【正文】 黃石理 工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 摘 要 概述了各類汽車蓄電池的工作原理及發(fā)展現(xiàn)以 及廢舊蓄電池對人類環(huán)境的危害，通過與美日等發(fā)達(dá)國家鉛蓄電池產(chǎn)業(yè)的 對比分析了我國鉛蓄電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的主要問題展望和分析了國內(nèi)鉛蓄電 池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景和趨勢 ,國內(nèi)外處理廢舊蓄電池的方式，以及國內(nèi)外一些 蓄電池的新技術(shù)，如：環(huán)境友好型蓄電池、燃料電池。以及對未來蓄電池做 一些展望。現(xiàn)狀 。回收利用； 環(huán)境友好型蓄電池；燃料電池；未來蓄電池 黃石理 工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） II Abstract An overview of all types of car batteries and the working principle of the development and the waste batteries on the human environment, with the developed countries such as Japan lead storage battery industry parative analysis of accumulator of our country lead industry development existing problems analysis and forecast of domestic battery industry development prospect and trend at home and abroad, treatment of waste battery way at home and abroad, as well as some battery new technology, such as : the environment friendly battery, fuel cell. As well as the future of battery to do some prospect. Key words : car battery。 development trend。 fuel cell。考慮到汽車蓄電池在汽車中占據(jù)重要部分，但又由于汽車蓄電池 在使用后會變成環(huán)境的重要污染者，而導(dǎo)致環(huán)境破壞。 汽車蓄電池的現(xiàn)狀 鉛蓄電池是一種傳統(tǒng)的電池產(chǎn)品 ， 自發(fā)明至今已有多年的歷史 ， 但該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展仍方興未艾 。 鉛蓄電池具有技術(shù)成熟 、 性能穩(wěn)定 、 安全 、 成本低 、資源再生回收率高等比較優(yōu)勢 ， 但和鋰離子電池相比能量密度較低循環(huán)壽命偏短 ， 主要原材料鉛是一類有毒物質(zhì) ， 電池生產(chǎn)和再生鉛加工過程中存在鉛污染風(fēng)險(xiǎn) ， 管理不善可能會對環(huán)境造成危害 。 隨著新技術(shù)的突破和新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用 ， 鉛蓄電池將進(jìn)入新技術(shù)時(shí)代 ， 其比能量 和比功率將大幅度提高循環(huán)壽命延長 ， 未來較長時(shí)期內(nèi)鉛蓄電池仍將在起動儲能動力等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用。 鉛酸蓄電池充電后，負(fù)極板是鉛（ Pb），與電解液中的硫酸（ H2SO4）發(fā)生反應(yīng)，變成鉛離 子（ Pb2），鉛離子轉(zhuǎn)移到電解液中，負(fù)極板上留下多余的兩個(gè)電子（ 2e）。 