鉛蓄電池の化学反応
鉛蓄電池の動作原理と反応
すべてのバッテリーは、電気化学システムであり、電力やエネルギーの源として機能します。 それぞれのシステムには、2つの電極（プラスとマイナス）、電解液、セパレーターがあります。 電気化学システムの多くは、金属酸化物や酸素そのものを「正」に、金属を「負」にしています。 このシステムは、さらに一次電池と二次電池に分類されます。 一次電池は一回限りの使用で、二次電池は放電と充電を何度も繰り返すことができます。
商業的に確立され、成功した二次電池の一部を以下の表に示す。
| 電気化学システム | 正電極 | ネガティブ | 電解液 | 備考 | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 鉛蓄電池 | 過酸化鉛 PBO2 | スポンジ状の金属鉛 | 希硫酸 | 反応に使われる電解質＋電子イオンの伝導性 | ||
| リチウムイオン電池 | コバルト、ニッケル、マンガン、鉄の酸化物を含むリチウム | 黒鉛、リチウムが結合した（インターカレートした）シリコン | リチウム塩の有機溶媒混合物 | リチウムイオンを2つの電極間に伝導させる電解質 - 化学反応なし | ||
| ニッケル カドミウム | オキシ水酸化ニッケル Ni(O) OH | カドミウム・メタル | 希薄な水酸化カリウム | 電子イオンを伝導するだけの電解質 | ||
| ニッケルメタルハイドライド | オキシ水酸化ニッケル Ni(O) OH | 金属合金に吸収された水素 | 希薄な水酸化カリウム | 電子イオンを伝導するだけの電解質 | ||
鉛蓄電池の化学反応。
鉛蓄電池は、主に3つの部分で構成されています。
- 二酸化鉛（PbO₂）は、多孔質の正極を形成する。
- スポンジーな状態の鉛が多孔質の負極を形成する。
- 密度が比重1.200～1.280の希硫酸が電解質です。 VRLAバッテリーでは、酸の量が少ない。 そのため、設計された容量を実現するためには、1.300～1.320のような高い比重の酸を使用するのが一般的です。
電極は、製造時に特殊な添加剤を使用して多孔質化し、電池板の全体で反応が起こるようにしています。 バッテリーセパレーター（不導体）は、2つの電極がショートしないように隔離する役割を果たしますが、電気抵抗を最小限に抑えて電子イオンを通過させます。
電池を負荷に接続（放電）すると、負極板の鉛原子が鉛イオン（Pb²⁺）と2個の電子に分裂します。 電流の基本単位である電子は、負極板で発生し、負極端子を通って外部回路に流れます。
負荷を通過した電子は、プラス端子に到達します。 電子は二酸化鉛を鉛イオンに変換（還元）します。
正と負の両電極では、鉛イオン（Pb²⁺）が硫酸と反応して硫酸鉛を生成します。 (グラッドストーンのダブルサルフェート理論）。 また、ニッケル・カドミウム電池やリチウムイオン電池などの電気化学システムでは、電解質は反応に関与しない。 その役割は、2つの電極の間にイオンを伝導することだけです。
放電時の反応 - 鉛蓄電池の化学反応
電池の主な機能である放電時の反応
Pb（ネガティブ）
→
Pb²⁺ + 2 e-送受信21
PbO₂( 正 ) Pb⁴⁺ + 2 e- )
→
Pb²⁺ —————————–2
Pb²⁺ + SO₄²- (酸から)
→
PbSO₄ （両電極で）——–3
放電された鉛蓄電池の充電 では、3つの反応がすべて逆方向に起こります。以上が、鉛蓄電池で起こる化学反応と電気化学反応の簡略化であり、最も信頼性の高い再充電可能なバッテリーシステム、または 二次電池システムとなっています。
一次電池と二次電池の違いは何ですか？ 一次電池は使って捨てるものであり、充電することはできませんが、二次電池は、そのようなことはありません。充電時には、プラス、マイナス、酸の3つの成分がすべて再生されます。
このようにして、充電式または二次電池が作られる。 だから二次電池という名前なのです。
内部酸素サイクル - 鉛蓄電池の化学反応
VRLAバッテリーの充電中。
正極板では、O2ガスが発生し、陽子と電子が生成されます。
2H2O → 4H+ +O2 ↑ + 4e- ……… Eq.1
2Pb + O2 → 2PbO
2PbO + 2H2SO4→ 2PbSO4+ 2H2O
——————————————————
2Pb + O2 + 2H2SO4→ 2PbSO4+ 2H2O + Heat ……… Eq.2
—————————————————–
硫酸は、正極板が充電されると、水の分解によって生じたプロトン（水素イオン）と電子が反応して電気化学的に生成される。
2PbSO4+ 4H+ +4e- →2Pb + 2H2SO4……… Eq.3
放電・充電反応 - 鉛蓄電池の化学反応
ガルバニックセルやバッテリーの反応は、システムや化学に特有のものです。
例えば、鉛蓄電池です。
Pb +PbO2 + 2H2SO4Discharge ↔ Charge 2PbSO4+ 2H2O E° = 2.04 V
ニッケル・カドミウム電池の場合
Cd + 2NiOOH + 2H2O Discharge ↔ Charge Cd(OH)2+ 2Ni(OH)2E° = 1.32 V
Zn-Cl2セルで
Zn + Cl2 Discharge ↔ Charge ZnCl2E° = 2.12 V
ダニエル細胞では（これは一次細胞で、ここでは可逆的な矢印がないことに注意してください。）
Zn + Cu2+放電 ↔ 充電 Zn2+ +Cu(s) E° = 1.1 V
細胞内の放電・充電反応では何が起こるのか？ 鉛蓄電池の化学反応
電解液：2H2SO4= 2H+ +2HSO4〜。
ネガティブプレート。Pb° = Pb2+HSO4+ 2e
Pb2+ + HSO4〜 =PbSO4↓ + H+です。
⇑ ⇓
正板。PbO2= Pb4+ +2O2
Pb4+ + 2e = Pb2+ (Pb4+ + 2e = Pb2+)
Pb2++ 3H+ +HSO4‾ +2O2- = PbSO4¯ ↓+ 2H2O
硫酸は強い電解質であるため、水素イオンと重硫酸イオン（硫酸水素イオンとも呼ばれる）に解離する。
