铅蓄电池（英文名称：Lead–acid battery），又称铅酸电池、铅酸蓄电池，是一种电极主要由铅及其氧化物制成，电解液为硫酸溶液的蓄电池，属于二次电池（可充电电池）。凭借其技术成熟、成本低廉、性能稳定等优势，铅蓄电池成为目前应用最广泛的化学电源之一。

工作原理

放电过程

电池放电时，负极的海绵状铅（Pb）发生氧化反应，被氧化为硫酸铅（PbSO₄），反应式为：Pb+SO42−→PbSO4+2e−；正极的二氧化铅（PbO₂）发生还原反应，被还原为硫酸铅（PbSO₄），反应式为：PbO2+4H++SO42−+2e−→PbSO4+2H2O。总反应式为：Pb+PbO2+2H2SO4→2PbSO4+2H2O。

充电过程

用直流电充电时，两极分别发生逆反应，负极的硫酸铅（PbSO₄）被还原为铅（Pb），正极的硫酸铅（PbSO₄）被氧化为二氧化铅（PbO₂），总反应式为：2PbSO4+2H2O→Pb+PbO2+2H2SO4。

传统铅蓄电池的副反应

在充电后期和过充电时，会发生电解水的副反应。正极产生氧气，反应式为：2H2O→O2↑+4H++4e−；负极产生氢气，反应式为：2H++2e−→H2↑。这会导致电解液失水，需要定期维护。

阀控密封铅蓄电池的氧循环

阀控密封式铅蓄电池通过“内部氧循环”实现密封。正极析氧反应为：2PbSO4+2H2O→2PbO2+4H++SO42−+O2↑。析出的氧通过特殊的气体空隙转移至负极板，在负极板上再化合成水，反应方程为：2Pb+O2+2H2SO4→2PbSO4+2H2O。这种氧循环使负极的电势负移较少，且采用特定合金板栅降低了氢气的析出速度，使用单向限压阀确保电池内部压力安全。

发展历程

早期探索

• 1802年，里特（Johann Wilhelm Ritter）用伏打电堆向一叠夹以盐水浸湿纸片的铜片进行充电，撤走电源后发现两片铜片之间存在0.3V的电压。之后他用金属铅、锡和铜替代铜片进行实验，均测到不同电压值，但未采用硫酸作为电解液。当时已有科学家通过浸没在硫酸中的铅电极制得PbO₂，离铅蓄电池的最终发明已经很近。
• 1854年，德国科学家辛斯特登（Wilhelm Joseph Sinsteden）在使用多种电池进行研究时，认识到浸没在硫酸中的铅电极具有一定的储能容量，即对电极充电之后可以向负载供电，并报道了其能量密度，但未意识到这一发现的重要价值。

正式发明

• 1859年，法国科学家普兰特（Raymond Gaston Plante）独立发现并报道了从浸在硫酸溶液中并充电的一对铅板，撤去充电电流并加上负载后可以得到有效的放电电流，该体系的放电电流在诸多电极 - 电解液体系中维持时间最长，且电压最高。他根据这一原理设计了具有实用价值的蓄电池，并在1860年向法国科学院展示了这一可充电电池，标志着第一个可以重复使用的电池问世。

技术改进

• 1870年，发电厂开始使用直流发电机，并引入铅蓄电池进行负载调峰，即晚上充电，白天供电。
• 1879年，爱迪生（Thomas Edison）发明了白炽灯，电力走进千家万户，激发了用户在输电线架设不到的地方使用电源的需求，推动了铅蓄电池的应用。但当时限于制造工艺，铅蓄电池还无法大规模生产，不过越来越多的研究者开始参与研究。
• 1881年，富莱（Camille Alphonse Faure）和布鲁希（Charles Francis Brush）制成涂膏式极板，用铅的氧化物和硫酸水溶液混合制成铅膏涂在铅板上，防止了活性物质的脱落，使铅蓄电池的制造工艺有了很大进步。
• 1882年，赛隆（John Scudamore Sellon）采用Pb - Sb合金制造板栅，克服了充放电前后电极活性物质体积膨胀、收缩导致板栅变形的问题，大大提高了电池极板的强度，延长了铅蓄电池的寿命。