、鉛酸蓄電池放電過程的電化反應(yīng) 鉛酸蓄電池放電時(shí)，在蓄電池的電位差作用下，負(fù)極板上的電子經(jīng)負(fù)載進(jìn)入正極板形成電流 I。負(fù)極板上每個(gè)鉛原子放出兩個(gè)電子后，生成的鉛離子（ Pb2）與電解液中的硫酸根離子（ SO42）反應(yīng)，在極板上生成難溶的硫酸鉛（ PbSO4）。正極板水解出的氧離子（ O2）與電解液中的氫離子（ H）反應(yīng)，生成穩(wěn)定物質(zhì)水。放電時(shí) H2SO4 濃度不斷下降，正負(fù)極上的硫酸鉛（ PbSO4）增加，電池內(nèi)阻增大（硫酸鉛不導(dǎo)電），電解液濃度下降，電池電動勢降低。在正極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被離解為二價(jià)鉛離子（ Pb2）和硫酸根負(fù)離子（ SO42），由于外電源不斷從正極吸取電子，則正極板附近游離的二價(jià)鉛離子（ Pb2）不斷放出兩個(gè)電子來補(bǔ)充，變成四價(jià)鉛離子（ Pb4），并與水繼續(xù)反應(yīng)，最終在正極極板上生成二氧化鉛（ PbO2）。電解液中，正極不斷產(chǎn)生游離的氫離子（ H）和硫酸根離子（ SO42），負(fù)極不斷產(chǎn)生硫酸根離子（ SO42），在電場的作用下，氫離子向負(fù)極移動，硫酸根離子向正極移動，形成電流。 、鉛酸蓄電池充放電后電解液的變化 從上面可以看出，鉛酸蓄電池放電時(shí)，電解液中的硫酸不斷減少，水逐漸增多，溶液比 重下降。實(shí)際工作中，可以根據(jù)電解液比重的變化來判斷鉛酸蓄電池的充電程度。當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，使用密度為 ～ （ 15℃ 時(shí)）的氫氧化鈉溶液。在 15℃ 以下時(shí)，使用密度為 （ 15℃ 時(shí) ）的氫氧化鉀溶液。為了增加蓄電池的容量和循環(huán)壽命，通常在電解液中加入少量的氫氧化鋰（大約每升電解液加 1520g）。 （ 1）負(fù)極反應(yīng) 負(fù)極上的鎘失去兩個(gè)電子后變成二價(jià)鎘離子 Cd2+， 然后立即與溶液中的兩個(gè)氫氧根離子 OH結(jié)合生成氫氧化鎘 Cd(OH)2，沉積到負(fù)極板上。鎳為正三價(jià)離子（ Ni3+），晶格中每兩個(gè)鎳離子可從外電路獲得負(fù)極轉(zhuǎn)移出的兩個(gè)電子，生成兩個(gè)二價(jià)離子 2Ni2+。 充電時(shí)，將蓄電池的正、負(fù)極 分別與充電機(jī)的正極和負(fù)極相連，電池內(nèi)部發(fā)生與放電時(shí)完全相反的電化學(xué)反應(yīng)，即負(fù)極發(fā)生還原反應(yīng)，正極發(fā)生氧化反應(yīng)。 (2)正極反應(yīng) 在外電源的作用下，正極板上的氫氧化亞鎳晶格中，兩個(gè)二價(jià)鎳離子各失去一個(gè)電子生成三價(jià)鎳離子，同時(shí)，晶格中兩個(gè)氫氧根離子各釋放出一個(gè)氫離子，將氧負(fù)離子留在晶格上，釋出的氫離子與溶液中的氫氧根離子結(jié)合，生成水分子。 氫摒化鈉或氫氧化鉀并不直接參與反應(yīng)，只起導(dǎo)電作用。 黃石理 工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 充足電后，立即斷開充電電路，鎳鎘蓄電池的電動勢可達(dá) 左右，但很快就下降到 。 當(dāng)鎳鎘蓄電池以標(biāo)準(zhǔn)放電電流放電時(shí)，平均工作電壓為 。 蓄電池充足電后，在一定放電條件下，放至規(guī)定的終止電壓時(shí)，電池放出的總?cè)萘糠Q為電池的額定容量，容量 Q用放電電流與放電時(shí)間的乘積來表示 。t(Ah) 鎳鎘蓄電池容量與下列因素有關(guān)： ① 活性物質(zhì)的數(shù)量； ② 放電率； ③ 電解液。在規(guī)定的放電終止電壓下，放電電流越大，蓄電池的容量越小。通常，在高溫環(huán)境下，為了提高電池容量，常在電解液中添加少量氫氧化鋰，組成混合溶液。