铅酸电池(Lead-acid battery)是应用最广泛的二次电池(可充电电池),用于汽车启动(SLI,启动-照明-点火)、不间断电源(UPS,不间断电源)、储能(太阳能、风能)、电动叉车。电池的极板(正极板、负极板)由板栅(导电骨架)和涂填在板栅上的铅膏(活性物质)组成。铅膏由铅粉(PbO、Pb₃O₄、Pb)、稀硫酸(H₂SO₄)、添加剂(木素磺酸钠、硫酸钡、炭黑、纤维)混合而成(和膏)。铅膏涂板后,需在固化室(高温高湿)中进行固化(curing),使铅膏硬化、多孔化、结构稳定。生石灰(消石灰,Ca(OH)₂)在固化过程中用作“表面中和剂”和“CO₂吸收剂”,防止极板开裂和碳酸化。此外,在废酸处理和锌锰电池中,生石灰也有应用。

铅膏固化(“石灰调酸”工艺):涂板后的湿极板(正极板、负极板)放置在固化架上,送入固化室。固化室温度40-80℃,相对湿度80%-100%,固化时间24-72小时。在固化初期(0-12小时),铅膏中的游离硫酸(来自和膏时加入的H₂SO₄)与铅粉反应生成碱式硫酸铅(3PbO·PbSO₄·H₂O、4PbO·PbSO₄),使铅膏硬化。若表面游离硫酸过多,极板表面会“过酸”,形成坚硬、致密的硫酸铅层,导致极板开裂(裂纹)和化成困难(硫酸铅难转化)。在极板表面均匀撒布消石灰粉(Ca(OH)₂,用量为铅膏重量的0.1%-0.5%),石灰与表面游离硫酸反应:Ca(OH)₂ + H₂SO₄ → CaSO₄·2H₂O(石膏) + 2H₂O,石膏结晶填充表面微孔,防止过酸开裂,同时石灰吸收固化室中的CO₂(来自环境空气):Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O,降低极板表面的碳酸化(PbCO₃形成,降低电池容量)。固化后期(24-72小时),极板在高温高湿下继续氧化、硬化,形成多孔结构(比表面积0.5-2.0m²/g),有利于化成(极板转化为PbO₂正极、Pb负极)。石灰处理后的极板,抗弯强度提高10%-15%(减少搬运和极群装配过程中的开裂),化成效率提高5%-10%(硫酸铅转化更完全),电池的初容量(0.5C放电)提高3%-5%。
铅酸电池废酸(废旧电池拆解产生的电解液,含H₂SO₄ 10%-20%,Pb²⁺ 1000-5000mg/L,悬浮物)的处理:将废酸收集到中和池,加入石灰乳(10%-20% Ca(OH)₂)调pH至7-8,反应:H₂SO₄ + Ca(OH)₂ → CaSO₄·2H₂O↓(石膏);PbSO₄ + Ca(OH)₂ → Pb(OH)₂↓ + CaSO₄·2H₂O。沉淀经过滤(板框压滤),滤饼(石膏+氢氧化铅)送铅冶炼厂回收铅,滤液达标排放(pH6-9,总铅<0.5mg/L)。石灰中和-沉淀法可回收废酸中的铅(回收率95%-98%),减少危险废物(HW31含铅废物)的排放量。石灰的品质要求:有效CaO≥85%,重金属(Pb、As、Cd)≤10ppm,防止石灰中的铅污染石膏(若用于建材,需控制铅含量)。
在锌锰电池(糊式电池,锌筒-碳棒-二氧化锰-氯化铵氯化锌电解液)中,正极电芯(二氧化锰+乙炔黑+氯化铵)的pH值(4-6)需用石灰乳(或氧化锌)调节至中性(pH6-7),防止酸性电解液腐蚀锌筒(负极,产生H₂,电池气胀、漏液)。石灰乳(Ca(OH)₂)与电解液中的NH₄Cl反应:Ca(OH)₂ + 2NH₄Cl → CaCl₂ + 2NH₃↑ + 2H₂O,生成的NH₃会逸出(或与H₂O形成NH₃·H₂O),CaCl₂是电解液的导电盐(不影响性能)。但Ca(OH)₂的溶解度低(0.16g/100g水),需控制用量(电芯质量的0.5%-1%),过量Ca(OH)₂不溶解,会堵塞隔膜纸(降低离子电导率)。现代锌锰电池使用ZnO(氧化锌)调pH(ZnO + 2NH₄Cl → Zn(NH₃)₂Cl₂ + H₂O),不产生气体,且Zn²⁺是电解液的组分。石灰在锌锰电池中的应用已很少。

在电池隔膜纸(铅酸电池AGM隔板,玻璃纤维隔板)的干燥工序中,生石灰用作干燥剂(与电子行业、光学行业类似)。湿法成型的隔板(含水率30%-50%)在干燥窑(80-120℃)中干燥,窑内放置生石灰吸湿袋(吸收水蒸气),提高干燥效率,防止隔板回潮(Agm隔板吸湿会降低电池的氧气复合效率)。
生石灰在电池生产中的应用,是“防酸、防碳、吸湿”的综合体现。电池工艺专家评价:“铅膏固化怕硫酸,石灰中和防开裂;废酸处理加石灰,铅钙沉淀环境美。”——生石灰为电池工业的“质量与环保”提供双重支持。
