铅酸蓄电池原理

1、铅酸蓄电池铅酸蓄电池第一节第一节 铅酸蓄电池基本知识铅酸蓄电池基本知识一、铅酸蓄电池的发展一、铅酸蓄电池的发展 铅酸蓄电池是铅酸蓄电池是1859年卡斯通和普朗特年卡斯通和普朗特(Gaston&Plante) 发明的。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，浸在作隔板，浸在10%的硫酸的硫酸(H2SO4)溶液溶液(密度密度1.06g/cm3)中，中，构成一个铅酸蓄电池。构成一个铅酸蓄电池。 由于它的主要原料是铅和酸，因而称为铅酸蓄电池或由于它的主要原料是铅和酸，因而称为铅酸蓄电池或简称为铅蓄电池。简称为铅蓄电池。 1906年，

2、普朗特向法国科学院提交了一个由年，普朗特向法国科学院提交了一个由9个单体电个单体电池构成的铅酸蓄电池，这是世界上第一个铅蓄电池池构成的铅酸蓄电池，这是世界上第一个铅蓄电池普朗特电池。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。工业上的应用。 1910年开始，铅酸蓄电池生产得到充分发展。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

3、用的密封铅酸蓄电池的诞生。入市场，标志着实用的密封铅酸蓄电池的诞生。 原因原因：一是汽车数量的快速增长，带动了用于启动、：一是汽车数量的快速增长，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。得蓄电池开始广泛用于汽车、铁道、通信等工业。 1971年美国年美国Gates公司生产出玻璃纤维隔板的吸液式电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池，这就是阀控式密封铅酸蓄电池(

4、VRLA电池电池)。 VRLA电池商业化应用电池商业化应用30年来，尽管出现过一些问题，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，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。并沿用至今。二、二、VRLA电池的结构和原理电池的结构和原理（一）结构（一）结构负极板负极板隔隔 板板正极板正极板 壳体采用耐酸、耐热和壳体采用耐酸、耐热和耐震的硬橡胶或聚丙稀塑料耐震的硬橡胶或聚丙稀塑料制成整体式结构，壳体内分制成整体式结构，壳体内分成个互不相通的单格，每成个

5、互不相通的单格，每个单格内装有极板组和电解个单格内装有极板组和电解液组成一个单格的蓄电池。液组成一个单格的蓄电池。 壳体的底部有凸起的筋，壳体的底部有凸起的筋，用来支撑极板组，并使极板用来支撑极板组，并使极板上脱落下来的活性物质落入上脱落下来的活性物质落入凹槽中，防止极板短路。凹槽中，防止极板短路。壳体壳体（1）极板）极板(板栅板栅 ):以铅锑合金为骨架，上面紧密地涂上以铅锑合金为骨架，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，正极的活性物质是物质，正极的活性物质是PbO2，负极的活性物质是海绵，负极的活性物质是海绵铅，

6、在成流过程中，负极被氧化，正极被还原，负极板铅，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。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）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，隔板的作用是储存电解液，气体通道，板、塑料隔板等，隔板的作用是储存电解液，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，要起到这止极板的弯曲和变形，防止活性物质的脱落，要起到这些作用，就要求隔板具有高度的多孔性、耐酸、不易变些作用，就要

7、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形、绝缘性能要好，并且有良好的亲水性及足够的机械强度。强度。（二）主要零部件及作用（二）主要零部件及作用（3）电解液：铅酸蓄电池一律采用硫酸电解质，是电化）电解液：铅酸蓄电池一律采用硫酸电解质，是电化学反应产生的必需条件。学反应产生的必需条件。 对于胶体蓄电池，还需要添加胶体，以便与硫酸凝胶对于胶体蓄电池，还需要添加胶体，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体所需的凝胶剂。一定浓度的硫酸配比

8、一定浓度的硅凝胶，即成为软固体状的硅胶电解质。碱性蓄电池的电解胶，即成为软固体状的硅胶电解质。碱性蓄电池的电解液是液是2240浓度的氢氧化钾溶液。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）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