然而，電解液中鋰離子的含量過多，不僅使電解液的電阻增大，還會使殘留在正極板上的鋰 離子（ Li+）慢慢滲入晶格內(nèi)部，對正極的化學(xué)變化產(chǎn)生有害影響。這是因?yàn)殡S著電解液溫度升高，極板活性物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)也逐步改善。主要的有害雜質(zhì)是碳酸鹽和硫酸鹽。此外，碳酸根離子還能與負(fù)極板作用，生成碳酸鎘附著在負(fù)極板表面上，從而引起導(dǎo)電不良，使蓄電池內(nèi)阻增大，容量下降。電池的內(nèi)阻主要由電解液的電阻決定。 18℃ 時(shí)氫氧化鉀溶液和氫氧化鈉溶液的電阻系數(shù)最小。容量效率 ηAh 和電能效率 ηWh 計(jì)算公式 如下： （ U充和 U 放應(yīng)取平均電壓） 鎳鎘電池使用過程中，如果電量沒有全部放完就開始充電，下次再放電時(shí) ，就不能放出全部電量。電池全部放完電后，極板上的結(jié)晶體很小。結(jié)晶體變大是鎳鎘電池產(chǎn)生記憶效應(yīng)的主要原因。 常用的蓄電池有鉛酸蓄電池 ,鎘鎳蓄電池 ,鐵鎳蓄電池 ,金屬氧化物蓄電池 ,鋅銀蓄電池 ,鋅鎳蓄電池 ,氫鎳蓄電池 ,鋰離子蓄電池等 民用干電池是目前使用量最大、也是最分散的電池產(chǎn)品，國內(nèi)年消費(fèi) 80 億只。鋅錳電池、堿性鋅錳電池 、鋅銀電池一般都使用汞或汞的化合物作緩蝕劑，汞和汞的化合物是劇毒物質(zhì)。 蓄電池對人類身體的影響 電池中含有大量的重金屬 :汞 ,錳 ,鋅 ,鎘 ,鎳 ,鉛等 .廢電池扔土壤里 ,其中的成分就會滲透到土壤和地下水 ,人們一旦食用受污染的土地生產(chǎn)的農(nóng)作物或是喝了受污染了的水 ,這些有毒的重金屬就會進(jìn)入人的體內(nèi) ,慢慢的沉 黃石理 工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 積下來 ,對人類健康造成極大的威脅 !高血鉛影響腎 ,肝 ,神經(jīng)系統(tǒng)和造血器官 ,干擾腎功能和生殖功能 ,不可逆轉(zhuǎn)地?fù)p傷大腦 .會使兒童出現(xiàn)行為問題 ,低智商和精力難以集中 .汞中毒有神經(jīng)衰弱綜合癥 ,植物神經(jīng)功能紊亂 ,以及急躁 ,易怒 ,好哭等癥狀 ,重度中毒時(shí)發(fā)生明顯的性格改變 ,情感障礙 ,智力減退 .鎳通常從飲食中攝入 ,被認(rèn)為可誘發(fā)肺癌和鼻竇癌 .鎳中毒主要引起呼吸系統(tǒng)損害 ,嚴(yán)重者神志模糊或昏迷 ,并發(fā)心肌損害 。電池的種類很多，分類方法也很復(fù)雜，一般可分為化學(xué)電池與物理電池。目前，世界電池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成了各種電池共存的局面，各類電池的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r各不相同。 鉛酸蓄電池：鉛酸蓄電池是指電極由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的一種蓄電池。目前在各類電池中占 30%左右的比例，在二次電池中更是占到了 70%以上的市場份額。鉛酸電池除了存在污染、循環(huán)壽命短等問題，別的方面優(yōu)勢很明顯，尤其 是價(jià)格方面，估計(jì)未來 35年仍然會占有很大的市場份額，尤其是在發(fā)展中國家。鎳鎘電池的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)實(shí)、價(jià)格便宜。鎳鎘電池的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)實(shí)、價(jià)格便宜。 由于鎘的毒性和鎘鎳電池的記憶效應(yīng)，余電放凈后再進(jìn)行充電才能保持電池的充電量。目前，日本等發(fā)達(dá)國家出于降低 成本和環(huán)保考慮，型、 C型、 D 型電池仍為首選。