鉛酸蓄電池原理

1、鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池第一節(jié)第一節(jié) 鉛酸蓄電池基本知識鉛酸蓄電池基本知識一、鉛酸蓄電池的發(fā)展一、鉛酸蓄電池的發(fā)展 鉛酸蓄電池是鉛酸蓄電池是1859年卡斯通和普朗特年卡斯通和普朗特(Gaston&Plante) 發(fā)明的。發(fā)明的。 他們用兩片鉛片作電極，中間隔以橡皮卷成的細(xì)螺旋他們用兩片鉛片作電極，中間隔以橡皮卷成的細(xì)螺旋作隔板，浸在作隔板，浸在10%的硫酸的硫酸(H2SO4)溶液溶液(密度密度1.06g/cm3)中，中，構(gòu)成一個鉛酸蓄電池。構(gòu)成一個鉛酸蓄電池。 由于它的主要原料是鉛和酸，因而稱為鉛酸蓄電池或由于它的主要原料是鉛和酸，因而稱為鉛酸蓄電池或簡稱為鉛蓄電池。簡稱為鉛蓄電池。 19

2、06年，普朗特向法國科學(xué)院提交了一個由年，普朗特向法國科學(xué)院提交了一個由9個單體電個單體電池構(gòu)成的鉛酸蓄電池，這是世界上第一個鉛蓄電池池構(gòu)成的鉛酸蓄電池，這是世界上第一個鉛蓄電池普朗特電池。普朗特電池。 但普朗特電池存在著電極活性物質(zhì)利用率低、化成但普朗特電池存在著電極活性物質(zhì)利用率低、化成時間相當(dāng)長、電池放電容量不大等問題，所以沒有獲得時間相當(dāng)長、電池放電容量不大等問題，所以沒有獲得工業(yè)上的應(yīng)用。工業(yè)上的應(yīng)用。 1910年開始，鉛酸蓄電池生產(chǎn)得到充分發(fā)展。年開始，鉛酸蓄電池生產(chǎn)得到充分發(fā)展。 1957年原西德陽光公司制成膠體密封鉛酸蓄電池并投年原西德陽光公司制成膠體密封鉛酸蓄電池并投入市場，

3、標(biāo)志著實(shí)用的密封鉛酸蓄電池的誕生。入市場，標(biāo)志著實(shí)用的密封鉛酸蓄電池的誕生。 原因原因：一是汽車數(shù)量的快速增長，帶動了用于啟動、：一是汽車數(shù)量的快速增長，帶動了用于啟動、照明和點(diǎn)火的蓄電池的發(fā)展；其次是電話業(yè)采用鉛酸蓄照明和點(diǎn)火的蓄電池的發(fā)展；其次是電話業(yè)采用鉛酸蓄電池作為備用電源，并要求安全可靠又能使用多年，使電池作為備用電源，并要求安全可靠又能使用多年，使得蓄電池開始廣泛用于汽車、鐵道、通信等工業(yè)。得蓄電池開始廣泛用于汽車、鐵道、通信等工業(yè)。 1971年美國年美國Gates公司生產(chǎn)出玻璃纖維隔板的吸液式電公司生產(chǎn)出玻璃纖維隔板的吸液式電池，這就是閥控式密封鉛酸蓄電池池，這就是閥控式密封鉛酸

4、蓄電池(VRLA電池電池)。 VRLA電池商業(yè)化應(yīng)用電池商業(yè)化應(yīng)用30年來，盡管出現(xiàn)過一些問題，年來，盡管出現(xiàn)過一些問題，如漏液、早期容量損失、壽命短等，曾一度引起人們的如漏液、早期容量損失、壽命短等，曾一度引起人們的懷疑，但經(jīng)過多年的努力，其設(shè)計技術(shù)有了很大的發(fā)展，懷疑，但經(jīng)過多年的努力，其設(shè)計技術(shù)有了很大的發(fā)展，并沿用至今。并沿用至今。二、二、VRLA電池的結(jié)構(gòu)和原理電池的結(jié)構(gòu)和原理（一）結(jié)構(gòu)（一）結(jié)構(gòu)負(fù)極板負(fù)極板隔隔 板板正極板正極板 殼體采用耐酸、耐熱和殼體采用耐酸、耐熱和耐震的硬橡膠或聚丙稀塑料耐震的硬橡膠或聚丙稀塑料制成整體式結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)分制成整體式結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)分成個互不相通的單格

