簡介

? ? ? ??鉛酸蓄電池是一種常見的可充電化學電池。在電池結(jié)構(gòu)中，正極材料為二氧化鉛（PbO2）、負極材料為海綿狀鉛（Pb），并灌注30%左右的硫酸溶液H2SO4作為電解液。電池在充放電的過程中，內(nèi)部將發(fā)生以下化學反應：

? ? ? ??在鉛酸蓄電池中，正極板主體由鉛鈣合金制成，并在表面涂覆錫石結(jié)構(gòu)的二氧化鉛；負極板主體由體心立方結(jié)構(gòu)鉛（BCC）制成，并在表面涂覆海綿狀的面心立方結(jié)構(gòu)鉛（FCC）。電極板主體并不參與化學反應，主要提供機械強度支撐和電流傳導作用；電極板表面涂覆的物質(zhì)稱為活性物質(zhì)，擁有較大的比表面積，參與電池中的化學反應，并在化學反應中不斷溶解或生成。其中正極和負極將分別發(fā)生氧化還原反應：

? ? ? ??在放電的過程中，兩個極板都會生成硫酸鉛，而硫酸鉛是一種難溶性物質(zhì)。若鉛酸蓄電池被大電流放電、深度放電、長時間虧電（特別是長時間靜置時因自放電導致的深度虧電），極板上將會形成粗大顆粒的硫酸鉛，這類硫酸鉛在充電時將難以重新還原，導致鉛酸蓄電池因不可逆硫化而容量損失甚至失效。

? ? ? ??另一類鉛酸蓄電池的失效模式為正極板軟化，正極板中的二氧化鉛存在兩種晶體結(jié)構(gòu)：α-PbO2和β-PbO2。其中α-PbO2主要作為極板結(jié)構(gòu)支撐，β-PbO2主要作為反應活性材料，在電池放電時進行消耗。然而在電池充電時，只能重新生成β-PbO2。這意味著消耗的α-PbO2無法還原，只能越用越少。當α-PbO2少至一定程度時，正極板結(jié)構(gòu)被破壞，從而導致鉛酸蓄電池失效。

? ? ? ??因此鉛酸蓄電池的最佳電量范圍為100%，宜時刻保持滿電狀態(tài)，不宜長時間未滿電，切勿虧電。鉛酸蓄電池沒有記憶效應（或者弱記憶效應），在日常使用的過程中，不宜將鉛酸蓄電池電量完全耗盡，電池電量剩余25%甚至50%就應重新開始充電。虧電一次，電池明顯折壽。

???? ? ?若鉛酸蓄電池長時間不使用，應將其與負載完全斷開，并視儲存環(huán)境溫度每3--6個月補充電一次。

電壓

? ? ? ??鉛酸蓄電池的單格標稱電壓為2V，6個單格串聯(lián)得到標稱12V電壓的電池。一個或多個電池串聯(lián)得到12V、24V、36V、48V、60V等標稱電壓的電池組。

? ? ? ??下表列出鉛酸蓄電池單格的幾個關(guān)鍵電壓：

? ? ? ??下表列出鉛酸蓄電池/組的幾個關(guān)鍵電壓：

? ? ? ??對一些電壓名稱的解釋：

• 虧電電壓：鉛酸蓄電池在正常使用中能連續(xù)放電至最低的放電電壓，此為電壓下限不可再放，電池中的活性物質(zhì)已經(jīng)完全耗盡。繼續(xù)使用電池將過放電，導致電池不可逆硫化和報廢。

• 放電終止：鉛酸蓄電池在低倍率放電或者高倍率放電后開路靜置達到的電壓，意味著電池電量耗盡或即將耗盡，需要終止放電并及時進行充電。

• 滿電電壓：鉛酸蓄電池在充電完成后開路靜置達到的電壓，意味著電池電量基本處于滿電狀態(tài)。電池在進行放電時，將穩(wěn)定在此電壓下，進入穩(wěn)定放電階段。