密封式铅蓄电池的发明

• 1970年之前，铅蓄电池的极板需浸在可流动的硫酸中使用，充电后期和过充电时会发生电解水的副反应，导致电解液失水，需要定期维护。研究人员一直试图研制“密封式”铅蓄电池。
• 1957年，德国阳光（Sonnenschein）发明了SiO₂胶体密封铅蓄电池，即阀控式密封铅蓄电池（VRLA）的Gel技术。

• 1971年，美国盖茨（Gates）公司发明了吸液式超细玻璃棉隔板，即阀控式密封铅蓄电池的AGM技术，从实践上解决了电池内部氧气的复合循环问题，运行及安全性能远远超过之前的技术。

分类及特点

普通铅蓄电池

• 极板构成：极板由铅和铅的氧化物构成，电解液是硫酸的水溶液。
• 优点：电压稳定、价格便宜。
• 缺点：比能量低、使用寿命短、日常维护频繁。老式普通铅蓄电池一般寿命在2年左右，需定期检查电解液高度并添加蒸馏水。

干荷蓄电池

• 全称：干荷电铅蓄电池。
• 特点：负极板有较高的储电能力，在完全干燥状态下能在两年内保存所得到的电量。使用时只需加入电解液，等待20 - 30min即可使用。
• 与普通铅蓄电池的区别：极板组在干燥状态下能较长时期保存在制造过程中所得到的电荷，在规定保存期内（一般为两年）如需使用，灌入符合规定比重的电解液，放置半小时，调整液面高度至规定值，不需进行初充电即可使用，使用方便，是应急的理想电源。

免维护铅蓄电池

• 优势：自身结构优势使电解液消耗量非常小，在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水。
• 特点：耐振、耐高温、体积小、自放电小。使用寿命一般为普通铅蓄电池的两倍。
• 市场类型：一种是在购买时一次性加电解液，以后使用中不需要添加补充液；另一种是电池本身出厂时就已经加好电解液并封死，用户不能加补充液。

阀控密封式铅蓄电池

• 维护特点：使用期间不用加酸加水维护，电池为密封结构，不会漏酸，也不会排酸雾。
• 安全阀作用：电池盖子上设有溢气阀（也称安全阀），当电池内部气体量超过一定值，气压升高到一定值时，溢气阀自动打开，排出气体，然后自动关闭，防止空气进入电池内部。

• 分类：分为AGM和GEL（胶体）电池两种。AGM采用吸附式玻璃纤维棉作隔膜，电解液吸附在极板和隔膜中，电池内无流动的电解液，可以立放或卧放工作；胶体（GEL）以SiO₂作凝固剂，电解液吸附在极板和胶体内，一般立放工作。如无特殊说明，阀控密封式铅蓄电池皆指AGM电池，电动汽车使用的动力电池一般是阀控密封式铅蓄电池。

结构组成

正负极板

• 活性物质：正极板上的活性物质是深棕色的二氧化铅（PbO₂），负极板上的活性物质是海绵状、青灰色的纯铅（Pb）。
• 栅架材料：活性物质分别填充在栅架上，栅架材料可以是铅锑合金、纯铅或其他合金。
• 极板厚度：负极板厚度为1.8mm，正极板厚度为2.2mm，为提高蓄电池容量，大多采用厚度为1.1 - 1.5mm的薄型极板。
• 极板组：将多片正、负极板并联，组成正、负极板组。在每单格电池中，负极板的数量总比正极板多一片，正极板处于负极板之间，使其两侧放电均匀，防止正极板因机械强度差、单面工作导致两侧活性物质体积变化不一致而造成极板弯曲。

