Свинцово-кислотный аккумулятор — Википедия

Свинцо́во-кисло́тный аккумуля́тор — тип аккумуляторов, получивший широкое распространение ввиду умеренной цены, неплохого ресурса (от 500 циклов и более), высокой удельной мощности. Основные области применения: стартерные аккумуляторные батареи в транспортных средствах, аварийные источники электроэнергии, резервные источники энергии. Строго говоря, аккумулятором называется один элемент аккумуляторной батареи, но в просторечии «аккумулятором» называют аккумуляторную батарею (сколько бы в ней не было элементов).

История

Свинцовый аккумулятор изобрёл в 1859—1860 годах Гастон Планте, сотрудник лаборатории Александра Беккереля^[1]. В 1878 году Камилл Фор усовершенствовал его конструкцию, предложив покрывать пластины аккумулятора свинцовым суриком. Русский изобретатель Бенардос применил покрытие губчатым свинцом для увеличения мощности батарей, которые использовал в своих работах со сваркой.

Принцип действия

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в водном растворе серной кислоты.

При подключении к электродам аккумулятора внешней нагрузки начинается электрохимическая реакция взаимодействия оксида свинца и серной кислоты, при этом металлический свинец окисляется до сульфата свинца (в классическом варианте аккумулятора). Проведенные в СССР исследования показали, что при разряде аккумулятора протекает как минимум ~60 различных реакций, порядка 20 из которых протекают без участия кислоты электролита^[2].

Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на катоде

[2]^[3] и окисление свинца на аноде. При заряде протекают обратные реакции. При перезаряде аккумулятора, после исчерпания сульфата свинца, начинается электролиз воды, при этом на аноде (положительный электрод) выделяется кислород, а на катоде — водород.

Электрохимические реакции (слева направо — при разряде, справа налево — при заряде):

P b O 2 + S O 4 2 − + 4 H + + 2 e − ⇆ P b S O 4 + 2 H 2 O {\displaystyle PbO_{2}+SO_{4}^{2-}+4H^{+}+2e^{-}\leftrightarrows PbSO_{4}+2H_{2}O}

P b + S O 4 2 − − 2 e − ⇆ P b S O 4 {\displaystyle Pb+SO_{4}^{2-}-2e^{-}\leftrightarrows PbSO_{4}}

При разряде аккумулятора из электролита расходуется серная кислота и выделяется относительно более лёгкая вода, плотность электролита падает. При заряде происходит обратный процесс. В конце заряда, когда количество сульфата свинца на электродах снижается ниже некоторого критического значения, начинает преобладать процесс электролиза воды. Газообразные водород и кислород выделяются из электролита в виде пузырьков — так называемое «кипение» при перезаряде. Это нежелательное явление, при заряде его следует по возможности избегать, так как при этом вода необратимо расходуется, нарастает плотность электролита и есть риск взрыва образующихся газов. Поэтому большинство зарядных устройств снижает зарядный ток при повышении напряжения аккумулятора. Потери воды восполняют доливкой в аккумуляторы дистиллированной воды при обслуживании аккумуляторной батареи (некоторые автомобильные батареи не имеют открывающихся/отвинчивающихся пробок)^[4].

Устройство

Элемент свинцово-кислотного аккумулятора состоит из электродов и разделительных пористых пластин, изготовленных из материала, не взаимодействующего с кислотой, препятствующих замыканию электродов (сепараторов), которые погружены в электролит. Электроды представляют собой плоские решётки из металлического свинца. В ячейки этих решёток запрессованы порошки диоксида свинца (PbO₂) — в анодных пластинах и металлического свинца — в катодных пластинах. Применение порошков увеличивает поверхность раздела электролит — твердое вещество, тем самым увеличивает электрическую ёмкость аккумулятора.

Электроды вместе с сепараторами погружены в электролит, представляющий собой водный раствор серной кислоты. Для приготовления раствора кислоты применяют дистиллированную воду.

Электрическая проводимость электролита зависит от концентрации серной кислоты и при комнатной температуре максимальна при массовой доле кислоты 35%^[5], что соответствует плотности электролита 1,26 г/см³^[6]. Чем больше проводимость электролита, тем меньше внутреннее сопротивление аккумулятора, и, соответственно, ниже потери энергии на нём. Однако, на практике в районах с холодным климатом применяются и более высокие концентрации серной кислоты, до 1,29−1,31 г/см³, это связано с тем, что при снижении концентрации из-за разряда электролит может замёрзнуть, а при замерзании образуется лёд, который может разорвать банки аккумулятора и повреждает губчатый материал пластин.

Существуют экспериментальные разработки аккумуляторов, где свинцовые решетки заменяют пластинами из переплетённых нитей углеродного волокна, покрытых тонкой свинцовой пленкой. При этом используется меньшее количество свинца, распределённого по большой площади, что позволяет изготовить аккумулятор не только компактным и лёгким, при прочих равных параметрах, но и значительно более эффективным — помимо большего КПД, заряжается значительно быстрее традиционных аккумуляторов

[7].

В аккумуляторах, применяемых в бытовых ИБП, систем охранной сигнализации и др. жидкий электролит загущают водным щелочным раствором силикатов натрия (Na₂Si₂O₄) до пастообразного состояния. Это так называемые гелевые аккумуляторы (GEL), имеющие длительный ресурс. Другой вариант исполнения − с пористыми сепараторами из стеклоткани (AGM), допускающими более жёсткие режимы заряда^[8].

Электрические и эксплуатационные параметры

• Удельная предельная теоретическая энергоёмкость (Вт·ч/кг): около 133.
• Удельная энергоёмкость (Вт·ч/кг): 30—40^[9].
• Теоретическая удельная энергоплотность (Вт·ч/дм³): 1250^[10].
• ЭДС одного элемента заряжённого аккумулятора = 2,11—2,17 В, рабочее напряжение 2 В (3 или 6 секций в итоге дают стандартные 6 В или 12 В соответственно)^[2].
• Напряжение полностью разряженного аккумулятора = 1,75—1,8 В (на 1 элемент). Ниже разряжать их нельзя^[2].
• Рабочая температура: от −40 °C до +40 °C.
• КПД: порядка 80—90 % (по току). КПД по энергии 70-80%^[11].

Эксплуатационные характеристики

• Номинальная ёмкость, показывает количество электричества, которое может отдать данный аккумулятор. Обычно указывается в ампер-часах, и измеряется при разряде малым током (1/20 номинальной ёмкости, выраженной в А·ч)^[12].
• Стартерный ток (для автомобильных аккумуляторов). Характеризует способности отдавать сильные токи при низких температурах. В большинстве случаев измеряется при −18 °C (0 °F) в течение 30 секунд. Различные методики замера отличаются (главным образом, допускаемым конечным напряжением) поэтому дают различные результаты^[13] .
• Резервная ёмкость (для автомобильных аккумуляторов) — характеризует время, в течение которого аккумулятор может отдавать ток 25 А до конечного напряжения 10,5 В согласно ГОСТ Р 53165-2008^[14].

Эксплуатация

Ареометр может быть использован для проверки плотности электролита в каждом отдельном элементе

При эксплуатации «обслуживаемых» аккумуляторов (с открываемыми пробками на банках) на автомобиле при движении по неровной дороге неизбежно происходит просачивание электролита из-под пробок на корпус аккумулятора. Через электропроводную не высыхающую, из-за гигроскопичности, пленку электролита происходит постепенный саморазряд аккумулятора. Во избежание глубокого саморазряда необходимо периодически нейтрализовать электролит протиранием корпуса аккумулятора, например, слабым раствором пищевой соды или разведенным в воде до консистенции жидкой сметаны хозяйственным мылом. Кроме того, особенно в жаркую погоду, происходит испарение воды из электролита; также количество воды в электролите уменьшается при перезаряде аккумулятора за счёт её электролиза. Потеря воды увеличивает плотность электролита, увеличивая напряжение на аккумуляторе. При существенной потере воды могут оголиться пластины, что одновременно увеличивает саморазряд и вызывает сульфатацию батареи. Поэтому необходимо следить за уровнем электролита и при необходимости доливать дистиллированную воду.

Эти меры вместе с проверкой автомобиля на паразитную утечку тока в его электрооборудовании и периодической подзарядкой аккумулятора могут существенно продлить срок эксплуатации аккумуляторной батареи.

Работа свинцово-кислотного аккумулятора при низких температурах

По мере снижения окружающей температуры параметры аккумулятора ухудшаются, однако, в отличие от прочих типов аккумуляторов, у свинцово-кислотных аккумуляторов это снижение относительно мало, что и обуславливает их широкое применение на транспорте. Эмпирически считается, что свинцово-кислотный аккумулятор теряет ~1 % отдаваемой ёмкости при снижении температуры на каждый градус от +20 °C. То есть, при температуре −30 °C свинцово-кислотный аккумулятор покажет примерно 50 % ёмкости.

Снижение ёмкости и токоотдачи при низких температурах обусловлено, в первую очередь, снижением скорости химических реакций (закон Аррениуса). Единственным способом повышения отдаваемой ёмкости является подогрев холодной батареи, как вариант — встроенным подогревателем (6СТ-190ТР-Н).

Разряженный аккумулятор в мороз может раздуться из-за замерзания электролита низкой плотности (близкой к 1,10 г/см³) и образования кристаллов льда, что приводит к необратимому повреждению свинцовых пластин внутри аккумулятора.

Низкие температуры электролита негативно влияют на работоспособность и зарядно-разрядные характеристики аккумулятора^[15]:

• при температуре от 0 °C до −10 °C снижение зарядных и разрядных характеристик несущественно влияют на работоспособность аккумулятора;
• при температуре от −10 °C до −20 °C происходит снижение тока в стартерном режиме и ухудшение заряда;
• при температуре ниже −20 °C аккумуляторные батареи не обеспечивают надежного пуска двигателя и не способны принимать заряд от генератора.

Из-за большего внутреннего сопротивления, присущего современным аккумуляторам закрытого типа (т. н. «необслуживаемым», герметичным, герметизированным) при низких температурах по сравнению с обычными аккумуляторами (открытого типа), для них эти вопросы ещё более актуальны^[16].

Для эксплуатации транспортных средств при очень низких температурах предназначены конструкции аккумулятора с внутренним электроподогревом

[17].

Хранение

Свинцово-кислотные аккумуляторы следует хранить только в заряженном состоянии. При температуре ниже −20 °C подзаряд аккумуляторов должен проводиться постоянным напряжением 2,45 В/элемент 1 раз в год в течение 48 часов. При комнатной температуре — 1 раз в 8 месяцев постоянным напряжением 2,35 В/элемент в течение 6—12 часов. Хранение аккумуляторов при температуре выше 30 °C не рекомендуется.

Слой грязи, солей и плёнки электролита на поверхности корпуса аккумулятора создаёт проводник для тока между электродами и приводит к саморазряду аккумулятора, при глубоком разряде начинается преждевременная сульфатация пластин, и поэтому поверхность аккумулятора необходимо поддерживать в чистоте. Хранение свинцово-кислотных аккумуляторов в разряженном состоянии приводит к быстрой потере их работоспособности.

При длительном хранении аккумуляторов и разряде их большими токами (в стартерном режиме), или при уменьшении ёмкости аккумуляторов, нужно проводить контрольно-тренировочные циклы, то есть разряд-заряд токами номинальной величины.

При подготовке аккумуляторной батареи к зимнему хранению, что актуально для автомобилей не эксплуатируемых в холодное время года специалисты старейшей лаборатории НИИАЭ рекомендуют следующие действия:

1. Правильно и до конца зарядите аккумуляторную батарею. 2. Нанесите на положительный вывод АКБ пластичную смазку (литол, солидол и т. п.), так как плёнка электролита способна абсорбировать влагу из атмосферы, что может приводить к повышенному саморазряду. 3. Хранить аккумуляторы на холоде, так как при низких температурах саморазряд намного ниже. Электролит полностью заряженного аккумулятора начинает замерзать при температуре ниже −55 С.

В случае необходимости поездки в морозы следует перенести аккумулятор в отапливаемое помещение и в течение 7—9 часов (например, за ночь) он придёт в пригодное для пуска двигателя состояние.

Износ свинцово-кислотных аккумуляторов

При использовании технической серной кислоты и недистиллированной воды ускоряются саморазряд, сульфатация, разрушение пластин и уменьшение ёмкости аккумуляторной батареи^[18].

При химических реакциях в аккумуляторе образуется плохо растворимое вещество — сульфит свинца PbSO₃, осаждающийся на пластинах и который образует диэлектрический слой между электролитом и активной массой. Это один из факторов, снижающих срок службы свинцово-кислотной аккумуляторной батареи.

Основными процессами износа свинцово-кислотных аккумуляторов являются:

• сульфатация пластин^[2], заключающаяся в образовании крупных кристаллов сульфата свинца, который препятствует протеканию обратимых токообразующих процессов;
• коррозия электродов, то есть электрохимические процессы окисления и растворения материала электродов в электролите, что вызывает осыпание материала электродов;
• слабая механическая прочность или плохое сцепление активной массы с электродными решётками, что приводит к опаданию активной массы^[2][19];
• оползание и осыпание активной массы положительных электродов, связанное с разрыхлением, нарушением однородности^[2].

