深度探讨铅酸蓄电池的工作原理及维护技术

崔建国，宁永香

(山西工程技术学院，山西 阳泉 045000)

0 引言

铅酸蓄电池的应用范围极其广泛,如运输、金融、通讯、电信、矿山、日常生活(电动自行车)等。由于铅酸蓄电池的性价比比较高，故社会对这种电池的使用数量及其可观，每年我们国家淘汰、抛弃的铅酸蓄电池数量极其可怕，对环境的污染极其严重，因此，如何能够减少铅酸蓄电池的淘汰数量是摆在我们科研工作者面前的一道难题。

1 铅酸蓄电池的结构以及工作原理

所谓蓄电池即是贮存化学能量，在必要时放出电能的一种电气化学设备。构成铅蓄电池之主要成份如下：阳极板(过氧化铅.PbO2)→活性物质；阴极板(海绵状铅.Pb)→活性物质；电解液(稀硫酸)→硫酸.H2SO4+水·H2O；电池外壳；隔离板；其它(液口栓.盖子等)[1]。

铅蓄电池内的阳极(PbO2)及阴极(Pb)浸到电解液(稀硫酸)中，两极间会产生2 V的电力，这是铅蓄电池的工作原理。

放电中的化学变化方程式为：

PbO2+2H2SO4+Pb=PbSO4+2H2O+PbSO4

充电中的化学变化方程式为：

PbSO4+2H2O+PbSO4=PbO2+2H2SO4+Pb

2 铅酸蓄电池老化或失效详解

由以上介绍可以得出这样一个结论：在理想的状况下，铅酸电瓶可经由充电，放电，无限次数重复使用而不会有生命终点。而事实上，因放电所产生的硫酸铅，部份形成极难分解的结晶附着于正负极板上，而无法以正常的充电方式还原，每放电一次电瓶就因附着在极板上的硫酸铅结晶增加，使它的寿命缩短一些，也就是一般人所谓充放电次数的记忆现象，随着充放电次数的增加,在极板上形成的非活性硫酸铅结晶也变大，最后使极板完全丧失活性，此乃造成电瓶老化(硫化)不堪使用的最大原因[2]。

2.1 新电瓶极板,硫化电瓶极板之比较

下面通过图1比较新电瓶极板与硫化电瓶之极板，可看出硫化对电瓶的巨大破坏作用。

图1 新电瓶极板,硫化电瓶极板之比较

由图1我们可很明显地看出,海绵状的极板与电解液接触的表面积较大,故其参与化学反应的有效面积同样较大,反映出来的现象即电池容量较大;当铅板上的微孔被硫酸铅结晶颗粒堵塞时,铅板参与化学反应的有效面积逐渐缩小,现象即是电池容量随之减小,负载能力降低。随着极板上硫酸铅颗粒(结晶)的逐渐增大,形成如图所示的极板,导致极板完全丧失活性,最后导致电瓶的报废。

2.2 电池是否老化(硫化)及老化程度如何

从以下几个症状可大致判断电瓶的老化程度：电瓶服务时间愈来愈短，电量很快就耗尽；电动车速度变慢(由于电压偏低而影响电路板功能，甚至造成故障)；电瓶内电解液变热；各单元电池之电解液比重都不一样；充电完成后，电解液比重仍偏低；充电电压太高；电瓶耗水量偏高,增加保养上的困扰。

蓄电池充放电时,两极活性物质随着体积的变化而反复膨胀与收缩，两极活性物质中，阴极板之海绵状铅的结合力较强，而阳极板之过氧化铅的结合力弱，因而在充放电之际，会徐徐脱落，此即为铅蓄电池寿命受到限制的原因之一。期望蓄电池使用期限延长、能耐震并耐冲击，则阳极板的改良即成当急要务[3]。

确实如此,由于铅酸蓄电池的特性、结构、材料、生产环境、工艺及使用保养维护等因素，据有关资料统计，铅酸蓄电池过早失效而报废的现象，75%以上都是由于铅酸蓄电池极板上形成不可逆硫酸铅盐铅化、自放电、活性物质失效或者脱落，这三大难题一直是困扰铅酸蓄电池行业难于攻克的顽症。如普通铅酸蓄电池设计寿命为2-3年，而往往实际使用只一年半时间或更短，免维护铅酸蓄电池设计寿命为7-15年，有的制造出来由于贮存时间过长，未经使用就已失效而报废，远远短于预期使用寿命，导致能源的浪费及应用的经济效益。

2.3 电瓶被硫化的原因及如何消除或减少硫化

由于自放电、活性物质失效或者脱落的原因导致电瓶的报废，本文不详细讨论；电瓶遭物理性破坏如漏液、接线柱被腐蚀等，只要注意清洁即可避免。我们今天将重点讨论电瓶被硫化的原因及如何消除或减少硫化，以恢复或延长电瓶的寿命。