隔板

• 作用：避免正负极板彼此接触而造成短路，使电池装配紧密，缩小电池体积，防止极板变形、弯曲和活性物质脱落。
• 特性：具有多孔性，以便电解液渗透和流通，减小电池内阻；材料应具有良好的耐酸性和抗氧化性。
• 常用材料：木质、微孔橡胶、微孔塑料（聚氯乙烯、酚醛树脂）、玻璃纤维等，以微孔塑料隔板使用最为普遍。有些铅蓄电池的隔板是呈袋状的微孔塑料隔板，可将正极板紧紧地套在里面，防止正极板活性物质脱落。
• 需具备的条件：
  • 高度的高孔性，有足够的孔率使电解液充分扩散。
  • 耐腐性强，不因受硫酸、氧气、温度的作用而变形、变质，能在长时间充放电中承受电解液的浸蚀，抗氧化性强，保证蓄电池的使用寿命。
  • 杂质少，不分解出对蓄电池有害的杂质。
  • 电阻低，铅蓄电池的内电阻主要由隔板的电阻决定，隔板是绝缘体，电解液通过小孔进行离子导电，应具有很小的电阻。
  • 渗透性好，具有良好的亲水性（或者说渗透性）和一定的机械强度。

电池槽和电池盖

• 外壳材料：用来盛放电解液和极板组，应耐酸、耐热、耐震，多用硬橡胶制成。中国早已开始生产聚丙烯塑料外壳，这种壳体不但耐酸、耐热、耐震，而且强度高，壳体壁较薄（一般为3.5mm，而硬橡胶壳体壁厚为10mm）、质量轻、外形美观、透明。
• 底部凸筋：壳体底部的凸筋用来支持极板组，并可使脱落的活性物质掉入凹槽中，以免正、负极板短路。若采用袋式隔板，则可取消凸筋以降低壳体高度。

电解液

• 作用：使极板上的活性物质发生溶解和电离，产生电化学反应，传导溶液正负离子。
• 配制：由纯净的硫酸与蒸馏水按一定的比例配制而成，电解液的相对密度一般为1.24 - 1.30（15℃）。

正负接线柱

• 形成：蓄电池各单格电池串联后，两端单格的正负极桩分穿出蓄电池盖，形成蓄电池正负接线柱，实现电池与外界的连接。
• 材质及标识：接线柱的材质一般是钢材镀银，正极标“+”号或涂红色，负极标“一”号或涂蓝色、绿色。

安全阀

• 材料及作用：一般由塑料材料制成，对电池起密封作用，阻止空气进入，防止极板氧化，同时可以将充电时电池内产生的气体排出电池，避免电池产生危险。使用时必须将排气栓上的盲孔用铁丝刺穿，以保证气体溢出通畅。

应用领域

交通领域

• 汽车、摩托车用铅蓄电池：主要用途是为发动机的起动、车载电子设备（如照明等）的使用以及发动机的点火提供电能。车用铅蓄电池的主要设计要求是在低温条件下仍能将发动机带到较高的转速，这种情况下电池主要处于浮充状态。但随着车内辅助电器如报警器、音响、空调和卫星定位系统等的增加，这些电器大约占整个铅蓄电池用量的80%。随着车辆流线性和行人碰撞保护要求的增加，蓄电池的外形成为一个大问题，一方面要求保持性能不变，另一方面又要求减小外形尺寸。为了适应车载条件，铅蓄电池做了诸多改造，如为抑制析氢，将合金板栅中的Sb含量从4% - 5%降到1% - 2%或者无Sb，同时采用更薄的材料来减小电池的体积等。
• 电动汽车和电动自行车用铅蓄电池：铅蓄电池可取代汽油和柴油，应用于电动汽车和电动自行车中作为其行驶动力电源。其应用于非上路型电动车辆如高尔夫车、叉车等已有几十年历史，这些车辆大部分使用36V系统，即采用6只6V铅蓄电池串联使用。通用汽车的EV1是一款专门设计的电动汽车，具有符合空气动力学的水滴外形，刹车时能给电池充电，采用铝合金结构和复合材料面板来减轻质量。电池组由26只12V阀控密封铅蓄电池组成，行驶里程为88 - 150km。

