【转贴郭自强先生的力作】铅酸蓄电池的应用及其可持续发展

abt-bj

铅酸蓄电池的应用及其可持续发展
中国电工技术学会电动车辆专委会技术服务中心   郭自强
1.铅酸蓄电池的应用概述
铅酸蓄电池的应用面很广、应用量很大。表1是1997年全球电池销售值分布情况，可见铅酸蓄电池所占的重要地位。表2是2000年我国在各领域中铅酸蓄电池用量，可见其应用面广和应用量大。
表1    1997年全球电池销售值分布情况
总量原电池蓄电池铅酸蓄电池
销售值（亿美元）26492172124
占总量比例（%）34.865.247.0
占蓄电池比例（%）72.1
表2   2000年我国在各领域中铅酸蓄电池产量（万KVAH）
汽、摩通讯电力铁路UPS军用出口电动自行车其他合计
产量1241725413162912514251589
%78.14.53.40.81.01.87.90.91.6100
2.我国电动自行车电池用阀控铅酸蓄电池的水平有很大提高
2.1 取得的成绩
1/外观渗漏液的问题有已基本解决，渗漏液现象已基本没有。
2/绝大部分厂家的电池充电末期电流小于0.1A，说明合金成分和材料纯度符合要求。
3/50次循环容量衰减率符合指标的明显增加，约占被测样本的80%以上，说明早期容量衰减（PCL-1）问题已能够解决。
4/容量和比能量有明显提高。2小时率（5A）放电容量达到11-13.5Ah；比能量达到31-35WH/Kg。
5/寿命明显提高。100%放电深度的循环寿命超过250次，达到300-400次。有9-10个样本循环寿命超过250次循环，其中6-7个样本是中小型厂的产品。
6/用Pb-Sb-Cd合金的减少，用Pb-Ca高锡合金的增加，环保性能提高。
2.2 存在的问题
    生产电动自行车用阀控铅酸蓄电池的大小厂家有200多家，产品质量参差不齐，用户投诉较多，是存在的主要问题。从我们检测评估过的产品看，主要问题和出现的现象是：
    1/能够在容量、比能量、循环寿命（尤其重要）等全面指标达到要求的生产厂家不多，不超过20%。
    2/电池间的一致性有待提高。质量好的电池，在 100次循环前一致性好，到100-150次循环间才出现不一致。一般厂家的电池在10次循环内就出现不一致，随循环进行差距越来越大，电池组容量往往受落后电池牵制衰减率大。
    3/微短路，甚至完全短路。发现造成电池间一致性差的重要现象是个别单格微短路。还发现个别单格在寿命中后期逐渐发展成完全短路。
    4/与充电器参数未很好匹配。不是欠充电造成电池容量衰减快和电池间的一致性变差、影响循环寿命，就是过充电太多造成电池失水多和热失控
2.3 改进方向
1/及时了解国内外发展的新材料和新技术，并逐步掌握它和通过试验采用它。
2/加强生产过程质量管理。生产过程中的质量管理问题，说起来简单，做起来不易，需要从源头开始，抓好每个工序的点滴细节环节，严格工序检查、检测。
3/要注意与电驱动系统的其他部件的匹配和优化。
4/研究蓄电池的维护技术。阀控铅酸蓄电池也叫“免维护”铅酸蓄电池，实际不能完全免维护。中、后期进行适当的维护对电池有一定的恢复功能。笔者已对有的技术做过试验，证明确有效果。
总之，蓄电池厂家不只是配套、被动的角色，如何做好与电驱动系统的其他部件匹配和优化及中、后期维护技术研究，使蓄电池充分发挥潜力，有很多工作可做。
2.4 基本估计
根据我们对产品的检测评估和考察部分厂家的情况，基本上可分为如下几类：
    1/容量、容量衰减率、循环寿命（尤其重要）等全面指标达到要求，而且质量稳定、可靠，一致性较好。这类厂家都是大、中型厂，掌握了关键技术和生产过程质量管理严格。
    2/容量、容量衰减率、循环寿命等全面指标达到要求，但质量不够稳定。这类厂家都是中、小型厂，掌握了关键技术，但生产过程质量管理不够严格。
    3/容量、容量衰减率等指标达到要求，但循环寿命达不到要求。这类厂家都是中、小型厂，掌握了关键技术不全面，生产过程质量管理不够严格。
4/容量能达到要求，但容量衰减率、循环寿命等重要指标达不到要求。这类厂家都是中、小型厂，未掌握关键技术，生产过程质量管理不严格。
3.铅酸蓄电池的可持续发展
3.1 铅资源及其回收利用
我国是铅资源丰富的国家，至1997年已查明的铅矿区有732个，储量有3746万吨，居世界第二位。但是，我国目前的铅资源供应形势仍严峻。我国是世界上主要的铅出口国，每年约有40%的铅产量是出口的。目前用于铅酸蓄电池制造的铅年消耗量为40万吨。据测算，现在可保证15年左右国民经济对铅的需求。因此，我国也进口铅精矿制造铅，2001年进口量达相当于23万吨的铅。另外就是要重视对铅的回收利用。