2.3.1 蓄电池极板硫化的主要原因

造成蓄电池极板硫化的原因主要是：过度放电；长期充电不足，或长期处于半放电状态；电解液降低，极板上部经常露液面；电解液比重过高，温度过高；电池停用贮存时，没有及时进行补充充电；电池使用不当，内部短路。

上述情况将导致蓄电池的极板上形成粗大、难溶解、导电性差的硫酸铅结晶颗粒，堵塞极板的微孔，妨碍电解液的渗透作用，使极板内部的活性物质不能很好地参加化学反应，导致容量下降，内阻增加。故我们可知蓄电池极板硫化的最主要原因还是由于充放电不当，蓄电池有其正确充电方法及充电曲线[4]。

2.3.2 电瓶硫化的消除或减轻

对硫酸铅结晶的处理，不外乎物理方法与化学(电化学)方法两个方面。

这种利用物理以及电化学的方法可以连续地清除电池极板上的结晶硫化物，并有效地防止新的结晶硫化物产生，使蓄电池极板始终呈全新和高效工作状态，恢复和保证蓄电池稳定的容量输出，提高蓄电池的工作效率，从根本上改善铅酸蓄电池的工作性能，大大延长蓄电池寿命，节约资金和能源。

上面提到的物理方法处理蓄电池极板，通常通过清洗蓄电池极板来实现。有的读者使用自来水反复冲洗极板，我们认为效果不好，连稀硫酸都不能溶解或反应的硫酸铅结晶，自来水能行吗？经我们反复实验及参考国外有关资料，我们发现这一种配方的试剂可软化溶解坚硬的结晶硫化物，也就是说该试剂可以消除或缓解硫化。该配方所用试剂及比例如表1所示。

表1 铅酸蓄电池软化剂配方表

将该试剂注入蓄电池后，能使已经在极板上的硫化物质软化，溶解，加速蓄电池的可逆电化学反应，并可在蓄电池极板上生成保护层，减小蓄电池内部自放电，增加电池容量，从而延长电池寿命。此法所用试剂在一般化学药品店皆可购买到，且价格不高，有兴趣的朋友不妨一试。

3 免维护型铅酸蓄电池的修复

3.1 利用自制的电瓶修复仪修复电瓶

以上介绍的方法只适用于普通型铅酸蓄电池，不适合我们计算机机房常用的电源逆变器的免维护型铅酸蓄电池，因后者是完全密封的，一旦拆开很难复原。故需另想办法。下面我们介绍另一种办法，该方法既适合修复普通型铅酸蓄电池，又适用于修复密封型免维护铅酸蓄电池，属于上面提到的电化学方法。该设备的原理其实就是网商有售的铅酸蓄电池保护器或修复仪的简化版，由于结构简单完全可以自制，下面我们以一个例子详细介绍。

有一个12 V、60 Ah的密封蓄电池，由于有三个半月时间忘记充电，现在无法充电，不管充多少时间，电压始终为12 V，接上负载就掉至5 V左右。由于电池刚买一年出头，电池自安装好后没动过位置，且没有漏液痕迹，估计电解液不会缺很多，明显是极板硫化的现象，经过反复试验，我们用一只镇流器加一个二极管组成一个简单电路试着修复之，详细过程如下：

用一只60 W日光灯的老式镇流器(用连接灯管的两个接头，因为一般18 W～60 W镇流器有四个接头，有两个接头是连接启辉器的)，串一只3 A以上的整流二极管，这时电路两端电压大概是100 V左右的脉动直流电，然后接上电瓶，用电压表监视电瓶电压，电压会逐渐减小，到20 V左右不再减小时就用充电器正常充电10多个小时，这样就可以了。如果电瓶沸腾了得立即停止，改用充电器充电，简易电路图如图2。

图2 自制电瓶修复仪电路图

如果没有那种老式整流器，可以用变压器代替整流器，不过注意功率，用匝数多的一组，一旦发现变压器冒烟，赶快断电。这一方法同样适合于普通型铅酸蓄电池，有兴趣的读者同样可以一试，千万注意安全！

3.2 密封型免维护铅酸蓄电池的加液问题

关于密封型免维护铅酸蓄电池的加液问题，有朋友采用撬开表层加蒸馏水的办法。我们不提倡，原因上面提到了：密封性不好恢复。我们可以采用1mm的钻头在顶上钻几个孔(几格就钻几个)，用注射器打入蒸馏水，加水至适当液面后用“哥俩好”A、B双组分密封胶密封。加好蒸馏水后再充电，充好后再放电，循环几次，对于由于缺液而导致容量下降的电池应该会恢复的。提醒一句：只能加蒸馏水或纯水，千万不能图省事加饮用矿泉水或纯净水，原因不罗嗦了。

4 结语

虽然有些蓄电池经过处理可以继续发挥余热，但我们要明白无论采用什么办法修复蓄电池，修复后的蓄电池容量都会有一定程度的降低，电池用到一定时间寿终正寝是必然的。最重要的还是要多学习相关专业知识，了解铅酸蓄电池的正确使用方法，做到未雨绸缪，事后弥补毕竟是下策。