蓄电池的工作原理和特性
铅酸蓄电池的工作原理
铅酸蓄电池的工作原理铅酸蓄电池是一种常见的电池类型，广泛应用于各种交通工具、电力系统和备用电源等领域。
本文将详细介绍铅酸蓄电池的工作原理，从化学反应、电化学过程、充放电特性以及常见问题等方面进行分析。
一、化学反应过程铅酸蓄电池的核心化学反应是氧化还原反应，其基本反应方程式如下：负极反应：Pb + HSO4- → PbSO4 + H+ + 2e-正极反应：PbO2 + HSO4- + 3H+ + 2e- → PbSO4 + 2H2O综合反应：Pb + PbO2 + 2HSO4- + 2 H+ → 2PbSO4 + 2H2O其中，负极是由纯铅（Pb）构成，正极则是由氧化铅（PbO2）构成，而电解液则是由硫酸（HSO4-）溶解在水中形成。
二、电化学过程铅酸蓄电池中的电化学过程主要是指充电和放电过程。
1. 充电过程：当外部电源连接到电池时，电流从外部电源进入电池，推动反应物发生化学反应。
在充电过程中，正极的PbO2会释放出电子，电子在外部电路中流动，从而进一步推动负极上的Pb发生氧化还原反应。
同时，此时负极上的PbSO4会回溶到电解液中，正极的PbSO4则会形成。
2. 放电过程：放电过程是充电过程的逆反应，也是电池提供电能的过程。
当外部电路连接到电池并消耗电流时，正极上的PbSO4会溶解回到电解液中，负极上的PbSO4则会形成。
这个过程伴随着电子从负极流向正极，推动外部电路中的电流流动，从而提供能量。
三、充放电特性铅酸蓄电池具有几个典型的充放电特性：1. 自放电：铅酸蓄电池自放电是指在无负载情况下，电池内部的化学反应仍然会导致电容的减小。
这是由于内部的化学反应会导致极板的腐蚀和电解液的损失。
为了防止自放电，可以采用定期充电来保持电池的容量。
2. 循环寿命：铅酸蓄电池的充放电循环次数有限，一般在300-500次左右。
在每次循环中，电池容量会逐渐减小，电动力也会下降。
这是由于铅酸蓄电池的化学反应过程中不可逆反应的存在。
蓄电池的工作原理及特性
蓄电池的工作原理及特性一、蓄电池的工作原理蓄电池是由浸渍在电解液中的正极板(二氧化铅Pb02)和负极板(海绵状纯铅Pb)组成的，电解液是硫酸(H2S04)的水溶液。
当蓄电池和负载接通放电时，正极板上的Pb02 和负极板上的Pb都变成PbS04，电解液中的H2S04减少，相对密度下降。
充电时按相反的方向变化，正负极板上的PbS04分别恢复成原来的Pb02和Pb，电解液中的硫酸增加，相对密度变大。
如略去中间的化学反应过程，可用下式表示：Pb02+Pb十2H2S04=2PbS04+2H20 (1—1)1．电势的建立当极板浸入电解液时，在负极板处，金属铅受到两方面的作用，一方面它有溶解于电解液的倾向，因而有少量铅进入溶液，生成Pb2+，在极板上留下两个电子2e，使极板带负电；另一方面，由于正、负电荷的吸引，Pb2+有沉附于极板表面的倾向。
当两者达到平衡时，溶解便停止，此时极板具有负电位，约为-0.1V。
正极板处，少量Pb02溶入电解液，与水生成Pb(OH)：，再分离成四价铅离子和氢氧根离子。
即Pb02+2H20---->Pb(OH)4Pb(OH)4=Pb4++4(OH)-由于Pb4+沉附于极板的倾向，大于溶解的倾向，因而沉附在正极板上，使极板呈正电位。
当达到平衡时，约为+2.0V。
因此，当外电路未接通，反应达到相对平衡状态时，蓄电池的静止电动势约为：E0=2.0-(-0.1)=2.1V2．铅蓄电池的放电当蓄电池接上负载后，在电动势的作用下，电流从正极经过负载流往负极(即电子从负极到正极)，使正极电位降低，负极电位升高，破坏了原有的平衡。