铅是回收利用率最高的有色金属，回收率可达到95%以上。因此，世界上先进国家都重视利用回收废旧铅酸蓄电池等制造再生铅。1999年世界精铅产量为622万吨，其中再生铅量为327万吨，占52.6%。2000年再生铅量达373万吨，增长14%。现在，美、德、意、英、法、日等国再生铅产量都超过原生铅，即再生铅产量占50%以上。其中美国再生铅产量从1990年的89万吨，占69%，到1999年提高为107万吨，占76%。
我国再生铅产量在1990年代虽有显著提高（见表3），但占的比例远落后于先进国家和世界水平。再生铅的制造与从铅精矿制造原生铅相比，可降低成本38%，劳动生产率高1.9倍，能耗少三分之一，还可减少废铅的污染和节约铅矿资源。如果能将我国的再生铅产量比例提高到50%以上，那么可保证国民经济对铅的需求年限提高约1倍。为此，国家和地方政府都重视先进、无污染的回收废旧铅酸蓄电池等制造再生铅项目的建设。上海市政府在1990年代就投资6500万，从澳大利亚和美国进口技术和设备，建成了国内先进的上海飞轮有色冶炼厂。江苏春申合金集团有限公司经国家经贸委和国家计委联合审批，获准将10万吨再生铅无污染技术改造项目作为2001年国家重点技术改造项目（即第六批国债专项资金支持项目）。
表3   我国的再生铅产量情况
1990年1994年1997年2000年
产量（万吨）2.89.512.430
所占比例（%）2529
3.2 铅污染的防治
    铅是一种青灰色重金属。在加热到400-500℃时会有铅蒸汽逸出形成铅烟，在用铅锭制造铅粉和极板的过程中都会有铅尘散发，污染空气，当空气中铅烟尘达到一定浓度对人体是有害的；铅金属形成的盐少部分是溶解于水的，大部分是微溶或不溶于水的，当水中的铅浓度超过0.1mg/L时对人体、渔业和农业灌溉都会产生危害。铅及其盐类进入人体有逐步积累的过程，当人体血中铅浓度超过标准要求就得了铅中毒病。得了铅中毒病后可以通过排除铅来治疗，但排除铅对人体体质有影响。从这个角度看，生产和回收铅酸蓄电池中涉及大量的铅，如果不重视对铅烟尘和含铅废水的治理，管理不当，会给环境和人体带来危害。
随着社会的进步、科学技术的发展和人们对环保意识的增强，对铅烟尘和含铅废水有了有效治理措施，因此，加强管理，铅污染是可以防治的。
3.2.1 铅酸蓄电池生产过程中对环境的污染是可以避免的，而且已部分做到
现在大部分铅酸蓄电池生产厂家都越来越重视铅污染的防治。新建的大型铅酸蓄电池厂全部按国家建设“三同时”的要求在建设过程中配建了完整的环保设施。有对铅烟尘抽吸和处理装置；有对酸雾的抽吸和处理装置；有对全厂含铅废水的集中处理装置，而且可以达到部分回用，节约水资源。这些环保设施保证了排放的气体和废水都低于国家的排放标准。加上周围的绿化建设和经常性的保洁工作，很多的铅酸蓄电池生产厂家被当地评为清洁文明单位。广东美美、沈阳松下等厂家通过了ISO14000系列的环保认证。另外，对职工提供如牛奶等的营养品，防止铅在人体内积累。有厂家还通过了ISO18000系列的职工安全卫生保障认证。
    当然，有部分中、小型厂家环保设施不完善，更有少数小作坊企业完全没有环保设施。这些问题就需要行政管理部门加强管理了，该整改的就整改，该依法封闭的就封闭。
3.2.2 正确地回收和处理废旧铅酸蓄电池，不会造成对环境的二次污染。
铅酸蓄电池是一种有很高回收率的电池。国外的先进回收和处理废旧铅酸蓄电池的技术及设备机械化和自动化程度高，在封闭、负压的条件下生产，有完善的废气和废水治理设备，采用先将塑料、隔板、酸、板栅、铅膏等分选出来分别处理，铅膏经脱硫后再低温熔炼等先进工艺。这样，铅的回收率可达到96%；塑料和酸等都可回收利用；能耗低；废气和废水符合标准后排放。不会造成对环境的二次污染和操作人员的危害。
我国的许多个体或小企业回收和处理废旧铅酸蓄电池存在很大问题；工艺落后，用小反射炉或冲天炉直接将极板（甚至直接将电池）高温熔炼；无任何环保制度和措施，电池随意拆解，酸任意倾倒。结果是：铅的回收率低只有80-85%，塑料和酸等有效材料不能回收造成资源的流失；能耗高，回收每吨铅消耗500-600㎏标准煤，约是先进工艺的3倍；污染严重，流失的铅和酸等就是对环境的污染，排放的铅蒸汽和铅尘以及二氧化硫超过国家排放标准几十倍。
今年两会期间有政协委员就铅资源的利用和废旧铅酸蓄电池的回收处理提交了提案。指出：铅的再利用和废旧铅酸蓄电池的回收，对节约资源、加强环境保护、实施可持续发展战略有重要意义。
