姓名:陈孟春专业:计算机科学与技术。
1、工作原理。
充电、放电反应方程式:
正极: pbo2+ 2e- +so42-+ 4h+ =pbso4+ 2h2o
负极: pb -2e- +so42-==pbso4
阴极: pbso4+ 2e- =pb + so42-;
阳极: pbso4+ 2h2o - 2e- =pbo2+ 4h+ +so42-。
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,使电解质保持含有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:
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**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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