蓄电池中的酸是什么?蓄电池工作原理分析
铅蓄电池中含有的酸是稀硫酸,工作时的原理如下:
正极反应为:PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+2H2O,
负极反应为:Pb+SO42--2e-=PbSO4
其电池的放电总反应为:PbO2+2H2SO4+Pb=2PbSO4+2H2O,二氧化铅和铅在稀硫酸作用下生成硫酸铅和水,充电过程则为其逆反应。
铅酸蓄电池里面的液体叫电解液。
电解液是由浓硫酸和净化水(去离子水)配制而成的。
蓄电池(StorageBattery)是将化学能直接转化成电能的一种装置,是按可再充电设计的电池,通过可逆的化学反应实现再充电,通常是指铅酸蓄电池,它是电池中的一种,属于二次电池。它的工作原理:充电时利用外部的电能使内部活性物质再生,把电能储存为化学能,需要放电时再次把化学能转换为电能输出,比如生活中常用的手机电池等。[1]
它用填满海绵状铅的铅基板栅(又称格子体)作负极,填满二氧化铅的铅基板栅作正极,并用密度1.26--1.33g/mlg/ml的稀硫酸作电解质。电池在放电时,金属铅是负极,发生氧化反应,生成硫酸铅;二氧化铅是正极,发生还原反应,生成硫酸铅。电池在用直流电充电时,两极分别生成单质铅和二氧化铅。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,它的单体电压是2V,电池是由一个或多个单体构成的电池组,简称蓄电池,最常见的是6V、
储能蓄电池,免维护蓄电池,其它还有2V、4V、8V、24V蓄电池。如汽车上用的蓄电池(俗称电瓶)是6个铅蓄电池串联成12V的电池组。
酸就是稀硫酸、
凡是以呈酸性水溶液作为电解质的蓄电池统称为酸性蓄电池,其中最为典型的是铅酸蓄电池。酸性蓄电池主要优点是工作电压较高,使用温度宽,高低速率放电性能良好,原料来源丰富,价格低廉。其缺点是能量密度较低,使其体积、重量较大。[1]
铅酸蓄电池,其正极为二氧化铅,负极为海绵状铅,电解质为硫酸水溶液,隔板(隔膜)根据不同类型的铅蓄电池使用微孔橡胶隔板、微孔塑料隔板或其他材料,电池壳体使用硬橡胶、工程塑料、玻璃钢等材料制成。
酸性蓄电池主要由容器、极板和隔板三部分组成。酸性蓄电池的容器是用来储盛电解液和支撑极板的,所以它必须具有防止酸液漏泄、耐腐蚀、坚固和耐高温等特性。根据材料不同,常用的铅酸蓄电池容器有玻璃槽、铅衬木槽、塑料槽和硬橡胶槽四种。[2]
一般海洋石油工程上使用酸蓄电池的极板采用铅锑合金制成栅格式,栅格中压入活性物质。正极板的活性物质是二氧化铅(PbO2),负极板的活性物质是海绵状纯铅。为了增大容量,蓄电池正极板和负极板都制成好多片,分别并联在一起,接成两组,构成蓄电池的正极和负极。每一组正负极板所组成的单电池的电压约有2V左右,在实际应用时常将3个或6个相同的单电池串接起来成为一组。蓄电池负极板总比正极板多一块,每块正极板夹在两块负极板当中,使正极板两面都起化学反应,产生同样的膨胀和收缩,减少极板弯曲的机会,从而延长了极板使用寿命,因为负极板在充放电过程中伸缩现象较正极板少得多,制造时也较正极板薄一些,最外侧的两块负极板只有一面与正极起化学作用,因此其厚度就比中问的负极板还要薄。[2]
隔板的作用是使蓄电池的正、负极板互相绝缘,可用木板、硬橡皮、塑料等制成。为了使电解液能自由地流通,隔板的构造应是多孔的,但是不能使脱落的活性物质经过隔板而与相邻极板接触。
铅蓄电池的两组极板插入稀硫酸溶液里发生化学变化就产生电压。通入直流电时(充电),在正极板上的氧化铅变成了棕褐色的二氧化铅(PbO2),在负极板上的氧化铅就变成灰色的绒状铅(Pb,也叫海绵状铅)。铅蓄电池放电时,正负极板上的活性物质都吸收硫酸起了化学变化,逐渐变成了硫酸铅(PbSO4),当正负极板上的活性物质都变成了同样的硫酸铅后,蓄电池的电压就下降到不能再放电了。此时需要对蓄电池充电,使其恢复成原来的二氧化铅和绒状铅,这样,蓄电池又可以继续放电。在蓄电池中产生的化学变化是可逆的,用方程式表示如下:[2]
充放电化学表达式
充放电化学表达式
由上式可以看出,充电时电解液稀硫酸的密度会增加;放电时由于生成水,密度降低。酸性蓄电池的电动势,主要与电解液密度有关。密度高,电动势也高。用经验公式表示有下述关系:
式中:
E——蓄电池的电动势,V;
d——电解液的密度。
酸性蓄电池的内阻由极板电阻、电解液电阻及极板连接部分的电阻所组成。
当蓄电池充电时,电解的密度发生变化,极板上的有效物质发生变化,所以蓄电池的内阻也随之变化。蓄电池在充电后内阻最小,放电时内阻增加。对于使用的蓄电池,其内阻可用下列公式计算:
式中:
R——蓄电池内阻,Ω;
E——开路电压,V;
U——工作时的端电压,V;
I——放电电流,A。
蓄电池的容量表示蓄电池储存电能的能力,船用蓄电池的容量一般以10小时放电率的安培小时做单位。例如250安培小时的蓄电池能以25安培的电流放电10小时。但是同一蓄电池在1小时的放电率时不能给出250安培小时容量,事实上,将小于250安培小时。在10小时放电率以外的放电率时应乘以一适当的容量系数,如表2-58所示。[2]