但由于國內(nèi)環(huán)保也在日益重視，轉(zhuǎn)移到國外，我國已經(jīng)成為世界鎳鎘電池的主要生產(chǎn)基地。國家對鎳鎘電池生產(chǎn)有很大限制，出口退稅也全部取消，市場萎縮很快，其前景不容樂觀。鎳氫電池和鎳鎘電 池外形上相似，而且鎳氫電池的正極與鎳鎘電池也基本相同，都是以氫氧化鎳為正極，主要區(qū)別在于鎳鎘電池負(fù)極板采用的是鎘活性物質(zhì)，而鎳氫電池是以高能貯氫合金為負(fù)極，因此鎳氫電池具有更大的能量。 由于鎳氫電池缺點(diǎn)是價(jià)格比鎳鎘電池要貴，性能比鋰電池要差，在移動電話、筆記本電腦等領(lǐng)域被鈷酸鋰等鋰電池取代，作為動力電池在便攜式電器市場、電動工具、電動車市場開始萎縮，主要是被錳酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池取代。鋰離子電池：整個(gè)鋰離子電池產(chǎn) 黃石理 工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 業(yè)發(fā)展很快，自 1991年商業(yè)化以來，不斷蠶食鎳鎘電池和鎳氫電池的市場。 目前，鋰離子電池在整個(gè)電池產(chǎn)業(yè)中是最受人矚目的，其中目前使用最廣泛的是鈷酸鋰電池和錳酸鋰電池，但未來行業(yè)格局會有所變化，應(yīng)用在手機(jī)、電腦和數(shù)碼產(chǎn)品中的鈷酸鋰電池會逐漸被二元 /三元聚合物鋰電池取代，而作為高倍率動力電池，錳酸鋰電池也將逐漸被磷酸鐵鋰電池取代。太陽能電池：它是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。太陽能電池產(chǎn)業(yè)在日本、美國、德國等發(fā)達(dá)國家對光伏發(fā)電進(jìn)行政策性補(bǔ)貼的刺激下，產(chǎn)業(yè)規(guī)模迅速增長。 世界太陽能電池生產(chǎn)主要集中在中國、日本、德國和美國四個(gè)國家，中國成為增長最快的地區(qū)。燃料電池：它是一種把儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能，等溫地按電化學(xué)原理轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。 燃料在陽 極氧化，氧化劑在陰極還原，電子從陽極通過負(fù)載流向陰極構(gòu)成電回路，產(chǎn)生電能而驅(qū)動負(fù)載工作。 燃料電池在航空航天和軍事方面得到較好的應(yīng)用，但是受技術(shù)和成本的限制，尚未達(dá)到普遍的民用商業(yè)化程度。目前已形成了一個(gè)龐大的企業(yè)和研 黃石理 工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 究群，如日本豐田和三菱、美國 GM 和 FORD、德國 BENZ 等汽車制造企業(yè)，再如加拿大巴拉德燃料電池公司、美國 BLACKPOWER、 UNITEDFUELCELL 等燃料電池公司、德國氫能與太陽能研究所等。二是二次電池的增長速度高于一次電池的增長速度。四是動力電池產(chǎn)業(yè)將加快發(fā)展，目前看來，磷酸鐵鋰動力電池優(yōu)勢最為明顯，未來幾年將呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長 屬問題。 各種類型燃料電池 (堿性燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、磷酸燃料電池及質(zhì)子交換膜燃料電池 )的技術(shù)進(jìn)展、電池性能及其特點(diǎn)。對燃料電池的應(yīng) 用前景進(jìn)行探討 ,并對我國的燃料電池研究提出了一些建議。磷酸燃料電池 。 1各種燃料電池發(fā)展?fàn)顩r （ 1） 堿性燃料電池 (AFC) 黃石理 工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 20世紀(jì) 50年代起美國就開始對堿性燃料電池進(jìn)行研究 ,并在 60年代中期成功地用于 Apollo 登月飛行。缺點(diǎn)在于對 CO