放电时的化学反应过程如图1—3所示。
在正极板处，Pb4+和电子结合，变成二价铅离子Pb2+，Pb2+与电解液中的SO42-结合生成PbS04沉附于极板上。
即Pb4++2e----> Pb2+Pb2++ SO42-=PbSO4在负极板处，Pb2+与电解液中的SO42-结合也生成PbS04沉附在负极板上，而极板上的金属铅继续溶解，生成Pb2+和电子。
1---2-蓄电池的工作原理及特性
5min
单格电池终止电压（V）
1.75
1.70
1.65
1.55
1.50
C20——蓄电池的额定容量。
2、铅蓄电池的充电
充电时，蓄电池的正、负极分别与直流电源的正、 负极相连，当充电电源的端电压高于蓄电池的电动势时， 在电场的作用下，电流从蓄电池的正极流入，负极流出， 这一过程称为充电。蓄电池充电过程是电能转换为化学能 的过程。
蓄电池放电终了的特征是：
（1）单格电池电压降到放电终止电压； （2）电解液密度降到最小许可值。
放电终止电压与放电电流的大小有关。放电电 流越大，允许的放电时间就越短，放电终止电压 也越低。如下表所示。
放电电流（A）
0.05C20 0.1C20 0.25C20
C20
3C20
放电时间
20h
10h
3h
25min
8
二、 蓄电池的容量及其影响因素
蓄电池容量C等于放电电流If与放电时间tf的乘积：
C＝If ·tf
1．额定容量
据国标GB5008.1－91规定，将充足电的新蓄电池，在电解 液温度为25±5℃的条件下，以20小时率的放电电流（即 0.05C20安培）连续放电至单池平均电压降到1.75V时，输出 的电量称为蓄电池的额定容量，用C20表示。单位为A·h。
2PbSO4+2H2O——PbO2+2H2SO4+Pb 解这从充液时电电中，解当时的充液过，H电中剩正2接逸的S、O近出充4负增终，电极多了负电板，时极流上密，板将的度P电附bP上S近解bO升S产水O4。已生，4还基H使原本2正从成还极电P原板b解成O附液P2和近b中OP产逸2b和生出，PO电 ，b2， 电解液液面高度降低。因此，铅蓄电池需要定期补充蒸馏 水。
第三节 蓄电池的工作原理和工作特性(王字号)
第三节 蓄电池的工作原理和工作特性
学习内容 工作原理 工作特性
负极板，由于得到二个电子与原二 价铅离子结合而生成纯铅（附在负极 板上）即： 电解液中: 在充电接近结束时，硫酸铅分别 转化为相应的活性物质，如果还继续 充电，将会引起水的电解，即：
2H2O 2H2 O2
概述 蓄电池的结构与型号 蓄电池的工作原理和工作特性 蓄电池的容量及影响因素 蓄电池的充电 蓄电池常见故障及其排除方法 蓄电池的使用与维护 新型蓄电池
蓄电池的结构与型号 蓄电池的工作原理和工作特性 蓄电池的容量及影响因素 蓄电池的充电 蓄电池常见故障及其排除方法 蓄电池的使用与维护 新型蓄电池
参考教材p9
第三节 蓄电池的工作原理和工作特性
学习内容 工作原理 工作特性
4、充电特性 蓄电池的充电特性是指在在恒流充电过程
概述 蓄电池的结构与型号 蓄电池的工作原理和工作特性 蓄电池的容量及影响因素 蓄电池的充电 蓄电池常见故障及其排除方法 蓄性
学习内容 工作原理 工作特性
蓄电池端电压的测量： 一般发动机未工作时测量蓄电池电压为开 路电压为12V。 一般发动机工作时测量蓄电池电压为充电
概述 蓄电池的结构与型号 蓄电池的工作原理和工作特性 蓄电池的容量及影响因素 蓄电池的充电 蓄电池常见故障及其排除方法 蓄电池的使用与维护 新型蓄电池
