铅酸蓄电池的原理与性能

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铅酸蓄电池的原理与性能

一、铅酸蓄电池的工作原理

蓄电池是一种化学电源，它的构造可以是各式各样的，可是从原理上讲所有的电池都是由正极、负极、电解质、隔离物和容器组成的，其中正负两极的活性物质和电解质起电化反应，对电池产生电流起着主要作用，如图4-1所示。

在电池内部，正极和负极通过电解质构成电池的内电路，在电池外部接通两极的导线和负荷构成电池的外电路。

在电极和电解液的接触面有电极电位产生，不同的两极活性物质产生不同的电极电位，有着较高电位的电极叫做正极，有着较低电位的电极叫做负极，这样在正负极之间产生了电位差，当外电路接通时，就有电流从正极经过外电路流向负极，再由负极经过内电路流向正极，电池向外电路输送电流的过程，叫做电池的放电。 在放电过程中，两极活性物质逐渐消耗，负极活性物质

1.电解质

2.负极

3.容量

4.正极

5.隔离物

6.导线

7.负荷 图4-1 电池构造示意图

放出电子而被氧化，正极活性物质吸收从外电路流回的电子而被还原，这样负极电位逐渐升高，正极电位逐渐降低，两极间的电位差也就逐渐降低，而且由于电化反应形成新的化合物增加了电池的内阻，使电池输出电流逐渐减少，直至不能满足使用要求时，或在外电路两电极之间端电压低于一定限度时，电池放电即告终。

电池放电以后，用外来直流电源以适当的反向电流通入，可以使已形成的新化合物还原成为原来的活性物质，而电池又能放电，这种用反向电流使活性物质还原的过程叫做充电。

蓄电池可以反复多次充电、放电，循环使用，使用寿命长，成本较低，能输出较大的能量，放电时电压下降很慢。

1.电动势的产生

铅蓄电池的正极是二氧化铅(PbO 2)，负极是绒状铅(Pb)，它们是两种不同的活性物质，故和稀硫酸(H 2SO 4)起化学作用的结果也不同。在未接通负载时，由于化学作用

使正极板上缺少电子，负极板上却多余电子，如图4-2所 图4-2 铅蓄电池电势产生过程 示，两极间就产生了一定的电位差。

2.放电过程的化学反应

当外电路接上负载(比如灯泡)后，铅蓄电池在正、负极板间电位差(电动势)的作用下，电流Ⅰ从正极流出，经负载流向负极，也就是说，负极上的电子经负载进入正极，如图4-3。同时在蓄电池内部产生化学反应：

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在负极板上，每个铅原子(Pb)放出二个电子，而成铅正离子(Pb ＋＋

)，因此负极板上出现若干多余的电子，这些电子在电位差的作用下，不断地经外电路进入正极板。而在电解

液内部，因硫酸分子的电离便有氢正离子(H ＋)和硫酸根负离子(SO 4)－

存在。 图4-3 铅蓄电池放电时的化学反应

这时因电荷(离子)的静电作用，氢正离子(H ＋

)移向

正极板，硫酸根负离子(SO 4－－

) 移向负极板，于是形成电池内部的离子电流。当硫酸根负离

子(SO 4－－)与负极板上的铅正离子(Pb ＋

＋)相遇时，便生成硫酸铅(PbSO 4)分子附在负极板上。

在正极板上， 由于电子自外电路进入， (PbO 2)与水作用离解出来的四价的铅正离子(P ＋＋＋＋)在取得二个电子后化合变成二价铅的正离子(Pb ＋＋)，再和正极板附近的硫酸根负离

子(SO 4－－

)结合在一起，生成硫酸铅分子(PbSO 4)附在正极板上。与此同时，移向正极板的氢

正离子(H ＋)便和氧负离子(O －－

)结合，生成水分子(H 2O)。

于是，放电时总的化学反应为：

PbO 2＋2H 2SO 4＋Pb −−→

−放电

PbSO 4＋2H 2O ＋PbSO 4 (4-1) (正极)（硫酸）(负极) (正极) (水) (负极)

从放电反应式看出，随着蓄电池放电，硫酸逐渐消耗，电解液的比重逐渐下降。因此，在实际工作中我们可以根据电解液比重变化，判断铅蓄电池的放电程度。

3.充电过程的化学反应

充电是放电过程的逆过程，如图4-4所示。

图4-4 铅蓄电池在充电时的化学反应

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充电时，应在蓄电池上外接充电电源(整流器)，使正、负极板在放电时消耗了的活性物质还原，并把外加的电能转变为化学能储存起来。

在充电电源作用下，外电路的电流I 自蓄电池的正极板流入，经电解液和负极板流出。于是，电源从正极板中不断取得电子输送给负极板，促使正、负极板上的硫酸铅(PbSO 4)不断进入电解液而被游离，因此在电池内部产生如下的化学反应：

在负极板上，因获得了电子，所以二价的铅离子(Pb ＋＋

)被中和为铅(Pb)，并以固体状态附在负极板上。

在正极板上失去的电子，则由电解液中位于极板附近处于游离状态的二价铅离子(Pb ＋＋

)

不断放出二个电子来补充。当它变成四价铅离子(Pb ＋＋＋＋

)以后，再和水中的氢氧根离子(10H)

结合，生成过渡状态的而且可离解的物质(Pb(OH)4)和游离状态的氢离子(H ＋

)。(Pb(OH)4)又继续被分解为二氧化铅(PbO 2)和水。

在电流作用下向负极板移动，同时向正极板移动，两种离子因静电引力而结合成硫酸。 于是，充电时总的化学反应式为：

PbSO 4＋2H 2O ＋PbSO 4−−

→−充电

PbO 2＋2H 2SO 4＋Pb (4-2) (正极) (水) (负极) (正极) (硫酸) (负极)

从充电反应式看出，当蓄电池充电后，两极上原来被消耗的活性物质复原了，同时电解液中的硫酸成分增加，水分减少，电解液的比重升高，因此，在实际工作中可根据电解液比重变化，来判断铅蓄电池的充电的程度。

二、铅酸蓄电池容量

蓄电池的容量不是恒定的常数，它与极板活性物质的多少、充电程度、放电电流的大小、放电时间长短、电液比重和温度高低等有关。使用中放电率和电液温度影响较大。

1、电池容量与极板尺寸及有效物质的关系：

极板愈薄，活性物质利用率愈高，电池容量就大；极板面积愈大，有效物质充分利用，容量则大；有效物质颗粒间存在微孔，使电解液接触有效物质的真实面积增大数百甚至几千倍。由于正极板上的有效物质利用率约为45％，低于负极板上有效物质利用率50％的数值，故电池容量以正极板容量为标称单位。正极板厚，浓差极化影响大，电解液向深处扩散困难，有效物质利用率变低。

有效物质的利用率即是被利用的有效物质数量与有效物质总量之比。 2.使用因素对容量的影响：

(1) 放电率影响：一般以10小时放电率的容量作为蓄电池的正常额定容量。放电率低于正常放电率时，可得较大的容量；反之，容量则变小。铅酸蓄电池因放电率引起的放电一变化见下面表4-1。