9、般是用橡胶或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，如工程塑料，如PVC或或ABS槽盖。槽盖。（三）基本反应原理（三）基本反应原理 当用连有电流计的导线连接两极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：时，可以观察到三个重要的现象： Zn棒逐渐溶解，铜棒上有气体溢棒逐渐溶解，铜棒上有气体溢出，导线中有电流流过出，导线中有电流流过此反应的实质是：此反应的实质是：ZnZn2+2e- (氧化反应氧化反应)2H+2e-(还原反应还原反应)H2组成蓄电池需要有两个条件：组成蓄电池需要有两个条件：一是必须把化学反应中失去电子的过程一是必须把化学反应中失去电子的过程(氧化

10、过程氧化过程)和得和得到电子的过程到电子的过程(还原过程还原过程)分割在两个区域进行；分割在两个区域进行；二是物质在进行转变的过程中，电子必须通过外线路。二是物质在进行转变的过程中，电子必须通过外线路。铅酸蓄电池的工作原理：铅酸蓄电池的工作原理： 包括放电过程和充电过程。包括放电过程和充电过程。(1)放电过程放电过程负极板负极板:一方面铅板有溶于电解液的倾向，因此有少量铅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进入溶液生成Pb2+(被氧化被氧化)而在极板带负电；另一方面，而在极板带负电；另一方面，由于由于Pb2+带正电荷，极板带负电荷，正、负电荷又要相带正电荷，极板带负电荷，正、

11、负电荷又要相互吸引，这时互吸引，这时Pb2+离子又有沉附于极板的倾向。这两者离子又有沉附于极板的倾向。这两者达到动态平衡时，负极板相对于电解液具有负电位，其达到动态平衡时，负极板相对于电解液具有负电位，其电极电位约为电极电位约为-0.1V。 Pb2+和电解液中解离出来的和电解液中解离出来的SO42-发生反应，生成发生反应，生成PbSO4，且，且PbSO4的溶解度很小，所以生成后从溶液的溶解度很小，所以生成后从溶液中析出，附着在电极上，反应式为：中析出，附着在电极上，反应式为：2H2SO44H+2 SO42-Pb - 2e-Pb2+Pb2+ SO42-PbSO4 正极放电时有少量正极放电时有少量

12、PbO2进入电解液与进入电解液与H2O发生作用，发生作用，生成生成Pb(OH)4；而它不稳定，又很快电解成为；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，其电极电位约为平衡时，其电极电位约为+2.0V。PbO2 +2H2OPb(OH)4Pb4+ +4OH-Pb(OH)4Pb2+ SO42-PbSO4电解液中存在的电解液中存在的H+ 和和SO42-在电场的作用下分别移向电池在电场的作用下分别移向电池 当当Pb4+沉附到正极板上时，这时通过外线路来的沉附到正极板上时，这时通过外线路来的2个电

13、子个电子被被Pb4+俘获，生成俘获，生成Pb2+又与电解液中的又与电解液中的SO42-发生反应，发生反应，变为变为PbSO4 ，这些，这些PbSO4以固体形式被吸附在正极板上。以固体形式被吸附在正极板上。的正负极，在电池内部产生电流，形成的正负极，在电池内部产生电流，形成回路，使蓄电池向外持续放电。所以正回路，使蓄电池向外持续放电。所以正极上的反应为：极上的反应为：H+ +OH-H2OPb4+ +2e-Pb2+ 放电过程是化学能变成电能的过程，这时正极的活性物放电过程是化学能变成电能的过程，这时正极的活性物质质PbO2变为变为PbSO4，负极的活性物质海绵铅变为，负极的活性物质海绵铅变为PbS

14、O4，电解液中电解液中H2SO4分子不断减少，逐渐消耗生成分子不断减少，逐渐消耗生成H2O，H2O分分子相应增加，电解液的相对密度降低。子相应增加，电解液的相对密度降低。所以放电过程总的反应所以放电过程总的反应PbO2 + 2H2SO4 + PbPbSO4 + 2H2O + PbSO4(2)充电过程：充电过程：即将电能变成化学能。即将电能变成化学能。 充电时，负极板上的充电时，负极板上的PbSO4进人溶进人溶液，解离成液，解离成Pb2+与与SO42-。电解液中。电解液中的的H2O解离成解离成H+与与OH-。在负极上，。在负极上，充电时负极板上的充电时负极板上的Pb2+这时获得两个这时获得两个电

