铅酸蓄电池的化学反应原理
来源：宝鄂实业
2019-02-26 21:10
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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(H 2 SO 4 ) 溶液( 密度1.06g/cm 3 ) 中，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简称为铅蓄电池。
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，这是世界上第一个铅蓄电池—— 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
结构
（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PbO 2 ，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：
组成蓄电池需要有两个条件：
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Pb 2+ ( 被氧化) 而在极板带负电；另一方面，由于Pb 2+带正电荷，极板带负电荷，正、负电荷又要相互吸引，这时Pb 2+ 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，其电极电位约为-0.1V 。
正极放电时有少量PbO 2 进入电解液与H 2 O 发生作用，生成Pb(OH) 4 ；而它不稳定，又很快电解成为Pb 4+ 和 和OH - ， Pb 4+ 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Pb 4+ 沉附到正极板上时，这时通过外线路来的2 个电子被Pb 4+ 俘获，生成Pb 2+ 又与电解液中的SO 4 2- 发生反应，变为PbSO 4 ，这些PbSO 4 以固体形式被吸附在正极板上。
电解液中存在的H + 和SO 4 2- 在电场的作用下分别移向电池的正负极，在电池内部产生电流，形成回路，使蓄电池向外持续放电。
所以放电过程总的反应：
（2）充电过程
充电时，负极板上的PbSO 4 进人溶液，解离成Pb 2+ 与 与SO 4 2- 。电解液中的H 2 O 解离成H + 与OH - 。在负极上，充电时负极板上的Pb 2+ 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SO 4 2- 结合成H 2 SO 4 。
正极板上的Pb 2+ 在外电源作用下被氧化，失去两个电子变为Pb 4+ ，它又与OH 结合生成Pb(OH) 4 ，然后又分解为PbO 2 和 和H 2 O ，而SO 4 2 - 离子移向正极与H + 结合生成H 2 SO 4。
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H 2 SO 4 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，正极不断产生游离的H + 和 和SO 4 2- ，负极不断产生SO 4 2- ，在电场的作用下，H + 向负极移动， SO 4 2- 向正极移动，形成电流。
