詳解鉛酸蓄電池結(jié)構(gòu)及化學(xué)反應(yīng)原理
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-04 20:28
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鉛酸蓄電池的發(fā)展
鉛酸蓄電池是1859 年卡斯通和普朗特(Gaston&Plante) 發(fā)明的。
他們用兩片鉛片作電極，中間隔以橡皮卷成的細(xì)螺旋作隔板，浸在10%的硫酸(H 2 SO 4 ) 溶液( 密度1.06g/cm 3 ) 中，構(gòu)成一個(gè)鉛酸蓄電池。由于它的主要原料是鉛和酸，因而稱為鉛酸蓄電池或簡(jiǎn)稱為鉛蓄電池。
1906 年，普朗特向法國(guó)科學(xué)院提交了一個(gè)由9 個(gè)單體電池構(gòu)成的鉛酸蓄電池，這是世界上第一個(gè)鉛蓄電池—— 普朗特電池。但普朗特電池存在著電極活性物質(zhì)利用率低、化成時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)、電池放電容量不大等問題，所以沒有獲得工業(yè)上的應(yīng)用。
1910 年開始，鉛酸蓄電池生產(chǎn)得到充分發(fā)展。1957 年原西德陽(yáng)光公司制成膠體密封鉛酸蓄電池并投入市場(chǎng)，標(biāo)志著實(shí)用的密封鉛酸蓄電池的誕生。
原因 ：一是汽車數(shù)量的快速增長(zhǎng)，帶動(dòng)了用于啟動(dòng)、照明和點(diǎn)火的蓄電池的發(fā)展；其次是電話業(yè)采用鉛酸蓄電池作為備用電源，并要求安全可靠又能使用多年，使得蓄電池開始廣泛用于汽車、鐵道、通信等工業(yè)。
1971 年美國(guó) Gates 公司生產(chǎn)出玻璃纖維隔板的吸液式電池，這就是閥控式密封鉛酸蓄電池 (VRLA 電池 ) 。VRLA 電池商業(yè)化應(yīng)用 30 年來(lái)，盡管出現(xiàn)過(guò)一些問題，如漏液、早期容量損失、壽命短等，曾一度引起人們的懷疑，但經(jīng)過(guò)多年的努力，其設(shè)計(jì)技術(shù)有了很大的發(fā)展，并沿用至今。
VRLA 電池的結(jié)構(gòu)和原理
結(jié)構(gòu)
殼體
主要零部件及作用
（1）極板( 板柵 ): 以鉛銻合金為骨架，上面緊密地涂上鉛膏，經(jīng)過(guò)化學(xué)處理后，正、負(fù)極板上形成各自的活性物質(zhì)，正極的活性物質(zhì)是PbO 2 ，負(fù)極的活性物質(zhì)是海綿鉛，在成流過(guò)程中，負(fù)極被氧化，正極被還原，負(fù)極板一般為深灰色，正極板為暗棕色。
（2 ）隔板：隔板有水隔板、玻璃纖維隔板、微孔橡膠隔板、塑料隔板等，隔板的作用是儲(chǔ)存電解液，氣體通道，使正、負(fù)極間的距離縮到最小而互不短路；隔板可以防止極板的彎曲和變形，防止活性物質(zhì)的脫落，要起到這些作用，就要求隔板具有高度的多孔性、耐酸、不易變形、絕緣性能要好，并且有良好的親水性及足夠的機(jī)械強(qiáng)度。
（3）電解液：鉛酸蓄電池一律采用硫酸電解質(zhì)，是電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的必需條件。對(duì)于膠體蓄電池，還需要添加膠體，以便與硫酸凝膠形成膠體電解質(zhì)，此時(shí)硫酸不僅是反應(yīng)電解質(zhì)，還是膠體所需的凝膠劑。一定濃度的硫酸配比一定濃度的硅凝膠，即成為軟固體狀的硅膠電解質(zhì)。堿性蓄電池的電解液是22 ％～40 ％濃度的氫氧化鉀溶液。
（4）電池槽及槽蓋：蓄電池外殼，它為整體結(jié)構(gòu)，殼內(nèi)由隔壁分成三格或六格互不相通的單格；其底部有突起的肋條，用來(lái)擱置極板組；肋條間的空隙用來(lái)堆放從極板上脫落下來(lái)的活性物質(zhì)，以防止極板短路。槽的厚度及材料直接影響到電池是否鼓脹變形。外殼材料一般是用橡膠或工程塑料，如PVC 或ABS 槽蓋。
