详解铅酸蓄电池的化学反应原理

2021-05-18      8510 次浏览

铅酸蓄电池的发展


铅酸蓄电池是1859年卡斯通和普朗特(Gaston&Plante)发明的。


他们用两片铅片作电极,中间隔以橡皮卷成的细螺旋作隔板,浸在10%的硫酸(H2SO4)溶液(密度1.06g/cm3)中,构成一个铅酸蓄电池。由于它的重要原料是铅和酸,因而称为铅酸蓄电池或简称为蓄电池。


1906年,普朗特向法国科学院提交了一个由9个单体电池构成的铅酸蓄电池,这是世界上第一个蓄电池普朗特电池。但普朗特电池存在着电极活性物质利用率低、化成时间相当长、电池放电容量不大等问题,所以没有获得工业上的应用。


1910年开始,铅酸蓄电池生产得到充分发展。1957年原西德阳光公司制成胶体密封铅酸蓄电池并投入市场,标志着实用的密封铅酸蓄电池的诞生。


原因:一是汽车数量的快速上升,带动了用于启动、照明和点火的蓄电池的发展;其次是电话业采用铅酸蓄电池作为备用电源,并要求安全可靠又能使用多年,使得蓄电池开始广泛用于汽车、铁道、通信等工业。


1971年美国Gates公司生产出玻璃纤维隔板的吸液式电池,这就是阀控式密封铅酸蓄电池(VRLA电池)。VRLA电池商业化应用30年来,尽管出现过一些问题,如漏液、早期容量损失、寿命短等,曾一度引起人们的怀疑,但经过多年的努力,其设计技术有了很大的发展,并沿用至今。


VRLA电池的结构和原理


重要零部件及用途


(1)极板(板栅):以铅锑合金为骨架,上面紧密地涂上铅膏,经过化学处理后,正、负极板上形成各自的活性物质,正极的活性物质是PbO2,负极的活性物质是海绵铅,在成流过程中,负极被氧化,正极被还原,负极板一般为深灰色,正极板为暗棕色。


(2)隔板:隔板有水隔板、玻璃纤维隔板、微孔橡胶隔板、塑料隔板等,隔板的用途是储存电解液,气体通道,使正、负极间的距离缩到最小而互不短路;隔板可以防止极板的弯曲和变形,防止活性物质的脱落,要起到这些用途,就要求隔板具有高度的多孔性、耐酸、不易变形、绝缘性能要好,并且有良好的亲水性及足够的机械强度。


(3)电解液:铅酸蓄电池一律采用硫酸电解质,是电化学反应出现的必需条件。关于胶体蓄电池,还要添加胶体,以便与硫酸凝胶形成胶体电解质,此时硫酸不仅是反应电解质,还是胶体所需的凝胶剂。一定浓度的硫酸配比一定浓度的硅凝胶,即成为软固体状的硅胶电解质。碱性蓄电池的电解液是22%~40%浓度的氢氧化钾溶液。


(4)电池槽及槽盖:蓄电池外壳,它为整体结构,壳内由隔壁分成三格或六格互不相通的单格;其底部有突起的肋条,用来搁置极板组;肋条间的空隙用来堆放从极板上脱落下来的活性物质,以防止极板短路。槽的厚度及材料直接影响到电池是否鼓胀变形。外壳材料一般是用橡胶或工程塑料,如PVC或ABS槽盖。基本反应原理


当用连有电流计的导线连接两极时,可以观察到三个重要的现象:Zn棒逐渐溶解,铜棒上有气体溢出,导线中有电流流过。


此反应的实质是:


组成蓄电池要有两个条件:


一、必须把化学反应中失去电子的过程(氧化过程)和得到电子的过程(还原过程)分割在两个区域进行;


二、物质在进行转变的过程中,电子必须通过外线路。


铅酸蓄电池工作原理:包括放电过程和充电过程。


(1)放电过程


负极板:一方面铅板有溶于电解液的倾向,因此有少量铅进入溶液生成Pb2+(被氧化)而在极板带负电;另一方面,由于Pb2+带正电荷,极板带负电荷,正、负电荷又要相互吸引,这时Pb2+离子又有沉附于极板的倾向。这两者达到动态平衡时,负极板相关于电解液具有负电位,其电极电位约为-0.1V。


正极放电时有少量PbO2进入电解液与H2O发生用途,生成Pb(OH)4;而它不稳定,又很快电解成为Pb4+和和OH-,Pb4+沉附在正极板上,使正极板具有正电位,达到动态平衡时,其电极电位约为+2.0V。


当Pb4+沉附到正极板上时,这时通过外线路来的2个电子被Pb4+俘获,生成Pb2+又与电解液中的SO42-发生反应,变为PbSO4,这些PbSO4以固体形式被吸附在正极板上。


电解液中存在的H+和SO42-在电场的用途下分别移向电池的正负极,在电池内部出现电流,形成回路,使蓄电池向外持续放电。


所以放电过程总的反应:


(2)充电过程


充电时,负极板上的PbSO4进人溶液,解离成Pb2+与与SO42-。电解液中的H2O解离成H+与OH-。在负极上,充电时负极板上的Pb2+这时获得两个电子,被还原成Pb(以海绵状固态析出),这时电解液中的H+移向负极,在负极附近与SO42-结合成H2SO4。


正极板上的Pb2+在外电源用途下被氧化,失去两个电子变为Pb4+,它又与OH结合生成Pb(OH)4,然后又分解为PbO2和和H2O,而SO42-离子移向正极与H+结合生成H2SO4。


所以充电过程总的反应为:


充电过程中,正、负极板上的有效物质逐渐恢复,电解液H2SO4比重逐渐新增,所以从比重升高的数值也可以判断它充电的程度。电解液中,正极不断出现游离的H+和和SO42-,负极不断出现SO42-,在电场的用途下,H+向负极移动,SO42-向正极移动,形成电流。


相关文章

推荐品类

为您推荐

东莞市钜大电子有限公司 粤ICP备07049936号