第三節 蓄電池的工作原理

蓄電池的工作原理包括蓄電池電動勢的建立、充電過程和放電過程。在充、放電過程中，蓄電池內部發生的化學反應是可逆的。自1859年法國科學家加斯頓·普萊特發明鉛酸蓄電池以來，關于蓄電池化學反應過程有各種不同的理論，一般認為格拉斯頓和特拉普于1882年創立的雙極硫酸鹽化理論（簡稱雙硫化理論）能較確切地說明蓄電池的化學反應過程。

根據雙硫化理論，鉛蓄電池正極板上的活性物質是二氧化鉛（PbO₂），負極板上是海綿狀鉛（Pb），電解液是硫酸（H₂SO₄）水溶液。當蓄電池與負載接通放電時，正極板上的PbO₂和負極板上的Pb都將轉變成硫酸鉛（PbSO₄），電解液中的H₂SO₄減少、相對密度下降。當蓄電池接通直流電源充電時，正、負極板上的PbSO₄又將分別恢復成原來的PbO₂和Pb，電解液中的H₂SO₄增加，相對密度增大。若略去化學反應的中間過程，其反應方程式可表示為

一、電動勢的建立

蓄電池的單格電池是由浸漬在電解液中的正極板和負極板組成，電解液是H₂SO₄水溶液。

當極板浸入電解液時，正、負極板上的部分PbO₂和Pb就有溶解于電解液的傾向并發生相應的化學反應，使正極板具有正電位，約+2.0V，負極板具有負電位，約-0.1V。當外電路尚未接通、反應達到相對平衡狀態時，正、負兩極間的靜止電動勢E_s約為2.1V。

二、蓄電池的放電過程

將蓄電池的化學能轉換成電能的過程稱為放電過程。放電現象如圖1-9a所示。

當放電電路接通時，在電動勢的作用下，電流便從正極流出，經過燈絲流回負極。電流流經燈絲會使燈絲發熱，當電流足夠大時，便使燈絲熾熱而發出亮光。

在放電過程中，由于正極板上的PbO₂和負極板上的Pb不斷與電解液發生化學反應，因此，PbO₂和Pb逐漸轉變成PbSO₄，正極電位逐漸降低，負極電位逐漸升高，使正、負極間的電位差逐漸降低；電解液中的H₂SO₄成分逐漸減少、水分逐漸增多，使電解液密度逐漸減小。

當電位差降低時，流過燈絲的電流就會減小，燈絲發熱量相應減少，燈泡亮度變弱，直到不能發光為止，如圖1-9b所示。

理論上，放電過程將進行到正、負極板上的活性物質全部轉變為PbSO₄為止。但是實際上，由于電解液不能滲透到活性物質最內層。使用中的所謂完全放電，事實上只有20%～30%的活性物質轉變為PbSO₄。因此，采用薄型極板、增大活性物質孔率，可提高活性物質的利用率。

三、蓄電池的充電過程

將電能轉換成蓄電池的化學能的過程稱為充電過程。充電時，蓄電池應當連接直流電源，蓄電池正極接電源正極，蓄電池負極接電源負極，如圖1-9c所示。

將完全放電的蓄電池與直流電源接通時，電流就會按放電時相反的方向流過蓄電池。此時蓄電池內部將發生與放電過程相反的化學反應，正、負極板上的PbSO₄將分別還原為PbO₂和Pb，電解液中H₂SO₄成分逐漸增多而水分逐漸減少，電解液密度逐漸增大。充電將一直進行到極板上的活性物質完全恢復到放電前的狀態為止。

在充電末期，電解液密度將升高到最大值，且會引起水的電解，產生大量氣泡。