Хотя батарею, вышедшую из строя по причине физического разрушения пластин, в домашних условиях восстановить нельзя, в литературе описаны химические растворы и прочие способы, позволяющие «десульфатировать» пластины. Простой, но чреватый полным отказом аккумулятора способ предполагает использование раствора сульфата магния^[2]. Раствор сульфата магния заливается в секции, после чего батарею разряжают и заряжают несколько раз. Сульфат свинца и прочие остатки химической реакции осыпаются при этом на дно банок, это может привести к замыканию элемента, поэтому обработанные банки желательно промыть и заполнить новым электролитом номинальной плотности. Это позволяет несколько продлить срок использования устройства.

Вторичная переработка

Кодовый символ, указывающий на то, что свинцовые батареи могут быть вторично переработаны

Вторичная переработка для этого вида аккумуляторов играет важную роль, так как свинец, содержащийся в аккумуляторах, является токсичным тяжёлым металлом и наносит серьёзный вред при попадании в окружающую среду. Свинец и его соли должны быть переработаны для возможности его вторичного использования.

Свинец из изношенных аккумуляторов используется для кустарной переплавки, например, при изготовлении грузил рыболовных снастей, охотничьей дроби или гирь. Для безопасности из аккумулятора следует слить электролит, для нейтрализации его остатков банки заливаются раствором пищевой соды, после чего корпус батареи разрушают и извлекают свинцовые электроды, клеммы и перемычки банок. У электродов в переплавку годится только их каркас в виде решётки, прессованная в них рассыпчатая масса — смесь соединений Pb, а не металл. Перемычки и клеммы аккумулятора могут быть переплавлены целиком.^{[источник не указан 629 дней]} Кустарное извлечение свинца из аккумуляторов серьезно вредит как окружающей среде, так и здоровью плавильщиков, поскольку свинец и его соединения с парами и дымом разносятся по всей округе^[20][21].

См. также

Примечания

1. ↑ Bertrand Gille Histoire des techniques. — Gallimard, coll. «La Pléiade», 1978, ISBN 978-2070108817.
2. ↑ ^{1 2 3 4 5 6 7 8} Свинцовые аккумуляторы. Эксплуатация: Правда и вымыслы.
3. ↑ Н. Ламтев. Самодельные аккумуляторы. Москва: Государственное издательство по вопросам радио, 1936 год.
4. ↑ Как отрыть автомобильный аккумулятор: делаем батарею обслуживаемой (рус.), AkkumulyatorAvto.ru (2 августа 2017). Проверено 12 августа 2018.
5. ↑ Удельная электропроводность х водных растворов серной кислоты и температурный коэффициент аt. chemport.ru. Проверено 1 июля 2018.
6. ↑ Концентрация и плотность серной кислоты. Зависимость плотности серной кислоты от концентрации в аккумуляторе автомобиля (рус.), FB.ru. Проверено 1 июля 2018.
7. ↑ http://auto.lenta.ru/news/2006/12/19/battery/ Американцы облегчили и уменьшили аккумуляторы
8. ↑ Аккумуляторы для бесперебойного питания. Статьи компании «ООО Новая система». aegmsk.ru. Проверено 12 августа 2018.
9. ↑ Свинцовый кислотный аккумулятор. Устройство и принцип действия аккумулятора. (рус.). www.eti.su. Проверено 1 июля 2018.
10. ↑ Расчет идеального свинцового аккумулятора.
11. ↑ Свинцовый кислотный аккумулятор. Устройство и принцип действия аккумулятора. (рус.). www.eti.su. Проверено 1 июля 2018.
12. ↑ ГОСТ 26881-86 Методика проверки свинцовых аккумуляторов
13. ↑ Краткий аналитический обзор существующих способов оценки ёмкости ХИТ и приборов, реализующих эти способы
14. ↑ ГОСТ Р 53165-2008: Батареи аккумуляторные свинцовые стартерные для автотракторной техники. Общие технические условия
15. ↑ Руководство, 1983, с. 70.
16. ↑ Железнодорожный транспорт. — 2011. № 12. — c.35.
17. ↑ Руководство, 1983, с. 21-23.
18. ↑ Вредные добавки к электролиту свинцовых аккумуляторов
19. ↑ О противоречиях в теории работы свинцового кислотного аккумулятора к. т. н., проф. Кочуров А. А. Рязанский военный автомобильный институт Архивировано 20 сентября 2011 года.
20. ↑ Отравление свинцом | ProfMedik Медицинский Портал (рус.). profmedik.ru (22 февраля 2016). Проверено 4 февраля 2017.
21. ↑ Кочуров. http://echemistry.ru/assets/files/books/hit/statya-o-protivorechiyah-v-teorii-raboty-svincovogo-kislotnogo-akkumulyatora.pdf (рус.). Новости. Первоуральск.Ru (17 июля 2014). Проверено 4 февраля 2017.

Ссылки

Литература

• Каштанов В. П., Титов В. В., Усков А. Ф. и др. Свинцовые стартерные аккумуляторные батареи. Руководство.. — М.: Воениздат, 1983. — 148 с.

Устройство свинцово-кислотного аккумулятора и принцип его работы

Аккумуляторные батареи являются неотъемлемым атрибутом любого современного транспортного средства. Они вырабатывают энергию, необходимую для пуска двигателя внутреннего сгорания, а в гибридных электрокарах выступают ещё и движущей силой. Несмотря на постоянно продолжающиеся разработки, свинцово-кислотные батареи остаются одними из самых распространённых на рынке.

Устройство свинцово-кислотного аккумулятора

Конструкция батареи свинцово-кислотного типа кардинально отличается от других устройств, предназначенных для выработки пускового тока и питания электроприборов. Хотя в самой сути лежат химические процессы и электролиз. Диоксид свинца и чистый свинец вступают во взаимодействие с раствором серной кислоты.

Устройство АКБ такого типа можно описать химическими процессами: в ходе нагрузки происходит образование сульфата свинца. В это время этот металл окисляется на аноде, а на катоде восстанавливается его диоксид. В процессе заряда протекают противоположные реакции. На пластинах располагается сульфат свинца: он распадается, а на аноде снова восстанавливается чистый свинец. Благодаря этим несложным химическим процессам есть возможность многократно использовать батарею, то разряжая, то заряжая её повторно.

Но в составе каждого автомобильного аккумулятора присутствует такой рабочий элемент, как электролит — это жидкость, пропускающая электрический ток. Если зарядка длится слишком долго, то сульфата свинца становится всё меньше, и начинается процесс электролиза. Обилие пузырьков приводит к закипанию дистиллированной воды внутри батареи. Допускать такое явление не рекомендуется, потому что возрастает угроза взрыва.

Производители закладывают такую опцию, как постепенное снижение величины заряда на клеммах по мере возрастания напряжения. Также существует угроза потери дистиллята, но её восполняют периодической доливкой. Одним из самых важных критериев аккумуляторных батарей выступает их ёмкость. Аккумулятор устроен таким образом, чтобы отдавать электрическую энергию, и в этом его самое главное предназначение. Чем больше ёмкость, тем большим количеством энергии он делится с потребителями тока.

Измеряется ёмкость в ампер-часах и зависит от активной площади электродов каждой батареи. Чтобы добиться увеличения этого критерия, можно использовать несколько соединённых между собой пластин, выполняющих роль электродов. Их могут изготавливать из пористых материалов, что тоже приносит положительный эффект. Проводить ток в этом случае может не только поверхность, но и внутренняя структура. Ёмкость не является постоянным фактором, она зависит от других обстоятельств: силы разрядного тока, состояния, в котором находятся пластины, температуры рабочей жидкости. Если температура понижается, ёмкость автоматически тоже уменьшится, поскольку вязкость электролита будет снижена, и электрохимические реакции протекают в таких условиях труднее.

Принцип работы автомобильного аккумулятора

Популярность кислотных аккумуляторов основывается на особенностях их работы и эксплуатационных характеристиках. Небольшое внутреннее сопротивление позволяет им выдавать ток на несколько сотен ампер, а именно это требуется стартеру для того, чтобы запустить двигатель внутреннего сгорания. Постоянное совершенствование автомобильного аккумулятора, который был изобретён ещё в 19-м веке, привело к тому, что в настоящее время он широко применяется в различных областях машиностроения.

В основе конструкции такой батареи лежит комплект свинцовых электродов. Все они расположены в одном и том же рабочем корпусе, залитом электролитом. Основу электролита составляет раствор на основе серной кислоты и дистиллированной воды. Для устройства пластин используется губчатый свинец, а также диоксид этого металла. Между пластинами возникает электрический разряд при взаимодействии электродов и жидкости-электролита.

Свинец с диоксидом свинца находятся в водяном растворе серной кислоты и вступают в реакцию друг с другом — на этом основывается принцип работы всех батарей этого типа. Сначала чистый свинец окисляется до сульфата этого металла. В процессе работы АКБ происходит её разряд — в химической реакции это находит своё отражение следующим образом: на аноде диоксид свинца восстанавливается, а на катоде происходит окисление свинца. Как только через электроды начинает проходить ток, химические реакции будут обратно противоположными.

Типы и особенности свинцово кислотных акб

Свинцово-кислотная технология позволила воплотить в жизнь различные виды автомобильных аккумуляторных батарей, которые обладают своими особенностями и преимуществами. Среди наиболее распространённых можно выделить следующие:

1. Жидкостные. Они нуждаются в обслуживании, но являются самыми экономичными. Электролит находится в жидкой форме, поэтому контактировать с ним без специальной защиты опасно для здоровья. Рассчитаны на 250–500 циклов заряда.
2. EFB. Имеют лучшие рабочие характеристики по сравнению с жидкостным типом. Количество циклов заряда и разряда может достигать 1000. Также требуют периодического обслуживания.
3. Гелевые. Не нуждаются в обслуживании. Кроме увеличенного рабочего ресурса, отличаются меньшим испарением электролита, который находится в гелеобразном состоянии. Хорошо выдерживают внешние удары и вибрации.
4. AGM. Одна из самых прогрессивных технологий, предполагающая установку стекловолоконных разделителей, которые накапливают электричество. Они вырабатывают более сильный ток, а заряжаются в 5 раз быстрее.

Преимущества и недостатки свинцово кислотных аккумуляторов

Свинцово-кислотные батареи получили широкое распространение благодаря свой конструкции и эксплуатационным параметрам. Они сравнительно дешевле по отношению к изделиям на основе других химических элементов и отлично подвергаются утилизации. Именно способность к восстановлению позволила аккумуляторам этого типа вытеснить аналоги, ведь уровень повторного применения свинца в ряде государств превышает 98%.

Для того чтобы правильно оценить плюсы и минусы свинцово-кислотного аккумулятора, необходимо учитывать их характеристики, которые важны в процессе эксплуатации. В числе главных преимуществ свинцово-кислотных устройств для производства тока стоит выделить следующие характеристики:

• длительная сохранность заряда по сравнению с оборудованием, принцип работы которого основан на других химических элементах;
• сравнительно простая технология производства позволяет удешевить итоговую стоимость для потребителя;
• эксперты отмечают простоту и неприхотливость в пользовании устройствами этой конструкции;
• отсутствие необходимости в доливке рабочей жидкости;
• высокий пусковой ток, который необходим для ряда транспортных средств.

Наряду с широким перечнем достоинств, аккумуляторы свинцово-кислотного типа обладают и недостатками, которые необходимо учитывать перед их приобретением. Основные недостатки такого оборудования:

• экологические риски, которые АКБ могут причинить окружающей среде, и необходимость обязательной повторной утилизации;
• возможный перегрев батареи в случае неправильного процесса заряда;
• рассчитаны на определённое количество циклов заряда и разряда.
• для хранения батареи должны быть всегда заряженными;
• невысокая энергетическая плотность приводит к проблемам в эксплуатации на стационарных объектах;
• повышенная кислотность электролита негативно сказывается на окружающей среде;
• рассчитаны на определённое количество циклов заряда и разряда;
• перегрев и перезаряд АКБ отрицательно сказываются на её рабочих характеристиках.

Области применения свинцово кислотных аккумуляторов

Применяют батареи, созданные по данной технологии, уже почти 200 лет. Многим потребителям они предпочтительны благодаря невысокой стоимости изготовления, а ещё долговечности. Такое оборудование способно производить высокий пусковой ток, необходимый ряду транспортных средств и оборудования. Основное применение свинцово-кислотных АКБ — это автомобили и механизмы, но есть и другие сферы:

• системы охраны и сигнализаций;
• оборудование для аварийного энергоснабжения и освещения;
• контрольно-измерительные приборы;
• ИБП для компьютерной техники;
• инвалидные кресла;
• детские электромобили и пр.

