鉛酸蓄電池原理

鉛酸蓄電池第一節(jié)鉛酸蓄電池基本知識(shí)一、鉛酸蓄電池的發(fā)展

鉛酸蓄電池是1859年卡斯通和普朗特(Gaston&Plante)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)螺旋作隔板，浸在10%的硫酸(H2SO4)溶液(密度1.06g/cm3)中，構(gòu)成一個(gè)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簡稱為鉛蓄電池。1906年，普朗特向法國科學(xué)院提交了一個(gè)由9個(gè)單體電池構(gòu)成的鉛酸蓄電池，這是世界上第一個(gè)鉛蓄電池——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、化成時(shí)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。1910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入市場，標(biāo)志著實(shí)用的密封鉛酸蓄電池的誕生。原因：一是汽車數(shù)量的快速增長，帶動(dòng)了用于啟動(dòng)、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，使得蓄電池開始廣泛用于汽車、鐵道、通信等工業(yè)。1971年美國Gates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(VRLA電池)。VRLA電池商業(yè)化應(yīng)用30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，曾一度引起人們的懷疑，但經(jīng)過多年的努力，其設(shè)計(jì)技術(shù)有了很大的發(fā)展，并沿用至今。二、VRLA電池的結(jié)構(gòu)和原理（一）結(jié)構(gòu)負(fù)極板隔板正極板殼體采用耐酸、耐熱和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)分成６個(gè)互不相通的單格，每個(gè)單格內(nèi)裝有極板組和電解液組成一個(gè)單格的蓄電池。

殼體的底部有凸起的筋，用來支撐極板組，并使極板上脫落下來的活性物質(zhì)落入凹槽中，防止極板短路。殼體（1）極板(板柵):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。（2）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(chǔ)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。（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)，是電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的必需條件。對(duì)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(shí)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22％～40％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)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。外殼材料一般是用橡膠或工程塑料，如PVC或ABS槽蓋。（三）基本反應(yīng)原理當(dāng)用連有電流計(jì)的導(dǎo)線連接兩極時(shí)，可以觀察到三個(gè)重要的現(xiàn)象：Zn棒逐漸溶解，銅棒上有氣體溢出，導(dǎo)線中有電流流過此反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是：ZnZn2++2e-(氧化反應(yīng))2H++2e-(還原反應(yīng))H2組成蓄電池需要有兩個(gè)條件：一是必須把化學(xué)反應(yīng)中失去電子的過程(氧化過程)和得到電子的過程(還原過程)分割在兩個(gè)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。鉛酸蓄電池的工作原理：包括放電過程和充電過程。(1)放電過程負(fù)極板: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Pb2+(被氧化)而在極板帶負(fù)電；另一方面，由于Pb2+帶正電荷，極板帶負(fù)電荷，正、負(fù)電荷又要相互吸引，這時(shí)Pb2+離子又有沉附于極板的傾向。這兩者達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，負(fù)極板相對(duì)于電解液具有負(fù)電位，其電極電位約為-0.1V。Pb2+和電解液中解離出來的SO42-發(fā)生反應(yīng)，生成PbSO4，且PbSO4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：2H2SO44H++2SO42-Pb-2e-Pb2+Pb2++

SO42-PbSO4正極放電時(shí)有少量PbO2進(jìn)入電解液與H2O發(fā)生作用，生成Pb(OH)4；而它不穩(wěn)定，又很快電解成為Pb4+和OH-，Pb4+沉附在正極板上，使正極板具有正電位，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，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H+和SO42-在電場的作用下分別移向電池當(dāng)Pb4+沉附到正極板上時(shí)，這時(shí)通過外線路來的2個(gè)電子被Pb4+俘獲，生成Pb2+又與電解液中的SO42-發(fā)生反應(yīng)，變?yōu)镻bSO4，這些PbSO4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，形成回路，使蓄電池向外持續(xù)放電。所以正極上的反應(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(shí)正極的活性物質(zhì)PbO2變?yōu)镻bSO4，負(fù)極的活性物質(zhì)海綿鉛變?yōu)镻bSO4，電解液中H2SO4分子不斷減少，逐漸消耗生成H2O，H2O分子相應(yīng)增加，電解液的相對(duì)密度降低。所以放電過程總的反應(yīng)PbO2+2H2SO4+PbPbSO4+2H2O+PbSO4(2)充電過程：即將電能變成化學(xué)能。充電時(shí)，負(fù)極板上的PbSO4進(jìn)人溶液，解離成Pb2+與SO42-。電解液中的H2O解離成H+與OH-。在負(fù)極上，充電時(shí)負(fù)極板上的Pb2+這時(shí)獲得兩個(gè)電子，被還原成Pb(以海綿狀固態(tài)析出)，這時(shí)電解液中的H+移向負(fù)極，在負(fù)極附近與SO42-結(jié)合成H2SO4。正極活性物負(fù)極活性物負(fù)極生成物正極生成物電解液電解液生成物PbSO4Pb2++

SO42-負(fù)極反應(yīng)為：PbPb2++

2e-H2SO42H++SO42-正極板上的Pb2+在外電源作用下被氧化，失去兩個(gè)電子變?yōu)镻b4+，它又與OH結(jié)合生成Pb(OH)4，然后又分解為PbO2和H2O，而SO42-離子移向正極與H+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)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H2SO4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)生游離的H+和SO42-，負(fù)極不斷產(chǎn)生SO42-，在電場的作用下，H+向負(fù)極移動(dòng)，SO42-向正極移動(dòng)，形成電流。2H2O2H2+O2到充電終期，PbSO4絕大部分反應(yīng)為PbO2和海綿狀Pb，如繼續(xù)充電，就要引起水的分解，正極放出O2，負(fù)極放出H2PbO2+2H2SO4+PbPbSO4+2H2O+PbSO4正極物質(zhì)負(fù)極物質(zhì)負(fù)極生成物正極生成物電解液電解液生成物

優(yōu)點(diǎn)：鉛酸電池為數(shù)量最多。鉛酸電池的價(jià)格最低，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。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。（四）鉛酸蓄電池優(yōu)缺點(diǎn)（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(dòng)車等;

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(hào)燈、儀器儀表等;

礦山井下－礦燈、運(yùn)輸車、UPS電源、照明系統(tǒng)等;

航天航海－輪船、漁船、魚燈、航標(biāo)燈、精密儀器等;

自然能系統(tǒng)－太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、潮汐能系統(tǒng)等;

銀行學(xué)校、商場醫(yī)院－UPS電源、精密儀器、應(yīng)急燈等;

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)－UPS不間斷電源等；

旅游娛樂－觀光車、電動(dòng)玩具、高爾夫球車、應(yīng)急燈等;

國防軍工－飛機(jī)、坦克、裝甲車、火