鉛蓄電池

鉛蓄電池 (Lead-acid Battery)
國立臺灣大學化學系黃俊誠博士/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

1829年法國物理學家貝克勒（Alexandre-Edmond Becquerel，1788-1878）製造出一個能稍微產生穩定電流的金-硫酸銅電池，他的學生蒲朗第（Gaston Planté，1834-1889）於1859年所發明世界上第一個實用的鉛蓄電池。剛開始由於初期的鉛蓄電池加工成型過程冗長難以大量生產，因而不受重視。直到1881年法國科學家福耳（Camille Alphonse Faure，1840-1898）將電池設計做了重大改進，把氧化鉛（Pb₃O₄）直接塗佈於鉛板上，才讓鉛蓄電池開始得以商業化。鉛蓄電池可在短時間內大量放電，且長時間放電電壓穩定，也沒有鹼性電池的記憶效應缺點。現今鉛蓄電池多用於汽、機車等交通工具，近年來更發展出各種不同用途，如可在水中和在低溫下使用的電池，更使其使用範圍增大，對我們愈來愈重要。

鉛蓄電池的基本構造是在硫酸中浸泡氧化鉛板和海綿鉛板，而這兩塊板子就是兩個電極，負極為鉛板，正極為氧化鉛板（許多鉛蓄電池的電極使用銻含量4.2% 的鉛銻合金，或含鈣0.8% 的鉛鈣合金）。當電池放電時，陽極的鉛變成鉛離子並產生電子，並和硫酸中的硫酸根離子化合成硫酸鉛附著在陽極上。電子通過電線至陰極形成電流，和陰極的氧化鉛(IV)反應成硫酸鉛(II)。其反應式如下：

陽極反應：Pb _(s) + SO₄^2-_(aq)→PbSO_4(aq) + 2e^–_(aq) E° = 1.685
陰極反應：PbO_2(s)+ SO₄^2-_(aq)+ 4H⁺ _(aq) + 2e^– → PbSO_4(s)+ 2H₂O_(l) E° = 0.356
總反應：Pb _(s) +PbO_2(s) + 2H₂SO_4(l) → 2PbSO_4(s)+ 2H₂O_(l) E° = 2.041

和一次性電池（Primary battery）不同，鉛蓄電池可再充電重複使用，又稱為二次電池（Secondary battery）或可充電電池（Rechargeable battery）。因為使用鉛為原料，鉛的價格便宜，成為在二次大戰中被大量生產的二次電池。充電時，將兩電極接上直流電源（陰極接陰極，陽極接陽極），電池內部就會進行放電時的逆反應，使陽極的硫酸鉛還原成鉛，陰極的硫酸鉛氧化為氧化鉛。

陰極反應： PbSO_4(aq) + 2e^–_(aq) → Pb _(s) + SO₄^2-_(aq)
陽極反應： PbSO_4(s)+ 2H₂O_(l) → PbO_2(s)+ SO₄^2-_(aq)+ 4H⁺ _(aq) + 2e^–
總反應： 2PbSO_4(s)+ 2H₂O_(l) → Pb _(s) +PbO_2(s) + 2H₂SO_4(l)

每一組鉛蓄電池的電壓約2伏特，一般汽車用12伏特電池是由6組串連所組成。但是為解決鉛蓄電池需要常加水的不便，科學家研發出免加水的鉛蓄電池。設計免加水的鉛蓄電池首先利用封閉系統使水分不致蒸發，此外讓水在電池反應中淨消耗降至最低。科學家讓二極板上的活性物之質量懸殊，使充電時有一極常處於充電不足的狀態；例如陽極上的鉛量遠大於陰極上的二氧化鉛，在充電時，陰極充足電，回復放電前二氧化鉛的狀態時，陽極仍在行充電的反應，於是陰極附近的水發生氧化，產生氧氣，

2H₂O_(l) →O_2(g) + 4H⁺_(aq) + 4e^–

放出的氧氣擴散到陽極上，與活性物質鉛反應，
2Pb_(s) + 2H₂SO_4(aq) + O_2(g) →2PbSO_4(s)+ 2H₂O_(l)

氧氣亦可在陽極與氫離子反應產生水：
O_2(g) + 4H⁺_(aq) + 4e^– → 2H₂O_(l)

在充電時，由於氧不會在電池內累積，且會生成水，而陽極總是充電不足狀態，不會產生氫氣，也就使水分不致短少，達到免加水的目的。

參考資料
1. Lead–acid battery. http://en.wikipedia.org/wiki/Lead-acid_battery
2. 陳竹亭，高中選修化學下，第19頁，泰宇出版社，2008。
3. 趙匡華，化學通史，第547頁，凡異出版社，1992。