鉛蓄電池の動作原理 | 鉛蓄電池二次電池

鉛蓄電池の動作

蓄電池または二次電池は、電気エネルギーを化学エネルギーとして保存し、必要に応じてこの化学エネルギーを電気エネルギーに変換できる電池です。外部電源を用いて電気エネルギーを化学エネルギーに変換することを充電と呼びます。一方、外部負荷に供給するために化学エネルギーを電気エネルギーに変換することを放電と呼びます。
充電中には、バッテリーの充電中に、電流がバッテリーを通るため、内部でいくつかの化学的変化が起こります。これらの化学的変化は形成時にエネルギーを吸収します。

バッテリーが外部負荷に接続されると、逆方向に化学的変化が起こり、吸収されたエネルギーが電気エネルギーとして放出され、負荷に供給されます。
ここでは、鉛蓄電池の動作原理について理解しようとします。そのためにはまず、一般的に使用される蓄電池または二次電池である鉛蓄電池について説明します。

鉛蓄電池セルに使用する材料

鉛蓄電池を構築するための主な活性材料は以下の通りです。

1. 二酸化鉛（PbO2）。

2. スポンジ状鉛（Pb）

3. 希硫酸（H2SO4）。

過酸化鉛（PbO2）

正極板は過酸化鉛で作られています。これは暗褐色で硬く脆い物質です。

スポンジ状鉛（Pb）

負極板は純粋な鉛で、柔らかくてスポンジ状の状態です。

希硫酸（H2SO4）

鉛蓄電池に使用される希硫酸は、水：酸 = 3:1 の比率です。

鉛蓄電池は、過酸化鉛板とスポンジ状鉛板を希硫酸に浸して形成されます。これらの板間に外部負荷を接続します。希硫酸中の酸の分子は、陽イオン（H+）と陰イオン（SO4 − −）に分裂します。H+ イオンが PbO2 板に到達すると、その電子を受け取り、水素原子になり、再び PbO2 に攻撃して PbO と H2O（水）を形成します。この PbO は H2 SO4 と反応して PbSO4 と H2O（水）を形成します。

SO4 − − イオンは溶液中で自由に動きますので、一部は純粋な Pb 板に到達し、そこで余分な電子を与えてラジカル SO4 になります。ラジカル SO4 は単独では存在できないため、Pb に攻撃して PbSO4 を形成します。
H+ イオンが PbO2 板から電子を取り、SO4 − − イオンが Pb 板に電子を与えるため、これらの板間に電子の不均衡が生じます。したがって、これらの板間の外部負荷を通じて電流が流れ、この電子の不均衡を調整します。この過程を鉛蓄電池の放電と呼びます。
鉛硫酸（PbSO4）は白色です。放電中には、

1. 両方の板が PbSO4 で覆われます。

2. PbO2 板での反応により水が生成するため、硫酸溶液の比重が下がります。

3. 結果として、反応速度が低下し、つまり電位差が放電中に減少します。

次に、負荷を切り離し、PbSO4 で覆われた PbO2 板を外部 DC 電源の正極端子に接続し、PbO2 で覆われた Pb 板を負極端子に接続します。放電中には硫酸の濃度が下がりますが、溶液中にまだ硫酸が存在します。この硫酸も H+ および SO4− − イオンとして溶液中に存在します。水素イオン（カチオン）は正の電荷を持っているため、DC 電源の負極端子に接続された電極（カソード）に移動します。ここで各 H+ イオンは電子を一つ受け取り、水素原子になります。これらの水素原子は PbSO4 に攻撃して鉛と硫酸を形成します。

SO4− − イオン（アニオン）は DC 電源の正極端子に接続された電極（アノード）に向かって移動し、そこで余分な電子を放出してラジカル SO4 になります。このラジカル SO4 は単独では存在できないため、アノードの PbSO4 と反応して過酸化鉛（PbO2）と硫酸（H2SO4）を形成します。