铅酸电池是如何工作的？

铅酸电池的网格结构由铅合金制成。纯铅太软，不会支撑自身，因此添加少量其他金属以获得机械强度并改善电气性能。最常见的添加剂是锑，钙，锡和硒。这些电池通常被称为“铅锑”和“铅钙”。

添加锑和锡可以改善深度循环，但这会增加用水量并增加均衡需求。钙减少自放电，但正铅钙板在过充电时由于网格氧化而具有生长的副作用。现代铅酸蓄电池还利用硒、镉、锡、砷等掺杂剂来降低锑钙含量。

铅酸很重，在深循环时不如镍基和锂基体系耐用。完全放电会导致应变，每个放电/充电周期都会永久剥夺电池的少量容量。当电池处于良好工作状态时，这种损耗很小，但是一旦性能下降到标称容量的一半，衰减就会增加。这种磨损特性在不同程度上适用于所有电池。

根据放电深度，用于深循环应用的铅酸提供 200 到 300 次放电/充电循环。其循环寿命相对较短的主要原因是正极上的网格腐蚀，活性材料的耗尽和正极板的膨胀。在工作温度升高和吸收高放电电流时，这种老化现象会加速。

为铅酸电池充电很简单，但必须遵守正确的电压限值。选择低电压限制可以保护电池，但这会产生较差的性能，并导致负极板上的硫酸盐积聚。高电压限值可提高性能，但在正极板上形成电网腐蚀。虽然如果及时维修，硫酸化可以逆转，但腐蚀是永久性的。

铅酸不适合快速充电，对于大多数类型，完全充电需要14-16小时。电池必须始终以充满电状态储存。低电量会导致硫酸化，这种情况会剥夺电池的性能。在负极上添加碳可以减少这个问题，但这会降低比能量。

铅酸具有适中的使用寿命，但它不像镍基系统那样受内存的影响，并且充电电池的电荷保持率最好。虽然镍镉在三个月内损失了大约40%的储存能量，但铅酸在一年内自放电量相同。铅酸电池在低温下工作良好，在零度以下条件下工作时优于锂离子电池。根据德国亚琛工业大学（2018年）的数据，被淹没的铅酸的成本约为每千瓦时150美元，是电池中最低的之一。

密封铅酸

第一种密封或免维护的铅酸出现在20世纪70年代中期。工程师认为，“密封铅酸”一词用词不当，因为没有铅酸电池可以完全密封。为了在压力充注和快速排放期间控制排气，增加了阀门，以便在压力增加时释放气体。电解质不是将板浸没在液体中，而是浸渍到湿润的分离器中，这种设计类似于镍基和锂基系统。这使得电池能够在任何物理方向上操作而不会泄漏。

密封电池比淹没型电池含有更少的电解质，因此被称为“酸性饥饿”。也许密封铅酸最显着的优点是能够将氧气和氢气结合在一起以产生水并防止循环过程中变干。重组发生在0.14巴（2psi）的中等压力下。如果气体积聚上升，该阀用作安全通风口。应避免重复通风，因为这将导致最终干燥。根据德国亚琛工业大学（2018年）的数据，VRLA的成本约为每千瓦时260美元。

已经出现了几种类型的密封铅酸，最常见的是凝胶，也称为阀控铅酸（VRLA）和吸收性玻璃毡（AGM）。凝胶池含有二氧化硅型凝胶，可将电解质悬浮在糊状物中。容量高达30Ah的较小包装通常被称为SLA（密封铅酸）。这些电池包装在塑料容器中，用于小型UPS，应急照明和轮椅。由于价格低廉，服务可靠且维护成本低，SLA仍然是医院和养老院医疗保健的首选。较大的阀控式密封铅酸蓄电池可用作蜂窝中继塔、互联网集线器、银行、医院、机场等的备用电源。

AGM 将电解质悬浮在专门设计的玻璃垫中。这为铅酸系统提供了几个优点，包括更快的充电速度和按需即时高负载电流。AGM 最适合用作容量为 30 至 100Ah 的中档电池，不太适合 UPS 等大型系统。典型用途是摩托车的起动器电池，微型混合动力汽车的启停功能，以及需要一些骑行的船舶和房车。

随着骑行和年龄的增长，AGM的能力逐渐消退;另一方面，凝胶具有圆顶形的性能曲线，并且在高性能范围内停留的时间更长，但随后在使用寿命结束时突然下降。AGM比淹没的更昂贵，但比凝胶便宜。（凝胶对于在汽车中启动/停止使用来说太昂贵了。