Источники питания этого типа продолжают оставаться востребованными благодаря высокой ёмкости, небольшому саморазряду и низкому внутреннему сопротивлению.

устройство и принцип действия, зарядка

Автор Aluarius На чтение 8 мин. Просмотров 308 Опубликовано 20.05.2020

Что такое свинцово-кислотный аккумулятор

Свинцовый аккумулятор – такой тип химического источника тока, который основан на реакции свинца и серной кислоты. Его изобретателем считается Гастон Планте, а первое появление датируется 1859-1860 годами. В 1878 году устройство аккумулятора было усовершенствовано изобретателем Камиллом Фором, который предложил наносить на пластины свинцовый сурик – красно-оранжевый порошок, представляющий собой ортоплюмбат свинца. В том же веке Николай Николаевич Бенардос – русский инженер и изобретатель – покрыл пластины батареи губчатым свинцом, добившись увеличения мощности.

Чтобы узнать, какой процесс происходит в аккумуляторе во время его работы, необходимо подробно рассмотреть его устройство. Конструкция современного кислотного аккумулятора включает в себя:

• корпус из кислотоупорного материала;
• электролит, представляющий собой раствор серной кислоты в дистиллированной воде;
• анодные – положительные – решетчатые свинцовые пластины, в ячейках которых запрессован порошок диоксида свинца;
• катодные – отрицательные – решетчатые свинцовые пластины, в ячейках которых – губчатый свинец;
• сепараторы, выполненные из пористого, не контактирующего с кислотой материала и предназначенные для разделения положительно и отрицательно заряженных пластин и предупреждения короткого замыкания между ними
• крышку (обычно встречается в переносных батареях), для достижения герметичности упаковки залитая мастикой;
• бареток, соединяющих одноимённые пластины и служащих в качестве токоотвода;
• крепёжные и соединительные элементы.

СПРАВКА: специалисты из США нашли способ облегчить свинцово-кислотный аккумулятор, увеличив при этом коэффициент полезного действия (КПД) – вместо полностью свинцовых решёток инженеры предлагают использовать пластины из углеродного волокна со свинцовым покрытием.

Принцип действия свинцового аккумулятора заключается в следующем. Положительные и отрицательные электроды опущены в электролит, и при подключении источника тока к внешней цепи оксид свинца вступает в химическую реакцию с серной кислотой. По мере разрядки батареи на аноде окисляется свинец, а на катоде происходит процесс восстановления диоксида свинца. Также при уменьшении заряда в АКБ плотность электролита снижается из-за расхода серной кислоты и выделения воды. Но стоит учитывать, что в процессе зарядки устройства запускаются обратные процессы.

СПРАВКА: при перезаряде можно наблюдать нежелательное явление – кипение электролита, вызванное электролизом воды. Избегают его путём снижения зарядного тока при повышении напряжения.

Кислотные аккумуляторные батареи
Классификация	Вид
По конструкции анодов	· Поверхностные · Панцирные, трубчатые · Стержневые намазные · Решётчатые
По агрегатному состоянию электролита	· Жидкостный · Гелевый · Абсорбированный
По возможности обслуживания	· Обслуживаемый · Необслуживаемый · Малообслуживаемый
По назначению	· Стартерные · Тяговые · Промышленные

СПРАВКА: выделяют также EFB аккумуляторы, также использующие электролит в жидком виде, но обладающие лучшими техническими характеристиками, чем жидкостные.

Параметры батареи, тип, страну-производителя и прочую необходимую информацию пользователь может узнать через маркировку, не прибегая к техническому паспорту устройства.

В источниках тока, сделанных в России, обозначение происходит согласно ГОСТ, и шифр обязательно включает в себя (по порядку):

• количество банок в корпусе;
• обозначение типа, например, «СТ» – стартерная;
• ёмкость, измеряемая в А∙ч;
• материал и особенности конструкции.

ВНИМАНИЕ: последние буквы маркировки означают: «А» – общая крышка, «З» – заряженная и заправленная батарея, «Т» – материалом для корпуса служит термопласт, «М» – минеральная пластмасса, «Э» – эбонит, «П» – материалом для сепараторов служат полиэтилен или микроволокна.

Характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов

Технические характеристики АКБ зависят от их типа. Для наглядности рассмотрены несколько наиболее используемых видов батарей:

• LA – обслуживаемые стартерные;
• VRLA – необслуживаемые, жидкостные;
• VRLA AGM – необслуживаемые, абсорбированные;
• VRLA GEL – необслуживаемые, гелевые;
• OPzV – необслуживаемые, трубчатые, гелевые;
• OPzS – малообслуживаемые, трубчатые.

Вид	LA	VRLA	VRLA AGM	VRLA GEL	OPzV	OPzS
Ёмкость, А∙ч	10-300	1-300	1-3000	1-3000	50-3500	50-3500
Оптимальная глубина разряда, %		30	<40	<50	<60	<60
Напряжение, Вольт	6, 12	4, 6, 12	2, 4, 6, 12	2, 6, 12	2	2
Диапазон рабочих температур, °С	-50…+70	-35…+60	-40…+70	-40…+70	-40…70	-40…70
Минимальное время заряда, ч	8-12	6-10	6-10	8-12	10-14	10-15
Саморазряд, %	3-5	2-3	1-2	1-2	1-2	1-2
Средняя стоимость за аккумулятор 12 В/100 А∙ч, $	70-150	200-250	250-380	350-500	1000-1400	1500-3500
Срок службы, лет	2-5	3-7	5-15	10-15	>20	>25

Благодаря умеренной цене и хорошим показателям, кислотные АКБ получили широкое распространение в технике. В сферу применения свинцовых источников тока входят:

• лёгкий и грузовой автотранспорт, включая сельскохозяйственную технику и моторные лодки;
• системы пожарной безопасности и охраны;
• системы аварийного энергоснабжения;
• системы энергоснабжения в областях, удалённых от стационарной электрической сети;
• контрольно-измерительные приборы для торговли и малого бизнеса;
• источники бесперебойного питания (ИБП) для компьютерной техники;
• запасные источники энергии;
• слаботочные системы;
• инвалидные кресла с электроприводом.

Преимущества и недостатки свинцово-кислотных аккумуляторов

К безоговорочным плюсам свинцово-кислотных АКБ относят относительно низкую стоимость вследствие простоты и дешевизны производства, а также низкий показатель саморазряда, что свидетельствует о долговечности батарей. Кроме этого, кислотные источники тока просты в эксплуатации и обслуживании, не имеют эффекта памяти и могут производить пусковой ток высоких значений, не просаживая напряжение питания. Ввиду использования проверенной временем технологии аккумуляторы универсальны и могут применяться для выполнения широкого спектра задач.

Минусы свинцовых батарей в сумме составляют большой перечень, однако не перекрывают их преимущества. Одним из первых недостатков пользователи называют внушительные габаритные размеры и массу, что зачастую неприемлемо при эксплуатации. При этом если рассматривать весо-энергетическую плотность, то значение энергоёмкости снижается. Количество циклов разряда у АКБ ограничено, а её производство экологически небезопасно из-за свинца. Более того аккумулятор должен храниться в хорошо вентилируемом помещении и не испытывать резких изменений температур, особенно минусовых.

Очевидно, что чем ниже температура окружающей среды, тем быстрее может разрядиться аккумулятор. Однако в кислотных устройствах рабочие параметры снижаются с меньшей скоростью, что отличает его от других типов аккумуляторов. По статистике, начиная понижать температуру с 20°С на один градус, можно заметить потерю показателя ёмкости на 1%. Таким образом, значение ёмкости при нуле не превысит 80%, а при -20°С – 60%.

Свинцовые АКБ отличаются от других типов химических источников тока своими преимуществами и недостатками, но так как сами кислотные батареи подразделяются на несколько видов, следует рассмотреть особенности каждого из них и выявить характерные отличия.

Классификация по агрегатному состоянию электролита	Особенности
Жидкостные	· потребность в регулярном обслуживании; · расположение только вертикально; · ресурс не превышает 500 циклов полного заряда и разряда; · необходимо поддерживать уровень заряда на отметке не менее 50%
EFB	· потребность в регулярном обслуживании; · расположение только вертикально; · ресурс не превышает 1000 циклов полного заряда и разряда; · необходимо поддерживать уровень заряда на отметке не менее 60%
Гелевые	· нет потребности в обслуживании; · увеличенный ресурс работы и повышена устойчивость к вибрационным и ударным нагрузкам по сравнению с жидкостными
AGM (абсорбированные)	· нет потребности в обслуживании; · заряжать можно в 5 раз быстрее, чем другие типы, но важно соблюдать правила зарядки; · ресурс не превышает 600 циклов полного заряда и разряда
AGM+	· ресурс не превышает 1200 циклов полного заряда и разряда; · уменьшенное внутреннее сопротивление

Как обслуживать свинцово-кислотный аккумулятор

По статистике 80% неполадок аккумулятора заключается в его сульфатации, появившейся из-за отсутствия технического обслуживания. Как проверить аккумулятор читайте здесь.

Чтобы предотвратить этот процесс, достаточно регулярно выполнять три процедуры:

• контролировать уровень дистиллированной воды;
• поддерживать чистоту;
• выравнивать заряд.

Как восстановить аккумулятор и убрать потерю емкости, читайте тут.

В процессе работы часть электролита испаряется, концентрация серной кислоты увеличивается, а уровень жидкости в банке понижается, что становится причиной контакта железных пластин с воздухом. Во избежание повреждения ячеек электродов нужно следить за количеством электролита и при необходимости добавлять в банку батареи дистиллированную воду.

СПРАВКА: доливать жидкость необходимо после полной зарядки АКБ.

Пользователи знают, насколько важна чистота АКБ: наличие грязи, пыли, подтёков кислоты может поспособствовать возникновению тока утечки, и аккумулятор разрядится и разбалансируется. Поэтому необходимо регулярно проводить чистку батареи, например, при помощи пароочистителя.

Чем чаще используется источник тока, тем больше ёмкость его ячеек будет отличаться друг от друга, что обязательно приведёт к проблемам в режиме зарядки. Чтобы урегулировать ситуацию, специалисты советуют пользоваться выравнивающим зарядным устройством, которое подаёт слабый ток и увеличивает время процесса на несколько часов, однако позволяет заряду распределиться равномерно и до 100% пополнить энергию.

Стандартное время зарядки пустой батареи составляет 10-12 часов. При этом крайне важно выставлять ток значением до 10% от ёмкости батареи. Обычно схема питания АКБ состоит из двух этапов: на первом аккумулятор заряжается постоянным током, на второй – постоянным напряжением.

Чтобы осуществить проверку работоспособности, существует множество способов, как традиционных, так и современных. К последним относится контроль системы при помощи электронных тестеров, которые показывают более правильные результаты, но могут оказаться дорогостоящими. Конечно, без подобного оборудования не обойтись при проверке современных герметичных аккумуляторов. Но для более традиционных устройств подойдут простые методы, проверенные временем.

1. Контроль плотности жидкости. При помощи ареометра нужно зарегистрировать значение плотности и сравнить с эталонными показателями. Для обеспечения нормальной работы параметр должен быть не ниже 1,23 г/см³, но не выше 1,4 г/см³.
2. Контроль уровня электролита. Жидкость должна полностью покрывать свинцовые пластины и возвышаться на 1-1,5 см.
3. Контроль с помощью нагрузочной вилки. Данное устройство измеряет напряжение АКБ под действием силы тока в десятки и сотни ампер. Такой метод весьма качественен для определения работоспособности батареи, однако, в случае частого использования нагрузочной вилки существует вероятность износа аккумулятора.

Свинцово-кислотный аккумулятор — Википедия

Свинцо́во-кисло́тный аккумуля́тор — тип аккумуляторов, получивший широкое распространение ввиду умеренной цены, неплохого ресурса (от 500 циклов и более), высокой удельной мощности. Основные области применения: стартерные аккумуляторные батареи в транспортных средствах, аварийные источники электроэнергии, резервные источники энергии. Строго говоря, аккумулятором называется один элемент аккумуляторной батареи, но в просторечии «аккумулятором» называют аккумуляторную батарею (сколько бы в ней не было элементов).

История

Свинцовый аккумулятор изобрёл в 1859—1860 годах Гастон Планте, сотрудник лаборатории Александра Беккереля^[1]. В 1878 году Камилл Фор усовершенствовал его конструкцию, предложив покрывать пластины аккумулятора свинцовым суриком. Русский изобретатель Бенардос применил покрытие губчатым свинцом для увеличения мощности батарей, которые использовал в своих работах со сваркой.

Принцип действия

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в водном растворе серной кислоты.

При подключении к электродам аккумулятора внешней нагрузки начинается электрохимическая реакция взаимодействия оксида свинца и серной кислоты, при этом металлический свинец окисляется до сульфата свинца (в классическом варианте аккумулятора). Проведенные в СССР исследования показали, что при разряде аккумулятора протекает как минимум ~60 различных реакций, порядка 20 из которых протекают без участия кислоты электролита^[2].

Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на катоде^[2][3] и окисление свинца на аноде. При заряде протекают обратные реакции. При перезаряде аккумулятора, после исчерпания сульфата свинца, начинается электролиз воды, при этом на аноде (положительный электрод) выделяется кислород, а на катоде — водород.

Электрохимические реакции (слева направо — при разряде, справа налево — при заряде):

P b O 2 + S O 4 2 − + 4 H + + 2 e − ⇆ P b S O 4 + 2 H 2 O {\displaystyle PbO_{2}+SO_{4}^{2-}+4H^{+}+2e^{-}\leftrightarrows PbSO_{4}+2H_{2}O}

P b + S O 4 2 − − 2 e − ⇆ P b S O 4 {\displaystyle Pb+SO_{4}^{2-}-2e^{-}\leftrightarrows PbSO_{4}}

При разряде аккумулятора из электролита расходуется серная кислота и выделяется относительно более лёгкая вода, плотность электролита падает. При заряде происходит обратный процесс. В конце заряда, когда количество сульфата свинца на электродах снижается ниже некоторого критического значения, начинает преобладать процесс электролиза воды. Газообразные водород и кислород выделяются из электролита в виде пузырьков — так называемое «кипение» при перезаряде. Это нежелательное явление, при заряде его следует по возможности избегать, так как при этом вода необратимо расходуется, нарастает плотность электролита и есть риск взрыва образующихся газов. Поэтому большинство зарядных устройств снижает зарядный ток при повышении напряжения аккумулятора. Потери воды восполняют доливкой в аккумуляторы дистиллированной воды при обслуживании аккумуляторной батареи (некоторые автомобильные батареи не имеют открывающихся/отвинчивающихся пробок)^[4].

Устройство

Элемент свинцово-кислотного аккумулятора состоит из электродов и разделительных пористых пластин, изготовленных из материала, не взаимодействующего с кислотой, препятствующих замыканию электродов (сепараторов), которые погружены в электролит. Электроды представляют собой плоские решётки из металлического свинца. В ячейки этих решёток запрессованы порошки диоксида свинца (PbO₂) — в анодных пластинах и металлического свинца — в катодных пластинах. Применение порошков увеличивает поверхность раздела электролит — твердое вещество, тем самым увеличивает электрическую ёмкость аккумулятора.

Электроды вместе с сепараторами погружены в электролит, представляющий собой водный раствор серной кислоты. Для приготовления раствора кислоты применяют дистиллированную воду.

Электрическая проводимость электролита зависит от концентрации серной кислоты и при комнатной температуре максимальна при массовой доле кислоты 35%^[5], что соответствует плотности электролита 1,26 г/см³^[6]. Чем больше проводимость электролита, тем меньше внутреннее сопротивление аккумулятора, и, соответственно, ниже потери энергии на нём. Однако, на практике в районах с холодным климатом применяются и более высокие концентрации серной кислоты, до 1,29−1,31 г/см³, это связано с тем, что при снижении концентрации из-за разряда электролит может замёрзнуть, а при замерзании образуется лёд, который может разорвать банки аккумулятора и повреждает губчатый материал пластин.

Существуют экспериментальные разработки аккумуляторов, где свинцовые решетки заменяют пластинами из переплетённых нитей углеродного волокна, покрытых тонкой свинцовой пленкой. При этом используется меньшее количество свинца, распределённого по большой площади, что позволяет изготовить аккумулятор не только компактным и лёгким, при прочих равных параметрах, но и значительно более эффективным — помимо большего КПД, заряжается значительно быстрее традиционных аккумуляторов^[7].

В аккумуляторах, применяемых в бытовых ИБП, систем охранной сигнализации и др. жидкий электролит загущают водным щелочным раствором силикатов натрия (Na₂Si₂O₄) до пастообразного состояния. Это так называемые гелевые аккумуляторы (GEL), имеющие длительный ресурс. Другой вариант исполнения − с пористыми сепараторами из стеклоткани (AGM), допускающими более жёсткие режимы заряда^[8].

Электрические и эксплуатационные параметры

• Удельная предельная теоретическая энергоёмкость (Вт·ч/кг): около 133.
• Удельная энергоёмкость (Вт·ч/кг): 30—40^[9].
• Теоретическая удельная энергоплотность (Вт·ч/дм³): 1250^[10].
• ЭДС одного элемента заряжённого аккумулятора = 2,11—2,17 В, рабочее напряжение 2 В (3 или 6 секций в итоге дают стандартные 6 В или 12 В соответственно)^[2].
• Напряжение полностью разряженного аккумулятора = 1,75—1,8 В (на 1 элемент). Ниже разряжать их нельзя^[2].
• Рабочая температура: от −40 °C до +40 °C.
• КПД: порядка 80—90 % (по току). КПД по энергии 70-80%^[11].

Эксплуатационные характеристики

• Номинальная ёмкость, показывает количество электричества, которое может отдать данный аккумулятор. Обычно указывается в ампер-часах, и измеряется при разряде малым током (1/20 номинальной ёмкости, выраженной в А·ч)^[12].
• Стартерный ток (для автомобильных аккумуляторов). Характеризует способности отдавать сильные токи при низких температурах. В большинстве случаев измеряется при −18 °C (0 °F) в течение 30 секунд. Различные методики замера отличаются (главным образом, допускаемым конечным напряжением) поэтому дают различные результаты^[13].
• Резервная ёмкость (для автомобильных аккумуляторов) — характеризует время, в течение которого аккумулятор может отдавать ток 25 А до конечного напряжения 10,5 В согласно ГОСТ Р 53165-2008^[14].

Эксплуатация

Ареометр может быть использован для проверки плотности электролита в каждом отдельном элементе

При эксплуатации «обслуживаемых» аккумуляторов (с открываемыми пробками на банках) на автомобиле при движении по неровной дороге неизбежно происходит просачивание электролита из-под пробок на корпус аккумулятора. Через электропроводную не высыхающую, из-за гигроскопичности, пленку электролита происходит постепенный саморазряд аккумулятора. Во избежание глубокого саморазряда необходимо периодически нейтрализовать электролит протиранием корпуса аккумулятора, например, слабым раствором пищевой соды или разведенным в воде до консистенции жидкой сметаны хозяйственным мылом. Кроме того, особенно в жаркую погоду, происходит испарение воды из электролита; также количество воды в электролите уменьшается при перезаряде аккумулятора за счёт её электролиза. Потеря воды увеличивает плотность электролита, увеличивая напряжение на аккумуляторе. При существенной потере воды могут оголиться пластины, что одновременно увеличивает саморазряд и вызывает сульфатацию батареи. Поэтому необходимо следить за уровнем электролита и при необходимости доливать дистиллированную воду.

Эти меры вместе с проверкой автомобиля на паразитную утечку тока в его электрооборудовании и периодической подзарядкой аккумулятора могут существенно продлить срок эксплуатации аккумуляторной батареи.

Работа свинцово-кислотного аккумулятора при низких температурах

По мере снижения окружающей температуры параметры аккумулятора ухудшаются, однако, в отличие от прочих типов аккумуляторов, у свинцово-кислотных аккумуляторов это снижение относительно мало, что и обуславливает их широкое применение на транспорте. Эмпирически считается, что свинцово-кислотный аккумулятор теряет ~1 % отдаваемой ёмкости при снижении температуры на каждый градус от +20 °C. То есть, при температуре −30 °C свинцово-кислотный аккумулятор покажет примерно 50 % ёмкости.

Снижение ёмкости и токоотдачи при низких температурах обусловлено, в первую очередь, снижением скорости химических реакций (закон Аррениуса). Единственным способом повышения отдаваемой ёмкости является подогрев холодной батареи, как вариант — встроенным подогревателем (6СТ-190ТР-Н).

Разряженный аккумулятор в мороз может раздуться из-за замерзания электролита низкой плотности (близкой к 1,10 г/см³) и образования кристаллов льда, что приводит к необратимому повреждению свинцовых пластин внутри аккумулятора.

Низкие температуры электролита негативно влияют на работоспособность и зарядно-разрядные характеристики аккумулятора^[15]:

• при температуре от 0 °C до −10 °C снижение зарядных и разрядных характеристик несущественно влияют на работоспособность аккумулятора;
• при температуре от −10 °C до −20 °C происходит снижение тока в стартерном режиме и ухудшение заряда;
• при температуре ниже −20 °C аккумуляторные батареи не обеспечивают надежного пуска двигателя и не способны принимать заряд от генератора.

Из-за большего внутреннего сопротивления, присущего современным аккумуляторам закрытого типа (т. н. «необслуживаемым», герметичным, герметизированным) при низких температурах по сравнению с обычными аккумуляторами (открытого типа), для них эти вопросы ещё более актуальны^[16].

Для эксплуатации транспортных средств при очень низких температурах предназначены конструкции аккумулятора с внутренним электроподогревом^[17].

Хранение

Свинцово-кислотные аккумуляторы следует хранить только в заряженном состоянии. При температуре ниже −20 °C подзаряд аккумуляторов должен проводиться постоянным напряжением 2,45 В/элемент 1 раз в год в течение 48 часов. При комнатной температуре — 1 раз в 8 месяцев постоянным напряжением 2,35 В/элемент в течение 6—12 часов. Хранение аккумуляторов при температуре выше 30 °C не рекомендуется.

Слой грязи, солей и плёнки электролита на поверхности корпуса аккумулятора создаёт проводник для тока между электродами и приводит к саморазряду аккумулятора, при глубоком разряде начинается преждевременная сульфатация пластин, и поэтому поверхность аккумулятора необходимо поддерживать в чистоте. Хранение свинцово-кислотных аккумуляторов в разряженном состоянии приводит к быстрой потере их работоспособности.

При длительном хранении аккумуляторов и разряде их большими токами (в стартерном режиме), или при уменьшении ёмкости аккумуляторов, нужно проводить контрольно-тренировочные циклы, то есть разряд-заряд токами номинальной величины.

При подготовке аккумуляторной батареи к зимнему хранению, что актуально для автомобилей не эксплуатируемых в холодное время года специалисты старейшей лаборатории НИИАЭ рекомендуют следующие действия:

1. Правильно и до конца зарядите аккумуляторную батарею. 2. Нанесите на положительный вывод АКБ пластичную смазку (литол, солидол и т. п.), так как плёнка электролита способна абсорбировать влагу из атмосферы, что может приводить к повышенному саморазряду. 3. Хранить аккумуляторы на холоде, так как при низких температурах саморазряд намного ниже. Электролит полностью заряженного аккумулятора начинает замерзать при температуре ниже −55 С.

В случае необходимости поездки в морозы следует перенести аккумулятор в отапливаемое помещение и в течение 7—9 часов (например, за ночь) он придёт в пригодное для пуска двигателя состояние.

Износ свинцово-кислотных аккумуляторов

При использовании технической серной кислоты и недистиллированной воды ускоряются саморазряд, сульфатация, разрушение пластин и уменьшение ёмкости аккумуляторной батареи^[18].

При химических реакциях в аккумуляторе образуется плохо растворимое вещество — сульфит свинца PbSO₃, осаждающийся на пластинах и который образует диэлектрический слой между электролитом и активной массой. Это один из факторов, снижающих срок службы свинцово-кислотной аккумуляторной батареи.

Основными процессами износа свинцово-кислотных аккумуляторов являются:

• сульфатация пластин^[2], заключающаяся в образовании крупных кристаллов сульфата свинца, который препятствует протеканию обратимых токообразующих процессов;
• коррозия электродов, то есть электрохимические процессы окисления и растворения материала электродов в электролите, что вызывает осыпание материала электродов;
• слабая механическая прочность или плохое сцепление активной массы с электродными решётками, что приводит к опаданию активной массы^[2][19];
• оползание и осыпание активной массы положительных электродов, связанное с разрыхлением, нарушением однородности^[2].

Хотя батарею, вышедшую из строя по причине физического разрушения пластин, в домашних условиях восстановить нельзя, в литературе описаны химические растворы и прочие способы, позволяющие «десульфатировать» пластины. Простой, но чреватый полным отказом аккумулятора способ предполагает использование раствора сульфата магния^[2]. Раствор сульфата магния заливается в секции, после чего батарею разряжают и заряжают несколько раз. Сульфат свинца и прочие остатки химической реакции осыпаются при этом на дно банок, это может привести к замыканию элемента, поэтому обработанные банки желательно промыть и заполнить новым электролитом номинальной плотности. Это позволяет несколько продлить срок использования устройства.

Вторичная переработка

Кодовый символ, указывающий на то, что свинцовые батареи могут быть вторично переработаны

Вторичная переработка для этого вида аккумуляторов играет важную роль, так как свинец, содержащийся в аккумуляторах, является токсичным тяжёлым металлом и наносит серьёзный вред при попадании в окружающую среду. Свинец и его соли должны быть переработаны для возможности его вторичного использования.