通信领域

中、小型密封电池作为后备电源在邮电系统的主要应用领域为用户接入网和通信专网。铅蓄电池因其成熟的技术、较长的使用寿命和低廉的价格，作为固定电源和后备电源在通信以及不间断电源领域具有难以取代的优势。

储能领域

新能源如风能和太阳光能发电时，除小部分直接输入电网外，大部分还要和电池配合，如发电时先给铅蓄电池充电，通过逆变器将铅蓄电池的直流电变换为交流电，然后对外供电。二次电池用于供电系统被认为是替代昂贵的燃气或者燃油涡轮发电机来满足用电高峰时进行负载平衡的替代供电方式，某些场合需要的大型电池组可达50MW·h/1000V量级。这一应用场合回避了铅蓄电池在比能量方面的不足，且使用温度范围广、安全、价格低，具有很好的性能/价格比，因而铅蓄电池被认为是在短期内能满足这种应用的首选方案。

其他领域

铅蓄电池是一种使用很普遍的电池，矿灯、无交流电地区的照明与电器供电、一些无线电遥控模型设备和电子设备等都离不开铅蓄电池。

使用寿命及失效原因

使用寿命

铅蓄电池在使用初期，随着充放电循环次数的增加，其容量有所上升，逐渐达到最大值。此后，则会随着充放电循环次数的增加，容量逐渐减少。例如，铅酸电池在使用过程中，极板活性物质的自然老化和脱落、极板的腐化和变形、PbSO₄的硫化等，均会使蓄电池的放电能力下降。牵引用蓄电池当容量下降至额定容量的80%以下时，就认为达到了该蓄电池的使用寿命极限。深循环蓄电池也是一种铅蓄电池，又称为混合蓄电池，它的正极栅格板用含锑2.75%的铅锑合金制成，负极板用的是铅钙合金，极板焊耳靠近极板中心线，栅条以焊耳为中心呈辐射状分布，能更快地提供电流，能耐受多次过度充放电而仍能保持最初的储备容量。不同国家、不同类型的蓄电池都有相应的标准，对蓄电池性能评定方法和使用期限有明确的规定。

失效原因

• 硫化：铅蓄电池过早失效而报废的现象，75%以上都是由于铅蓄电池电池极板上形成不可逆硫酸铅盐（即硫酸盐化，简称硫化）。硫化是指正负极板上不可逆地形成一层白色粗粒结晶的硫酸铅，这种结晶体很难在正常充电时消除，硫化的形成程度与铅蓄电池容量有很大的关系，硫化越严重，电池容量越少，直至报废。极板硫化的因素很多，主要是铅蓄电池贮存时间过长，因为极板在化成处理时活性物质表面存在硫酸，导致活性物质表面的硫酸铅老化后失去电离作用；铅蓄电池带电摘置时处于放电状态，放电后未及时给电池充电，电解液密度过高或不纯，都会使正负极板中活性物质的表面形成不可逆硫化。所以，硫化是导致极板活性物质失效报废的主要原因。
• 自放电：自放电是指铅蓄电池内电能自行消耗，一般每昼夜容量下降不大于2%，就认为正常；如果每昼夜容量下降大于2%，就认为有故障。自放电原因主要有：生产制造中材料不纯（如含过高或其他有害杂质），电解液中含有害杂质（铁、锰、砷、铜等离子），正负极板硫化后电极隔板孔隙堵塞，导致铅蓄电池内阻消耗增大等。所以，制造过程中要求电解液必须是专用硫酸，水必须是蒸馏水或去离子水。
• 活性物质脱落：正极板活性物质的脱落主要是由于过充电或大电流放电，负极板活性物质的脱落是由于过充电或大电流充电。过充电会引起水的电解，产生大量的氢气和氧气，当氢气向孔隙冲出时，会使活性物质脱落，铅蓄电池在颠振的环境使用也会加速活性物质的脱落。所以，要求铅蓄电池在使用中一定要避免过充放电发生。

新型铅蓄电池

双极耳卷绕式电池

双极耳卷绕式电池是由美国Hawker公司开发的，采用了多种新工艺，8A·h电池可以达到250A的高倍率放电。这种电池已经成功地应用于本田生产的“Insight”混合电动汽车上，经过几年的路上试验，其性能完全满足混合电动汽车的要求。

