铅蓄电池的组成、化学反应及工作原理详解

铅蓄电池的组成、化学反应及工作原理详解

铅酸电池由正极板组、负极板组、电解液和容器组成。充电后，正极板为褐色的二氧化铅（PbO2），负极板为灰色绒状的铅（Pb）。当将两块极板放入27%～37%的硫酸（H2SO4）水溶液中时，极板上的铅与硫酸发生反应，二价的铅阳离子（Pb2+）转移到电解液中，在负极板上留下两个电子（2e-）。由于正负电荷的吸引，铅阳离子聚集在负极板周围，而少量的二氧化铅（PbO2）在电解液中水分子的作用下渗入电解液中。二价的氧离子与水结合，使二氧化铅分子变成一种不稳定的、可以离解的物质——氢氧化铅[Pb(OH)4]。氢氧化铅是由四价的铅阳离子（Pb4+）和四个氢氧化物[4(OH)-]组成的。 四价的铅阳离子（Pb4+）留在正极板上，使正极板带正电。由于负极板带负电，两极板间就产生一定的电位差，这就是电池的电动势。当接通外电路时，电流由正极流向负极。放电过程中，负极板上的电子通过外电路继续流向正极板。此时电解液中的硫酸分子被电离成氢阳离子（H+）和硫酸根阴离子（SO42-），在离子电场力的作用下，两种离子分别向正极和负极移动。硫酸根阴离子到达负极板后与铅阳离子结合生成硫酸铅（PbSO4）。 在正极板上，由于外电路流入电子，它们与四价的铅阳离子（Pb4+）结合生成二价的铅阳离子（Pb2+），并立即与正极板附近的硫酸根阴离子结合生成附着在正极上的硫酸铅。

铅酸电池以填充海绵状铅的铅板为负极，填充二氧化铅的铅板为正极，以1.28%稀硫酸为电解液。充电时，电能转化为化学能，放电时，化学能又转化回电能。电池放电时，金属铅为负极，发生氧化反应，被氧化为硫酸铅；二氧化铅为正极，发生还原反应，被还原为硫酸铅。用直流电给电池充电时，两电极上分别生成铅和二氧化铅。撤去电源后，又恢复到放电前的状态，形成化学电池。铅酸电池是可以反复充放电的电池，称为二次电池。其电压为2V，通常将三节铅酸电池串联使用，电压为6V。汽车使用六节[2]铅酸电池串联而成的12V电池组。 铅酸蓄电池使用一段时间后，必须补充蒸馏水，以保持含22-28%稀硫酸的电解液。

放电时，正极反应为：PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+2H2O

负极反应：Pb+SO42--2e-=PbSO4

总反应：PbO2+Pb+===+2H2O（右边的反应为放电，左边的反应为充电）

其他答案

铅酸电池以填充海绵状铅的铅板为负极，填充二氧化铅的铅板为正极，以1.28%稀硫酸为电解液。充电时，电能转化为化学能，放电时，化学能又转化回电能。电池放电时，金属铅为负极，发生氧化反应，被氧化为硫酸铅；二氧化铅为正极，发生还原反应，被还原为硫酸铅。用直流电给电池充电时，两电极上分别生成铅和二氧化铅。撤去电源后，又恢复到放电前的状态，形成化学电池。铅酸电池是可以反复充放电的电池，称为二次电池。它们的电压为2V，通常将三节铅酸电池串联使用，电压为6V。汽车使用六节[2]铅酸电池串联而成的12V电池组。 铅酸蓄电池使用一段时间后，必须补充蒸馏水，以保持含22-28%稀硫酸的电解液。

放电时电极反应为：PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+2H2O

负极反应：Pb+SO42--2e-=PbSO4 总反应：PbO2+Pb+===+2H2O （反应右边为放电，反应左边为充电）

铅酸电池的工作原理

1.铅酸电池电动势的产生

铅酸电池充电后，正极板上的二氧化铅（PbO2），在硫酸溶液中水分子的作用下，少量的二氧化铅与水发生反应，生成一种能离解的不稳定物质——氢氧化铅（Pb(OH)4），氢氧离子在溶液中，而铅离子（Pb4）则残留在正极板上，因此正极板上就缺少电子了。