概述 蓄电池的结构与型号 蓄电池的工作原理和工作特性 蓄电池的容量及影响因素 蓄电池的充电 蓄电池常见故障及其排除方法 蓄电池的使用与维护 新型蓄电池
将完全充足电的蓄电池以20h放电率的电
流进行放电，使放电电流保持稳定不变，每 隔一定的时间，测量端电压和电解液密度， 即得到放电特性曲线。
第三节 蓄电池的工作原理和工作特性
免维护蓄电池的工作原理及性能特点
免维护蓄电池的工作原理及性能特点谓免维护蓄电池，是指在规定的使用条件下，使用期间不需要进行维护的蓄电池。
对于车用铅蓄电池来讲，也就是使用期间不需经常添加蒸馏水的蓄电池。
一、免维护蓄电池的工作原理免维护蓄电池的工作原理与普通铅蓄电池相同。
放电时，正极板上的二氧化铅和负极板上的海绵状铅与电解液内的硫酸反应生成硫酸铅和水，硫酸铅则沉淀在正负极板上，而水则留在电解液内；充电时，正负极板上的硫酸铅又分别还原成二氧化铅和海绵状铅。
免维护蓄电池，由于其负极板上的硫酸铅含量比正极板上多，因此，充足电时正极板的硫酸铅全部转变成了二氧化铅，而负极板用来产生氧气，被用于使多余的硫酸铅转变成海绵状铅。
同时，在正极板上所产生的氧气也不会外逸，而是迅速与负极板上的活性物质（海绵状铅）发生反应生成二氧化铅，再与电解液中的硫酸反应变成硫酸铅和水。
因此从理论上讲，免维护蓄电池即使被过充电时，其电解液中的水也不会散失。
二、免维护蓄电池具有以下性能特点1、自行放电量小普通铅蓄电池的栅架上多采用铅锑合金，且锑的含量较高（一般为4%～7%），在充电时，正极栅架的锑逐渐溶解到电解液中，并在负极板表面上沉积，与负极板上的活性物质形成微电池，从而导致自行放电量增大。
而免维护蓄电池正极栅架多为铅钙合金，其晶粒较细，耐腐蚀，所以自行放量较小。
2、失水量小免维护蓄电池的失水量，一般为普通蓄电池的十分之一，其原因是铅锑合金的析氢过电位较低，所以充电末期在负极板处有大量的氢气析出，造成失水较多，而铅钙合金氢的析出过电位与纯铅相似，比铅地锑合金高出许多。
因此充电时使氢析出量大大减少，从而使失水量减少。
3、启动性能好普通蓄电池的启动电流一般为该电池20 h放电率额定容量的3倍~4倍，而免维护蓄电池的启动电流可达普通蓄电池20 h放电率额定容量的5倍~9倍。
其原因是铅钙合金的电导比铅锑合金高（含钙量为0.1%的铅钙合金比含锑7%的铅锑合金的电导高20%）。
另外，免维护蓄电池各单格间的连接采用内连式，缩短了电路的连接长度，使连接条上的功率损失减少80%，放电电压提高0.15V~0.4V。
蓄电池
2.定压充电 充电过程中,加在蓄电池两 端的电压保持不变的充电方法。 特点:
充电过程中，充电电压保 持不变。充电开始，充电电流 很大，随着蓄电池电动势的为 断升高，充电电流逐渐减小， 直至为零。
单格电池充电电压通常选 择为2.5V。
3.脉冲快速充电 脉冲快速充电电流波形如图 所示。
特点：
（1）充电速度快、充电时间短； （2）可以增加蓄电池的容量。 （3）去硫化效果好。 （4）充电过程中产生大量气泡, 对活性物质的冲刷力强,易使活性 物质脱落,蓄电池的使用寿命下降。
三、 蓄电池的容量及影响因素
主要内容： 1.蓄电池的容量 2.蓄电池容量的影响因素
蓄电池的容量
定义：蓄电池在完全充足电的情况下，在允许放电的 范围内对外输出的电量，单位为安培小时（A· h）。 类型：额定容量、起动容量 （1）额定容量 完全充足电的蓄电池在电解液平均温度为25℃的 情况下，以20h率放电电流连续放电至单格电压降至 1.75V时所输出的电量.