• 浮充電壓：鉛酸蓄電池進行浮充充電時可24小時不間斷施加的充電電壓，在此電壓下電池只會消耗非常小的電流并持續(xù)保持100%的電量。

• 循環(huán)充電：鉛酸蓄電池進行循環(huán)充電時可短時間施加的充電電壓，在此電壓下電池將消耗較大的電流并快速充電。

• 析氧電壓：鉛酸蓄電池的充電電壓達到此值后，電池內(nèi)的正極極板上將開始析出氧氣（O2）。對于富液式鉛酸蓄電池，電解液將會發(fā)生損失導致失水；對于閥控式免維護鉛酸蓄電池，其內(nèi)部存在氧循環(huán)機制，氧氣擴散至負極后被重新還原成水，保證電解液不會流失，但在此過程中將釋放化學能，導致電池溫度上升。

• 析氫電壓：鉛酸蓄電池的充電電壓達到此值后，電池內(nèi)的負極極板上將開始析出氫氣（H2）。由于氫氣無法像氧氣那樣可以在正極被重新氧化成水，電解液將不可逆流失。同時析出的氫氣在電池內(nèi)部積聚，導致電池內(nèi)部壓力過大，引起電池鼓包、破裂，甚至爆炸。因此充電電壓嚴禁高于析氫電壓。

電流

? ? ? ??由于不同鉛酸蓄電池的容量并不一樣，因此無法給出所有鉛酸蓄電池所允許的充電、放電電流。容量越大的電池所允許的電流越大，所以一般使用放電倍率來衡量鉛酸蓄電池所允許的充電、放電電流。

? ? ? ??電池的容量為C，單位：安時(Ah)。例如一個12V,9Ah的鉛酸蓄電池，其容量C = 9Ah，理論上以1A的電流可以持續(xù)釋放9小時，或者以9A的電流持續(xù)釋放1小時，或者其它的電流時間組合，但電流×時間總為9。對于前者，其放電倍率為0.1C；對于后者，其放電倍率為1.0C。

? ? ? ??下表列出鉛酸蓄電池的充電、放電電流：

? ??? ? 對一些電流名稱的解釋：

• 慢速充電：鉛酸蓄電池最佳的充電電流，可以保證充分的化學反應，將儲能和電池壽命最大化。缺點是充電時間過長，預計要10小時以上。

• 快速充電：鉛酸蓄電池充電電流的上限，雖然可以擁有較短的充電時間，但不能保證充分的化學反應，存在充電過程電池溫度偏高、電解液損耗、硫化無法去除、電池壽命降低等問題。

• 短時放電：鉛酸蓄電池以1.0C倍率放電時，電池內(nèi)極化嚴重，生成的硫酸鉛顆粒較大，端電壓下降速度比理論快，實際上無法釋放出全部的電池容量，需要降額使用。

• 極限放電：鉛酸蓄電池僅在一些特殊應用中會以10C倍率放電（如汽車發(fā)動機點火），其所能維持的放電時間極短。若持續(xù)放電將會導致電池內(nèi)部過熱并迅速損壞電池。

后記

? ? ? ??本文中的數(shù)據(jù)由作者經(jīng)過多方收集以及網(wǎng)友的經(jīng)驗傳授匯總而得，可能存在不準確之處，若有誤望請指正。

? ? ? ??參考資料：

[1]: 鉛酸電池失效原因, https://zhuanlan.zhihu.com/p/163337776;

[2]: 鉛酸蓄電池的特性, https://www.zhihu.com/tardis/zm/art/414424193;

[3]: 12V鉛酸充電電壓最高是多少？, https://www.zhihu.com/question/456459008;

[4]: 鉛酸蓄電池充放電特性與維護.ppt, https://max.book118.com/html/2018/1107/6205011040001230.shtm;

[5]:?請問鉛酸蓄電池的持續(xù)最大放電倍率是多少？, https://zhidao.baidu.com/question/390731350851548965.html;

[6]: 閥控密封式鉛酸蓄電池說明書;

[7]:?ChatGPT-3.5;

? ? ? ??注：請勿過度相信ChatGPT-3.5所提供的數(shù)值，其數(shù)值偏移較大。

by?HD-nuke8800

2023/07/25