通信工程師考試鉛酸蓄電池的工作原理

4.1.3 鉛酸蓄電池的工作原理

蓄電池是一種化學電源，構(gòu)造形式各式各樣，但從原理上講所有的電池都是由正極、負極、電解質(zhì)、隔離物和容器組成，其中正負兩極的活性物質(zhì)和電解質(zhì)起電化反應(yīng)，對電池產(chǎn)生電流起著主要作用。

在電池內(nèi)部，正極和負極通過電解質(zhì)構(gòu)成電池的內(nèi)電路，在電池外部接通兩極的導線和負荷構(gòu)成電池的外電路。

在電極和電解液的接觸面有電極電位產(chǎn)生，不同的兩極活性物質(zhì)產(chǎn)生不同的電極電位，有著較高電位的電極稱為正極，有著較低電位的電極稱為負極，這樣在正負極之間產(chǎn)生了電位差。當外電路接通時，就有電流從正極綠過外電路流向負極。再由負極經(jīng)過內(nèi)電路流向正極，電池向外電路輸送電流的過程稱為電池的放電。

在放電過程中，兩極活性物質(zhì)逐漸消耗，負極活性物質(zhì)放出電子而被氧化，正極活性物質(zhì)吸收從外電路流回的電子而被還原，這樣負極電位逐漸升高。正極電位逐漸降低，兩極間的電位差也就逐漸降低，而且由于電化反應(yīng)形成新的化合物增加了電池的內(nèi)阻，使電池輸出電流逐漸減少，直至不能滿足使用要求時，或在外電路兩電極之間端電壓低于一定限度時，電池放電即告終。

電池放電以后，用外來直流電源以適當?shù)姆聪螂娏魍ㄈ?，可以使已形成的新化合物還原成為原來的活性物質(zhì)，而電池又能放電，這種用反向電流使活性物質(zhì)還原的過程稱為充電。

蓄電池可以反復多次充電、放電，循環(huán)使用，使用壽命長，成本較低，能輸出較大的能量，放電時電壓下降很慢。

1.電動勢的產(chǎn)生

鉛蓄電池正極板上的活性物質(zhì)是二氧化鉛，負極板上的活性物質(zhì)是海綿狀鉛。在稀硫酸溶液中，由于電化學作用，正負極板與電解液之間分別產(chǎn)生了電極電位，正負兩極間電位差就是蓄電池的電動勢。

負極板上的海綿狀金屬鉛是由二價鉛離子（Pb2+）和電子組成的。稀硫酸在水中被電離為氫離子（H+）和硫酸根離子（S042-）。負極板浸入稀硫酸溶液后，二價鉛離于進入溶液，在極板上留下能夠自由移動的電子，因而負極板帶負電，即產(chǎn)生了電極電位。

同樣，正極板上的二氧化鉛也與稀硫酸作用，產(chǎn)生的四價鉛正離子（Pt）留在極板上，使正極板帶正電，也產(chǎn)生了電極電位。這樣，在電池的正負兩極上便產(chǎn)生了電動勢。

　　2.放電過程

（1）負極

放電過程中，負極的鉛原子失去兩個電子，變成二價鉛正離子。電解液中的硫酸分子（H2S04）離解為兩個氫離子（H+）和一個硫酸根離子（S042_）。此時二價鉛正離子（Pb2+）與一個硫酸根離子結(jié)合成硫酸鉛（PbS04）分子，附著在負極板上。兩個氫離子留在電解液中，參加正極化學反應(yīng)。負極板失去的電子將通過外電路流入正極。反應(yīng)式如下：

　?。?）正極

放電開始后，正極上的二氧化鉛與電解液中的水分子作用，生成四價鉛離子（Pb4>）和四個氫氧根離子（0H）。每個四價鉛離子接受負極傳來的兩個電子后生成Pb2’再進入溶液與硫酸根（SO-2）結(jié)合成硫酸鉛分子（PbS04）附在正極上，氫氧根離子（OH-）與溶液中氫離子（H+）反應(yīng)生成水分子。反應(yīng)式如下：

以上兩式相加，就得到鉛蓄電池放電過程中的總反應(yīng)方程式：

從化學反應(yīng)式可看出，鉛蓄電池在放電過程中，正負極板上的活性物質(zhì)都變成了硫酸鉛。電解液中的硫酸不斷消耗，水分子不斷生成，因此，電解液的密度逐漸降低。電解液密度可作為放電終了的標志。

3.充電過程

充電時，外接直流電源的正極與負極分別接蓄電池的正極與負極。當外加電壓高P蓄電池的電動勢時，電子從蓄電池的正極流向負極，從而發(fā)生與放電時相反的電化學反應(yīng)。

　　（1）負極

蓄電池充電時，負極上的硫酸鉛電離為二價鉛離子（Pb2+）和硫酸根離子（so42-）。二價鉛離子得到兩個電子后，還原為海綿狀鉛，硫酸根離子和電解液中的水分子離解出來的氫離子（H+）結(jié)合為硫酸分子（H2S04）。反應(yīng)式如下：

（2）正極

正極上的硫酸鉛電離為二價鉛離子和硫酸根離子。二價鉛離了從外接電源強行奪去兩個電子后，成為四價鉛離子（Pb4+），四價鉛離子與水分子反應(yīng)，生成二氧化鉛沉積到正極板上。反應(yīng)式如下：

以上兩式相加，可得到鉛蓄電池充電時的電化學反應(yīng)方程式：

可以看出，正負極板上的硫酸鉛分別變成二氧化鉛和海綿狀鉛，電解液中的水分子不斷消耗，硫酸分子不斷生成，電解液密度不斷升高。因此，電解液密度可以作為充電終了的標志。

蓄電池兩極板上的活性物質(zhì)完全恢復后，若再繼續(xù)充電，則充電電流主要用于分解水。這種反應(yīng)在充電初期很微弱，但當單體電池端電壓達到2.3V后逐漸增強，過去一般把“2.3V”稱作“發(fā)氣點”.莆電池在充電過程中產(chǎn)生的氣體主要是氧氣和氧其中，負極板上有大里氫氣冒出，正極板上有大量氧氣冒出。其化學反應(yīng)方程式如下：

水的分解不僅使電解液減少，而且浪費電能，同時激烈氣泡的沖擊能夠加速活性物質(zhì)脫落，使蓄電池壽命縮短。因此，充電后期必須減小充電電流，減緩冒氣的劇烈程度，以延長電池的壽命。

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