铅酸电池充电后，负极板是铅（Pb），与电解液中的硫酸（H2SO4）发生反应，变成铅离子（Pb2），铅离子转移到电解液中，在负极板上留下两个多余的电子（2e）。

可以看出，当没有接外电路时（电池开路），由于发生化学反应，正极板上电子不足，负极板上电子过剩，如右图所示，两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。

锂电池原理

锂离子电池的正极材料通常由锂的活性化合物组成，负极则是具有特殊分子结构的碳。常见正极材料的主要成分为：充电时，加在电池两极的电位迫使正极化合物释放出锂离子，并嵌入到负极分子层状结构的碳中。放电时，锂离子从层状结构的碳中析出，与正极化合物重新结合。锂离子的运动就产生了电流。

虽然化学反应的原理很简单，但在实际的工业生产中，还有很多实际的问题需要考虑：正极材料需要添加剂在多次充放电过程中保持活性，负极材料则需要在分子结构层面进行设计，以容纳更多的锂离子；而填充在正负极之间的电解液，除了要保持稳定性之外，还需要具备良好的导电性，以降低电池的内阻。

虽然锂离子电池很少出现镍镉电池那样的记忆效应，但记忆效应的原理就是结晶化，而这种反应在锂电池中几乎不会产生。但是锂离子电池在经过多次充放电后，容量还是会下降，其原因复杂多样，主要是正负极材料本身的变化。从分子层面上讲，正负极上容纳锂离子的空穴结构会逐渐崩塌、堵塞；从化学角度讲，是正负极材料的活性钝化，以及生成其他稳定化合物的副反应。从物理上讲，还会有正极材料的逐渐剥离，最终导致充放电过程中，电池中能够自由移动的锂离子数量减少。

过充过放都会对锂离子电池的正负极造成永久性的损坏。从分子层面可以直观的理解，过放电会导致负极碳中锂离子过度释放，使其层状结构坍塌，而过充又会使过多的锂离子强行进入负极碳结构，使得部分锂离子再也无法释放。这也是锂离子电池通常配备充放电控制电路的原因。

不适宜的温度会引发锂离子电池内部的其他化学反应，生成我们不希望看到的化合物，所以很多锂离子电池的正负极之间会安装保护性的控温隔膜或者电解液添加剂。当电池温度升到一定程度时，复合膜孔隙闭合或者电解液变性，电池内阻增大直至短路，电池不再发热，保证电池充电温度正常。

深度充放电能提高锂离子电池的实际容量吗？专家明确告诉我，这毫无意义。他们甚至说，前三次完全充电和放电所谓的“激活”也是不必要的。但是，为什么很多人发现深度充电和放电后，指示容量会发生变化呢？我以后再说。

锂离子电池通常配有管理芯片和充电控制芯片。管理芯片包含一系列寄存器，存储容量、温度、ID、充电状态、放电次数等值。这些值在使用过程中会逐渐发生变化。我个人认为说明书中“每个月完全充放电一次”的主要目的就是为了修正这些寄存器中不合适的值，使电池的充电控制和标称容量与电池的实际情况相匹配。

充电控制芯片主要控制电池的充电过程。锂离子电池的充电过程分为两个阶段，恒流快速充电阶段（此时电池指示灯为黄色）和恒压电流递减阶段（此时电池指示灯为绿色且闪烁）。在恒流快速充电阶段，电池电压逐渐升高到电池的标准电压，之后在控制芯片的作用下进入恒压阶段，电压不再升高，保证不会过充。电流随着电池电量的增加逐渐减小到0，最后充电完成。

电量统计芯片可以通过记录放电曲线（电压、电流、时间）来采样计算电池电量，也就是我们读入的wh值。锂离子电池经过多次使用后，放电曲线会发生变化，如果芯片没有机会再次读取一条完整的放电曲线，计算出来的电量就会不准确，所以我们需要通过深度充放电来校准电池芯片。

锂离子电池正极的主要成分是C。

正极反应：-xCoO2+xLi++xe-

负极反应：C+xLi++xe-CLix

电池总反应：+CLi1-xCoO2+CLix

放电时发生上述反应的逆反应。