我国政府对废旧铅酸蓄电池的回收利用也非常重视。早就颁布了《固体废物污染环境防治法》。2001年，国家经贸委、国家环保总局、科技部下发了《关于发布<危险废物污染防治技术政策>的通知》。2003年，国家环保总局、国家发展和改革委员会、建设部、科技部、商务部联合发布了《废电池污染防治技术政策》。这些文件逐渐明确，废旧铅酸蓄电池、铅渣和铅泥都属于危险废物。对废旧铅酸蓄电池的收集、运输、拆解、再生冶炼等过程的管理都提出了明确要求：
1/废旧铅酸蓄电池应进行回收利用，禁止用其他办法处理。鼓励集中回收处理废旧铅酸蓄电池。
2/收集、运输、拆解和再生冶炼企业应取得危险废物经营许可证后方可经营和运行。
3/收集、运输过程中应保持外壳完整，并采取防止酸外泄措施和必要的事故应急处置措施，以能有效减少和防止对环境的污染。
4/拆解应在专门的设施中进行。拆解时应将塑料、铅及含铅物质、废酸分别回收处理。废酸应集中处理，不得排入下水道和环境中。
5/再生冶炼企业的铅回收率应大于95%；规模应超过5000吨/年（新建厂要超过1万吨/年）；工艺要采用密闭熔炼设备，在负压条件下生产，防止废气逸出；有废气和废水治理设备，废气和废水符合国家排放标准后再排放；冶炼过程中产生的粉尘和污泥要按危险飞舞要求妥善、安全地处理。不能满足要求的小型企业和土法冶炼工艺要逐步淘汰。
6/不允许将带壳和酸的废旧铅酸蓄电池直接熔炼。
电动自行车作为一种绿色环保产品，业界一开始就重视自身的环保形象。2001年5月召开了“关于废旧电池回收和二次污染防止对策的专题研讨会”，参加会议的电动自行车厂家和铅酸蓄电池生产厂家本着企业自我约束、自我管理的精神在会上倡导并签订了 “关于废旧电池回收和二次污染防止的产业公约”。出台了以较高价格回收和以旧换新等以经济为杠杆回收废旧电池的方法，并送交有条件的合法厂家回收。
我们相信，有国家的法律和具体的政策；有一批符合条件的合法厂家进行回收处理；业界重视自身的环保形象，自我约束、自我管理；等等。这样多管齐下，废旧铅酸电池的二次污染是可以防止的。
3.2.3 电动自行车铅酸蓄电池使用过程中不会对环境造成污染
    电动自行车用的是阀控铅酸蓄电池。阀控铅酸蓄电池与汽车等用的普通铅酸蓄电池相比有二个主要特点：一是密封；二是干态。密封是指基本无酸雾排出。一般情况下阀控铅酸蓄电池在运行（充放电）过程中是“零排放”，只有在充电后期蓄电池内的气体压力超过安全阀的开放压力时才为有少量的氢和氧混合气体排放，此时有过滤材料滤去了带出的少量酸雾。干态是指阀控铅酸蓄电池没有自由流动的电解液，可以任何方向放置，不怕颠簸、碰撞，即使外壳破裂也不会有酸漏出。因此，电动自行车用铅酸蓄电池在使用过程中，只是安静地不断将化学能转换成电能，又将电能转换成化学能，反复循环，对外部环境是“零排放”， 不会对环境造成污染。
3.2.4 要科学、公平、公正的原则对待电动自行车用铅酸蓄电池的二次污染。
可以说，铅酸蓄电池以外的所有化学电池都不同程度存在着对人体和环境危害，所谓绝对环保、无污染的化学电池是没有的。因为所有各种化学电池都不同程度含有重金属或重金属盐作为导电体、基体、活性物质、添加剂等；电解质大部分是强酸或碱、或有机溶剂等，它们都不同程度存在着对人体和环境危害。问题是如何加强管理，在《废电池污染防治技术政策》中明确了要对各种废旧电池都要加强回收管理工作，防止二次污染。只看到铅酸蓄电池的二次污染而限制电动自行车的发展是不科学、不公平和不公正的。
另外，电动自行车阀控铅酸蓄电池的用量远小于汽车等其他行业的铅酸蓄电池用量，只占总量的0.9%（见表2）。这种无视国计民生的许多重要行业都在大量使用着普通铅酸蓄电池和阀控铅酸蓄电池的事实，而只看到比普通铅酸蓄电池更清洁的、用量少得多的电动自行车用阀控铅酸蓄电池二次污染而限制电动自行车的发展，这明显是不科学、不公平和不公正的。
4.小结
1/铅酸蓄电池以其综合的优点得到大量的应用和宽广的应用面，保持其强大的生命力。
2/电动自行车用铅酸蓄电池，水平不断提高，当然还存在问题，有许多工作可做。
3/铅酸蓄电池要可持续发展，保持其生命力，要重视铅的再利用和废旧铅酸蓄电池的回收，节约资源、防止二次污染，加强环境保护。
最后让我们电动自行车业界（包括铅酸蓄电池供应企业）重视自身的环保形象，自我约束、自我管理，在国家法规和有关政策的指导下，重视废旧铅酸蓄电池的回收处理，节约资源、防止二次污染，加强环境保护，使铅酸蓄电池行业和电动自行车行业都能持续发展。