与淹没电池不同，密封铅酸电池设计具有低过电压电位，以防止电池在充电过程中达到其气体产生电位。过量充电会导致气体、排放以及随后的水分耗尽和干涸。因此，凝胶（部分也是AGM）不能充电到其全部电位，并且充电电压限值必须低于淹没的充电电压限值。这也适用于完全充电时的浮动充电。在充电方面，凝胶和AGM不能直接替代淹没型。如果没有指定的充电器可用于具有较低电压设置的 AGM，请在充电 24 小时后断开充电器。这可以防止由于浮充电压设置得太高而产生气体。

阀控式密封铅酸蓄电池的最佳工作温度为25°C（77°F）;每升高 8°C （15°F） 超过此温度阈值，电池寿命就会缩短一半。铅酸电池的额定放电率为5小时（0.2C）和20小时（0.05C）。电池在缓慢放电时表现最佳;在较慢的放电下，容量读数明显高于1C速率。然而，铅酸如果只持续几秒钟，就能提供几C的高脉冲电流。这使得铅酸非常适合作为起动器电池，也称为起动器点火（SLI）。高铅含量和硫酸使铅酸对环境不友好。

铅酸电池通常分为三种用途：汽车（起动机或SLI），动力（牵引或深循环）和固定（UPS）。

起动机电池

起动器电池设计用于在持续一秒左右的瞬时高功率负载下启动发动机。就其尺寸而言，电池能够提供高电流，但不能进行深循环。起动器电池的额定值为Ah或RS（储备容量），以指示能量存储能力，以及CCA（冷启动放大器）以表示电池在低温下可以提供的电流。SAE J537 在额定 CCA 安培下 ，在 –18°C （0°F） 下可放电 30 秒，且电池电压降至 7.2 伏以下。RC 在稳定放电为 25 时以分钟为单位反映运行时间。（SAE 代表 汽车工程师协会。

起动器电池具有非常低的内阻，这是通过添加额外的板以获得最大表面积来实现的（图1）。板很薄，铅以海绵状形式施加，具有细小泡沫的外观，进一步扩大了表面积。板厚，对于深循环电池很重要，但不太重要，因为放电短，电池在行驶时充电;重点是权力而不是能力。

深循环电池

深循环电池旨在为轮椅、高尔夫球车、叉车等提供持续动力。该电池具有最大容量和合理的高循环次数。这是通过使引线板变厚来实现的（图2）。虽然电池是为循环而设计的，但完全放电仍然会引起应力，循环计数与放电深度（DoD）有关。深循环电池以 Ah 或运行时间分钟为单位进行标记。容量通常额定为 5 小时和 20 小时放电。

起动器电池不能与深循环电池交换，反之亦然。虽然一个有创造力的老年人可能会试图在他的轮椅上安装起动器电池而不是更昂贵的深循环以节省资金，但起动器电池不会持久，因为薄海绵状的板会随着重复的深度循环而迅速溶解。

有组合起动机/深循环电池可用于卡车，公共汽车，公共安全和军用车辆，但这些单元又大又重。作为一个简单的指导原则，电池越重，它所含的铅就越多，并且持续时间越长。表3比较了起动机电池和深循环电池在深循环时的典型寿命。

汽车中的铅酸或锂离子？

自凯迪拉克于1912年推出起动机以来，铅酸电池一直是首选电池。托马斯·爱迪生（Thomas Edison）试图用镍铁（NiFe）代替铅酸，但铅酸因其坚固和宽容的性质以及低成本而盛行。现在，在车辆中用作起动电池的铅酸正受到锂离子电池的挑战。

图4显示了铅酸和锂离子的特性。两种化学物质在冷启动中的表现相似。铅酸的W / kg略好，但锂离子在循环寿命方面有很大的改善，以Wh / kg为单位的比能量更好，并且具有良好的动态电荷接受度。与铅酸相比，锂离子不足的地方是每千瓦时的高成本，复杂的回收和不那么出色的安全记录。

铅是有毒的，环保主义者希望用替代化学物质代替铅酸电池。欧洲成功地将镍镉排除在消费产品之外，起动机电池也做出了类似的努力。选择是NiMH和锂离子电池，但价格太高，低温性能差。凭借99%的回收率，铅酸电池对环境造成的危害很小，并可能继续成为首选电池。

表5列出了当今常用铅酸电池的优点和局限性。该表不包括新的铅酸化学成分。（