Вспомните химическую реакцию, которая происходит в свинцовых аккумуляторных батареях.
Ключевые моменты
Свинцово-кислотные батареи, также известные как свинцовые аккумуляторные батареи, могут хранить большой заряд и обеспечивать высокий ток в течение коротких периодов времени. Базовая конструкция свинцово-кислотных аккумуляторов не претерпела существенных изменений с 1859 года, когда их разработал Планте, хотя некоторые улучшения были внесены Фором. Свинцово-кислотные аккумуляторы можно заряжать, что важно при их использовании в автомобилях и другой технике. Разрядка накопленной энергии зависит от того, как положительная и отрицательная пластины превращаются в сульфат свинца (II), а электролит теряет большую часть растворенной серной кислоты.
Условия
Лигносульфонаты - водорастворимые анионные полиэлектролитные полимеры; они являются побочными продуктами производства древесной массы с использованием сульфитной варки.
Свинцовые батареи
Свинцовая аккумуляторная батарея, также известная как свинцово-кислотная батарея, является самым старым типом аккумуляторных батарей и одним из наиболее распространенных устройств хранения энергии. Эти батареи были изобретены в 1859 году французским физиком Гастоном Планте, и они до сих пор используются во множестве устройств. Большинство людей привыкло использовать их в транспортных средствах, где они могут обеспечивать высокие токи для запуска. Хотя батареи надежны, у них ограниченный срок службы, они тяжелы при транспортировке и содержат токсичные материалы, которые требуют специальных методов удаления по окончании срока службы. Свинцово-кислотные батареи имеют умеренную удельную мощность и хорошее время отклика. В зависимости от используемой технологии преобразования энергии батареи могут перейти от приема энергии к мгновенной подаче энергии. Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи подвержены влиянию температуры и должны поддерживаться в надлежащем состоянии для достижения максимального срока службы. Разработка свинцовой батареи В конструкции свинцово-кислотного элемента Планте положительная и отрицательная пластины были сделаны из двух спиралей свинцовой фольги, разделенных листом ткани и скрученных. Ячейки изначально имели небольшую вместимость. Требовался медленный процесс «формовки» для коррозии свинцовой фольги, образования диоксида свинца на пластинах и придания им шероховатости для увеличения площади поверхности. Пластины Планте все еще используются в некоторых стационарных приложениях, где на пластинах имеются механические канавки для увеличения площади поверхности.
На схеме показана свинцовая аккумуляторная батарея, которая состоит из шести последовательно соединенных двухвольтовых элементов. Также показан состав каждой ячейки.
Конструкция из клееных пластин Камилля Альфонса Фор типична для современных автомобильных аккумуляторов. Каждая пластина состоит из прямоугольной свинцовой сетки. Отверстия решетки заполнены пастой из красного свинца и 33-процентной разбавленной серной кислоты. Эта пористая паста позволяет кислоте реагировать со свинцом внутри пластины, что увеличивает площадь поверхности. После высыхания пластины складываются с подходящими разделителями и вставляются в аккумуляторный контейнер. Обычно используется нечетное количество пластин, на одну отрицательную пластину больше, чем положительной. Каждая перемежающаяся пластина подключена.
Паста содержит технический углерод, сульфат бария и лигносульфонат. Сульфат бария действует как затравочный кристалл для реакции сульфата свинца в свинец. Лигносульфонат предотвращает образование твердой массы отрицательной пластиной во время цикла разряда, а вместо этого позволяет формировать длинные игольчатые кристаллы. Технический углерод противодействует эффекту ингибирования образования, вызванному лигносульфонатами.
Химия разряда
В разряженном состоянии как положительная, так и отрицательная пластины становятся сульфатом свинца (II) (PbSO4).Электролит теряет большую часть растворенной серной кислоты и превращается в основном в воду.Процесс разряда управляется проводимостью электронов от отрицательной пластины обратно в ячейку на положительной пластине во внешней цепи.
Отрицательная реакция пластины: Pb (s) + HSO4– (водн.) → PbSO4 (s) + H + (водн.) + 2e– Положительная реакция на пластине: PbO2 (s) + HSO4– (водн.) + 3H + (водн.) + 2e– → PbSO4 (s) + 2H2O (l) Комбинируя эти две реакции, можно определить общую реакцию: Pb (т.) + PbO2 (т.) + 2H + (водн.) + 2HSO4– (водн.) → 2PbSO4 (т.) + 2H2O (ж)
Химия заряда
Аккумулятор такого типа можно заряжать.В заряженном состоянии каждая ячейка содержит отрицательные пластины из элементарного свинца (Pb) и положительные пластины из оксида свинца (IV) (PbO2) в электролите, содержащем приблизительно 4,2 М серной кислоты (H2SO4). Процесс зарядки происходит за счет принудительного удаления электронов с положительной пластины и принудительного введения их в отрицательную пластину источником заряда.
Отрицательная реакция на пластине: PbSO4 (s) + H + (водн.) + 2e– → Pb (s) + HSO4– (водн.) Положительная реакция на пластине: PbSO4 (т.) + 2H2O (ж) → PbO2 (т. Е.) + HSO4– (водн.) + 3H + (водн.) + 2e– При объединении этих двух реакций общая реакция обратна реакции разряда: 2PbSO4 (т) + 2H2O (л) → Pb (т) + PbO2 (т) + 2H + (водн.) + 2HSO4– (водн.)
Обратите внимание, что реакция зарядки прямо противоположна реакции разряда.