VRLA - C电池和超级电池

• VRLA - C电池：美国Axion动力国际公司开发了电池与超级电容器混合的Pb - C电池技术。Pb - C电池（VRLA - C电池）和标准铅蓄电池的区别在于其负极采用了活性炭电极，正极同样为含PbO₂的活性物质。Pb - C电池的主要优点如下：
  • 循环寿命长；
  • 充电高倍率；
  • 负极没有硫酸盐化问题；
  • 质量较轻；
  • 动力容量较高。
    Pb - C电池采用的关键技术是连续混合电池膏的加碳和膏设备，而常规铅蓄电池只是负极和膏中掺入大量碳。Pb - C电池的板栅技术采用压延后冲孔的方法，栅格比普通铸造板栅密，以提高膏与板栅的结合力。
• 超级电池：澳大利亚CSIRO也开发了铅蓄电池和超级电容器联合的超级电池，它与VRLA - C电池的区别在于负极，超级电池的负极由两部分组成，一半负极是铅蓄电池普通铅负极，另一半负极为超级电容器的炭电极。

泡沫石墨铅酸蓄电池

美国NASA开发出泡沫石墨铅蓄电池。泡沫石墨铅蓄电池的技术创新点在于抛弃了铅板栅，保留了活性物质，用泡沫石墨代替铅，这样比普通铅酸蓄电池减少了70%的Pb，减轻了质量，降低了成本。

环境影响

环境危害

铅蓄电池广泛用于汽车和其他电气设备，可以反复充放电，其主要组成部分是铅。铅是一种可存留多年的有毒重金属，在室温下，金属铅不蒸发。铅被人体吸收后可作用于全身各系统和器官，主要累及神经巯、造血、消化、心血管、肾脏及免疫等系统。其毒性机理主要是铅与人体某些酶的活性中心巯基有着特别强的亲和力，通过与其结合使酶丧失生物活性，也可以通过与酶的非活性部位结合而改变活性部位的构象或与起辅酶作用的钙、锌、铁等二价离子置换，使酶的活性减弱甚至丧失。铅蓄电池采用稀释硫酸溶液作为电池液，废旧铅蓄电池中的铅和硫酸是可再利用资源，但处置不当会对环境造成严重破坏。日本、韩国、中国和其他许多国家利用回收的废旧铅蓄电池来生产制造新的铅蓄电池。值得注意的是，当装备铅蓄电池的机动车和叉车被出口到不具备回收技术的发展中国家，可能也会引发环境问题，因此废弃铅蓄电池也是《巴塞尔公约》的关注目标之一。

回收处理

• 废蓄电池组成：完整的废蓄电池通常由液态的电解液（H₂SO₄溶液，占11% - 30%）和固态的有机物（聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、胶木等占22% - 30%）、金属铅（板栅、连接条占24% - 30%）、铅膏（占30% - 40%）或渣泥4类物质组成。其回收利用是为了回收铅、硫酸以及聚丙烯塑料外壳。
• 废铅酸蓄电池铅料情况：废铅酸蓄电池中约含有60%的铅，其中铅连接条占13.8%，板栅占38.2%，填料占到48%，这些铅物料平均含铅约87%。板栅约含Pb93%、Sb3%和极少量的其他金属。生产上，重力分选出的混合料称为铅膏，其铅品位65% - 80%，含硫约7%，硫酸铅占铅膏总铅量60%。因此废铅酸蓄电池铅料是一种含铅量极高、成分简单、杂质含量少、以硫酸铅为主的高铅物料，如不加区分直接火法冶炼，铅回收率仅70% - 85%，混炼损失严重。
• 处理阶段：废铅酸蓄电池的处理一般都经破碎分选、废料高效再生两个阶段，分出板栅、铅膏和有机废塑料3种成分，因此废铅酸蓄电池各组成部分的综合利用和铅物料的冶炼过程具有典型的循环型经济的特征。