先進鉛酸蓄電池制造工藝

前言

　　今年正值鉛酸蓄電池發(fā)明150周年，自1859年普蘭特（G.Plante）發(fā)明鉛酸蓄電池開始，鉛酸蓄電池作為最古老的化學(xué)電源，經(jīng)久不衰。有人形容鉛酸蓄電池是一匹老馬，但是這匹老馬老驥伏櫪，志在千里，愈來愈顯得生機勃勃。這匹老馬在150年以來為人類做出了巨大的貢獻：汽車、船舶、摩托車、坦克、拖拉機、柴油機等需要它作為起動電源，電信移動、發(fā)電廠、計算機系統(tǒng)及自動控制系統(tǒng)等需要它作為備用電源，潛艇、電動自行車、電動三輪車、電動汽車、電動叉車及高爾夫車等需要它作動力電源，現(xiàn)代的太陽能、風(fēng)能獨立發(fā)電系統(tǒng)又需要它作為儲能電源。因為它是一匹老馬，許多科學(xué)界的人士對它不屑一顧，總寄希望于其他化學(xué)電源或物理電源來取代它。但是，工業(yè)的飛速發(fā)展和市場的需求，一次又一次把它推向高潮，使鉛酸蓄電池這匹老馬無法休息。無論產(chǎn)值還是銷售額，鉛酸蓄電池占所有化學(xué)電源（包括鉛酸蓄電池、鋰離子電池、鎘鎳電池、鋅錳電池、堿性電池等）的50%以上。　　鉛酸蓄電池是所有化學(xué)與物理電源中唯一能夠壟斷一種有色金屬資源的電池。據(jù)統(tǒng)計，目前全世界每年生產(chǎn)的鉛有85%左右消耗于鉛酸蓄電池產(chǎn)品上。鉛酸蓄電池也是所有化學(xué)與物理電源中唯一能夠?qū)崿F(xiàn)再生循環(huán)利用的電池，盡管很多環(huán)保界人士對它抱有偏見，但是全國各地到處可見被丟棄的其他電池，還真找不到一只被丟棄的鉛酸蓄電池。從被丟棄的其他電池對環(huán)境所造成的污染以及其他電池不能回收再生利用等方面考慮，鉛酸蓄電池可以稱得上“綠色電池”。鉛酸蓄電池的污染主要集中在鉛的冶煉與極板制造階段。目前，隨著技術(shù)工藝和設(shè)備的更新?lián)Q代，鉛酸蓄電池生產(chǎn)過程中的污染能夠得到較好的控制，逐步向清潔生產(chǎn)和節(jié)能減排方向發(fā)展。鉛酸蓄電池作為一匹老馬能夠生機勃勃，最關(guān)鍵在于鉛酸蓄電池的生產(chǎn)工藝與制造技術(shù)在不斷更新，不斷提高。綜觀世界鉛酸蓄電池行業(yè)的生產(chǎn)、工藝及設(shè)備狀況，我國鉛酸蓄電池生產(chǎn)規(guī)模和總量已經(jīng)排世界第一，但是制造技術(shù)與生產(chǎn)工藝與發(fā)達國家相比還有一定差距。近幾年來，為了縮短我國鉛酸蓄電池行業(yè)與發(fā)達國家蓄電池企業(yè)在技術(shù)、工藝及質(zhì)量方面的差距，我們經(jīng)?？吹矫绹鳥obNelson博士、德國的Reihim博士和Gruemer工程師、保加利亞科學(xué)院的DetchkoPavlov院士和GenoPapazov博士等世界鉛酸蓄電池技術(shù)權(quán)威來我國講學(xué)與技術(shù)培訓(xùn)，我們應(yīng)該感謝他們?yōu)槲覈U酸蓄電池工業(yè)的技術(shù)進步所做的貢獻，正是他們不斷把世界先進鉛酸蓄電池技術(shù)工藝傳送到我國。