详解铅酸蓄电池的化学反应原理

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。