基本反應(yīng)原理
當(dāng)用連有電流計(jì)的導(dǎo)線連接兩極時(shí)，可以觀察到三個(gè)重要的現(xiàn)象：Zn 棒逐漸溶解，銅棒上有氣體溢出，導(dǎo)線中有電流流過(guò)。
此反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是：
組成蓄電池需要有兩個(gè)條件：
一、必須把化學(xué)反應(yīng)中失去電子的過(guò)程( 氧化過(guò)程) 和得到電子的過(guò)程( 還原過(guò)程) 分割在兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行；
二、物質(zhì)在進(jìn)行轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，電子必須通過(guò)外線路。
鉛酸蓄電池工作原理： 包括放電過(guò)程和充電過(guò)程。
(1) 放電過(guò)程
負(fù)極板: 一方面鉛板有溶于電解液的傾向，因此有少量鉛進(jìn)入溶液生成Pb 2+ ( 被氧化) 而在極板帶負(fù)電；另一方面，由于Pb 2+帶正電荷，極板帶負(fù)電荷，正、負(fù)電荷又要相互吸引，這時(shí)Pb 2+ 離子又有沉附于極板的傾向。這兩者達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，負(fù)極板相對(duì)于電解液具有負(fù)電位，其電極電位約為-0.1V 。
正極放電時(shí)有少量PbO 2 進(jìn)入電解液與H 2 O 發(fā)生作用，生成Pb(OH) 4 ；而它不穩(wěn)定，又很快電解成為Pb 4+ 和 和OH - ， Pb 4+ 沉附在正極板上，使正極板具有正電位，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，其電極電位約為+2.0V 。
當(dāng)Pb 4+ 沉附到正極板上時(shí)，這時(shí)通過(guò)外線路來(lái)的2 個(gè)電子被Pb 4+ 俘獲，生成Pb 2+ 又與電解液中的SO 4 2- 發(fā)生反應(yīng)，變?yōu)镻bSO 4 ，這些PbSO 4 以固體形式被吸附在正極板上。
電解液中存在的H + 和SO 4 2- 在電場(chǎng)的作用下分別移向電池的正負(fù)極，在電池內(nèi)部產(chǎn)生電流，形成回路，使蓄電池向外持續(xù)放電。
所以放電過(guò)程總的反應(yīng)：
（2）充電過(guò)程
充電時(shí)，負(fù)極板上的PbSO 4 進(jìn)人溶液，解離成Pb 2+ 與 與SO 4 2- 。電解液中的H 2 O 解離成H + 與OH - 。在負(fù)極上，充電時(shí)負(fù)極板上的Pb 2+ 這時(shí)獲得兩個(gè)電子，被還原成Pb( 以海綿狀固態(tài)析出)， 這時(shí)電解液中的H + 移向負(fù)極，在負(fù)極附近與SO 4 2- 結(jié)合成H 2 SO 4 。
正極板上的Pb 2+ 在外電源作用下被氧化，失去兩個(gè)電子變?yōu)镻b 4+ ，它又與OH 結(jié)合生成Pb(OH) 4 ，然后又分解為PbO 2 和 和H 2 O ，而SO 4 2 - 離子移向正極與H + 結(jié)合生成H 2 SO 4。
所以充電過(guò)程總的反應(yīng)為：
充電過(guò)程中，正、負(fù)極板上的有效物質(zhì)逐漸恢復(fù)，電解液H 2 SO 4 比重逐漸增加，所以從比重升高的數(shù)值也可以判斷它充電的程度。電解液中，正極不斷產(chǎn)生游離的H + 和 和SO 4 2- ，負(fù)極不斷產(chǎn)生SO 4 2- ，在電場(chǎng)的作用下，H + 向負(fù)極移動(dòng)， SO 4 2- 向正極移動(dòng)，形成電流。