Свинец из изношенных аккумуляторов используется для кустарной переплавки, например, при изготовлении грузил рыболовных снастей, охотничьей дроби или гирь. Для безопасности из аккумулятора следует слить электролит, для нейтрализации его остатков банки заливаются раствором пищевой соды, после чего корпус батареи разрушают и извлекают свинцовые электроды, клеммы и перемычки банок. У электродов в переплавку годится только их каркас в виде решётки, прессованная в них рассыпчатая масса — смесь соединений Pb, а не металл. Перемычки и клеммы аккумулятора могут быть переплавлены целиком.^{[источник не указан 629 дней]} Кустарное извлечение свинца из аккумуляторов серьезно вредит как окружающей среде, так и здоровью плавильщиков, поскольку свинец и его соединения с парами и дымом разносятся по всей округе^[20][21].

См. также

Примечания

1. ↑ Bertrand Gille Histoire des techniques. — Gallimard, coll. «La Pléiade», 1978, ISBN 978-2070108817.
2. ↑ ^{1 2 3 4 5 6 7 8} Свинцовые аккумуляторы. Эксплуатация: Правда и вымыслы.
3. ↑ Н. Ламтев. Самодельные аккумуляторы. Москва: Государственное издательство по вопросам радио, 1936 год.
4. ↑ Как отрыть автомобильный аккумулятор: делаем батарею обслуживаемой (рус.), AkkumulyatorAvto.ru (2 августа 2017). Проверено 12 августа 2018.
5. ↑ Удельная электропроводность х водных растворов серной кислоты и температурный коэффициент аt. chemport.ru. Проверено 1 июля 2018.
6. ↑ Концентрация и плотность серной кислоты. Зависимость плотности серной кислоты от концентрации в аккумуляторе автомобиля (рус.), FB.ru. Проверено 1 июля 2018.
7. ↑ http://auto.lenta.ru/news/2006/12/19/battery/ Американцы облегчили и уменьшили аккумуляторы
8. ↑ Аккумуляторы для бесперебойного питания. Статьи компании «ООО Новая система». aegmsk.ru. Проверено 12 августа 2018.
9. ↑ Свинцовый кислотный аккумулятор. Устройство и принцип действия аккумулятора. (рус.). www.eti.su. Проверено 1 июля 2018.
10. ↑ Расчет идеального свинцового аккумулятора.
11. ↑ Свинцовый кислотный аккумулятор. Устройство и принцип действия аккумулятора. (рус.). www.eti.su. Проверено 1 июля 2018.
12. ↑ ГОСТ 26881-86 Методика проверки свинцовых аккумуляторов
13. ↑ Краткий аналитический обзор существующих способов оценки ёмкости ХИТ и приборов, реализующих эти способы
14. ↑ ГОСТ Р 53165-2008: Батареи аккумуляторные свинцовые стартерные для автотракторной техники. Общие технические условия
15. ↑ Руководство, 1983, с. 70.
16. ↑ Железнодорожный транспорт. — 2011. № 12. — c.35.
17. ↑ Руководство, 1983, с. 21-23.
18. ↑ Вредные добавки к электролиту свинцовых аккумуляторов
19. ↑ О противоречиях в теории работы свинцового кислотного аккумулятора к. т. н., проф. Кочуров А. А. Рязанский военный автомобильный институт Архивировано 20 сентября 2011 года.
20. ↑ Отравление свинцом | ProfMedik Медицинский Портал (рус.). profmedik.ru (22 февраля 2016). Проверено 4 февраля 2017.
21. ↑ Кочуров. http://echemistry.ru/assets/files/books/hit/statya-o-protivorechiyah-v-teorii-raboty-svincovogo-kislotnogo-akkumulyatora.pdf (рус.). Новости. Первоуральск.Ru (17 июля 2014). Проверено 4 февраля 2017.

Ссылки

Литература

• Каштанов В. П., Титов В. В., Усков А. Ф. и др. Свинцовые стартерные аккумуляторные батареи. Руководство.. — М.: Воениздат, 1983. — 148 с.

Свинцово-кислотный аккумулятор: принцип работы, виды

Свинцово-кислотный аккумулятор — один из самых распространенных типов батарей, использующийся в качестве источника электроэнергии для автомобиля, мотоцикла, мопеда, или в случае необходимости создания запасных источников питания.

Первая модель свинцово-кислотного аккумулятора была создана в середине XIX века ученым Гастоном Планте. Тогда его конструкция подразумевала две свинцовых пластины, стеклянную колбу с серной кислотой и обычное полотно в роли сепаратора. Это устройство обладало малой емкостью заряда и не получило достаточного распространения. Но идею оценили другие ученые и стали экспериментировать с составом электродов. В итоге самой удачной оказалась решетчатая конструкция из сплава с добавлением сурьмы. Изобретение генераторов постоянного тока решило проблему с подходящим источником энергии, и свинцово-кислотные аккумуляторные батареи наконец-таки получили широкое распространение.

В конце ХХ века их конструкция усложнилась, появились необслуживаемые аккумуляторы, в электроды которых был добавлен кальций. Это нововведение позволило существенно сократить расход воды. В идеале, батареи такого типа способны работать без пополнения количества воды в электролите весь срок службы. Кстати, при необходимости утратившее работоспособность устройство можно попробовать восстановить, используя принцип действия кислотных аккумуляторов.

Кислотные аккумуляторы — вторичные источники тока, который образуется за счет реакций восстановления и окисления, проходящих между материалом электродов и электролитом. В качестве электролита используется водный раствор серной кислоты. Остановимся на подробнее на устройстве аккумуляторов этого типа.

По конструктивным особенностям современные батареи делятся на три типа:

1. С жидким электролитом. Могут быть как обслуживаемыми, так и необслуживаемыми. Электролит — смесь серной кислоты и воды, находящаяся в жидком виде. В версии, требующей обслуживания, пластины изготавливаются из свинца с добавлением сурьмы и мышьяка. В таких батареях высок расход воды, что делает обслуживание аккумулятора не очень простой задачей. После замены сурьмы на кальций в состав сплава отрицательной пластины появились так называемые гибридные аккумуляторы, более удобные в эксплуатации, чем их предшественники. И, наконец, с добавлением кальция в обе пластины началась эра устройств, не требующих восстановления количества воды весь срок службы. Несмотря на совершенство конструкции, у них есть один минус — плохо переносят почти полный разряд, особенно в условиях отрицательной температуры.
2. Гелевые АКБ. В этих конструкциях электролит находится в сгущенном состоянии благодаря добавлению кремния. Плюс такой конструкции в том, что батарея становится абсолютно герметичной. Газ, выделяющийся в процессе химических реакций, находит себе место в порах геля, а при обратных реакциях вновь присоединяется к раствору серной кислоты. Но это очень капризные батареи. Они требуют неукоснительного соблюдения условий эксплуатации, чувствительны к перепадам температур, справляются с высокой нагрузкой хуже, чем их жидкостные собратья. Но они хорошо справляются с сильной разрядкой, действительно не требуют дополнительного обслуживания. Гелевые АКБ чаще используются в качестве стационарно резервного источника питания и редко устанавливаются на транспорт.
3. AGM-аккумуляторы. Это самый современный вид батарей, сочетающий все достоинства предыдущих вариантов. Электролит остается жидким, но циркулирует в пористой конструкции из тончайших стеклянных волокон. Два вида пор — большие и маленькие — обеспечивают свободное перемещение газа до того, как запустится обратная реакция. Конструкция устройства такова, что аккумулятор может работать, даже если его оболочка незначительно повреждена. Не боятся они и холода, глубокой разрядки, вибраций. Единственная уязвимость такого устройства — чувствительность к перепадам напряжения. Эту проблему можно решить, контролируя работу генератора и пользуясь надежным ЗУ.

У любого вида аккумулятора есть два основных параметра: емкость и напряжение. Емкость определяет количество энергии, которое аккумулятор может отдать при рабочем напряжении, измеряется в Ампер-часах. Она зависит от площади свинцовых пластин, участвующих в химических реакциях. При износе аккумулятора его емкость уменьшается из-за естественных потерь в размере пластин.

Напряжение — количество электрического тока, отдаваемое батареей. Измеряется в вольтах, зависит от плотности электролита. Оба параметра необходимо контролировать, так как от них зависит работоспособность устройства.

Для измерения напряжения используется вольтмер, правильные показатели — от  11 до 13 вольт (раньше производились аккумуляторы с напряжением 6 вольт, теперь они считаются устаревшими).

Чтобы измерить емкость, существует несколько методов:

• «Нагрузочная вилка» — измерение напряжения при эталонной нагрузке. Аккумулятор должен быть полностью заряжен.
• Специальный индикатор, способный посылать сигнал, определяющий площадь свинцовых пластин, и преобразовывать его в цифры. Не требует особых условий использования.
• В домашних условиях можно подключить мощную автомобильную галогеновую лампу и замерить в это время напряжение. Ели в течение 2 минут оно держится на уровне ~11 вольт, а свет лампы ровный и сильный — все в порядке.

В зависимости от типа используемого аккумулятора, условия его эксплуатации будут сильно отличаться. Единственная общая черта — всех их необходимо вовремя заряжать. Так, обслуживаемая батарея требует долива воды в аккумулятор, что может представлять собой опасность — кислота нагревает воду, и кипяток может ощутимо обжечь автовладельца.

Конструкция необслуживаемых аккумуляторов не предполагает возможности пополнения запаса воды в них. Но, даже если произвести небольшие изменения в конструкции, обжечься кипятком все равно будет проблематично. Для батарей такого типа важно не допускать больших колебаний напряжения. Это справедливо и для автомобильного, и для мотоциклетного аккумулятора. Но герметичный корпус уменьшает варианты восстановления устройства.

Как восстановить батарею? Часто снижение емкости или напряжения аккумулятора происходит из-за того, что некоторые участки электролита слишком уплотнились. При многоразовой небольшой зарядке эти области разжижаются, и потенциал устройства восстанавливается. Существует несколько рецептов восстанавливающего раствора, который несколько улучшает состояние устройства. К сожалению, его использование несколько затруднено на батареях с герметизированным корпусом, так как слить из него этот раствор будет проблематично.

Какой бы аккумулятор ни был установлен на транспортном средстве, важно соблюдать инструкцию по его использованию, вовремя заряжать и, при необходимости, пополнять запас воды в электролите. Тогда срок службы батареи будет максимально долгим.

Свинцово-кислотный аккумулятор — Википедия. Что такое Свинцово-кислотный аккумулятор

Свинцо́во-кисло́тный аккумуля́тор — тип аккумуляторов, получивший широкое распространение ввиду умеренной цены, неплохого ресурса (от 500 циклов и более), высокой удельной мощности. Основные области применения: стартерные аккумуляторные батареи в транспортных средствах, аварийные источники электроэнергии, резервные источники энергии. Строго говоря, аккумулятором называется один элемент аккумуляторной батареи, но в просторечии «аккумулятором» называют аккумуляторную батарею (сколько бы в ней не было элементов).

История

Свинцовый аккумулятор изобрёл в 1859—1860 годах Гастон Планте, сотрудник лаборатории Александра Беккереля^[1]. В 1878 году Камилл Фор усовершенствовал его конструкцию, предложив покрывать пластины аккумулятора свинцовым суриком. Русский изобретатель Бенардос применил покрытие губчатым свинцом для увеличения мощности батарей, которые использовал в своих работах со сваркой.

Принцип действия

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в водном растворе серной кислоты.

При подключении к электродам аккумулятора внешней нагрузки начинается электрохимическая реакция взаимодействия оксида свинца и серной кислоты, при этом металлический свинец окисляется до сульфата свинца (в классическом варианте аккумулятора). Проведенные в СССР исследования показали, что при разряде аккумулятора протекает как минимум ~60 различных реакций, порядка 20 из которых протекают без участия кислоты электролита^[2].

Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на катоде^[2][3] и окисление свинца на аноде. При заряде протекают обратные реакции. При перезаряде аккумулятора, после исчерпания сульфата свинца, начинается электролиз воды, при этом на аноде (положительный электрод) выделяется кислород, а на катоде — водород.

Электрохимические реакции (слева направо — при разряде, справа налево — при заряде):

P b O 2 + S O 4 2 − + 4 H + + 2 e − ⇆ P b S O 4 + 2 H 2 O {\displaystyle PbO_{2}+SO_{4}^{2-}+4H^{+}+2e^{-}\leftrightarrows PbSO_{4}+2H_{2}O}

P b + S O 4 2 − − 2 e − ⇆ P b S O 4 {\displaystyle Pb+SO_{4}^{2-}-2e^{-}\leftrightarrows PbSO_{4}}

При разряде аккумулятора из электролита расходуется серная кислота и выделяется относительно более лёгкая вода, плотность электролита падает. При заряде происходит обратный процесс. В конце заряда, когда количество сульфата свинца на электродах снижается ниже некоторого критического значения, начинает преобладать процесс электролиза воды. Газообразные водород и кислород выделяются из электролита в виде пузырьков — так называемое «кипение» при перезаряде. Это нежелательное явление, при заряде его следует по возможности избегать, так как при этом вода необратимо расходуется, нарастает плотность электролита и есть риск взрыва образующихся газов. Поэтому большинство зарядных устройств снижает зарядный ток при повышении напряжения аккумулятора. Потери воды восполняют доливкой в аккумуляторы дистиллированной воды при обслуживании аккумуляторной батареи (некоторые автомобильные батареи не имеют открывающихся/отвинчивающихся пробок)^[4].