5、，每成個互不相通的單格，每個單格內(nèi)裝有極板組和電解個單格內(nèi)裝有極板組和電解液組成一個單格的蓄電池。液組成一個單格的蓄電池。 殼體的底部有凸起的筋，殼體的底部有凸起的筋，用來支撐極板組，并使極板用來支撐極板組，并使極板上脫落下來的活性物質(zhì)落入上脫落下來的活性物質(zhì)落入凹槽中，防止極板短路。凹槽中，防止極板短路。殼體殼體（1）極板）極板(板柵板柵 ):以鉛銻合金為骨架，上面緊密地涂上以鉛銻合金為骨架，上面緊密地涂上鉛膏，經(jīng)過化學(xué)處理后，正、負(fù)極板上形成各自的活性鉛膏，經(jīng)過化學(xué)處理后，正、負(fù)極板上形成各自的活性物質(zhì)，正極的活性物質(zhì)是物質(zhì)，正極的活性物質(zhì)是PbO2，負(fù)極的活性物質(zhì)是海綿，負(fù)極的活性物質(zhì)是

6、海綿鉛，在成流過程中，負(fù)極被氧化，正極被還原，負(fù)極板鉛，在成流過程中，負(fù)極被氧化，正極被還原，負(fù)極板一般為深灰色，正極板為暗棕色。一般為深灰色，正極板為暗棕色。（2）隔板：隔板有水隔板、玻璃纖維隔板、微孔橡膠隔）隔板：隔板有水隔板、玻璃纖維隔板、微孔橡膠隔板、塑料隔板等，隔板的作用是儲存電解液，氣體通道，板、塑料隔板等，隔板的作用是儲存電解液，氣體通道，使正、負(fù)極間的距離縮到最小而互不短路；隔板可以防使正、負(fù)極間的距離縮到最小而互不短路；隔板可以防止極板的彎曲和變形，防止活性物質(zhì)的脫落，要起到這止極板的彎曲和變形，防止活性物質(zhì)的脫落，要起到這些作用，就要求隔板具有高度的多孔性、耐酸、不易變些作

7、用，就要求隔板具有高度的多孔性、耐酸、不易變形、絕緣性能要好，并且有良好的親水性及足夠的機(jī)械形、絕緣性能要好，并且有良好的親水性及足夠的機(jī)械強(qiáng)度。強(qiáng)度。（二）主要零部件及作用（二）主要零部件及作用（3）電解液：鉛酸蓄電池一律采用硫酸電解質(zhì)，是電化）電解液：鉛酸蓄電池一律采用硫酸電解質(zhì)，是電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的必需條件。學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的必需條件。 對于膠體蓄電池，還需要添加膠體，以便與硫酸凝膠對于膠體蓄電池，還需要添加膠體，以便與硫酸凝膠形成膠體電解質(zhì)，此時硫酸不僅是反應(yīng)電解質(zhì)，還是膠形成膠體電解質(zhì)，此時硫酸不僅是反應(yīng)電解質(zhì)，還是膠體所需的凝膠劑。一定濃度的硫酸配比一定濃度的硅凝體所需的凝膠劑。一定濃度的

