铅酸蓄电池的结构和原理

铅酸蓄电池的基本单元是单体电池,每个单体电池都是由正极板、负极板和装在正极梹和负极板之间的隔板组成的,如图7-3所示。

正极板表面上附着一层褐色的二氧化铅,这层二氧化铅由氧化的铅细粒构成,在这些细粒之间的空间能够允许电解液自由地通过。将正极材料磨成细粒的原因是,可以增大它与电解液的接触面积,这样可以增加反应的面积,从而减小了蓄电池的内阻。负极板是海绵状的铅板,颜色为深灰色。将这两个电极板尽量靠近地平行放置,并保证其不接触,然后在两个电极板之间加入用绝缘材料制成的隔板。这种隔板上密布着细小的孔,既可以保证电解液的通过,又可以阻隔两电极板之间的接触。隔板有合成树脂纤维隔板和玻璃纤维隔板两类。正负电极和隔板都浸在电解液之中,电解液是浓度为27%～37%的稀硫酸水溶液。

图7-3　铅酸蓄电池的结构

当电池两端加上负荷时,电子在电池外部电路流动形成电流,而在电池内部,化学能转换为电能,电以离子的形式从一个电极到另一个电极。正电极在放电时,是由外界电路接受电子,形成还原反应;负电极释放电子到外界电路,形成氧化反应;电解液的作用是给正、负电极之间流动的离子创造一个液体环境,或者说充当离子流动的介质。

化学反应方程式为

负极:

正极:

从方程式中可以看出,当蓄电池向外电路放电时,负极的铅与硫酸氢根离子发生反应,生成硫酸铅和氢离子,同时释放两个电子在负极板上;在正极板上,氧化铅与硫酸氢根离子、氢离子发生反应,吸收两个电子,生成硫酸铅和水。

当外电路向蓄电池充电时,蓄电池的正极接外电路直流电源的正极,负极接负极,外电路向负极源源不断地提供电子,使得负极的硫酸铅和氢离子发生反应,吸收电子,生成硫酸氢根离子和铅,在正极也发生了放电过程的逆反应。

化学反应方程式如下:

负极:

正极:

上述放电和充电两组方程式所描述的反应互为逆反应,所以铅酸蓄电池为可重复使用的电池。放电后电池内部的正极板和负极板的铅和二氧化铅都转变成了硫酸铅,所以这一充放电化学反应理论上被称为双极硫酸盐化理论。在反应过程中,电解液里面的硫酸溶液不仅起到了为传导电离子提供电解质通道的作用,而且同时还参加了电池的充放电反应。当电池处于放电状态时,由于硫酸的不断消耗,同时电池反应还不断地产生水,从而起到了稀释电解液、降低硫酸溶液浓度的作用。其充电过程与放电过程正好相反,正、负两极板上的硫酸铅分别生成二氧化铅和海绵状的铅,同时不断产生硫酸,使得电池中的电解液浓度升高。

铅酸蓄电池单体两端的额定电压为2V,而在实际应用中,往往要求蓄电池两端电压比较高,或者电池容量比较大。在这些情况下单个的电池单体是不能满足要求的,要将多个电池单体串联或并联,来满足高电压、大容量等要求。