浅谈铅酸电池的安全问题及其解决技术

浅谈铅酸电池的安全问题及其解决技术

引言

铅酸电池是目前所有蓄电池中，使用最广泛，技术最成熟的一种电池。铅酸电池主要应用于汽车、电动车、拖拉机、小型运输机和实验室中的电源。随着我国经济的高速发展，铅酸电池的用量将大大增加，从而废铅酸电池的产量也在不断的增加。由于废铅酸电池中含有很多可回收利用的资源，是再生铅工业的主要原料。

铅酸蓄电池的组成成分中含有铅、酸、锑、砷等有毒有害物质，能够直接或间接对环境和人体产生危害。当其作为商品进入流通、使用和报废处置等环节时，若使用或管理不当，必然对安全和环境产生影响。铅酸蓄电池的安全性主要是指铅蓄电池在运输或使用过程中是否会给人们的生产、生活造成危险，例如，铅蓄电池发生酸液外泄时可能产生的化学腐蚀，带电的蓄电池发生短路时，可能引起的着火危险等。

因而，为了消除或降低铅酸蓄电池在流通、使用等环节的危害，生产企业不仅有责任在铅酸电池的结构以及技术方面改进，更应对本企业产品的经销商和用户施加影响，以便采取更加有效的措施，最大程度的降低铅酸蓄电池对安全和环境的影响。

1 废铅酸电池中的有毒有害物质和主要危害

废铅酸电池属于危害废物，其主要成分为铅、锑和硫酸，这些金属或化合物均具有一定的毒性，吸入其粉尘、烟雾或摄入含该物质的水、食物都会有损人体的健康，没有经过处理的排放也会污染环境[1]。铅酸电池中最容易对环境产生影响的成分是铅及硫酸。

1.1 铅的危害

铅酸电池中最容易对环境产生影响的成分是铅。铅酸电池中颗粒状铅的浓度为60-240mg/L，溶解铅的浓度为l-6mg/L。

铅污染物进入环境中主要途径包括：

大气：在金属冶炼过程中铅尘和铅烟的排放。

地表水：在收集过程中，被部分个体商贩倾倒的废酸，含有铅、锑等元素；运输堆放过程中，废酸的泄漏；再生时，剩余的废酸；填埋场渗滤液。

土壤：被直接丢弃的废铅酸电池；再生时产生的铅渣；难分解的废铅酸电池壳体；进入土壤的废物流。

地下水：与地表水和土壤物质交换时造成污染。

铅是生物非必须元素，至今尚没有发现对人类的有益作用。它对人体的污染途径主要是呼吸和饮食。通过呼吸道摄入吸收效率高，速度也快。铅对人体全身各器官系统均有作用，但以神经系统、血液和心血管系统为主。最常见的是贫血、铅绞痛和铅中毒性肝炎。在神经系统的症状为植物神经衰弱(如头痛、乏力、烦躁、睡眠不好、记忆力衰退等)和多发性神经炎。铅污染对儿童健康和智能的危害尤为严重，足以影响孩子的终身。儿童体内低含量的铅也会导致终身的问题，例如严重的阅读、学习障碍，眼手协调差，生长缓慢，以及反应迟钝。铅能使大脑中的活性蛋白变性失活，使相关功能活动紊乱或停止，甚至使脑细胞死亡，从而造成儿童大脑永久性的、不可逆的损伤。

1.2 硫酸的危害

铅酸电池中的电解液含有大量的硫酸。除了极度酸性以外，铅酸电池中还有包含了电极释放出来的重金属的溶解物质和颗粒物质，主要是铅、锑、砷等。在有酸存在的条件下，这些金属物质的环境影响会大大增加。这是因为当pH值很低的情况下，他们大多数以离子的形式存在，并容易在环境中迁移，从而扩大了被污染的土壤的体积，并同时使地表水和地下水受到污染的威胁。

废铅酸电池的污染物中，由于废硫酸所具有的化学性质，腐蚀性是属于容易察觉和控制的特性。但是，如果人们生活在铅污染的环境下，会长期的、小剂量的摄人含铅物质，从而对人体和动物产生慢性毒性效应。这种危害往往表现为一段时间后，某地区的特殊疾病发病率增高。而且，当人们觉察到危害时，已经有大量的废铅通过各种渠道进入环境中，广泛分布在地表水、地下水和土壤等介质中，要治理和恢复需要花费比一般废物治理更多的费用和时间，很多情况下即使在废物产生源采取了补救措施，也很难立即消除危害。随着我国国民经济的飞速发展，特别是进入90年代以来，含铅酸电池的用量在逐年增加。因此，如果不加强废铅酸电池的管理，提高再生行业的技术水平，不仅浪费了大量宝贵的铅资源，还造成了严重的环境污染，严重的危害人们的健康。

2 铅酸电池结构的改进

随着科学技术的不断进步，铅蓄电池的结构类别已延伸为很多种，主要有富液电池、阀控式密封免维护“贫液铅蓄电池”和“电液不流动的电池”胶体铅蓄电池等。不同种类铅蓄电池的安全性有着比较明显的区别。“富液电池”，一般为开口式，电池中的酸液能自由流动，当电池侧翻或倒置时，内部的酸液很容易从气孔或松动的旋盖周围流出，造成腐蚀性危险并污染环境。而阀控式密封铅蓄电池[2~5]是经过多年技术进步的新型铅蓄电池产品，采用“贫液”设计，玻璃纤维作隔膜，硫酸电解液完全被玻璃纤维膜吸附，内部不存在游离态酸液。胶体铅蓄电池中的电解液为胶状，电池内部也没有游离态的电解液。无法自由移动的电解液大大降低了铅酸电池在使用过程中的危险性。但是这种密封的阀控式铅酸蓄电池如果气体复合性能不好或者说密封反应效率低，将导致蓄电池电解液水损失增多，蓄电池容量急剧降低以及蓄电池循环寿命急剧减短，电解液干涸，蓄电池寿命终止。

一个性能优良的阀控式铅酸蓄电池应具有良好的液密性、良好的气密性、良好的富液性，并且直接参加充放电反应的电解液应具有良好的扩散性。其中，气密性，即气体复合性能，是电动车用阀控铅酸蓄电池的核心问题。

以往的开放式铅酸蓄电池在接近85-90%充电状态时，充电效率降低，正电极开始析出氧气，负电极析出氢气，总反应是电解液中的水被电解形成氧气和氢气，此时氧气和氢气以化学计量的比例从蓄电池中释放出来，电解液失水，因而必须对蓄电池电解液进行补水维护，否则电解液干涸，会使蓄电池寿命终止。然而，阀控铅酸蓄电池的结构设计是采用氢析出过电位高的负极板栅合金，例如铅-钙合金板栅，过充电时在负极板尚未析出氢气时，正极板析出的氧气在负极板上发生化学复合，与未析出的氢复合成水，返回到电解液中使电解液水损失减到最小。这就是常说的气体复合原理，也称负极吸收原理或氧循环原理。

在气体复合技术中提高负极板氢析出过电位是关键，一般采用氢析出过电位高的负极板栅合金[6]。但在实际蓄电池中存在许多会降低负极板氢析出过电位的有害杂质，特别是锑。这些有害杂质一旦到达负极板上就会降低氢析出过电位使氢析出。另外，在正极板上还发生一些附加反应，这些反应必须或者被氢析出或者被负极板化成所平衡。这些反应包括板栅腐蚀、正极板上残余的一氧化铅或硫酸铅的形成以及有机物如溶解的木素氧化。因此，即使过充电时正极板产生的氧