8、硫酸配比一定濃度的硅凝膠，即成為軟固體狀的硅膠電解質(zhì)。堿性蓄電池的電解膠，即成為軟固體狀的硅膠電解質(zhì)。堿性蓄電池的電解液是液是2240濃度的氫氧化鉀溶液。濃度的氫氧化鉀溶液。（4）電池槽及槽蓋：蓄電池外殼，它為整體結(jié)構(gòu)，殼內(nèi)）電池槽及槽蓋：蓄電池外殼，它為整體結(jié)構(gòu)，殼內(nèi)由隔壁分成三格或六格互不相通的單格；其底部有突起的由隔壁分成三格或六格互不相通的單格；其底部有突起的肋條，用來擱置極板組；肋條間的空隙用來堆放從極板上肋條，用來擱置極板組；肋條間的空隙用來堆放從極板上脫落下來的活性物質(zhì)，以防止極板短路。槽的厚度及材料脫落下來的活性物質(zhì)，以防止極板短路。槽的厚度及材料直接影響到電池是否鼓脹變形。外

9、殼材料一般是用橡膠或直接影響到電池是否鼓脹變形。外殼材料一般是用橡膠或工程塑料，如工程塑料，如PVC或或ABS槽蓋。槽蓋。（三）基本反應(yīng)原理（三）基本反應(yīng)原理 當(dāng)用連有電流計的導(dǎo)線連接兩極當(dāng)用連有電流計的導(dǎo)線連接兩極時，可以觀察到三個重要的現(xiàn)象：時，可以觀察到三個重要的現(xiàn)象： Zn棒逐漸溶解，銅棒上有氣體溢棒逐漸溶解，銅棒上有氣體溢出，導(dǎo)線中有電流流過出，導(dǎo)線中有電流流過此反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是：此反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是：ZnZn2+2e- (氧化反應(yīng)氧化反應(yīng))2H+2e-(還原反應(yīng)還原反應(yīng))H2組成蓄電池需要有兩個條件：組成蓄電池需要有兩個條件：一是必須把化學(xué)反應(yīng)中失去電子的過程一是必須把化學(xué)反應(yīng)中失去電子的過

10、程(氧化過程氧化過程)和得和得到電子的過程到電子的過程(還原過程還原過程)分割在兩個區(qū)域進(jìn)行；分割在兩個區(qū)域進(jìn)行；二是物質(zhì)在進(jìn)行轉(zhuǎn)變的過程中，電子必須通過外線路。二是物質(zhì)在進(jìn)行轉(zhuǎn)變的過程中，電子必須通過外線路。鉛酸蓄電池的工作原理：鉛酸蓄電池的工作原理： 包括放電過程和充電過程。包括放電過程和充電過程。(1)放電過程放電過程負(fù)極板負(fù)極板:一方面鉛板有溶于電解液的傾向，因此有少量鉛一方面鉛板有溶于電解液的傾向，因此有少量鉛進(jìn)入溶液生成進(jìn)入溶液生成Pb2+(被氧化被氧化)而在極板帶負(fù)電；另一方面，而在極板帶負(fù)電；另一方面，由于由于Pb2+帶正電荷，極板帶負(fù)電荷，正、負(fù)電荷又要相帶正電荷，極板帶負(fù)電

11、荷，正、負(fù)電荷又要相互吸引，這時互吸引，這時Pb2+離子又有沉附于極板的傾向。這兩者離子又有沉附于極板的傾向。這兩者達(dá)到動態(tài)平衡時，負(fù)極板相對于電解液具有負(fù)電位，其達(dá)到動態(tài)平衡時，負(fù)極板相對于電解液具有負(fù)電位，其電極電位約為電極電位約為-0.1V。 Pb2+和電解液中解離出來的和電解液中解離出來的SO42-發(fā)生反應(yīng)，生成發(fā)生反應(yīng)，生成PbSO4，且，且PbSO4的溶解度很小，所以生成后從溶液的溶解度很小，所以生成后從溶液中析出，附著在電極上，反應(yīng)式為：中析出，附著在電極上，反應(yīng)式為：2H2SO44H+2 SO42-Pb - 2e-Pb2+Pb2+ SO42-PbSO4 正極放電時有少量正極放電