也應(yīng)該感謝沈陽蓄電池研究所、北京科技大學(xué)、華南師范大學(xué)、株洲冶煉集團等單位為我國電池工業(yè)發(fā)展所做出的努力，他們積極邀請外國專家前來講座，并開展國際鉛酸蓄電池的技術(shù)工藝培訓(xùn)。　　近年來鉛酸蓄電池的產(chǎn)品、技術(shù)工藝以及設(shè)備發(fā)展很快，我國鉛酸蓄電池行業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)人員和管理人員紛紛反映，急需一部能夠全面反映現(xiàn)代鉛酸蓄電池理論與先進鉛酸蓄電池制造工藝的好書。為了推動我國鉛酸蓄電池行業(yè)的技術(shù)進步與工藝革新，長期從事鉛酸蓄電池研發(fā)工作的李中奇教授、熊正林高級工程師和筆者共同編寫了此書。李中奇教授曾多次參與北京科技大學(xué)的美國閥控密封鉛酸蓄電池技術(shù)培訓(xùn)工作，并具有在淄博蓄電池廠（481廠）和湘潭蓄電池廠的工作經(jīng)歷，曾擔(dān)任湘潭蓄電池廠技術(shù)廠長和廠長多年；熊正林高級工程師曾在日本湯淺電池（廣東）企業(yè)從事蓄電池技術(shù)工作，長期擔(dān)任美國全資企業(yè)理士電源集團的技術(shù)總裁，組建了5家大型鉛酸蓄電池工廠，使理士電源集團成為我國最大的閥控密封鉛酸蓄電池出口企業(yè)；筆者作為華南師范大學(xué)的教授，一直從事我喜愛的鉛酸蓄電池研究工作，積極參加歐洲鉛蓄電池會議、亞洲電池會議、國際鉛酸蓄電池會議等國際鉛酸蓄電池專題學(xué)術(shù)會議，基本走遍了歐洲和北美的鉛酸蓄電池企業(yè)，曾在廣州蓄電池廠擔(dān)任研究所所長6年，亦曾擔(dān)任江蘇雙登電源集團、浙江天能電池集團等國內(nèi)多家知名蓄電池企業(yè)的技術(shù)顧問，還與株洲冶煉集團共同舉辦過歐洲鉛酸蓄電池制造工藝培訓(xùn)班。我們?nèi)痪幷叩你U酸蓄電池工作經(jīng)歷使本書理論聯(lián)系實際，相信書中所介紹技術(shù)工藝將會幫助相關(guān)企業(yè)解決實際生產(chǎn)中的技術(shù)難題。　　可以認為，這是一部較全面反映當(dāng)今發(fā)達國家鉛酸蓄電池制造技術(shù)與生產(chǎn)工藝的參考書，既重點介紹了美國和日本為代表的AGM閥控密封鉛酸蓄電池的技術(shù)與工藝，又著重對以德國為代表的歐洲膠體閥控密封鉛酸蓄電池、起動型鉛酸蓄電池、管式鉛酸蓄電池的技術(shù)與工藝進行了闡述。希望我國鉛酸蓄電池行業(yè)的廣大技術(shù)人員能從中獲益。此書的出版得到了化學(xué)工業(yè)出版社的領(lǐng)導(dǎo)與編輯的大力支持，在文字和圖表整理過程中得到了趙瑞瑞、唐莉萍等研究生的幫助，在此深表感謝。相信本書的出版將會極大地促進我國鉛酸蓄電池行業(yè)的技術(shù)進步與工藝革新，并希望本書有助于我國鉛酸蓄電池工業(yè)的制造技術(shù)與生產(chǎn)工藝快速躋身于國際領(lǐng)先之列。

