电池技术概论作业 - 图文

铅酸蓄电池

姓名：虞童本 专业：卓越理工 学号：14084232 班级：14184111

一、工作原理

充电、放电反应方程式：

阴极： PbSO4 + 2e- == Pb + SO42-；

阳极： PbSO4 + 2H2O - 2e- == PbO2 + 4H+ + SO42-。 正极： PbO2 + 2e- + SO42- + 4H+ == PbSO4 + 2H2O 负极： Pb -2e- + SO4 2- == PbSO4

总反应：PbO2 + 2H2SO4 + Pb == 2 PbSO4 + 2H2O（正向放电，逆向充电） 铅蓄电池由正极板群、负极板群、电解液和容器等组成。充电后的正极板是棕褐色的二氧化铅（PbO2），负极板是灰色的绒状铅（Pb），当两极板放置在浓度为27%～37%的硫酸(H2SO4)水溶液中时，极板的铅和硫酸发生化学反应，二价的铅正离子（Pb2+）转移到电解液中，在负极板上留下两个电子(2e-)。由于正负电荷的引力，铅正离子聚集在负极板的周围，而正极板在电解液中水分子作用下有少量的二氧化铅（PbO2）渗入电解液，其中两价的氧离子和水化合，使

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二氧化铅分子变成可离解的一种不稳定的物质——氢氧化铅（Pb（OH）4）。氢氧化铅由4价的铅正离子（Pb4+）和4个氢氧根〔4（OH）-〕组成。4价的铅正离子（Pb4+）留在正极板上，使正极板带正电。由于负极板带负电，因而两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。

当接通外电路，电流即由正极流向负极。在放电过程中，负极板上的电子不断经外电路流向正极板，这时在电解液内部因硫酸分子电离成氢正离子（H+）和硫酸根负离子（SO42-），在离子电场力作用下，两种离子分别向正负极移动，硫酸根负离子到达负极板后与铅正离子结合成硫酸铅(PbSO4)。在正极板上，由于电子自外电路流入，而与4价的铅正离子（Pb4+）化合成2价的铅正离子（Pb2+），并立即与正极板附近的硫酸根负离子结合成硫酸铅附着在正极上。

铅酸蓄电池用填满海绵状铅的铅板作负极，填满二氧化铅的铅板作正极，并用1.28%的稀硫酸作电解质。

在充电时，电能转化为化学能，放电时化学能又转化为电能。电池在放电时，金属铅是负极，发生氧化反应，被氧化为硫酸铅；二氧化铅是正极，发生还原反应，被还原为硫酸铅。

电池在用直流电充电时，两极分别生成铅和二氧化铅。移去电源后，它又恢复到放电前的状态，组成化学电池。铅蓄电池是能反复充电、放电的电池，叫做二次电池。它的电压是2V，通常把三个铅蓄电池串联起来使用，电压是6V。汽车上用的是6个铅蓄电池串联成12V的电池组。铅蓄电池在使用一段时间后要补充蒸馏水，使电解质持含有22～28%的稀硫酸。

二、电池副反应、过充过放问题及解决方案

1、电池的过充：

铅蓄电池过充电时会发生电解水，使电池失水，并且产生氢气氧气留在电池中。

解决方法：一些铅蓄电池选择了在电池上开盖子，如果电池内气体过多可以及时的排出，平时适当给电池补充蒸馏水。还有一些电池通过加催化剂等方法使电解水生成的气体能反应掉，减少气体在电池中的积累。 2、电池的过放：

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正极板活性物质的有效成分是氧化铅，氧化铅分α-PbO2和β-PbO2，其中，α-PbO2是活性物质的骨架，容量比较小；β-PbO2依附α-PbO2构成的骨架上面，其荷电能力比α-PbO2强很多。氧化铅放电放电以后输出硫酸铅，充电时硫酸铅生产氧化铅。

而充电的时候，在强酸环境中只能够生成β-PbO2。所以电池过放电以后，一旦具有骨架作用的α-PbO2参与放电生成 硫酸铅以后，就再也不能够恢复成为α-PbO2，而充电只能生成β-PbO2。于是正极板就逐渐软化，软化后起到支持作用的多孔结构就被破坏，反应时的面积就减小了，导致了电池性能的下降。

解决方法：在放电电路中要安装合适的保护电路，防止过放电。

三、电池的正负极材料

1、正极：

正极板是在板栅中填满铅膏，板栅是铅的合金。铅膏在生产时转化成α-PbO2和β-PbO2，其中α-PbO2作为活性物质的骨架，参与电池反应的是β-PbO2。

2、负极：

负极板也是在板栅中填满铅膏，用铅的合金作为板栅。铅膏在 生产时转化成海绵状（绒状多孔）的铅。

四、电池的寿命

铅蓄电池本来在设计时的使用寿命应该是4-5年，循环次数大约350次，但实际使用时往往只有短短的1年，引起寿命降低

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的原因是多方面的。经常听到的一句话是：电池不是用坏的，而是充坏的。有很多制造铅蓄电池充电器的厂商因为价格因素，不生产能保证电池寿命的充电器，很多充电器的充电电压超过了电池正常充电时的最高电压，导致了电池的过充电。

有人设计了针对铅蓄电池物理、化学特性的人工智能充电器，用单片机来控制充电的电流、电压，可以很好的保证铅蓄电池的寿命。可是如果推广出来的话又会使蓄电池厂商、蓄电池经销商、电动车经销商、修车铺亏本，陷入了一个两难的境地。

五、电池的经济因素评价

众所周知，铅蓄电池放电时电动势较稳定，工作电压平稳、使用温度及使用电流范围宽、能充放电数百个循环、贮存性能好（尤其适于干式荷电贮存）、造价较低，从而被人们广泛使用。最常见的就是在摩托车和汽车上，由于点火装置只需要瞬间的大电流放电，铅蓄电池可以轻松胜任工作。

但是制造铅蓄电池有铅的污染，而且铅蓄电池的质量比能量比较小，一个铅蓄电池往往是很重的，蓄电池中的硫酸也会对环境造成污染。

就目前来看，铅蓄电池已经有100多年的历史了，铅蓄电池的技术已经成熟，要在这个基础上再有突破性的提升已经几乎不可能了。目前铅蓄电池的优势几乎只有造价低、生产过程简单。虽然在电池的使用中还是占了不小的比重，但是随着近几十年才开始的锂电池技术的不断提升、成本不断降低、安全性能的不断提高，铅蓄电池继续使用的价值也就越来越小。

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