充电过程：
电路连接 充电时，外接直流电源 的正极接蓄电池的正极板，电源的负极 接蓄电池的负极板。 电流流向 当直流电源的电动势高 于蓄电池的电动势时，电流将以放电电 流相反的方向流过蓄电池。 充电结果 正极板上的正二价铅离 子失去2个电子成为正四价铅离子，与水 反应生成二氧化铅，附着在正极板上， 电位升高； 负极板上的正二价铅离子得到2个电 子生成一个铅分子而附着在负极板上； 从正、负极板上电离出来的硫酸根离 子与水中的氢离子结合生成硫酸。
且与底部垂直，以便充放电时，电解液能通过沟槽及时供给正极 板，当正极板上的活性物质PbO2脱落时能迅速通过沟槽沉入容器 底部。
3. 电解液
作用：由纯净硫酸和蒸馏水按一定比例配制而成。 密度一般为1.24～1.30 g/cm3。
铅酸蓄电池特点
铅酸蓄电池特点铅酸蓄电池特点铅酸蓄电池是一种常见的储能设备，广泛应用于汽车、UPS、太阳能发电系统等领域。
它具有以下特点：一、化学反应机制铅酸蓄电池的正极为氧化铅（PbO2），负极为纯铅（Pb），电解液为稀硫酸溶液。
在充电时，外部电源提供直流电，使氧化铅还原成铅酸和水，同时纯铅被氧化成二价离子Pb2+，溶于电解液中。
在放电时，二价离子Pb2+与硫酸根离子SO42-结合形成四价离子PbSO4，并释放出两个电子，这些电子通过外部负载流回正极，氧化还原反应继续进行。
二、容量与工作原理1. 容量铅酸蓄电池的容量通常用安时（Ah）表示。
容量大小取决于正极和负极的表面积、活性物质的含量以及电解液浓度等因素。
2. 工作原理在充放过程中，正负极上都会发生物理和化学变化。
充电时，氧化铅被还原成铅酸和水，同时纯铅被氧化成二价离子Pb2+，溶于电解液中。
放电时，二价离子Pb2+与硫酸根离子SO42-结合形成四价离子PbSO4，并释放出两个电子，这些电子通过外部负载流回正极，氧化还原反应继续进行。
三、优点1. 价格低廉铅酸蓄电池是一种价格相对较低的储能设备。
2. 长寿命在合适的使用条件下，铅酸蓄电池可以拥有较长的使用寿命。
3. 安全性高铅酸蓄电池不易引起火灾或爆炸等事故，安全性较高。
4. 可靠性强由于铅酸蓄电池是一种成熟的技术，在使用过程中可靠性较高。
5. 具有自放电特性铅酸蓄电池具有自放电特性，在长时间不使用时也能保持一定的充电状态。
四、缺点1. 重量大由于铅酸蓄电池的正负极均为铅，因此它的重量相对较大。
2. 能量密度低铅酸蓄电池的能量密度相对较低，无法满足某些高功率、高能量应用的需求。
3. 环保性差铅酸蓄电池中含有大量的铅和硫酸等有害物质，废弃后会对环境造成一定的污染。
五、应用领域1. 汽车起动电源铅酸蓄电池是汽车起动电源的主要储能设备，在汽车行业得到广泛应用。
2. 太阳能发电系统太阳能发电系统需要储存太阳能发出的电能，铅酸蓄电池是其中一种常见的储能设备。
铅酸蓄电池的工作原理和结构分析
铅酸蓄电池的工作原理和结构分析铅酸蓄电池是一种广泛应用于汽车、电动车和UPS等领域的重要电池类型。
本文将对其工作原理和结构进行详细分析。
一、工作原理铅酸蓄电池通过化学反应将化学能转化为电能。
它采用了正极活性物质为二氧化铅（PbO2），负极活性物质为海绵铅（Pb），电解液是硫酸溶液。
在充电过程中，外部直流电源通过正极，使其发生氧化反应，并转化为二氧化铅。
