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碳元素在元素周期表内处于第ⅣA族，与它同处这一主族的还有硅、锗、锡、铅，这些元素都与铅酸电池有着千丝万缕的关联。比如硅可作为极板活物质的添加剂，锗的有机金属化合物是正极活物质的有效活化剂与强固剂，锡是板栅合金特别是免维电池铅钙合金中不可或缺的一种添加剂，铅则是铅酸电池的基材。理解这一族元素在铅酸电池中的作用，深入了解其原子结构与成键特征，将有助于对炭材料有目的性地应用。
碳元素的原子序数为6，基态时，碳原子的电子层结构是：
，外层价电子构型为
（见图2-2）。
图2-2 碳原子价电子示意图
如图2-2所示，其中2s层只有一个轨道，可容纳两个电子，正如有两电子成对，所以没有成键能力。2p次层有三个轨道，而碳原子的2p次层只有两个轨道上各有一个未成对的价电子，对外只能形成两个共价键（σ键）。因此，基态碳原子是2价，由于2s和2p同处一个电子壳层，它的能级差异很小，当碳原子处于激发态时，一个2s电子跃迁到2p轨道上，这时的电子结构如图2-2（b）所示：变为
，形成四个未充满的不成对的价电子，可为4价。
碳原子拥有的六个核外电子，两个电子填在1s轨道上，余下四个电子可按sp 3 、sp 2 或sp杂化轨道，形成金刚石、石墨、富勒烯、纳米碳管、石墨烯等成键结构的同素异形体。
碳原子与碳原子之间通过sp杂化轨道结合，并形成线型结构的碳。其中，一个2s电子与一个2p电子作sp杂化成σ键。
碳原子以四个sp 3 杂化轨道与四个氢原子的1s组成，组成四个共价键（σ键），成为正四面体结构（甲烷分子）。碳原子以sp 3 杂化轨道互相成键，生成金刚石，每个碳原子与四个相邻碳原子形成四个共价键，从而构成一系列连续的三维刚性的正四面体键。金刚石的共价键是饱和的，且有极强的方向性，因而使得金刚石具有极高的硬度。
碳原子以一个2s电子与两个2p电子杂化时，组成sp 2 杂化态，即形成sp 2 杂化轨道，这三个键中，每个键2s成分占1/3，2p成分占2/3。这三个键的电子轨道形状相同，分布在 xy 平面坐标上互成120°角。碳原子的第四个电子（2p z ）又叫π电子，它那哑铃形对称的电子云，直指直角坐标的 z 方向，称为π键，π键与三个σ键平面垂直；由于π键的吸引力作用，C—C键会变短，形成所谓的三角形键。这种键的碳原子普遍存在于不饱和有机化合物中，以及芳香族化合物中，乃至石墨之中。由于分子构型不同，π键不完全等同，π电子共有时，碳-碳键（C—C）平均分布，这种键叫不空域键，也叫离域键。石墨、稠环芳烃都是这种键。这种现象叫共轭现象，这种分子叫共轭分子。对于石墨和类石墨层石，也是碳-碳（C—C）共价键（σ键）加上共轭π键。π电子可以自由在层面间漂移，并对相邻层面提供一种价键力，它使石墨具有优异的导电性和导热性，与金属中的自由电子相类似，故在碳—石墨分子中的π键也叫金属键。