kin1945

好文章，谢谢赵老师！

xixi88

受教育，我顶！

正好

我觉得这里的许多老师象蜡烛.谢谢了

凭海临风

赵老师：
    你说的郭自强，郭老师是上海的吗？我跟他打过交到，还到他家去过，去年的展会就有一个他的专题：蓄电池和充电器的匹配问题，我去听了，还不错。

abt-bj

是的，在浦东住。

凭海临风

哦，对了，好象是浦东南路，他现在已经退休了，他家就是个小实验室，上次他还到深圳来玩过。

abt-bj

上面的试验结果就是诞生在那个小实验室。老人家精神矍铄，和蔼可亲。

kin1945

"电池间的一致性有待提高。质量好的电池，在 100次循环前一致性好，到100-150次循环间才出现不一致。一般厂家的电池在10次循环内就出现不一致，随循环进行差距越来越大，电池组容量往往受落后电池牵制衰减率大。"
    细读上面这段话，我觉得分开充电是当务之急，因此充电器也应该有三个，每个12V，或三个电池充电时是并联连结，放电使用时是串联连结。除了要配备好的充电器外，上面的当务之急也是延长电池的关键一着。

abt-bj

早在1999年，河北科大的倪老师就推出了带均衡的充电器，但是一直没有形成批量销售。这是经过5年用户的体会，才又旧话重提。