內(nèi)容概要

　　《先進鉛酸蓄電池制造工藝》是一部較全面反映當(dāng)今發(fā)達國家生產(chǎn)制造鉛酸蓄電池最新技術(shù)工藝的技術(shù)參考書。書中在介紹以德國為代表的歐洲膠體密封鉛酸蓄電池、起動型蓄電池、管式鉛酸蓄電池工藝以及以美國和日本為代表的AGM閥控密封鉛酸蓄電池工藝的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)代鉛酸蓄電池的基礎(chǔ)和理論進行了系統(tǒng)的闡述，對世界先進的鉛酸蓄電池產(chǎn)品、材料、設(shè)備及制造工藝進行了詳細介紹，重點介紹了先進的板柵合金、板柵制造、鉛粉制造、鉛膏制造、極板制造、化成與組裝等技術(shù)工藝，最后還介紹了閥控密封鉛酸蓄電池的維護與使用技術(shù)?！　　断冗M鉛酸蓄電池制造工藝》可供鉛酸蓄電池企業(yè)的工程技術(shù)人員、質(zhì)檢人員、生產(chǎn)人員以及管理人員閱讀參考；也可供相關(guān)專業(yè)的研究生、本科生以及大專生作為教材使用。

書籍目錄

第1章 鉛酸蓄電池基礎(chǔ)11.1 鉛酸蓄電池的歷史11.2 鉛酸蓄電池的基本概念21.3 鉛酸蓄電池的基本過程71.4 鉛酸蓄電池的基本性能81.4.1 電池電動勢與電壓91.4.2 電池容量191.4.3 儲存性能與自放電211.4.4 循環(huán)壽命241.4.5 電池內(nèi)阻241.5 鉛酸蓄電池的基本參數(shù)251.5.1 鉛酸蓄電池各組件所需要的量251.5.2 鉛酸蓄電池活性物質(zhì)的計算與確定261.5.3 電池的水解反應(yīng)31第2章 鉛酸蓄電池現(xiàn)代理論352.1 鉛酸蓄電池的工作原理352.1.1 鉛電極的充/放電機理352.1.2 二氧化鉛電極的充/放電機理352.1.3 鉛酸蓄電池的電化學(xué)反應(yīng)372.2 鉛酸蓄電池正負極的熱力學(xué)和動力學(xué)392.2.1 電極電勢392.2.2 鉛酸蓄電池各種化學(xué)物質(zhì)的電化當(dāng)量452.2.3 鉛酸蓄電池電極的極化462.2.4 電化學(xué)極化特征502.2.5 電池內(nèi)阻極化的特征512.2.6 電池中氣體的發(fā)生512.3 鉛酸蓄電池的電解液552.3.1 電解液的導(dǎo)電作用552.3.2 電解液的電阻系數(shù)562.3.3 電解液的密度確定57第3章 鉛酸蓄電池產(chǎn)品及其先進技術(shù)613.1 起動型鉛酸蓄電池633.1.1 起動型鉛酸蓄電池的技術(shù)現(xiàn)狀633.1.2 國外起動型鉛酸蓄電池試驗方法653.1.3 國外起動型鉛酸蓄電池生產(chǎn)方式的進展653.2 固定型鉛酸蓄電池673.2.1 固定型鉛酸蓄電池分類673.2.2 閥控鉛酸蓄電池的技術(shù)發(fā)展歷史673.2.3 閥控密封鉛酸蓄電池的工作原理693.2.4 膠體閥控密封電池753.2.5 閥控密封電池制造工藝案例813.3 工業(yè)電池873.3.1 牽引電池的結(jié)構(gòu)883.3.2 牽引電池的工作特性993.3.3 卷繞式電池1113.4 儲能型蓄電池1123.4.1 光伏系統(tǒng)用儲能電池的特點1123.4.2 光伏系統(tǒng)中作為儲能的蓄電池面臨的工作環(huán)境與使用狀態(tài)1133.4.3 當(dāng)前光伏系統(tǒng)中的儲能電池1143.4.4 光伏系統(tǒng)中常用儲能電池的比較120第4章 鉛酸蓄電池先進材料1224.1 先進板柵材料1224.1.1 板柵的類型1224.1.2 鉛基合金的性能1244.1.3 新型板柵材料1254.2 先進鉛膏配方材料1274.3 先進隔板及槽蓋材料1324.3.1 隔板1324.3.2 槽蓋材料137第5章 鉛酸蓄電池先進生產(chǎn)設(shè)備1385.1 先進板柵鑄造設(shè)備1385.1.1 重力澆鑄機1385.1.2 骨架鑄造機1385.1.3 鑄板機工藝控制1395.1.4 拉網(wǎng)式及擴展式板柵制造系統(tǒng)1405.1.5 連鑄輥壓式板柵制造設(shè)備1415.1.6 電沉積板柵制造技術(shù)與設(shè)備1435.2 先進極板制造設(shè)備1455.2.1 