铅酸蓄电池工作原理

铅酸蓄电池

定义：电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的一种蓄电池。 英文名称：Lead-acid battery 。放电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；充电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。分为排气式蓄电池和免维护铅酸电池。

电池主要由管式正极板、负极板、电解液、隔板、电池槽、电池盖、极柱、注液盖等组成。排气式蓄电池的电极是由铅和铅的氧化物构成，电解液是硫酸的水溶液。主要优点是电压稳定、价格便宜；缺点是比能低（即每公斤蓄电池存储的电能）、使用寿命短和日常维护频繁。老式普通蓄电池一般寿命在2年左右，而且需定期检查电解液的高度并添加蒸馏水。不过随着科技的发展，铅酸蓄电池的寿命变得更长而且维护也更简单了。

铅酸蓄电池最明显的特征是其顶部有可拧开的塑料密封盖，上面还有通气孔。这些注液盖是用来加注纯水、检查电解液和排放气体之用。按照理论上说，铅酸蓄电池需要在每次保养时检查电解液的密度和液面高度，如果有缺少需添加蒸馏水。但随着蓄电池制造技术的升级，铅酸蓄电池发展为铅酸免维护蓄电池和胶体免维护电池，铅酸蓄电池使用中无需添加电解液或蒸馏水。主要是利用正极产生氧气可在负极吸收达到氧循环，可防止水分减少。铅酸水电池大多应用在牵引车、三轮车、汽车起动等，而免维护铅酸蓄电池应用范围更广，包括不间断电源、电动车动力、电动自行车电池等。铅酸蓄电池根据应用需要分为恒流放电（如 不间断电源）和瞬间放电（如 汽车启动电池）。

铅酸蓄电池工作原理 

铅酸蓄电池的充、放电是由正极板上的活性物质二氧化铅（PbO2）和负极板上的活性物质海绵状的纯铅（Pb）与电解液中的硫酸（H2SO4）发生化学反应来完成的。 

（一）电动势的建立 

当正、负极板浸入电解液后，在单格蓄电池的正负极柱间产生电动势。在正极板处，少量PbO2溶入电解液，与水（H2O）生成Pb（OH）4，再分解成四价铅离子（Pb4+）和氢氧根离子（OH－）。即： 

PbO2＋2H2O→Pb（OH）4            Pb（OH）4 Pb4+＋4OH－Pb4+

沉附于极板的表面，OH－留在电解液中，使正极板相对于电解液具有正电位。当达到平衡时，约为＋2.0V。 

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解，生成二价铅离子（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，负极板相对于电解液具有负电位，约为－0.1V。 

因此，在外电路未接通，反应达到相对平衡状态时，蓄电池的电动势为： 

2.0－（－0.1）＝2.1V 

这是单格蓄电池正负极间的电动势，对于6个单格串联而成的一块蓄电池，则其电动势为2.1×6＝12.6V。 

（二）放电过程 

将蓄电池的化学能转换为电能的过程称为放电过程，如图4-2a所示。

蓄电池接上负载，在电动势的作用下，电流从正极经过负载流向负极（即电子从负极流向正极），使正极电位降低，负极电位升高，破坏了原有的平衡。 

电解液中H2SO4的电离过程为：H2SO42H＋＋SO24－在正极板处，Pb4+与电子结合变成Pb2＋，Pb2＋与电解液中的硫酸根离子（SO24－）结合生成PbSO4沉附于极板上，即：Pb4+＋2e→Pb2＋；Pb2＋＋SO24－→PbSO4。 在负极板处，Pb2＋与电解液中的SO24－结合也生成PbSO4沉附于负极板上，而极板上的金属铅继续溶解，生成Pb2＋和电子，即：Pb－2e→Pb2＋；Pb2＋＋SO24－→PbSO4。 在电解液中，H－和OH－结合生成水，即：4H－＋4OH－→2H2O。 

如果电路不中断，上述的化学反应继续进行，使正极板上的PbO2和负极板上的Pb都逐渐转变为PbSO4，电解液中的H2SO4含量逐渐减少而水含量增多，故电解液的相对密度下降。同时因PbSO4的导电性比PbO2和Pb差，随其含量的逐渐增加其内阻增大，使供电能力下降。 

蓄电池在放电过程中总的化学反应方程式为：PbO2＋2H2SO4＋Pb＝2PbSO4＋2H2O 

充电过程 

将电能转换成蓄电池的化学能的过程称为充电过程，如图4-2c所示。充电时，蓄电池应接直流电源，蓄电池的正极接电源正极，蓄电池负极接到电源负极。 

当电源电压高于蓄电池的电动势时，在电场力作用下，电流从蓄电池的正极流入，负极流出（即驱使电子从正极经外电路流入负极）。这时在正负极发生的化学反应正好与放电过程相反。 在电场力的作用下，正、负极板上的硫酸铅和电解液中的水均发生电离。即： 

PbSO4Pb2＋＋SO24－；H2OH－＋OH－

在正极板处，Pb2＋失去两个电子2e变成Pb4＋，与电解液中的OH－结合生成Pb（OH）4。它又分解为PbO2和H2O，PbO2附着在正极板上，即： 

Pb2＋－2e→Pb4+；Pb4+＋4OH－→Pb（OH）4；Pb（OH）4PbO2＋H2O。 

在负极板处，Pb2＋在电场力的作用下获得两个电子2e变成金属铅，并附着在负极板上。即：Pb2＋＋2e→Pb。 在电解液中，H－和SO24－结合生成PbSO4，即：2H－＋SO24－→H2SO4。 

可见，在充电过程中，正、负极板上的PbSO4将逐渐恢复为PbO2和Pb，电解液中的硫酸含量逐渐增多，水含量逐渐减少。当PbSO4已基本还原成PbO2和Pb时，充电电流主要用来电解水，即2H2O→2H2↑＋O2↑，使正极冒出氧气（O2），负极冒出氢气（H2）。充电电流越大，则冒气越多，极易使极板上的活性物质脱落。故在充电末期，充电电流以小为宜。 

蓄电池充电和放电过程是可逆的电化学反应过程，内部导电靠离子运动实现。如略去中间的化学反应过程可用下式表示：