鉛酸蓄电池的原理与性能.docVIP

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(PbO2)，负极是绒状铅(Pb)，它们是两种不同的活性物质，故和稀硫酸(H2SO4)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： 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(SO4)－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(SO4－－) 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(SO4－－)与负极板上的铅正离子(Pb＋＋)相遇时，便生成硫酸铅(PbSO4)分子附在负极板上。 在正极板上， 由于电子自外电路进入， (PbO2)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(SO4－－)结合在一起，生成硫酸铅分子(PbSO4)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(H2O)。 于是，放电时总的化学反应为： PbO2＋2H2SO4＋Pb PbSO4＋2H2O＋PbSO4 (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 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(PbSO4)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(PbO2)和水。 在电流作用