詳解鉛酸蓄電池的化學反應原理
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-01 13:19
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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，構成一個鉛酸蓄電池。由于它的主要原料是鉛和酸，因而稱為鉛酸蓄電池或簡稱為鉛蓄電池。
1906 年，普朗特向法國科學院提交了一個由9 個單體電池構成的鉛酸蓄電池，這是世界上第一個鉛蓄電池—— 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、化成時間相當長、電池放電容量不大等問題，所以沒有獲得工業(yè)上的應用。
1910 年開始，鉛酸蓄電池生產(chǎn)得到充分發(fā)展。1957 年原西德陽光公司制成膠體密封鉛酸蓄電池并投入市場，標志著實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，帶動了用于啟動、照明和點火的蓄電池的發(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 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)化應用 30 年來，盡管出現(xiàn)過一些問題，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)過多年的努力，其設計技術有了很大的發(fā)展，并沿用至今。
VRLA 電池的結構和原理
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)過化學處理后，正、負極板上形成各自的活性物質(zhì)，正極的活性物質(zhì)是PbO 2 ，負極的活性物質(zhì)是海綿鉛，在成流過程中，負極被氧化，正極被還原，負極板一般為深灰色，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，隔板的作用是儲存電解液，氣體通道，使正、負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械強度。
（3）電解液：鉛酸蓄電池一律采用硫酸電解質(zhì)，是電化學反應產(chǎn)生的必需條件。對于膠體蓄電池，還需要添加膠體，以便與硫酸凝膠形成膠體電解質(zhì)，此時硫酸不僅是反應電解質(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，它為整體結構，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，用來擱置極板組；肋條間的空隙用來堆放從極板上脫落下來的活性物質(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。
基本反應原理
當用連有電流計的導線連接兩極時，可以觀察到三個重要的現(xiàn)象：Zn 棒逐漸溶解，銅棒上有氣體溢出，導線中有電流流過。
此反應的實質(zhì)是：
組成蓄電池需要有兩個條件：
一、必須把化學反應中失去電子的過程( 氧化過程) 和得到電子的過程( 還原過程) 分割在兩個區(qū)域進行；
二、物質(zhì)在進行轉變的過程中，電子必須通過外線路。
鉛酸蓄電池工作原理： 包括放電過程和充電過程。
(1) 放電過程
負極板: 一方面鉛板有溶于電解液的傾向，因此有少量鉛進入溶液生成Pb 2+ ( 被氧化) 而在極板帶負電；另一方面，由于Pb 2+帶正電荷，極板帶負電荷，正、負電荷又要相互吸引，這時Pb 2+ 離子又有沉附于極板的傾向。這兩者達到動態(tài)平衡時，負極板相對于電解液具有負電位，其電極電位約為-0.1V 。
正極放電時有少量PbO 2 進入電解液與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，達到動態(tài)平衡時，其電極電位約為+2.0V 。
當Pb 4+ 沉附到正極板上時，這時通過外線路來的2 個電子被Pb 4+ 俘獲，生成Pb 2+ 又與電解液中的SO 4 2- 發(fā)生反應，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- 在電場的作用下分別移向電池的正負極，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。
所以放電過程總的反應：
（2）充電過程
充電時，負極板上的PbSO 4 進人溶液，解離成Pb 2+ 與 與SO 4 2- 。電解液中的H 2 O 解離成H + 與OH - 。在負極上，充電時負極板上的Pb 2+ 這時獲得兩個電子，被還原成Pb( 以海綿狀固態(tài)析出)， 這時電解液中的H + 移向負極，在負極附近與SO 4 2- 結合成H 2 SO 4 。
正極板上的Pb 2+ 在外電源作用下被氧化，失去兩個電子變?yōu)镻b 4+ ，它又與OH 結合生成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 + 結合生成H 2 SO 4。
所以充電過程總的反應為：
充電過程中，正、負極板上的有效物質(zhì)逐漸恢復，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- ，負極不斷產(chǎn)生SO 4 2- ，在電場的作用下，H + 向負極移動， SO 4 2- 向正極移動，形成電流。
