铅蓄电池工作原理是怎么样的

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[2]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。

1、铅酸蓄电池电动势的产生

铅酸蓄电池充电后，正极板二氧化铅(PbO2)，在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化铅与水生成可离解的不稳定物质--氢氧化铅(Pb(OH)4)，氢氧根离子在溶液中，铅离子(Pb4)留在正极板上，故正极板上缺少电子。

铅酸蓄电池充电后，负极板是铅(Pb)，与电解液中的硫酸(H2SO4)发生反应，变成铅离子(Pb2)，铅离子转移到电解液中，负极板上留下多余的两个电子(2e)。

可见，在未接通外电路时(电池开路)，由于化学作用，正极板上缺少电子，负极板上多余电子，两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。

锂离子电池的正极材料通常有锂的活性化合物组成，负极则是特殊分子结构的碳.常见的正极材料主要成分为LiCoO2，充电时，加在电池两极的电势迫使正极的化合物释出锂离子，嵌入负极分子排列呈片层结构的碳中.放电时，锂离子则从片层结构的碳中析出，重新和正极的化合物结合.锂离子的移动产生了电流.

化学反应原理虽然很简单，然而在实际的工业生产中，需要考虑的实际问题要多得多：正极的材料需要添加剂来保持多次充放的活性，负极的材料需要在分子结构级去设计以容纳更多的锂离子;填充在正负极之间的电解液，除了保持稳定，还需要具有良好导电性，减小电池内阻.

虽然锂离子电池很少有镍镉电池的记忆效应，记忆效应的原理是结晶化，在锂电池中几乎不会产生这种反应.但是，锂离子电池在多次充放后容量仍然会下降，其原因是复杂而多样的.主要是正负极材料本身的变化，从分子层面来看，正负极上容纳锂离子的空穴结构会逐渐塌陷、堵塞;从化学角度来看，是正负极材料活性钝化，出现副反应生成稳定的其他化合物.物理上还会出现正极材料逐渐剥落等情况，总之最终降低了电池中可以自由在充放电过程中移动的锂离子数目.

过度充电和过度放电，将对锂离子电池的正负极造成永久的损坏，从分子层面看，可以直观的理解，过度放电将导致负极碳过度释出锂离子而使得其片层结构出现塌陷，过度充电将把太多的锂离子硬塞进负极碳结构里去，而使得其中一些锂离子再也无法释放出来.这也是锂离子电池为什么通常配有充放电的控制电路的原因.

不适合的温度，将引发锂离子电池内部其他化学反应生成我们不希望看到的化合物，所以在不少的锂离子电池正负极之间设有保护性的温控隔膜或电解质添加剂.在电池升温到一定的情况下，复合膜膜孔闭合或电解质变性，电池内阻增大直到断路，电池不再升温，确保电池充电温度正常.

锂离子电池一般都带有管理芯片和充电控制芯片.其中管理芯片中有一系列的寄存器，存有容量、温度、ID、充电状态、放电次数等数值.这些数值在使用中会逐渐变化.我个人认为，使用说明中的“使用一个月左右应该全充放一次”的做法主要的作用应该就是修正这些寄存器里不当的值，使得电池的充电控制和标称容量吻合电池的实际情况.

充电控制芯片主要控制电池的充电过程.锂离子电池的充电过程分为两个阶段，恒流快充阶段(电池指示灯呈黄色时)和恒压电流递减阶段(电池指示灯呈绿色闪烁.恒流快充阶段，电池电压逐步升高到电池的标准电压，随后在控制芯片下转入恒压阶段，电压不再升高以确保不会过充，电流则随着电池电量的上升逐步减弱到0，而最终完成充电.

电量统计芯片通过记录放电曲线(电压，电流，时间)可以抽样计算出电池的电量，这就是我们在BatteryInformation里读到的wh.值.而锂离子电池在多次使用后，放电曲线是会改变的，如果芯片一直没有机会再次读出完整的一个放电曲线，其计算出来的电量也就是不准确的.所以我们需要深充放来校准电池的芯片。

(关键字：铅蓄电池 工作 原理)