和膏與涂板設(shè)備1455.3 先進設(shè)備1485.3.1 極群配組及其設(shè)備1485.3.2 鑄焊及其設(shè)備1505.3.3 中聯(lián)焊接1515.3.4 槽蓋熱封機152第6章 板柵合金與先進板柵制造工藝1536.1 板柵合金配方及原理分析1536.1.1 板柵合金的相圖1546.1.2 板柵合金特性1566.1.3 低銻合金1606.1.4 鉛鈣合金1636.1.5 先進板柵合金配方1676.1.6 板柵合金的腐蝕1706.2 板柵制造工藝1776.2.1 板柵設(shè)計1776.2.2 重力澆注板柵1816.2.3 連續(xù)澆鑄板柵1856.2.4 壓力澆鑄骨架1856.2.5 擴展（拉網(wǎng)）法制造板柵1866.2.6 電沉積法制造板柵187第7章 鉛粉先進制造工藝1897.1 鉛粉概念1897.2 鉛粉生產(chǎn)過程1907.2.1 低溫生產(chǎn)鉛粉1907.2.2 中溫生產(chǎn)鉛粉1927.2.3 高溫生產(chǎn)鉛粉1937.2.4 紅丹的生產(chǎn)1947.3 鉛粉的特性1957.4 鉛粉生產(chǎn)的工藝控制1997.4.1 監(jiān)視與控制工藝條件1997.4.2 鉛膏中常用的材料199第8章 鉛膏先進制造工藝2018.1 PbO/H2SO4/NaOH體系的熱力學(xué)2018.2 鉛膏原料及作用2028.3 和膏動力學(xué)過程2058.3.1 和膏過程相組成的變化2058.3.2 和膏過程的動力學(xué)2088.4 鉛粉對和膏動力學(xué)的影響2098.5 鉛膏稠度與視密度2108.6 鉛膏配方2138.7 和膏工藝控制214第9章 生極板先進制造工藝2169.1 涂板與灌粉2169.1.1 涂膏2169.1.2 灌粉2179.1.3 擠膏2179.2 極板固化與干燥2179.2.1 鉛膏在固化過程中的變化2179.2.2 鉛膏干燥過程中的變化2249.2.3 鉛膏水分對黏著力的影響2259.2.4 固化技術(shù)要點227第10章 極板的先進化成工藝23310.1 化成方式23310.2 化成工藝因素與條件23410.2.1 化成電解液量與濃度23410.2.2 化成電流密度23510.3 正極與負極的化成過程23610.3.1 正極活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)23610.3.2 負極的化成過程24110.4 化成技術(shù)要點24310.4.1 化成技術(shù)要點之一24310.4.2 化成技術(shù)要點之二24710.4.3 管式極板化成技術(shù)要點258第11章 先進組裝工藝26111.1 電池組裝材料與注液26111.2 極板間距對注液的影響26311.2.1 電池灌酸的工藝過程26411.3 組裝工藝及出廠檢測方法26611.3.1 裝配及均衡充電26611.3.2 電池出廠檢測試驗269第12章 鉛酸蓄電池的先進維護與使用技術(shù)27312.1 維護理論與使用規(guī)則27312.1.1 自放電與容量保存率27312.1.2 放電性能與放電制度27512.1.3 充電方法及特性28012.1.4 電池內(nèi)氧循環(huán)特性28512.1.5 電池內(nèi)阻變化特性28712.1.6 使用規(guī)則29012.2 循環(huán)使用方式與維護29112.2.1 循環(huán)運行與電池設(shè)計的關(guān)系29112.2.2 充電方法對循環(huán)壽命的影響29312.2.3 充電終止方法與循環(huán)充電技術(shù)要點29612.3 浮充使用方式與維護30012.3.1 影響浮充的因素30012.3.2 浮充電壓的確定30412.3.3 浮充電池的維護與運行30712.3.4 維護使用的發(fā)展及標準規(guī)程31512.3.5 部分荷電狀態(tài)下工作電池的使用與維護31712.4 電池再生技術(shù)31812.4.1 負極硫酸鹽化及其再生方法31812.4.2 負極匯流排腐蝕及其拯救辦法32412.4.3 電解液干涸及水損失嚴重32512.4.4 正極腐蝕327附錄日本湯淺(Yuasa)閥控密封鉛酸蓄電池維護細則329參考文獻338

