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鉛酸蓄電池工作原理?

鉅大LARGE  |  點擊量:3571次  |  2020年02月13日  

鉛酸蓄電池

定義:電極主要由鉛及其氧化物制成,電解液是硫酸溶液的一種蓄電池。英文名稱:Lead-acidbattery。放電狀態下,正極主要成分為二氧化鉛,負極主要成分為鉛;充電狀態下,正負極的主要成分均為硫酸鉛。分為排氣式蓄電池和免維護鉛酸電池。


電池主要由管式正極板、負極板、電解液、隔板、電池槽、電池蓋、極柱、注液蓋等組成。排氣式蓄電池的電極是由鉛和鉛的氧化物構成,電解液是硫酸的水溶液。主要優點是電壓穩定、價格便宜;缺點是比能低(即每公斤蓄電池存儲的電能)、使用壽命短和日常維護頻繁。老式普通蓄電池一般壽命在2年左右,而且需定期檢查電解液的高度并添加蒸餾水。不過隨著科技的發展,鉛酸蓄電池的壽命變得更長而且維護也更簡單了。


鉛酸蓄電池最明顯的特征是其頂部有可擰開的塑料密封蓋,上面還有通氣孔。這些注液蓋是用來加注純水、檢查電解液和排放氣體之用。按照理論上說,鉛酸蓄電池需要在每次保養時檢查電解液的密度和液面高度,如果有缺少需添加蒸餾水。但隨著蓄電池制造技術的升級,鉛酸蓄電池發展為鉛酸免維護蓄電池和膠體免維護電池,鉛酸蓄電池使用中無需添加電解液或蒸餾水。主要是利用正極產生氧氣可在負極吸收達到氧循環,可防止水分減少。鉛酸水電池大多應用在牽引車、三輪車、汽車起動等,而免維護鉛酸蓄電池應用范圍更廣,包括不間斷電源、電動車動力、電動自行車電池等。鉛酸蓄電池根據應用需要分為恒流放電(如不間斷電源)和瞬間放電(如汽車啟動電池)。



鉛酸蓄電池工作原理

鉛酸蓄電池的充、放電是由正極板上的活性物質二氧化鉛(pbO2)和負極板上的活性物質海綿狀的純鉛(pb)與電解液中的硫酸(H2SO4)發生化學反應來完成的。


(一)電動勢的建立

當正、負極板浸入電解液后,在單格蓄電池的正負極柱間產生電動勢。在正極板處,少量pbO2溶入電解液,與水(H2O)生成pb(OH)4,再分解成四價鉛離子(pb4+)和氫氧根離子(OH-)。即:


pbO2+2H2O→pb(OH)4pb(OH)4pb4++4OH-pb4+


沉附于極板的表面,OH-留在電解液中,使正極板相對于電解液具有正電位。當達到平衡時,約為+2.0V。


在負極板處金屬鉛受到兩方面的作用,一方面它有溶解于電解液的傾向,因而有少量鉛進入溶解,生成二價鉛離子(pb2+),在極板上留下兩個電子(2e),使極板帶負電;另一方面,由于正、負電荷的吸引,pb2+有沉附于極板表面的傾向。當兩者達到平衡時,溶解便停止,負極板相對于電解液具有負電位,約為-0.1V。


因此,在外電路未接通,反應達到相對平衡狀態時,蓄電池的電動勢為:


2.0-(-0.1)=2.1V


這是單格蓄電池正負極間的電動勢,對于6個單格串聯而成的一塊蓄電池,則其電動勢為2.1×6=12.6V。


(二)放電過程

將蓄電池的化學能轉換為電能的過程稱為放電過程,如圖4-2a所示。



蓄電池接上負載,在電動勢的作用下,電流從正極經過負載流向負極(即電子從負極流向正極),使正極電位降低,負極電位升高,破壞了原有的平衡。


電解液中H2SO4的電離過程為:H2SO4?2H++SO24-在正極板處,pb4+與電子結合變成pb2+,pb2+與電解液中的硫酸根離子(SO24-)結合生成pbSO4沉附于極板上,即:pb4++2e→pb2+;pb2++SO24-→pbSO4。在負極板處,pb2+與電解液中的SO24-結合也生成pbSO4沉附于負極板上,而極板上的金屬鉛繼續溶解,生成pb2+和電子,即:pb-2e→pb2+;pb2++SO24-→pbSO4。在電解液中,H-和OH-結合生成水,即:4H-+4OH-→2H2O。


如果電路不中斷,上述的化學反應繼續進行,使正極板上的pbO2和負極板上的pb都逐漸轉變為pbSO4,電解液中的H2SO4含量逐漸減少而水含量增多,故電解液的相對密度下降。同時因pbSO4的導電性比pbO2和pb差,隨其含量的逐漸增加其內阻增大,使供電能力下降。


蓄電池在放電過程中總的化學反應方程式為:pbO2+2H2SO4+pb=2pbSO4+2H2O


充電過程

將電能轉換成蓄電池的化學能的過程稱為充電過程,如圖4-2c所示。充電時,蓄電池應接直流電源,蓄電池的正極接電源正極,蓄電池負極接到電源負極。


當電源電壓高于蓄電池的電動勢時,在電場力作用下,電流從蓄電池的正極流入,負極流出(即驅使電子從正極經外電路流入負極)。這時在正負極發生的化學反應正好與放電過程相反。在電場力的作用下,正、負極板上的硫酸鉛和電解液中的水均發生電離。即:


pbSO4?pb2++SO24-;H2O?H-+OH-


在正極板處,pb2+失去兩個電子2e變成pb4+,與電解液中的OH-結合生成pb(OH)4。它又分解為pbO2和H2O,pbO2附著在正極板上,即:


pb2+-2e→pb4+;pb4++4OH-→pb(OH)4;pb(OH)4?pbO2+H2O。


在負極板處,pb2+在電場力的作用下獲得兩個電子2e變成金屬鉛,并附著在負極板上。即:pb2++2e→pb。在電解液中,H-和SO24-結合生成pbSO4,即:2H-+SO24-→H2SO4。


可見,在充電過程中,正、負極板上的pbSO4將逐漸恢復為pbO2和pb,電解液中的硫酸含量逐漸增多,水含量逐漸減少。當pbSO4已基本還原成pbO2和pb時,充電電流主要用來電解水,即2H2O→2H2↑+O2↑,使正極冒出氧氣(O2),負極冒出氫氣(H2)。充電電流越大,則冒氣越多,極易使極板上的活性物質脫落。故在充電末期,充電電流以小為宜。


蓄電池充電和放電過程是可逆的電化學反應過程,內部導電靠離子運動實現。如略去中間的化學反應過程可用下式表示:



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