同时，负极发生还原反应，将铅转化为铅酸盐和连续的硫酸铅溶液。
电解液中的硫酸铅溶液饱和度增加，产生大量的正极材料和负极材料。
在放电过程中，正负两极上发生化学反应，将储存的化学能转化为电能。
正极的二氧化铅与负极的海绵铅反应生成过渡产物氧气和硫酸铅。
同时，硫酸铅溶液被它们稀释，此过程中产生了电流。
由于铅酸蓄电池的工作涉及到正极和负极的氧化还原反应，因此常被称为“铅酸电池”。
二、结构分析铅酸蓄电池的结构由正负极板、电解液、隔膜和壳体等组成。
1. 正负极板：正极板由具有催化作用的铅-锡合金制成。
这种合金可以增强正极的电导率和整体反应速度。
负极板由纯铅制成。
这是因为铅在还原反应中的活性更高，能够迅速还原成铅。
2. 电解液：电解液由硫酸溶液组成，通常浓度为1.28g/cm3。
硫酸固降低冷却剂的冰点，可以防止电池过冷冻。
3. 隔膜：隔膜是正极和负极之间的隔离层，防止电极短路。
隔膜通常使用的是纤维素材料，具有良好的孔隙性和电导率。
4. 壳体：壳体由塑料或金属材料制成，起到固定电解液和电池内部结构的作用。
以上是铅酸蓄电池的主要结构组成。
它们相互配合，形成了一个完整的闭合系统，以实现电能的存储和释放。
铅酸蓄电池的优点包括成本低廉、容量大、寿命长等。
然而，也存在一些缺点，如自放电速度快、充电时间长等。
近年来，随着科学技术的发展，新型蓄电池技术的兴起，铅酸蓄电池在某些领域正逐渐被其他类型的蓄电池所取代。
总的来说，铅酸蓄电池的工作原理是通过正负极的氧化还原反应将化学能转化为电能，结构上由正负极板、电解液、隔膜和壳体组成。
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（1）充电开始阶段 端电压迅速上升。
开始充电时，孔隙内迅速生成硫酸， 浓差极化增大，端电压迅速上升。
4．充电特性
在恒流充电过程中，蓄电池的端电压UC 和电解液密度ρ25℃ 随时间ｔC而变化的 规律。
恒流充电特性曲线见图1-13。
ρ25℃按直线规律上升。恒流放电，电流 值一定，化学反应速度一定，单位时间生 成的硫酸量一定。
负极板： Pb－2e→Pb2+ Pb2++SO42-→PbSO4
电解液：H++OH-→H2O
蓄电池放电特征
（1）活性物质PbO2和Pb均逐渐变为 PbSO4。
（2）放电过程中，电解液密度下降，所以， 可通过电解液密度判断放电程度
（3）蓄电池内阻逐渐增大。
3．充电过程 将电能转换成蓄电池化学能的过程称为充 电过程，它是放电反应的逆过程。 化学反应过程见图1-10所示： PbSO4→Pb2++SO42- H20→2H++OH-
OH-留在电解液中，Pb4+ 沉附在正极
表面,使正极板有+2.0V
在外电路未接通时，反应达到动态平 衡时，静止电动势为：
E=2.0－(－0.1)=2.1V
2．放电过程
将蓄电池的化学能转换成电能的过程 称为放电过程。
化学反应过程将按图1-9所示
正极板： Pb4++2e→Pb2+ Pb2++SO42-→PbSO4
蓄电池的工作原理和特性
一、工作原理
蓄电池的化学反应方程式为:
1．电动势的建立
蓄电池的电动势是正、负极浸入电解 液后产生的。其反应过程见图1-8所示
负极板：
铅溶于电解液中，失电子生成Pb2+
Pb-2e→Pb2+ 电子留在负极板上，和Pb2+吸引，使负极 具有负电位，为-0.1V。