12、時有少量PbO2進(jìn)入電解液與進(jìn)入電解液與H2O發(fā)生作用，發(fā)生作用，生成生成Pb(OH)4；而它不穩(wěn)定，又很快電解成為；而它不穩(wěn)定，又很快電解成為Pb4+和和OH-， Pb4+沉附在正極板上，使正極板具有正電位，達(dá)到動態(tài)沉附在正極板上，使正極板具有正電位，達(dá)到動態(tài)平衡時，其電極電位約為平衡時，其電極電位約為+2.0V。PbO2 +2H2OPb(OH)4Pb4+ +4OH-Pb(OH)4Pb2+ SO42-PbSO4電解液中存在的電解液中存在的H+ 和和SO42-在電場的作用下分別移向電池在電場的作用下分別移向電池 當(dāng)當(dāng)Pb4+沉附到正極板上時，這時通過外線路來的沉附到正極板上時，這時通過外線路來

13、的2個電子個電子被被Pb4+俘獲，生成俘獲，生成Pb2+又與電解液中的又與電解液中的SO42-發(fā)生反應(yīng)，發(fā)生反應(yīng)，變?yōu)樽優(yōu)镻bSO4 ，這些，這些PbSO4以固體形式被吸附在正極板上。以固體形式被吸附在正極板上。的正負(fù)極，在電池內(nèi)部產(chǎn)生電流，形成的正負(fù)極，在電池內(nèi)部產(chǎn)生電流，形成回路，使蓄電池向外持續(xù)放電。所以正回路，使蓄電池向外持續(xù)放電。所以正極上的反應(yīng)為：極上的反應(yīng)為：H+ +OH-H2OPb4+ +2e-Pb2+ 放電過程是化學(xué)能變成電能的過程，這時正極的活性物放電過程是化學(xué)能變成電能的過程，這時正極的活性物質(zhì)質(zhì)PbO2變?yōu)樽優(yōu)镻bSO4，負(fù)極的活性物質(zhì)海綿鉛變?yōu)?，?fù)極的活性物質(zhì)海綿鉛變

14、為PbSO4，電解液中電解液中H2SO4分子不斷減少，逐漸消耗生成分子不斷減少，逐漸消耗生成H2O，H2O分分子相應(yīng)增加，電解液的相對密度降低。子相應(yīng)增加，電解液的相對密度降低。所以放電過程總的反應(yīng)所以放電過程總的反應(yīng)PbO2 + 2H2SO4 + PbPbSO4 + 2H2O + PbSO4(2)充電過程：充電過程：即將電能變成化學(xué)能。即將電能變成化學(xué)能。 充電時，負(fù)極板上的充電時，負(fù)極板上的PbSO4進(jìn)人溶進(jìn)人溶液，解離成液，解離成Pb2+與與SO42-。電解液中。電解液中的的H2O解離成解離成H+與與OH-。在負(fù)極上，。在負(fù)極上，充電時負(fù)極板上的充電時負(fù)極板上的Pb2+這時獲得兩個這時獲

15、得兩個電子，被還原成電子，被還原成Pb(以海綿狀固態(tài)析以海綿狀固態(tài)析出出)，這時電解液中的，這時電解液中的H+移向負(fù)極，移向負(fù)極，在負(fù)極附近與在負(fù)極附近與SO42-結(jié)合成結(jié)合成H2SO4 。正極活性物正極活性物負(fù)極活性物負(fù)極活性物負(fù)極生成物負(fù)極生成物正極生成物正極生成物電解液電解液電解液生成物電解液生成物PbSO4Pb2+ SO42-負(fù)極反應(yīng)為：負(fù)極反應(yīng)為：PbPb2+ 2e-H2SO42H+ SO42- 正極板上的正極板上的Pb2+在外電源作用下被氧化，失去兩個電子在外電源作用下被氧化，失去兩個電子變?yōu)樽優(yōu)镻b4+，它又與，它又與OH結(jié)合生成結(jié)合生成Pb(OH)4，然后又分解為，然后又分解為