章節(jié)摘錄

　　表1-1中所列為物質(zhì)經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)能夠生成的電壓數(shù)值。每一個反應(yīng)都是所謂“半電池”反應(yīng)，兩個“半電池”組合起來就形成了一個電化學(xué)單元電池?！鞍腚姵亍彼傻碾妷褐稻痛怼鞍腚姵亍蹦墚a(chǎn)生的能量大小。兩個“半電池”相距越遠，將它們組合起來構(gòu)成的電池所產(chǎn)生的電壓就越高，所生成的能量也就越大。　　鋰電池能夠提供如此巨大能量的理由之一是“鋰半電池”電位高達3V多，因為單元電池的電壓是兩個“半電池”電位差，所以“鋰半電池”與它組合的大多數(shù)其他“半電池”構(gòu)成的鋰電池都是高能電池。倘若將“氟半電池”與“鋰半電池”組合起來可以得到想象中能量最高的電池，其電池電壓可高達6V多，然而這樣的電池極不穩(wěn)定，電化學(xué)反應(yīng)相當(dāng)激烈，以致不能安全工作。因此商業(yè)用電池都采用1～2V的半電池組合，比如在商店里買的堿性電池電壓1.2V，鉛酸蓄電池為2V?！　【科潆姵氐谋举|(zhì)，就是電子從一個“半電池”流向另一個“半電池”的電子遷移，這個過程是電化學(xué)反應(yīng)。通常失去電子的“半電池”被氧化，獲得電子的“半電池”被還原，這樣兩個“半電池”間有電子得失，有得失就能流動（即電流），就能驅(qū)動外載荷。在單元電池內(nèi)部電荷的平衡是通過離子運動來維持。當(dāng)氧化還原進行時，這些離子就按照保持電中性的方式流動，只要電池內(nèi)部存在足夠的驅(qū)動力（電動勢或電壓），電池就能繼續(xù)工作，電流就會產(chǎn)生，并源源不斷供給負載需要。當(dāng)電池化學(xué)能消耗殆盡，它就不能再向負載供應(yīng)能量，電池不能再運行。這時對電池的處理為卸載或給電池補充電。若電池不可以充電，那就是一次電池，如果能夠再充電，則為二次電池。一次電池的電化學(xué)反應(yīng)是不可逆的，二次電池的電化學(xué)反應(yīng)是可逆的，鉛酸蓄電池可以反復(fù)進行充／放電，是二次電池。反復(fù)進行充／放電的次數(shù)稱為循環(huán)壽命次數(shù)?！　︺U酸蓄電池的電化學(xué)單元電池的主要構(gòu)件的了解，對電池設(shè)計非常重要。電池的主要構(gòu)件如下。

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