汽車上使用的蓄電池都是鉛酸蓄電池,它是一種將化學能轉換成電能的裝置,是可逆的低壓直流電源。所謂的“鉛酸”是指蓄電池中極板和電解液的材料,“鉛”是指極板的材料,極板又分為正極板和負極板,在正極板上是二氧化鉛,在負極板上是純鉛;“酸”是指電解液的材料,它是由純硫酸和蒸餾水按一定比例配製而成的硫酸水溶液(密度為1.24~1.31克/立方厘米),具有一定的腐蝕性。
那麼這些“鉛”和“酸”是如何產生電能的呢?下面來看看鉛酸蓄電池能夠建立起電動勢(電壓)的原理:蓄電池在靜止狀態下,在正極板處,二氧化鉛與硫酸作用生成帶正電荷的鉛離子沉浮在正極板上,使正極板具有2V的正電位;在負極板處,純鉛電離為鉛離子和電子,兩個電子留在負極板上,使負極板具有約-0.1V的負電位;這樣在正負極之間就形成了大約2.1V的電位差,蓄電池的電動勢就這樣建立起來了。每一個能建立2.1V電壓的正負極板組構成了一個單格電池,普通的鉛酸蓄電池有六個單格電池,因此就能發出大約12.6V的電壓。
那麼蓄電池在工作過程中,“鉛酸”又是怎樣轉換的呢?
蓄電池在放電時,硫酸與正負極板上的鉛和二氧化鉛發生化學反應,生成了硫酸鉛和水,在這個過程中有大量的電子從負極板流向正極板,從而形成了放電電流;由於電解液中水分的增加,電解液的密度是逐漸下降的,放電越多,電解液的密度越低;隨著反應的進行,極板上的硫酸鉛越來越多,反應的速度越來越慢,放電也就越來越少了;當極板上大部分被硫酸鉛覆蓋的時候,反應基本就終止了,這時候就是所說的“電放沒了”,電解液的密度也下降到了最低。這個過程是蓄電池的化學能轉化為電能的過程。
蓄電池在充電時,在外界電源的作用下,極板上的硫酸鉛還原成了純鉛和二氧化鉛,電解液中的水還原成硫酸,同時有大量的電子從正極板返回負極板,從而形成了充電電流;隨著充電的進行,電解液中的硫酸越來越多,電解液的密度是逐漸增加的,充電越足,電解液的密度越高;但是當極板上的硫酸鉛全部轉化完後,電解液的密度也達到了最高,此時如果繼續充電,這些電就會電解水了,生成了氫氣和氧氣,這就是充電過程中蓄電池裡面會“冒泡”的原因。這個過程是外界的電能轉化為化學能並在蓄電池中儲存起來。
所以,鉛酸蓄電池的充放電過程,其實就是蓄電池中硫酸與純鉛和二氧化鉛的化學反應過程,在這個過程中會伴隨著電解液密度的變化。因此檢驗電解液的密度就可以大致判斷出蓄電池的充電狀態,並且利用這個原理製作出了蓄電池電量指示器。而且現在的蓄電池基本都是免維護的,它可以回收反應過程中逸出的氣體,並重新利用,所以這種蓄電池不需要新增電解液,也不需要補充充電,在轎車上得到廣泛應用。