铅酸电池的工作原理
储存电池或二次电池是一种可以将电能储存为化学能,并在需要时将化学能转换为电能的电池。通过外部电源将电能转换为化学能的过程称为电池充电。而将化学能转换为电能以供给外部负载的过程称为二次电池放电。
在电池充电过程中,电流通过电池,导致电池内部发生一些化学变化。这些化学变化在形成过程中吸收能量。
当电池连接到外部负载时,化学变化反向进行,在此过程中吸收的能量被释放为电能并供给负载。
现在我们将尝试理解铅酸电池的工作原理,并为此我们首先讨论广泛用作储存电池或二次电池的铅酸电池。
铅酸蓄电池单元所用材料
构建铅酸电池所需的主要活性材料是
二氧化铅 (PbO2)。
海绵铅 (Pb)
稀硫酸 (H2SO4)。
二氧化铅 (PbO2)
正极板由二氧化铅制成。这是一种深棕色、坚硬且易碎的物质。
海绵铅 (Pb)
负极板由软海绵状纯铅制成。
稀硫酸 (H2SO4)
用于铅酸电池的稀硫酸水与酸的比例为 3:1。
通过将二氧化铅板和海绵铅板浸入稀硫酸中形成铅酸蓄电池。在这些板之间连接一个外部负载。在稀硫酸中,酸分子分解成正氢离子 (H+) 和负硫酸根离子 (SO4 − −)。当氢离子到达 PbO2 板时,它们从该板接收电子并变成氢原子,这些氢原子再次攻击 PbO2 并形成 PbO 和 H2O(水)。这种 PbO 与 H2 SO4 反应生成 PbSO4 和 H2O(水)。
SO4 − − 离子在溶液中自由移动,因此其中一些会到达纯 Pb 板,在那里它们会给出多余的电子并变成游离基 SO4。由于游离基 SO4 不能单独存在,它会攻击 Pb 并形成 PbSO4。
由于 H+ 离子从 PbO2 板获取电子,而 SO4 − − 离子给 Pb 板提供电子,这两块板之间会有电子不平衡。因此,为了平衡这种电子不平衡,会在这些板之间的外部负载中有电流流动。这个过程被称为铅酸电池放电。
铅硫酸盐 (PbSO4) 是白色。在放电过程中,
两块板都被 PbSO4 覆盖。
由于在 PbO2 板上反应产生的水,硫酸溶液的比重下降。
结果,反应速率降低,这意味着两板之间的电位差在放电过程中减小。
现在我们将断开负载,并将覆盖有 PbO2 的 PbSO4 板连接到外部直流电源的正极,将覆盖有 Pb 的 PbO2 板连接到该直流电源的负极。在放电过程中,硫酸的密度下降,但溶液中仍存在硫酸。这种硫酸仍然以 H+ 和 SO4− − 离子的形式存在于溶液中。氢离子(阳离子)带正电荷,移向与直流电源负极相连的电极(阴极)。在这里,每个 H+ 离子从该电极获取一个电子并成为氢原子。这些氢原子然后攻击 PbSO4 并形成铅和硫酸。
SO4− − 离子(阴离子)移向与直流电源正极相连的电极(阳极),在那里它们将放弃多余的电子并变成游离基 SO4。这种游离基 SO4 不能单独存在,因此与阳极的 PbSO4 反应生成二氧化铅 (PbO