第三节 蓄电池的工作原理

蓄电池的工作原理包括蓄电池电动势的建立、充电过程和放电过程。在充、放电过程中，蓄电池内部发生的化学反应是可逆的。自1859年法国科学家加斯顿·普莱特发明铅酸蓄电池以来，关于蓄电池化学反应过程有各种不同的理论，一般认为格拉斯顿和特拉普于1882年创立的双极硫酸盐化理论（简称双硫化理论）能较确切地说明蓄电池的化学反应过程。

根据双硫化理论，铅蓄电池正极板上的活性物质是二氧化铅（PbO₂），负极板上是海绵状铅（Pb），电解液是硫酸（H₂SO₄）水溶液。当蓄电池与负载接通放电时，正极板上的PbO₂和负极板上的Pb都将转变成硫酸铅（PbSO₄），电解液中的H₂SO₄减少、相对密度下降。当蓄电池接通直流电源充电时，正、负极板上的PbSO₄又将分别恢复成原来的PbO₂和Pb，电解液中的H₂SO₄增加，相对密度增大。若略去化学反应的中间过程，其反应方程式可表示为

一、电动势的建立

蓄电池的单格电池是由浸渍在电解液中的正极板和负极板组成，电解液是H₂SO₄水溶液。

当极板浸入电解液时，正、负极板上的部分PbO₂和Pb就有溶解于电解液的倾向并发生相应的化学反应，使正极板具有正电位，约+2.0V，负极板具有负电位，约-0.1V。当外电路尚未接通、反应达到相对平衡状态时，正、负两极间的静止电动势E_s约为2.1V。

二、蓄电池的放电过程

将蓄电池的化学能转换成电能的过程称为放电过程。放电现象如图1-9a所示。

图1-9 蓄电池充放电现象

a）放电过程 b）放电终了 c）充电过程

当放电电路接通时，在电动势的作用下，电流便从正极流出，经过灯丝流回负极。电流流经灯丝会使灯丝发热，当电流足够大时，便使灯丝炽热而发出亮光。

在放电过程中，由于正极板上的PbO₂和负极板上的Pb不断与电解液发生化学反应，因此，PbO₂和Pb逐渐转变成PbSO₄，正极电位逐渐降低，负极电位逐渐升高，使正、负极间的电位差逐渐降低；电解液中的H₂SO₄成分逐渐减少、水分逐渐增多，使电解液密度逐渐减小。

当电位差降低时，流过灯丝的电流就会减小，灯丝发热量相应减少，灯泡亮度变弱，直到不能发光为止，如图1-9b所示。

理论上，放电过程将进行到正、负极板上的活性物质全部转变为PbSO₄为止。但是实际上，由于电解液不能渗透到活性物质最内层。使用中的所谓完全放电，事实上只有20%～30%的活性物质转变为PbSO₄。因此，采用薄型极板、增大活性物质孔率，可提高活性物质的利用率。

三、蓄电池的充电过程

将电能转换成蓄电池的化学能的过程称为充电过程。充电时，蓄电池应当连接直流电源，蓄电池正极接电源正极，蓄电池负极接电源负极，如图1-9c所示。

将完全放电的蓄电池与直流电源接通时，电流就会按放电时相反的方向流过蓄电池。此时蓄电池内部将发生与放电过程相反的化学反应，正、负极板上的PbSO₄将分别还原为PbO₂和Pb，电解液中H₂SO₄成分逐渐增多而水分逐渐减少，电解液密度逐渐增大。充电将一直进行到极板上的活性物质完全恢复到放电前的状态为止。

在充电末期，电解液密度将升高到最大值，且会引起水的电解，产生大量气泡。