Устройство

Элемент свинцово-кислотного аккумулятора состоит из электродов и разделительных пористых пластин, изготовленных из материала, не взаимодействующего с кислотой, препятствующих замыканию электродов (сепараторов), которые погружены в электролит. Электроды представляют собой плоские решётки из металлического свинца. В ячейки этих решёток запрессованы порошки диоксида свинца (PbO₂) — в анодных пластинах и металлического свинца — в катодных пластинах. Применение порошков увеличивает поверхность раздела электролит — твердое вещество, тем самым увеличивает электрическую ёмкость аккумулятора.

Электроды вместе с сепараторами погружены в электролит, представляющий собой водный раствор серной кислоты. Для приготовления раствора кислоты применяют дистиллированную воду.

Электрическая проводимость электролита зависит от концентрации серной кислоты и при комнатной температуре максимальна при массовой доле кислоты 35%^[5], что соответствует плотности электролита 1,26 г/см³^[6]. Чем больше проводимость электролита, тем меньше внутреннее сопротивление аккумулятора, и, соответственно, ниже потери энергии на нём. Однако, на практике в районах с холодным климатом применяются и более высокие концентрации серной кислоты, до 1,29−1,31 г/см³, это связано с тем, что при снижении концентрации из-за разряда электролит может замёрзнуть, а при замерзании образуется лёд, который может разорвать банки аккумулятора и повреждает губчатый материал пластин.

Существуют экспериментальные разработки аккумуляторов, где свинцовые решетки заменяют пластинами из переплетённых нитей углеродного волокна, покрытых тонкой свинцовой пленкой. При этом используется меньшее количество свинца, распределённого по большой площади, что позволяет изготовить аккумулятор не только компактным и лёгким, при прочих равных параметрах, но и значительно более эффективным — помимо большего КПД, заряжается значительно быстрее традиционных аккумуляторов^[7].

В аккумуляторах, применяемых в бытовых ИБП, систем охранной сигнализации и др. жидкий электролит загущают водным щелочным раствором силикатов натрия (Na₂Si₂O₄) до пастообразного состояния. Это так называемые гелевые аккумуляторы (GEL), имеющие длительный ресурс. Другой вариант исполнения − с пористыми сепараторами из стеклоткани (AGM), допускающими более жёсткие режимы заряда^[8].

Электрические и эксплуатационные параметры

• Удельная предельная теоретическая энергоёмкость (Вт·ч/кг): около 133.
• Удельная энергоёмкость (Вт·ч/кг): 30—40^[9].
• Теоретическая удельная энергоплотность (Вт·ч/дм³): 1250^[10].
• ЭДС одного элемента заряжённого аккумулятора = 2,11—2,17 В, рабочее напряжение 2 В (3 или 6 секций в итоге дают стандартные 6 В или 12 В соответственно)^[2].
• Напряжение полностью разряженного аккумулятора = 1,75—1,8 В (на 1 элемент). Ниже разряжать их нельзя^[2].
• Рабочая температура: от −40 °C до +40 °C.
• КПД: порядка 80—90 % (по току). КПД по энергии 70-80%^[11].

Эксплуатационные характеристики

• Номинальная ёмкость, показывает количество электричества, которое может отдать данный аккумулятор. Обычно указывается в ампер-часах, и измеряется при разряде малым током (1/20 номинальной ёмкости, выраженной в А·ч)^[12].
• Стартерный ток (для автомобильных аккумуляторов). Характеризует способности отдавать сильные токи при низких температурах. В большинстве случаев измеряется при −18 °C (0 °F) в течение 30 секунд. Различные методики замера отличаются (главным образом, допускаемым конечным напряжением) поэтому дают различные результаты^[13].
• Резервная ёмкость (для автомобильных аккумуляторов) — характеризует время, в течение которого аккумулятор может отдавать ток 25 А до конечного напряжения 10,5 В согласно ГОСТ Р 53165-2008^[14].

Эксплуатация

Ареометр может быть использован для проверки плотности электролита в каждом отдельном элементе

При эксплуатации «обслуживаемых» аккумуляторов (с открываемыми пробками на банках) на автомобиле при движении по неровной дороге неизбежно происходит просачивание электролита из-под пробок на корпус аккумулятора. Через электропроводную не высыхающую, из-за гигроскопичности, пленку электролита происходит постепенный саморазряд аккумулятора. Во избежание глубокого саморазряда необходимо периодически нейтрализовать электролит протиранием корпуса аккумулятора, например, слабым раствором пищевой соды или разведенным в воде до консистенции жидкой сметаны хозяйственным мылом. Кроме того, особенно в жаркую погоду, происходит испарение воды из электролита; также количество воды в электролите уменьшается при перезаряде аккумулятора за счёт её электролиза. Потеря воды увеличивает плотность электролита, увеличивая напряжение на аккумуляторе. При существенной потере воды могут оголиться пластины, что одновременно увеличивает саморазряд и вызывает сульфатацию батареи. Поэтому необходимо следить за уровнем электролита и при необходимости доливать дистиллированную воду.

Эти меры вместе с проверкой автомобиля на паразитную утечку тока в его электрооборудовании и периодической подзарядкой аккумулятора могут существенно продлить срок эксплуатации аккумуляторной батареи.

Работа свинцово-кислотного аккумулятора при низких температурах

По мере снижения окружающей температуры параметры аккумулятора ухудшаются, однако, в отличие от прочих типов аккумуляторов, у свинцово-кислотных аккумуляторов это снижение относительно мало, что и обуславливает их широкое применение на транспорте. Эмпирически считается, что свинцово-кислотный аккумулятор теряет ~1 % отдаваемой ёмкости при снижении температуры на каждый градус от +20 °C. То есть, при температуре −30 °C свинцово-кислотный аккумулятор покажет примерно 50 % ёмкости.

Снижение ёмкости и токоотдачи при низких температурах обусловлено, в первую очередь, снижением скорости химических реакций (закон Аррениуса). Единственным способом повышения отдаваемой ёмкости является подогрев холодной батареи, как вариант — встроенным подогревателем (6СТ-190ТР-Н).

Разряженный аккумулятор в мороз может раздуться из-за замерзания электролита низкой плотности (близкой к 1,10 г/см³) и образования кристаллов льда, что приводит к необратимому повреждению свинцовых пластин внутри аккумулятора.

Низкие температуры электролита негативно влияют на работоспособность и зарядно-разрядные характеристики аккумулятора^[15]:

• при температуре от 0 °C до −10 °C снижение зарядных и разрядных характеристик несущественно влияют на работоспособность аккумулятора;
• при температуре от −10 °C до −20 °C происходит снижение тока в стартерном режиме и ухудшение заряда;
• при температуре ниже −20 °C аккумуляторные батареи не обеспечивают надежного пуска двигателя и не способны принимать заряд от генератора.

Из-за большего внутреннего сопротивления, присущего современным аккумуляторам закрытого типа (т. н. «необслуживаемым», герметичным, герметизированным) при низких температурах по сравнению с обычными аккумуляторами (открытого типа), для них эти вопросы ещё более актуальны^[16].

Для эксплуатации транспортных средств при очень низких температурах предназначены конструкции аккумулятора с внутренним электроподогревом^[17].

Хранение

Свинцово-кислотные аккумуляторы следует хранить только в заряженном состоянии. При температуре ниже −20 °C подзаряд аккумуляторов должен проводиться постоянным напряжением 2,45 В/элемент 1 раз в год в течение 48 часов. При комнатной температуре — 1 раз в 8 месяцев постоянным напряжением 2,35 В/элемент в течение 6—12 часов. Хранение аккумуляторов при температуре выше 30 °C не рекомендуется.

Слой грязи, солей и плёнки электролита на поверхности корпуса аккумулятора создаёт проводник для тока между электродами и приводит к саморазряду аккумулятора, при глубоком разряде начинается преждевременная сульфатация пластин, и поэтому поверхность аккумулятора необходимо поддерживать в чистоте. Хранение свинцово-кислотных аккумуляторов в разряженном состоянии приводит к быстрой потере их работоспособности.

При длительном хранении аккумуляторов и разряде их большими токами (в стартерном режиме), или при уменьшении ёмкости аккумуляторов, нужно проводить контрольно-тренировочные циклы, то есть разряд-заряд токами номинальной величины.

При подготовке аккумуляторной батареи к зимнему хранению, что актуально для автомобилей не эксплуатируемых в холодное время года специалисты старейшей лаборатории НИИАЭ рекомендуют следующие действия:

1. Правильно и до конца зарядите аккумуляторную батарею. 2. Нанесите на положительный вывод АКБ пластичную смазку (литол, солидол и т. п.), так как плёнка электролита способна абсорбировать влагу из атмосферы, что может приводить к повышенному саморазряду. 3. Хранить аккумуляторы на холоде, так как при низких температурах саморазряд намного ниже. Электролит полностью заряженного аккумулятора начинает замерзать при температуре ниже −55 С.

В случае необходимости поездки в морозы следует перенести аккумулятор в отапливаемое помещение и в течение 7—9 часов (например, за ночь) он придёт в пригодное для пуска двигателя состояние.

Износ свинцово-кислотных аккумуляторов

При использовании технической серной кислоты и недистиллированной воды ускоряются саморазряд, сульфатация, разрушение пластин и уменьшение ёмкости аккумуляторной батареи^[18].

При химических реакциях в аккумуляторе образуется плохо растворимое вещество — сульфит свинца PbSO₃, осаждающийся на пластинах и который образует диэлектрический слой между электролитом и активной массой. Это один из факторов, снижающих срок службы свинцово-кислотной аккумуляторной батареи.

Основными процессами износа свинцово-кислотных аккумуляторов являются:

• сульфатация пластин^[2], заключающаяся в образовании крупных кристаллов сульфата свинца, который препятствует протеканию обратимых токообразующих процессов;
• коррозия электродов, то есть электрохимические процессы окисления и растворения материала электродов в электролите, что вызывает осыпание материала электродов;
• слабая механическая прочность или плохое сцепление активной массы с электродными решётками, что приводит к опаданию активной массы^[2][19];
• оползание и осыпание активной массы положительных электродов, связанное с разрыхлением, нарушением однородности^[2].

Хотя батарею, вышедшую из строя по причине физического разрушения пластин, в домашних условиях восстановить нельзя, в литературе описаны химические растворы и прочие способы, позволяющие «десульфатировать» пластины. Простой, но чреватый полным отказом аккумулятора способ предполагает использование раствора сульфата магния^[2]. Раствор сульфата магния заливается в секции, после чего батарею разряжают и заряжают несколько раз. Сульфат свинца и прочие остатки химической реакции осыпаются при этом на дно банок, это может привести к замыканию элемента, поэтому обработанные банки желательно промыть и заполнить новым электролитом номинальной плотности. Это позволяет несколько продлить срок использования устройства.

Вторичная переработка

Кодовый символ, указывающий на то, что свинцовые батареи могут быть вторично переработаны

Вторичная переработка для этого вида аккумуляторов играет важную роль, так как свинец, содержащийся в аккумуляторах, является токсичным тяжёлым металлом и наносит серьёзный вред при попадании в окружающую среду. Свинец и его соли должны быть переработаны для возможности его вторичного использования.

Свинец из изношенных аккумуляторов используется для кустарной переплавки, например, при изготовлении грузил рыболовных снастей, охотничьей дроби или гирь. Для безопасности из аккумулятора следует слить электролит, для нейтрализации его остатков банки заливаются раствором пищевой соды, после чего корпус батареи разрушают и извлекают свинцовые электроды, клеммы и перемычки банок. У электродов в переплавку годится только их каркас в виде решётки, прессованная в них рассыпчатая масса — смесь соединений Pb, а не металл. Перемычки и клеммы аккумулятора могут быть переплавлены целиком.^{[источник не указан 629 дней]} Кустарное извлечение свинца из аккумуляторов серьезно вредит как окружающей среде, так и здоровью плавильщиков, поскольку свинец и его соединения с парами и дымом разносятся по всей округе^[20][21].

