Химическая реакция свинцово-кислотного аккумулятора
Принципы работы и реакции свинцово-кислотного аккумулятора
Все аккумуляторы представляют собой электрохимические системы, которые функционируют как источник электрической энергии и тока. Каждая система имеет 2 электрода (положительный и отрицательный), электролит и сепаратор. В большинстве электрохимических систем в качестве положительного элемента выступает оксид металла или сам кислород, а в качестве отрицательного — металл. Системы могут быть далее классифицированы как первичные и вторичные батареи. Первичные батареи предназначены для одноразового использования, а вторичные батареи можно разряжать и заряжать несколько раз.
Некоторые из коммерческих и успешных вторичных батарей приведены в следующей таблице:
| Электрохимическая система | Положительный электрод | Негатив | Электролит | Примечания | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Свинцово-кислотная батарея | Пероксид свинца PBO2 | Металлический свинец в губчатой форме | Разбавленная серная кислота | Электролит, используемый в реакциях + проводящий электронные ионы | ||
| Литий-ионная батарея | Литий с оксидом кобальта, никеля, марганца, железа | Графит, кремний с (интеркалированным) связанным литием | Смесь органических растворителей для солей лития | Электролит для проведения ионов лития между двумя электродами - Отсутствие химических реакций | ||
| Никель Кадмий | Оксигидроксид никеля Ni(O) OH | Металлический кадмий | Разбавленный гидроксид калия | Электролит только для проведения электронных ионов | ||
| Гидрид никелевого металла | Оксигидроксид никеля Ni(O) OH | Водород, поглощенный в металлическом сплаве | Разбавленный гидроксид калия | Электролит только для проведения электронных ионов | ||
Химическая реакция свинцово-кислотного аккумулятора:
Свинцово-кислотный аккумулятор имеет 3 основных рабочих компонента:
- Диоксид свинца (PbO₂) образует пористый положительный электрод.
- Свинец в губчатом состоянии образует пористый отрицательный электрод.
- Электролитом является разбавленная серная кислота плотностью от 1,200 до 1,280 удельного веса. В батареях VRLA объем кислоты невелик. Поэтому для достижения проектной производительности обычно используется более высокий удельный вес кислоты, например, 1,300 -1,320.
Электроды делаются пористыми с использованием специальных добавок в процессе производства, чтобы реакции происходили по всей основной массе пластин аккумулятора. Сепаратор батареи (непроводник) помогает изолировать два электрода от замыкания, но позволяет электронным ионам проходить через них с минимальным электрическим сопротивлением.
Когда аккумулятор подключен к нагрузке (разряд), атом свинца на отрицательной пластине расщепляется на ион свинца (Pb²⁺) и 2 электрона. Электроны, составляющие основную единицу тока, возникают на отрицательной пластине и протекают через отрицательную клемму во внешнюю цепь.
После прохождения через нагрузку электроны попадают на положительную клемму. Электроны преобразуют (восстанавливают) диоксид свинца в ионы свинца.
Как на положительном, так и на отрицательном электродах ионы свинца (Pb²⁺) реагируют с серной кислотой, образуя сульфат свинца. (Теория двойного сульфата Гладстона). В других электрохимических системах, таких как никель-кадмиевые батареи, литий-ионные батареи, электролиты не участвуют в реакциях. Их роль заключается только в проведении ионов между двумя электродами.
Реакции во время разряда - Химическая реакция свинцово-кислотного аккумулятора
Реакции во время разряда (что является основной функцией батареи)
Pb (отрицательный)
→
Pb²⁺ + 2 e- ——————————1
PbO₂( положительный) Pb⁴⁺ + 2 e-
→
Pb²⁺ ——————————2
Pb²⁺ + SO₄²- (из кислоты)
→
PbSO₄ (в обоих электродах)———3
Во время зарядки разряженного свинцово-кислотного аккумулятора все три реакции протекают в обратном направлении. Выше приведены упрощенные химические и электрохимические реакции, происходящие в свинцово-кислотном аккумуляторе, что делает его самой надежной системой регенерируемых аккумуляторов или ВТОРИЧНОЙ аккумуляторной системой.
В чем разница между первичным и вторичным аккумулятором? В то время как первичные батареи используются и выбрасываются и не могут быть перезаряжены, вторичные батареи, oпри зарядке все 3 компонента — положительный, отрицательный и кислота — регенерируются.
Таким образом, создается перезаряжаемый или вторичный элемент/батарея. Отсюда и название вторичный аккумулятор
Внутренний кислородный цикл - химическая реакция свинцово-кислотного аккумулятора
Во время зарядки батареи VRLA:
На положительной пластине выделяется газ O2 и образуются протоны и электроны.
2H2O → 4H+ + O2 ↑ + 4e- ……… Eq. 1
2Pb + O2 → 2PbO
2PbO + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O
——————————————————
2Pb + O2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O + тепло ……… Уравнение 2
——————————————————
Но, поскольку это процесс зарядки, полученный таким образом сульфат свинца снова должен быть преобразован в свинец; серная кислота образуется электрохимическим путем, вступая в реакцию с протонами (ионами водорода) и электронами, образующимися в результате разложения воды на положительных пластинах, когда они заряжены.
2PbSO4 + 4H+ + 4e- → 2Pb + 2H2SO4 ……… Уравнение 3
Реакции разряда и заряда - Химическая реакция свинцово-кислотного аккумулятора
Реакции гальванического элемента или батареи специфичны для системы или химического состава:
Например, свинцово-кислотный элемент:
Pb + PbO2 + 2H2SO4 Разряд ↔ Заряд 2PbSO4 + 2H2O E° = 2,04 В
В никель-кадмиевом элементе
Cd + 2NiOOH + 2H2O Разряд ↔ Заряд Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2 E° = 1,32 В
В ячейке Zn-Cl2:
Zn + Cl2 Разряд ↔ Заряд ZnCl2 E° = 2,12 В
В клетке Даниеля (Это первичная клетка; здесь обратите внимание на отсутствие обратимых стрелок)
Zn + Cu2+ Разряд ↔ Заряд Zn2+ + Cu(s) E° = 1,1 В
Что происходит во время реакций разряда и заряда внутри клетки? Химическая реакция свинцово-кислотного аккумулятора
Электролит: 2H2SO4 = 2H+ + 2HSO4‾
Отрицательная пластина: Pb° = Pb2+ HSO4 + 2e
Pb2+ + HSO4‾ = PbSO4 ↓ + H+
⇑ ⇓
Положительная пластина: PbO2 = Pb4+ + 2O2-
Pb4+ + 2e = Pb2+
Pb2++ 3H+ + HSO4‾ +2O2- =PbSO4 ¯↓+ 2H2O
Серная кислота, будучи сильным электролитом, диссоциирует в виде ионов водорода и бисульфат-ионов (также называемых сульфат-ионами водорода).