16、PbO2和和H2O，而，而SO42-離子移向正極與離子移向正極與H+結(jié)合生成結(jié)合生成H2SO4PbSO4Pb2+ SO42-Pb2+ - 2e-Pb4+Pb4+ +4OH-Pb(OH)4PbO2 +2H2OPb(OH)4H2SO42H+ SO42-所以充電過程總的反應(yīng)所以充電過程總的反應(yīng) 充電過程中，正、負(fù)極板上的有效物質(zhì)逐漸恢復(fù)，充電過程中，正、負(fù)極板上的有效物質(zhì)逐漸恢復(fù)，電解液電解液H2SO4比重逐漸增加，所以從比重升高的數(shù)值比重逐漸增加，所以從比重升高的數(shù)值也可以判斷它充電的程度。電解液中，正極不斷產(chǎn)生也可以判斷它充電的程度。電解液中，正極不斷產(chǎn)生游離的游離的H+和和SO42- ，負(fù)極不

17、斷產(chǎn)生，負(fù)極不斷產(chǎn)生SO42- ，在電場的作，在電場的作用下，用下，H+向負(fù)極移動，向負(fù)極移動， SO42-向正極移動，形成電流。向正極移動，形成電流。2H2O2H2+O2 到充電終期，到充電終期，PbSO4絕大部分反應(yīng)為絕大部分反應(yīng)為PbO2和海綿狀和海綿狀Pb，如繼續(xù)充電，就要引起水的分解，正極放出，如繼續(xù)充電，就要引起水的分解，正極放出O2，負(fù)極放出負(fù)極放出H2PbO2 + 2H2SO4 + PbPbSO4 + 2H2O + PbSO4正極物質(zhì)正極物質(zhì)負(fù)極物質(zhì)負(fù)極物質(zhì)負(fù)極生成物負(fù)極生成物正極生成物正極生成物電解液電解液電解液生成物電解液生成物優(yōu)點(diǎn)：鉛酸電池為數(shù)量最多。鉛酸電池的價格優(yōu)點(diǎn)：

18、鉛酸電池為數(shù)量最多。鉛酸電池的價格最低，也最常用，中國是全世界鉛酸電池最大的最低，也最常用，中國是全世界鉛酸電池最大的生產(chǎn)國。其含污染的成分比較少，可回收性好。生產(chǎn)國。其含污染的成分比較少，可回收性好。缺點(diǎn)：是比容小。也就是說，在同樣的容量缺點(diǎn)：是比容小。也就是說，在同樣的容量下，電池重量和體積都大。目前的鉛酸電池基本下，電池重量和體積都大。目前的鉛酸電池基本上是由浮充類型的電池發(fā)展而來的。浮充電池不上是由浮充類型的電池發(fā)展而來的。浮充電池不適應(yīng)快速充電和大電流放電，雖然技術(shù)人員的花適應(yīng)快速充電和大電流放電，雖然技術(shù)人員的花費(fèi)了大量的心血進(jìn)行了卓有成效的改進(jìn)，可以進(jìn)費(fèi)了大量的心血進(jìn)行了卓有成效的改進(jìn)，可以進(jìn)入實(shí)用了，但是其壽命還是非常不理想的。入實(shí)用了，但是其壽命還是非常不理想的。（四）鉛酸蓄電池優(yōu)缺點(diǎn)（四）鉛酸蓄電池優(yōu)缺點(diǎn)（五）鉛酸蓄電池的應(yīng)用領(lǐng)域（五）鉛酸蓄電池的應(yīng)用領(lǐng)域 交通運(yùn)輸汽車、火車、拖拉機(jī)、摩托車、電動車等交通運(yùn)輸汽車、火車、拖拉機(jī)、摩托車、電動車等; 電信電力郵電、通訊、電站、電力輸送等電信電力郵電、通訊、電站、電力輸送等; 車站碼頭叉車、運(yùn)輸車、信號燈、儀器儀表等車站碼頭叉車、運(yùn)輸車、信號燈、儀器儀表等; 礦山井下礦燈、運(yùn)輸車、礦山井下礦燈、運(yùn)輸車、UPS電源、照明系統(tǒng)等電源、照明系統(tǒng)等;