См. также

Примечания

1. ↑ Bertrand Gille Histoire des techniques. — Gallimard, coll. «La Pléiade», 1978, ISBN 978-2070108817.
2. ↑ ^{1 2 3 4 5 6 7 8} Свинцовые аккумуляторы. Эксплуатация: Правда и вымыслы.
3. ↑ Н. Ламтев. Самодельные аккумуляторы. Москва: Государственное издательство по вопросам радио, 1936 год.
4. ↑ Как отрыть автомобильный аккумулятор: делаем батарею обслуживаемой (рус.), AkkumulyatorAvto.ru (2 августа 2017). Проверено 12 августа 2018.
5. ↑ Удельная электропроводность х водных растворов серной кислоты и температурный коэффициент аt. chemport.ru. Проверено 1 июля 2018.
6. ↑ Концентрация и плотность серной кислоты. Зависимость плотности серной кислоты от концентрации в аккумуляторе автомобиля (рус.), FB.ru. Проверено 1 июля 2018.
7. ↑ http://auto.lenta.ru/news/2006/12/19/battery/ Американцы облегчили и уменьшили аккумуляторы
8. ↑ Аккумуляторы для бесперебойного питания. Статьи компании «ООО Новая система». aegmsk.ru. Проверено 12 августа 2018.
9. ↑ Свинцовый кислотный аккумулятор. Устройство и принцип действия аккумулятора. (рус.). www.eti.su. Проверено 1 июля 2018.
10. ↑ Расчет идеального свинцового аккумулятора.
11. ↑ Свинцовый кислотный аккумулятор. Устройство и принцип действия аккумулятора. (рус.). www.eti.su. Проверено 1 июля 2018.
12. ↑ ГОСТ 26881-86 Методика проверки свинцовых аккумуляторов
13. ↑ Краткий аналитический обзор существующих способов оценки ёмкости ХИТ и приборов, реализующих эти способы
14. ↑ ГОСТ Р 53165-2008: Батареи аккумуляторные свинцовые стартерные для автотракторной техники. Общие технические условия
15. ↑ Руководство, 1983, с. 70.
16. ↑ Железнодорожный транспорт. — 2011. № 12. — c.35.
17. ↑ Руководство, 1983, с. 21-23.
18. ↑ Вредные добавки к электролиту свинцовых аккумуляторов
19. ↑ О противоречиях в теории работы свинцового кислотного аккумулятора к. т. н., проф. Кочуров А. А. Рязанский военный автомобильный институт Архивировано 20 сентября 2011 года.
20. ↑ Отравление свинцом | ProfMedik Медицинский Портал (рус.). profmedik.ru (22 февраля 2016). Проверено 4 февраля 2017.
21. ↑ Кочуров. http://echemistry.ru/assets/files/books/hit/statya-o-protivorechiyah-v-teorii-raboty-svincovogo-kislotnogo-akkumulyatora.pdf (рус.). Новости. Первоуральск.Ru (17 июля 2014). Проверено 4 февраля 2017.

Ссылки

Литература

• Каштанов В. П., Титов В. В., Усков А. Ф. и др. Свинцовые стартерные аккумуляторные батареи. Руководство.. — М.: Воениздат, 1983. — 148 с.

Конструкция, принцип действия кислотного аккумулятора. — Студопедия

В кислотном аккумуляторе активным ве­ществом положительных элек­тродов яв­ляется двуокись свинца РЬО₂, отрицательных электродов — губча­тый свинец РЬ. Электролитом служит водный раствор серной кислоты H₂SO₄. Проходящие в ак­ку­муляторе электрохимические процессы выража­ются уравнением:

разряд

PbO₂ + 2 H₂ S0₄ + Pb PbS0₄ + 2 H₂0 + PbSO₄

заряд

Из формулы видно, что активные вещества положительных и отрица­тельных электродов при разряде переходят в сульфат свинца. Одновременно выделяется вода, которая разбавляет кислоту, уменьшая концентрацию элек­тролита.

При заряде аккумулятора, под действием электрической энергии, на электро­дах аккумулятора восстанавливаются исходные вещества. Одновре­менно возрас­тает концентрация электролита.

Кислотный аккумулятор имеет корпус в виде моноблока из прессован­ного эбонита (рис.2.1), который образует двенадцать изолированных друг от друга ячеек, каждая из которых является корпусом для отдельного аккуму­лятора бата­реи. В каждой ячейке расположены положительные и отрица­тельные электроды в виде наборов положительных (рис.2.1) 6и отрицатель­ных 3пластин. Как положи­тель­ные, так и отрицательные пластины представ­ляют собой тонкие решет­ки, отли­тые из сплава свинца с сурьмой, в ячейки которых вмазы­вается активная масса в виде пасты. Таким образом, решетка служит основой, на которой закрепляется ак­тивное вещество, и одновременно проводником тока.

Пластины одной полярности спаяны между собой параллельно за спе­циальные приливы-ушки свинцовым мостиком (бареткой) 7 с вы­водным шты­рем и образуют полублок. Два полублока из пластин раз­ной полярности, вставленных один в дру­гой так, чтобы полярность пластин чередовалась, об­разуют блок пластин 2.

Пластины разной полярности в блоке изолируются друг от друга с по­мощью сепараторов 5— тонких пластин из микропористого эбо­нита. С од­ной стороны поверхность сепаратора делается гладкой, а с другой (обращен­ной к положитель­ной пластине) — ребристой. Это делается с целью увеличе­ния пространства для ки­слоты у положитель­ных пластин, где её расходуется больше. В зависимости от ёмкости аккумуляторной батареи и её назначе­ния блоки

Рис. 2.1. Конструкция кислотной аккумуляторной батареи:

1 —корпус; 2 — блок пластин; 3— отрицательные пластины; 4 – опорные башмачки; 5 – сепараторы; 6— положительные пластины; 7—ба­ретка; 8 — предохранительный щиток; 9 – отражательный щиток; 10 — пробка;11—крышка;

12 — межэлементное соединение; 13 – выходной зажим.

пластин имеют разное количество пластин, которые имеют разные раз­меры и тол­щину.

Блоки пластин помещаются в ячейки моноблока. Сверху блока с целью защиты верхних кромок се­параторов от поломки при замере уровня и плотно­сти электролита прокладывается винипластовый предо­хранительный щиток 8. Выше пре­дохрани­тельного щитка с опорой на баретки располагается эбони­то­вый отражательный щиток 9, ко­торый предохраняет электролит от выпле­скивания при работе в усло­виях вибрации.

Каждая ячейка моноблока закрывается эбонитовой крышкой 11 с тремя отвер­стиями. Крайние отверстия служат для выводов штырей бареток, а среднее — для за­ливки электролита и для выхода газов, образующихся при работе. В отверстия для штырей впрессованы свин­цовые втулки, выступаю­щие над верхней плоскостью крышки на 4÷5 мм. При сборке аккумулятора выводные штыри спаиваются с вы­сту­пающими бортиками втулок.

Все элементы последовательно соединяются между собой в батарею свинцовыми перемычками 12. От крайних элементов на торцевую стенку мо­нобло­ка выведены зажимы 13для присоединения батареи к внешней цепи.

Отверстие для заливки электролита закрывается пробкой 10. При хра­нении акку­муляторных батарей до их ввода в эксплуатацию или при дли­тельной их консерва­ции применяются глухие пробки из черного эбонита, ко­торые для отличия от рабо­чих пробок закрашиваются сверху красной крас­кой. Во время эксплуатации аккуму­ляторных батарей применя­ются рабочие пробки, которые имеют в своей конструк­ции предохранительный клапан, обеспечивающий свободный выход газов при нор­мальном положении и не­выливание электролита при наклонах и опрокидывании ба­тареи при эволю­циях самолёта.

На самолётах и вертолётах гражданской авиации в настоящее время использу­ются кислотные аккумуляторные батареи следующих типов:

12-А-30 – авиационный аккумулятор нестартерного типа ёмкостью 30 Ачас –– ис­пользуется, в основном, на самолётах Ан-2 .

12САМ-28 – стартёрный авиационный аккумулятор ёмкостью 28 Ачас – использу­ется на самолётах Ан-24, Ан-26, Ан-30, некоторых сериях Як-18Т, на вертолётах Ми-2, Ми-8Т и Ми-8П.

12САМ-55 – стартёрный авиационный аккумулятор ёмкостью 55 Ачас, в отличие от других состоит из двух полубатарей на напряжение 12 В, соеди­нённых на само-лёте последовательно. До недавнего времени использовался на самолётах Ту-134.

12АСАМ-23 – стартёрный авиационный аккумулятор с абсорбирован­ным элек­тролитом. После заряда батареи из неё выливают свободный элек­тролит, оставляя только электролит, абсорбированный в порах пластин и се­параторов. Благодаря этому исключается возможность пролива электролита при любых манёврах самолёта и возрастает высотность батареи. Использу­ется на легкомоторных самолётах и на Ан-2.

Свинцово-кислотный аккумулятор

: работа, конструкция и зарядка / разрядка

Практически каждое портативное и портативное устройство состоит из аккумулятора. Батарея представляет собой накопительное устройство, в котором накапливается энергия для обеспечения ее в любой момент. В современном мире электроники доступны различные типы батарей, среди которых Свинцовые Кислотные батареи обычно используются для источников питания высокой мощности. Обычно свинцово-кислотные батареи больше по размеру, имеют прочную и тяжелую конструкцию, они могут хранить большое количество энергии и обычно используются в автомобилях и инверторах.

Даже после конкуренции с литий-ионными аккумуляторами спрос на свинцово-кислотные аккумуляторы растет день ото дня, поскольку они дешевле и проще в обращении по сравнению с литий-ионными аккумуляторами. Согласно некоторым исследованиям рынка, рынок свинцово-кислотных аккумуляторов в Индии будет расти в среднем на 9% в течение 2018-24 годов. Таким образом, он пользуется огромным рыночным спросом в автоматизации, автомобилестроении и бытовой электронике. Хотя большая часть электромобилей поставляется с литий-ионными батареями, все же есть много электрических двухколесных транспортных средств, которые используют свинцово-кислотные батареи для питания транспортного средства.

В предыдущем уроке мы узнали о литий-ионных аккумуляторах, здесь мы разберемся с принципом работы , конструкцией и применением свинцово-кислотных аккумуляторов. Мы также узнаем о характеристиках зарядки / разрядки, требованиях и безопасности свинцово-кислотных аккумуляторов.

Строительство свинцово-кислотных аккумуляторов

Что такое свинцово-кислотная батарея? Если мы сломаем название Свинцово-кислотный аккумулятор, мы получим Свинцовый, Кислотный и Аккумулятор .Свинец — это химический элемент (символ Pb, атомный номер 82). Это мягкий и податливый элемент. Мы знаем, что такое кислота; он может отдавать протон или принимать пару электронов, когда реагирует. Так, аккумулятор, который состоит из свинца и безводной свинцовой кислоты (иногда ошибочно называемой пероксидом свинца), называется свинцово-кислотной батареей.

Итак, , что такое внутренняя конструкция?

Свинцово-кислотная батарея состоит из следующих элементов, мы можем видеть это на изображении ниже:

Свинцово-кислотная батарея состоит из пластин, сепаратора и электролита, твердого пластика с твердым резиновым корпусом .

В аккумуляторах пластины двух типов , положительные и отрицательные. Положительный состоит из диоксида свинца, а отрицательный — из губчатого свинца. Эти две пластины разделены разделителем , который является изоляционным материалом. Вся конструкция хранится в жестком пластиковом корпусе с электролитом. Электролит — вода и серная кислота.

Жесткий пластиковый корпус одноклеточный. Одноячеечное хранилище обычно 2.1V. По этой причине свинцово-кислотная батарея на 12 В состоит из 6 ячеек и обычно обеспечивает 6 x 2,1 В / элемент = 12,6 В.

Теперь, какова емкость накопителя заряда?

Это сильно зависит от активного материала (количества электролита) и размера пластины. Возможно, вы видели, что емкость литиевой батареи описывается в мАч или миллиампер-часах, но в случае свинцово-кислотной батареи это ампер-час. Мы опишем это в следующем разделе.

Работа свинцово-кислотных аккумуляторов

Работа свинцово-кислотного аккумулятора — это все о химии, и очень интересно узнать о ней. В процессе зарядки и разрядки свинцово-кислотных аккумуляторов происходят огромные химические процессы. При растворении кислоты молекулы разбавленной серной кислоты H ₂ SO ₄ распадаются на две части. Он создаст положительные ионы 2H + и отрицательные ионы SO ₄ -. Как мы уже говорили ранее, два электрода соединены как пластины, анод и катод.Анод улавливает отрицательные ионы, а катод притягивает положительные ионы. Эта связь в аноде и SO ₄ — и катоде с 2H + обменивается электронами и далее реагирует с h3O или с водой (разбавленная серная кислота, серная кислота + вода).

Батарея имеет два состояния химической реакции: Зарядка и Разрядка .

Свинцово-кислотный аккумулятор Зарядка

Как известно, чтобы зарядить аккумулятор, нам нужно обеспечить напряжение, превышающее напряжение на клеммах.Таким образом, для зарядки аккумулятора 12,6 В можно подать напряжение 13 В.

Но что на самом деле происходит, когда мы заряжаем свинцово-кислотную батарею?

