铅酸蓄电池的工作原理

-- 铅酸蓄电池的工作原理

1、铅酸蓄电池电动势的产生

铅酸蓄电池充电后，正极板二氧化铅(PbO2)，在硫酸溶液中水份子的作用下，少量二氧化铅与水生成可离解的不稳定物质--氢氧化铅 (Pb(OH)4)，氢氧根离子在溶液中，铅离子(Pb4)留在正极板上，故正极板上缺少电子。

铅酸蓄电池充电后，负极板是铅(Pb)，与电解液中的硫酸(H2SO4) 发生反应，变成铅离子(Pb2)，铅离子转移到电解液中，负极板上留下多余的两个电子(2e)。

可见，在未接通外电路时(电池开路)，由于化学作用，正极板上缺少电子，负极板上多余电子，如右图所示，两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。

2、铅酸蓄电池放电过程的电化反应

铅酸蓄电池放电时，在蓄电池的电位差作用下，负极板上的电子经负载进入正极板形成电流I 。同时在电池内部进行化学反应。

负极板上每一个铅原子放出两个电子后，生成的铅离子(Pb2)与电解液中的硫酸根离子(SO4-2)反应，在极板上生成难溶的硫

酸铅(PbSO4)。

正极板的铅离子(Pb4)得到来自负极的两个电子(2e)后，变成二价铅离子(Pb2)，，与电解液中的硫酸根离子(SO4-2)反应，在极板上生成难溶的硫酸铅(PbSO4)。正极板水解出的氧离子(O-2)与电解液中的氢离子(H)反应，生成稳定物质水。

铅酸电池

电解液中存在的硫酸根离子和氢离子在电力场的作用下分别移向电池的正负极，在电池内部形成电流，整个回路形成，蓄电池向外持续放电。

放电时H2SO4 浓度不断下降，正负极上的硫酸铅(PbSO4)增加，电池内阻增大(硫酸铅不导电)，电解液浓度下降，电池电动势降低。

3、铅酸蓄电池充电过程的电化反应

充电时，应在外接向来流电源(充电极或者整流器)，使正、负极板在放电后生成的物质恢复成原来的活性物质，并把外界的电能转变为化学能储存起来。

在正极板上，在外界电流的作用下，硫酸铅被离解为二价铅离子(Pb2) 和硫酸根负离子 (SO4-2)，由于外电源不断从正极吸取电子，则正极板附近游离的二价铅离子(Pb2)不断放出两个电子来补充，变成四价铅离子 (Pb4)，并与水继续反应，最终在正极极板上生成二氧化铅 (PbO2)。

在负极板上，在外界电流的作用下，硫酸铅被离解为二价铅离子(Pb2) 和硫酸根负离子 (SO4-2)，由于负极不断从外电源获得电子，则负极板附近游离的二价铅离子(Pb2)被中和为铅(Pb)，并以绒状铅附着在负极板上。

电解液中，正极不断产生游离的氢离子 (H) 和硫酸根离子 (SO4-2)，负极不断产生硫酸根离子 (SO4-2)，在电场的作用下，氢离子向负极

挪移，硫酸根离子向正极挪移，形成电流。

充电后期，在外电流的作用下，溶液中还会发生水的电解反应。

4、铅酸蓄电池充放电后电解液的变化

从上面可以看出，铅酸蓄电池放电时，电解液中的硫酸不断减少，水逐渐增多，溶液比重下降。

从上面可以看出，铅酸蓄电池充电时，电解液中的硫酸不断增多，水逐渐减少，溶液比重上升。

实际工作中，可以根据电解液比重的变化来判断铅酸蓄电池的充电程度。

2 锌-锰干电池的工作原理

以上列举的几种电池有溶液，便于说明原理，但不便于携带。日常用的收音机，手电筒里使用的都是干电池，其电压普通为 1.5V，电容量随体积大小而异(分1 号，2 号，3 号，4 号，5 号等)。外壳用锌皮作为负极，中心为正极，是一根导电性能良好的石墨棒，裹上了一层由MnO2 ，炭黑及NH4Cl 溶液混合压紧的团块。两个电极之间的电解液是由NH4Cl，ZnCl2，淀粉和一定量水组成，将其加热调制成浆糊并趁热灌入锌筒，冷却后成半透明的胶冻再也不流动，但可以导电。锌筒上口加沥青密封，防止电解液渗出。锌-锰干电池的电极反应为

锌负极：Zn+4NH4Cl®(NH4)2ZnCl4+2NH4++2e-

锰正极：MnO2+H2O+e-®MnO(OH)+OH-

在使用过程中，电子由锌极流向锰极(电流方向相反)，锌皮逐渐消耗，MnO2 也不断被还原，电压慢慢降低，最后电池失效。这种电池是一次性消费品，但锌皮不可能彻底消耗掉，所以旧电池可回收锌。锌既然是消耗性的外壳，在使用过程中就会变薄以致穿孔，这就要求在锌皮外加有密封包装，有些劣质产品，在使用过程中发生“渗漏”现象，即是没有按要求做的缘故。

3 铅蓄电池的工作原理

电池放电到一定程度，可以利用外电源进行充电后再用，这样充电放电可以反复几百次。汽车的启动电源常用铅蓄电池，其结构如图2-12 所示。

电池内有一排铅锑合金的栅格板，栅孔为细的铅粉泥所填满。栅板交替由两块导板相联，分别成为顶部的两个电极。整个电极板在使用之前先浸泡在稀硫酸溶液中进行电解处理，在阳极，Pb 被氧化成为二氧化铅(PbO2)，在阴极，形成海绵状金属铅。干燥后，PbO2 为蓄电池的正极，海绵状铅为负极。所用电解液为30％的硫酸 (H2SO4)，因此这种电池可以也叫酸性蓄电池。放电时，电极反应和电池反应如下：

正极：PbO2 + 2H2O ® PbO2 + SO42- + 4H+ + 2e-

负极：PbSO4 + 2e- ® Pb + SO42-

放电反应：PbO2 + Pb + 2H2SO4 ® 2PbSO4 + 2H2O 放电之后，正负两极都生成为了一层硫酸铅(PbSO4)，到一定程度就必须充电。充电时是将一个电压略高于蓄电池的直流电源与它相接，PbO2 电极上的PbSO4 放出电子被氧化为PbO2，Pb 极上的PbSO4 接受电子被还原为Pb，于是蓄电池的电极恢复原状，又可放电。充电时的电极反应和电池反应恰好是放电时的逆反应：

PbO2 极：PbSO4 + 2H2O ®PbO2 + SO42- + 4H+ + 2e-

Pb 极：PbSO4 + 2e- ®Pb + SO42-

充电反应：2PbSO4 + 2H2O ®PbO2 + Pb + 2H2SO4

铅蓄电池放电和充电过程可以合并写为