第七章：铅酸

铅酸（PbA、LA或LAB）是当今储能应用中最古老、最常用的化学物质之一。铅酸是一种可靠的动力电池，但在标准铅酸电池中循环寿命较低，只能达到300-500次循环。铅酸电池的名字来源于构成阳极和阴极的铅板和浸入其中的硫酸电解质的组合。今天，由于其高功率能力，铅酸电池是用于发动机启动，照明和点火（SLI）应用的标准电池。早期的电动汽车（ev）也使用铅酸，因为它是市场上最容易获得和最便宜的电池。铅酸也仍然普遍用于备用固定装置重量和尺寸不是问题，成本敏感性很重要的电源应用。它仍然是最容易获得的电池，并继续为其他化学物质设定成本目标。

铅酸电池由一组铅板或铅网格组成，这些铅板或铅网格表面涂有一层由红铅和硫酸制成的浆糊。然后将这些极板串联起来，浸入充当电解质的酸溶液中。正极板通常由二氧化铅制成，而负极板由“海绵状”铅制成。许多目前的极板或栅极设计将锑、锡、钙或硒等材料合金到铅板中，以改善制造工艺和质量，并增加历史上薄弱的铅板结构的强度。这些极板通常由塑料隔板隔开，以将正极与负极分开，以防止短路。通常有奇数个板，每一个其他板串联在一起，一半形成正极（阴极），其余的板形成负极（阳极）（图1）。极板中的活性物质（铅）在放电时从酸性电解液中吸收硫，然后在电池充电时硫流回电解液中。随着时间的推移，这一过程往往会导致极板上的活性物质剥落并聚集在电池底部，这个过程限制了传统铅酸电池的循环寿命。出于这个原因，大多数铅酸电池在电池底部设计了一些额外的空间，用于片状材料的收集，以防止阳极之间发生意外短路。传统铅酸的另一个挑战是，当酸与铅发生反应时，会产生气体。这种气体导致需要频繁测试电解液，并需要对电池进行维护和重新充电。

另一种最近被引入市场的铅酸电池是吸收玻璃垫（AGM）铅酸电池。传统的铅酸电池与AGM电池的主要区别在于，在AGM电池中，使用海绵型玻璃纤维垫分离器来容纳电解质，而不是将铅板浸入硫酸液体电解质中。这样就减少了酸性电解液泄漏和溢出的可能性。因此，AGM能够被“密封”，因为气体被重新吸收到玻璃纤维垫中。由于它们是密封的，因此不需要维修电池。AGM电池属于阀控铅酸（VRLA）电池。这一类的所有电池都是密封的，并且能够将气体重新组合回电解质中。出于同样的原因，这类铅酸电池也经常被称为密封或免维护。

虽然它们有使用铅和硫酸等有害物质的缺点，但这一点在一定程度上被克服了，因为铅酸电池是当今市场上回收利用率最高的产品之一，在美国的回收率在95%到98%之间。当然，这并不能减轻世界各地区的环境风险不能将铅酸电池回收到同样的水平。这个等式的另一部分有助于推动高水平的回收，那就是用过的铅酸电池对最终用户和回收商都有剩余价值。在这一领域，用过的铅酸电池最常通过分销中心转售回一个“核心价值”，即电池中使用的原材料的价值，这些原材料可以通过回收过程回收。

关于铅酸电池，另一个频繁出现的争论是，市面上有很多标准化的尺寸，它们已经变得高度“商品化”。一种对铅酸电池进行分类的方法是由国际电池委员会（BCI）的组号完成的（表2）。虽然铅酸电池被认为是高度标准化和商品化的，但下表（表2）清楚地表明，这种“商品”产品有很多变化，其中许多在尺寸或性能上与其他标准外形因素极其接近。这种情况的发生是由于特定于某些应用的新尺寸被创造出来，并且适合从小到大的各种产品。除了BCI组号用来描述铅酸电池的尺寸特征，它们还使用电压、端子配置和端子位置来生成这些类别。

正是这种高度商品化、低材料和制造成本以及铅酸电池的高剩余价值的结合，帮助推动了铅酸电池达到目前所经历的低成本。如上所述，传统的铅酸蓄电池和VRLA铅酸蓄电池在汽车SLI电池中使用最为频繁。然而，它们最近也在数据存储中心和备用电源等应用以及叉车等一些工业应用中发现了频繁的使用。另一个经常看到铅酸的应用是在那些要求极低成本的应用中，比如电动自行车市场。铅酸非常适合那些需要待机式电源、高功率脉冲、低周期要求、没有重量或体积限制、成本要求非常低的应用。

虽然传统的铅酸电池在过去的150多年里变化不大，但在先进的铅酸电池上正在进行一些新的工作，正在取得一些巨大的进步，并且正在使铅酸解决方案更适合一些较新的电气化项目，如停止/启动型微型混合动力车和轻度hev。能源电力系统公司（EnergyPowerSystems，EPS）和Ecoult等新公司都在开发先进的PbA解决方案。EPS开发了他们所谓的平面分层矩阵解决方案。EPS采用了一种创新的方法来重新设计铅酸电池，并取得了一些非凡的成果，声称其循环寿命是传统铅酸电池的两到三倍，并且充电接受率极高；从本质上讲，他们以大约三分之一的镍氢成本实现了接近镍氢电池的性能。瞄准了汽车微型混合动力车等应用和混合动力车以及固定式储能一样，EPS技术提供了强大的价值主张，似乎准备在电池市场上取得重大进展（图2）。

总部位于澳大利亚的Ecoult还推出了传统铅酸电池的另一种进化，他们将其命名为“超级电池”。超级电池在传统的铅酸电池上添加了一个碳电极，本质上是在铅酸电池中添加了一个超级电容器。为了实现比传统VRLA铅酸电池更多的“部分充电”循环，超级电池已被证明能够实现数千次部分充电循环，而不会严重降低性能或容量，并已在可再生能源平滑、电网辅助支持和混合动力汽车应用等应用中进行了测试。

这两家公司已经证明，即使经过150多年的发展，在改进铅酸电池方面仍有更多的工作可做。事实证明，它们是微型混合动力汽车、混合动力汽车以及固定电网存储和备用电源系统的非常好的低成本解决方案。如果你正在考虑使用铅酸电池解决方案，有几个贸易和工业组织致力于这个产品。1925年成立的BCI（国际电池理事会，2013）是铅酸行业历史最悠久、最重要的组织之一。BCI是一个非营利性贸易组织，致力于将铅酸行业的成员聚集在一起，制定行业标准，收集数据，并促进其近200个国际成员之间的信息和思想交流。另一个重要的铅酸电池行业组织是先进铅酸电池委员会（ALBAC），成立于1992年。ALBAC是“…一个国际研发联盟，致力于提高铅酸电池的能力，以确保其在各种储能市场的竞争力”（先进铅酸电池联盟，2011）。虽然这是一个比BCI小一些的组织，但它是一个由约70名成员组成的重要联盟，其目标是加强和参与其成员组织致力于推进铅酸电池的研究项目。