，其交换电流密度（exchange current density）远大于其极限扩散电流密度（limiting diffusion current density），铅酸蓄电池内阻很小，所以放电电流密度大。有些化学电源例如锌/空气（氧）电池[zinc/air（oxygen）battery]虽然比能量可达150～350W·h·kg^-1，成本也低，但其放电电流密度仅能达到约0.3mA·cm^-2，放电功率小，在很大程度上限制了其应用。铅酸蓄电池的放电电流密度可达0.5A·cm^-2以上，超过锌/空气（氧）电池的千倍，因而可以制成高功率大能量的蓄电池，甚至可以作为潜艇、电动汽车的动力电源和电站、公用设施的备用电源。

铅酸蓄电池的另一特点是自放电缓慢。正极活性物质PbO₂在H₂SO₄溶液中虽然电极电位较高，从热力学角度看是不稳定的，但实际上PbO₂析出氧，还原为二价铅的化合物的反应，从动力学角度看，是缓慢的；负极活性物质金属铅在H₂SO₄溶液中溶解而析出氢的反应也是缓慢的。由于各种原材料中的有害杂质形成局部微电池而导致的自放电是可以控制的。

再有，就是铅酸蓄电池能够适用于不同环境条件，特别是能在-40～+55℃的环境中工作。虽然在低温环境中容量降低，但仍然可以大电流放电，甚至在-40℃时以5倍率或更大的电流放电，铅酸蓄电池都能正常工作。

随着工艺技术、制造设备的不断进步与日臻完善，从精致的1A·h或者更小到10⁴A·h的庞然大物的铅酸蓄电池都可以批量生产，以适应不同应用领域的需要。

铅酸蓄电池的性能价格比在不同类型的化学电源中有很大优势。按输出能量计，1kW·h的成本仅是镉镍蓄电池（nickel/cadmium battery）、氢镍蓄电池（nickel/hydrogen battery）的几分之一。如果考虑到其寿命长，免维护铅酸蓄电池几乎无需维护费用，我们就能理解为什么铅酸蓄电池在许多应用领域都居首选地位，并在世界范围内产值产量都稳居各类化学电源首位了。

铅酸蓄电池作为一项传统而古老的产品，其缺点是不言而喻的，它的比能量较低。起动用铅酸蓄电池一般为35～40W·h·kg^-1，牵引用的更低些，个别应用条件下（如小电流放电）可达50W·h·kg^-1。这是由几种因素决定的：

（1）铅的摩尔质量较大，为207.19g·mol^-1；

（2）电极活性物质利用率（utilization factor of active materi-als）较低，正极50%上下，负极可以高些，进一步提高尚需做深入研究；

（3）活性物质之外，实际的蓄电池必须有蓄电池槽（con-tainer）、蓄电池盖（cover；lid）、隔板（separator）、板栅（grid）等，也占有不少的质量组分。