蓄电池的工作原理

蓄电池的工作原理 蓄电池的工作原理 蓄电池是由浸渍在电解液中的正极板(二氧化铅Pb02)和负极板(海绵状纯铅Pb)组成的，电解液是硫酸(H2S04)的水溶液。当蓄电池和负载接通放电时，正极板上的Pb02 和负极板上的Pb都变成PbS04，电解液中的H2S04减少，相对密度下降。 充电时按相反的方向变化，正负极板上的PbS04分别恢复成原来的Pb02和Pb，电解液中的硫酸增加，相对密度变大。如略去中间的化学反应过程，可用下式表示: Pb02+Pb十2H2S04=2PbS04+2H20 (1—1) 1(电势的建立 当极板浸入电解液时，在负极板处，金属铅受到两方面的作用，一方面它有溶解于电解液的倾向，因而有少量铅进入溶液，生成Pb2+，在极板上留下两个电子2e，使极板带负电;另一方面，由于正、负电荷的吸引，Pb2+有沉附于极板表面的倾向。当两者达到平衡时，溶解便停止，此时极板具有负电位，约为-0.1V。 正极板处，少量Pb02溶入电解液，与水生成Pb(OH):，再分离成四价铅离子和氢氧根离子。 即 Pb02+2H20---->Pb(OH)4 Pb(OH)4=Pb4++4(OH)- 由于Pb4+沉附于极板的倾向，大于溶解的倾向，因而沉附在正极板上，使极板呈正电位。当达到平衡时，约为+2.0V。 因此，当外电路未接通，反应达到相对平衡状态时，蓄电池的静止电动势约为: E0=2.0-(-0.1)=2.1V 2(铅蓄电池的放电 当蓄电池接上负载后，在电动势的作用下，电流从正极经过负载流往负极(即电子从负极到正极)，使正极电位降低，负极电位升高，破坏了原有的平衡。放电时的化学反应过程如图1—3所示。 在正极板处，Pb4+和电子结合，变成二价铅离子Pb2+，Pb2+与电解液中的SO42-结合生成PbS04沉附于极板上。 即 Pb4++2e----> Pb2+ Pb2++ SO42-=PbSO4 在负极板处，Pb2+与电解液中的SO42-结合也生成PbS04沉附在负极板上，而极板上的金属铅继续溶解，生成Pb2+ 和电子。如果电路不中断，上述化学反应将继续进行，使正极板上的Pb02和负极板上的Pb都逐渐转变为PbS04，电解液中的PbS04逐渐减少而水增多，故电解液相对密度下降。 理论上，放电过程应进行到极板上的活性物质全部变为硫酸铅为止，而实际上是不可能的，因为电解液不能渗透到活性物质的最内层。使用中，所谓放完电的蓄电池，实际上只有20,~30,的活性物质变成了硫酸铅，因此采用薄型极板，增加多空率，提高极板活性物质的利用率可提高蓄电池的容量，也是蓄电池工业的发展方向。 3(铅蓄电池的充电 充电时，应将蓄电池接直流电源。当电源电压高于蓄电池电动势时，在直流电源电压作用下，电流从蓄电池正极流人，负极流出(即驱使电子从正极经外电路流人负极)。这时正负极板发生的反应正好与放电过程相反，其化学反应过程如图1—4所示。 在负极板处有少量的PbS04进入电解液中，离解为Pb2+和SO42-。Pb2+在电源的作用下获得两个电子变为金属Pb，沉附在极板上。而SO42-则与电解液中的H+结合，生成硫酸。 即: PbS04---->Pb2++SO42- Pb2++2e---->Pb SO42-+2H+---->H2S04 (1—3) 负极板上总的反应式为: PbS04+2e+2H+---->Pb+H2SO4 (1—4) 正极板处，也有少量PbS04进入电解液中，离解为Pb2+和SO42-，Pb2+在电源作用下失去两个电子变为Pb4+，它又和电解液中水离解出来的OH—结合，生成Pb(OH)4，Pb(OH)4又分解为Pb02和H20，而SO42-又与电解液中的H+结合生成硫酸。 其反应式如下: PbS04----> Pb2++ SO42- Pb2+-2e----> Pb4+ 4H20---->4H++4OH— Pb4++4 OH—---->Pb(OH)4 Pb(OH)4----> Pb02+2H20 2SO42-+4H+----> 2H2S04 正极板上的总反应为: PbS04—2e+2H20+ SO42----->Pb02+2H2S04 (1—5) 可见，在充电过程中，正负极板上的PbS04将逐渐恢复为Pb02和Pb，电解液中硫酸成分逐渐增多，水逐渐减少。 充电终期，密度将升到最大值，且会引起水的分解，水分 解的化学反应式如下: 2H2S04 ---->4H++ SO42- 负极上:4H++4e---->2H2 正极上:2SO42--4e+2H20---->2H2S04+O2 总反应为:2H2S04+2H20---->2H2S04十2H2+O2(1—6) 由上式可见，实际上分解的是水:2H20---->2H2+02 (1—7)