正极板：PbO2溶于电解液 PbO2+2H2O→Pb(OH)4 Pb(OH)4→Pb4+ + 4OH-
2．内阻 电流流过蓄电池时所受到的阻力称为蓄电 池的内阻。
蓄电池的内阻包括以下几部分：
（1）极板内阻 很小，随活性物质的 变化而变化，充电时变小，放电时变大。
（2）隔板内阻 与材料有关 （3）电解液内阻 温度升高，内阻下 降；内阻与密度关系密度见图1-11。 （4）联条内阻 很小，为定值
3．放电特性 恒流放电过程中，蓄电池的端电压Uf 和电 解液密度ρ25℃ 随时间ｔf而变化的规律。 恒流放电特性曲线图1-12 。
正极板：Pb2+－2e→Pb4+ Pb4++4OH- → Pb(OH)4 → PbO2+2H2O 负极板：Pb2+ +2e→Pb
电解液：2H++SO42-→ H2SO4
充电末期，PbSO4基本还原为PbO2和Pb， 部分充电电流电解水，其反应方程式为：
H2SO4 → 2H++SO42-
负极： 4H++4e→2H2↑ 正极：
2H2SO4+2H2O－4e → 2H2SO4+O2↑
总反应式：2H2O→2H2↑+O2↑
二、工作特性
蓄电池的工作特性包括：静止电动势、 内阻、充电特性和放电特性
1．静止电动势ES 蓄电池处于静止状态时，正负极板之间的电位差 （即开路电压）称为静止电动势。 在密度为1.05～1.30g/cm3范围内 ES=0.85+ρ25°C（V） 其中，ρ25°C（V）为25°C时电解液的相 对密度ρ25°C=ρT+0.0007（T-25） 汽车用蓄电池的电解液密度一般在1.121.30g/cm3之间，因此ES=1.97～2.15（V）
UC 变化规律：UC = E + IC Ri
（2）稳定上升阶段 端电压缓慢上升至2.4V左右。 孔隙内生成的硫酸向孔隙外扩散，当
硫酸生成的速度与扩散速度达到平衡时， 端电压随整个容器内电解液密度变化而缓 慢上升。
（3）充电末期 电压迅速上升到2.7V左右，且稳定不
变，电解液呈沸腾状态。
活性物质还原反应结束后的充电称为 过充电，充电电流用于电解水，应避免长 时间过充电。
ρ25℃按直线规律下降。恒流放电，电流 值一定，化学反应速度一定，单位时间消 耗的硫酸量一定。
Uf 变化规律：Uf =E－If Ri
（1）开始放电阶段 端电压由2.14V迅速下降至2.1V 极板孔隙内硫酸迅速消耗，电解液密
度迅速下降，浓差极化增大，端电压迅速 下降。
（2）相对稳定阶段 端电压由缓慢下降至1.85V 极板孔隙外向孔隙内扩散的硫酸与孔
（4）充电停止后，端电压逐渐下降至静止 电动势。
蓄电池充电终了的特征
（1）端电压和电解液密度上升到最大值 （2.7V），且在2h小时内不上升。 （2）电解液中剧烈冒汽泡，呈沸腾现象。 (电解水)
蓄电池电动势的建立
蓄电池放电过程
蓄电池充电过程
电解液电阻与密度的关系
恒流放电特性曲线
恒流充电特性曲线
隙内消耗的硫酸达到动态平衡，孔内外电 解液密度一起缓慢下降，所以端电压缓慢 下降。
（3）迅速下降阶段 端电压由1.85V迅速下降至1.75V。 放电接近终了时，电化学极化、浓差
极化、欧姆极化显著增大，端电压迅速下 降。
蓄电池放电终了的特征
（1）单个电压降到放电终止电压(单 池终止电压和放电电流有关)1.75v