15、子，被还原成电子，被还原成Pb(以海绵状固态析以海绵状固态析出出)，这时电解液中的，这时电解液中的H+移向负极，移向负极，在负极附近与在负极附近与SO42-结合成结合成H2SO4 。正极活性物正极活性物负极活性物负极活性物负极生成物负极生成物正极生成物正极生成物电解液电解液电解液生成物电解液生成物PbSO4Pb2+ SO42-负极反应为：负极反应为：PbPb2+ 2e-H2SO42H+ SO42- 正极板上的正极板上的Pb2+在外电源作用下被氧化，失去两个电子在外电源作用下被氧化，失去两个电子变为变为Pb4+，它又与，它又与OH结合生成结合生成Pb(OH)4，然后又分解为，然后又分解为PbO2

16、和和H2O，而，而SO42-离子移向正极与离子移向正极与H+结合生成结合生成H2SO4PbSO4Pb2+ SO42-Pb2+ - 2e-Pb4+Pb4+ +4OH-Pb(OH)4PbO2 +2H2OPb(OH)4H2SO42H+ SO42-所以充电过程总的反应所以充电过程总的反应 充电过程中，正、负极板上的有效物质逐渐恢复，充电过程中，正、负极板上的有效物质逐渐恢复，电解液电解液H2SO4比重逐渐增加，所以从比重升高的数值比重逐渐增加，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，正极不断产生也可以判断它充电的程度。电解液中，正极不断产生游离的游离的H+和和SO42- ，负极不断产生，

17、负极不断产生SO42- ，在电场的作，在电场的作用下，用下，H+向负极移动，向负极移动， SO42-向正极移动，形成电流。向正极移动，形成电流。2H2O2H2+O2 到充电终期，到充电终期，PbSO4绝大部分反应为绝大部分反应为PbO2和海绵状和海绵状Pb，如继续充电，就要引起水的分解，正极放出，如继续充电，就要引起水的分解，正极放出O2，负极放出负极放出H2PbO2 + 2H2SO4 + PbPbSO4 + 2H2O + PbSO4正极物质正极物质负极物质负极物质负极生成物负极生成物正极生成物正极生成物电解液电解液电解液生成物电解液生成物优点：铅酸电池为数量最多。铅酸电池的价格优点：铅酸电池

18、为数量最多。铅酸电池的价格最低，也最常用，中国是全世界铅酸电池最大的最低，也最常用，中国是全世界铅酸电池最大的生产国。其含污染的成分比较少，可回收性好。生产国。其含污染的成分比较少，可回收性好。缺点：是比容小。也就是说，在同样的容量缺点：是比容小。也就是说，在同样的容量下，电池重量和体积都大。目前的铅酸电池基本下，电池重量和体积都大。目前的铅酸电池基本上是由浮充类型的电池发展而来的。浮充电池不上是由浮充类型的电池发展而来的。浮充电池不适应快速充电和大电流放电，虽然技术人员的花适应快速充电和大电流放电，虽然技术人员的花费了大量的心血进行了卓有成效的改进，可以进费了大量的心血进行了卓有成效的改进，可以进入实用了，但是其寿命还是非常不理想的。入实用了，但是其寿命还是非常不理想的。（四）铅酸蓄电池优缺点（四）铅酸蓄电池优缺点（五）铅酸蓄电池的应用领域（五）铅酸蓄电池的应用领域 交通运输汽车、火车、拖拉机、摩托车、电动车等交通运输汽车、火车、拖拉机、摩托车、电动车等; 电信电力邮电、通讯、电站、电力输送等电信电力邮电、通讯、电站、电力输送等; 车站码头叉车、运输车、信号灯、仪器仪表等车站码头叉车、运输车、信号灯、仪器仪表等; 矿山井下矿灯、运输车、矿山井下矿灯、运输车、UPS电源、照明系统等电源、照明系统等; 航