Ну, те же химические реакции, которые мы описали ранее. В частности, когда аккумулятор соединен с зарядным устройством, молекулы серной кислоты распадаются на два иона: положительные ионы 2H + и отрицательные ионы SO ₄ -. Водород обменивается электронами с катодом и становится водородом, этот водород реагирует с PbSO ₄ на катоде и образует серную кислоту (H ₂ SO ₄ ) и свинец (Pb).С другой стороны, SO ₄ — обмениваются электронами с анодом и превращаются в радикал SO ₄ . Этот SO ₄ реагирует с PbSO ₄ анода и образует пероксид свинца PbO ₂ и серную кислоту (H ₂ SO ₄ ). Энергия накапливается за счет увеличения плотности серной кислоты и увеличения потенциального напряжения ячейки.

Как объяснялось выше, в процессе зарядки на аноде и катоде происходят следующие химические реакции.

На катоде

  PbSO  4  + 2e  -  => Pb + SO  4   2-   

На аноде

  PbSO  4  + 2H  2  O => PbO  2  + SO  4   2- + 4H - + 2e -  

В сочетании двух приведенных выше уравнений общая химическая реакция будет

.

  2PbSO  4  + 2H  2  O => PbO  2  + Pb + 2H  2  SO  4   

Существуют различные методы зарядки свинцово-кислотного аккумулятора.Каждый метод может использоваться для конкретных свинцово-кислотных аккумуляторов для конкретных приложений. В некоторых приложениях используется метод зарядки с постоянным напряжением , в некоторых приложениях используется метод с постоянным током , в то время как зарядка от щекотки также полезна в некоторых случаях. Обычно производитель аккумуляторов предоставляет соответствующий метод зарядки определенных свинцово-кислотных аккумуляторов. Зарядка постоянным током обычно не используется при зарядке свинцово-кислотных аккумуляторов .

Наиболее распространенным методом зарядки, используемым в свинцово-кислотных аккумуляторах, является метод зарядки постоянным напряжением , который является эффективным с точки зрения времени зарядки.В полном цикле зарядки напряжение заряда остается постоянным, а ток постепенно уменьшается с увеличением уровня заряда аккумулятора.

Свинцово-кислотная батарея разряжается

Разрядка свинцово-кислотной батареи снова связана с химическими реакциями. Серная кислота находится в разбавленной форме, обычно в соотношении 3: 1 с водой и серной кислотой. Когда нагрузки подключаются поперек пластин, серная кислота снова распадается на положительные ионы 2H + и отрицательные ионы SO ₄ .Ионы водорода реагируют с PbO ₂ и образуют PbO и воду H ₂ O. PbO начинает реагировать с H ₂ SO ₄ и создает PbSO ₄ и H ₂ O.

С другой стороны, SO ₄ — ионы обмениваются электронами с Pb, образуя радикал SO ₄ , который в дальнейшем создает PbSO ₄ , реагирующий с Pb.

Как объяснено выше, в процессе разряда на аноде и катоде происходят следующие химические реакции.Эти реакции прямо противоположны реакциям зарядки:

На катоде

  Pb + SO  4   2-  => PbSO  4  + 2e -  

На аноде:

  PbO  2  + SO  4   2- + 4H - + 2e - => PbSO  4  + 2H  2  O  

В сочетании двух приведенных выше уравнений общая химическая реакция будет

.

  PbO  2  + Pb + 2H  2  SO  4  => 2PbSO  4  + 2H  2  O  

Из-за обмена электронами между анодом и катодом нарушается баланс электронов на пластинах.Затем электроны проходят через нагрузку, и батарея разряжается.

Во время этого разряда плотность разбавленной серной кислоты уменьшается. Кроме того, в то же время уменьшается разность потенциалов ячейки.

Фактор риска и электрические характеристики

Свинцово-кислотный аккумулятор опасен при ненадлежащем обслуживании. Поскольку аккумулятор выделяет водород во время химического процесса, он очень опасен, если не используется в вентилируемом помещении.Кроме того, неточная зарядка серьезно повреждает аккумулятор.

Каковы стандартные характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов?

Каждая свинцово-кислотная батарея снабжена таблицей данных по стандартному зарядному току и току разряда. Обычно свинцово-кислотный аккумулятор на 12 В, применимый в автомобильной промышленности, может иметь диапазон от 100 Ач до 350 Ач. Этот рейтинг определяется как рейтинг разряда с 8-часовым периодом времени.

Например, , батарея емкостью 160 Ач может обеспечить ток питания 20 А для нагрузки в течение 8 часов из диапазона .Мы можем потреблять больше тока, но это не рекомендуется. Потребление тока, превышающего максимальный ток разряда в течение 8 часов, приведет к снижению эффективности аккумулятора, а также может измениться внутреннее сопротивление аккумулятора, что еще больше повысит температуру аккумулятора.

С другой стороны, во время фазы зарядки мы должны быть осторожны с полярностью зарядного устройства , оно должно быть правильно подключено с полярностью батареи. Обратная полярность опасна для зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов.Готовое зарядное устройство поставляется с измерителем зарядного напряжения и зарядного тока с возможностью управления. Мы должны обеспечить большее напряжение, чем напряжение аккумулятора, чтобы зарядить аккумулятор. Максимальный ток заряда должен быть таким же, как и максимальный ток питания при 8-часовой разряде. Если мы возьмем тот же пример 12 В 160 Ач, то максимальный ток питания составляет 20 А, поэтому максимальный безопасный ток зарядки составляет 20 А.

Мы не должны увеличивать или обеспечивать большой зарядный ток , так как это приведет к нагреву и увеличению газообразования.

Правила обслуживания свинцово-кислотных аккумуляторов

1. Полив — это функция, которой часто пренебрегают при обслуживании залитых свинцово-кислотных аккумуляторов. Поскольку перезарядка уменьшает воду, нам нужно часто ее проверять. Меньше воды вызывает окисление пластин и сокращает срок службы батареи. При необходимости доливайте дистиллированную или ионизированную воду.
2. Проверьте вентиляционные отверстия, их необходимо усовершенствовать резиновыми заглушками, часто резиновые заглушки слишком плотно прилегают к отверстиям.
3. Заряжайте свинцово-кислотные аккумуляторы после каждого использования. Длительный период без подзарядки обеспечивает сульфатирование в пластинах.
4. Не замораживайте аккумулятор и не заряжайте его более чем на 49 градусов по Цельсию. При низкой температуре окружающей среды аккумуляторы необходимо полностью заряжать, поскольку полностью заряженные аккумуляторы безопаснее, чем разряженные аккумуляторы в отношении замерзания.
5. Не разряжайте аккумулятор ниже 1,7 В на элемент.
6. Для хранения свинцово-кислотного аккумулятора его необходимо полностью зарядить, а затем слить электролит.Тогда аккумулятор высохнет и его можно будет хранить долгое время.

.

Типы батарей / источники питания: принципы работы и преимущества

Батареи являются наиболее распространенным источником питания для базовых портативных устройств и крупномасштабных промышленных приложений. Батарею можно определить как; это комбинация одной или нескольких электрохимических ячеек, которые способны преобразовывать накопленную химическую энергию в электрическую.

Работа батареи:

Батарея — это устройство, которое состоит из различных гальванических элементов.Каждый гальванический элемент состоит из двух полуэлементов, соединенных последовательно проводящим электролитом, содержащим анионы и катионы. Одна полуячейка включает электролит и электрод, к которому перемещаются анионы, то есть анод или отрицательный электрод; другая полуячейка включает электролит и электрод, к которому движутся катионы, то есть катод или положительный электрод.

В окислительно-восстановительной реакции, которая приводит в действие аккумулятор, происходит восстановление катионов на катоде, в то время как окисление происходит до анионов на аноде.Электроды не касаются друг друга, но электрически связаны электролитом. В основном полуэлементы имеют разные электролиты. Учитывая все обстоятельства, каждая полуячейка заключена в контейнер, а сепаратор, пористый для ионов, но не большая часть электролитов, предотвращает смешивание.

Работа батареи

Каждая половина элемента имеет электродвижущую силу (ЭДС), определяемую ее способностью передавать электрический ток изнутри во внешнюю часть элемента. Чистая ЭДС ячейки — это разница между ЭДС ее полуячеек.Таким образом, если электроды имеют ЭДС, другими словами, чистая ЭДС — это разность восстановительных потенциалов полуреакций.

Как ухаживать за аккумулятором?

Чтобы поддерживать аккумулятор в хорошем состоянии, необходимо выравнивание заряда аккумулятора. Из-за старения все элементы заряжаются по-разному, некоторые элементы заряжаются очень быстро, а другие заряжаются постепенно. Выравнивание может быть выполнено путем небольшой перезарядки батареи, чтобы позволить более слабым элементам также полностью зарядиться.Напряжение на клеммах полностью заряженной батареи составляет 12 В, автомобильная батарея показывает 13,8 В на клеммах, а 12-вольтная трубчатая батарея — 14,8 В. Автомобильный аккумулятор должен быть надежно закреплен в автомобиле, чтобы избежать тряски. Батарею инвертора следует по возможности поставить на деревянную доску.

2 типа батарей

1) Основные батареи:

Как видно из названия, эти батареи предназначены для одноразового использования. После того, как эти батареи используются, их нельзя перезарядить, так как устройства не могут быть легко восстановлены, а активные материалы могут не вернуться к своей первоначальной форме.Производители батарей не рекомендуют перезаряжать первичные элементы.

Некоторыми примерами одноразовых батареек являются обычные батарейки AA, AAA, которые мы используем в настенных часах, пультах дистанционного управления от телевизора и т. Д. Другое название этих батарей — одноразовые батарейки.

Типы Батареи

2) Вторичные батареи:

Вторичные батареи также называются аккумуляторными батареями. Эти батареи можно использовать и заряжать одновременно. Обычно они собираются с активными материалами, причем активный элемент находится в разряженном состоянии.Перезаряжаемые батареи заряжаются с помощью электрического тока, который обращает вспять химические реакции, происходящие во время разряда. Зарядные устройства — это устройства, обеспечивающие необходимый ток.

Некоторыми примерами таких аккумуляторных батарей являются батареи, используемые в мобильных телефонах, MP3-плеерах и т. Д. В таких устройствах, как слуховые аппараты и наручные часы, используются миниатюрные элементы, а в таких местах, как телефонные станции или компьютерные центры обработки данных, используются батареи большего размера.

Вторичные батареи

Типы вторичных (перезаряжаемых) батарей:

SMF, свинцово-кислотные, литиевые и никелевые

Батарея SMF

:

SMF — это герметичные необслуживаемые батареи , обеспечивающие надежность, постоянство и низкие эксплуатационные расходы мощность для приложений ИБП.Эти батареи могут подвергаться глубокому разряду и минимальному техническому обслуживанию в сельских районах и районах с дефицитом электроэнергии. Эти батареи доступны от 12 В.

В современном информативном мире нельзя упускать из виду требование, чтобы аккумуляторные системы были разработаны для восстановления важных квалифицированных данных и информации и запуска основных контрольно-измерительных приборов в течение желаемого времени. Батареи необходимы для мгновенной подачи энергии. Ненадежные и некачественные батареи могут привести к потере данных и отключению оборудования, что может стоить компаниям значительных финансовых потерь.Следовательно, сегменты ИБП требуют использования надежной и проверенной аккумуляторной системы.

SMF Батарея

Литиевая (Li) Батарея:

Все мы используем ее в портативных устройствах, таких как сотовый телефон, портативный компьютер или электроинструмент. Литиевая батарея была одним из величайших достижений портативной энергетики за последнее десятилетие; Благодаря использованию литиевых батарей мы смогли перейти с черно-белых мобильных телефонов на цветные с дополнительными функциями, такими как GPS, оповещения по электронной почте и т. д.Это устройства с потенциалом высокой плотности энергии для более высоких мощностей. И относительно невысокий саморазряд аккумуляторов. Также специальные элементы могут обеспечивать очень высокий ток для таких приложений, как электроинструменты.

Li Батарея

Никель-кадмиевая (Nicd) батарея:

Никель-кадмиевые батареи имеют то преимущество, что их можно перезаряжать много раз, они обладают относительно постоянным потенциалом во время разряда и имеют большую электрическую и физическую стойкость. В этой батарее используется оксид никеля в качестве катода, соединение кадмия для анода и раствор гидроксида калия в качестве электролита.

Когда аккумулятор заряжается, химический состав катода изменяется, и гидроксид никеля превращается в NIOOH. В аноде образование ионов кадмия происходит из гидроксида кадмия. Когда аккумулятор разряжен, кадмий реагирует с NiOOH с образованием гидроксида никеля и гидроксида кадмия.

Cd + 2h3O + 2NiOOH -> 2Ni (OH) 2 + Cd (OH) 2

Свинцово-кислотная батарея:

Свинцово-кислотные батареи широко используются в автомобилях, инверторах, системах резервного питания и т. Д.В отличие от трубчатых и необслуживаемых аккумуляторов, свинцово-кислотные аккумуляторы требуют надлежащего ухода и обслуживания для продления срока их службы. Свинцово-кислотная батарея состоит из ряда пластин, погруженных в раствор серной кислоты. Пластины имеют решетки, на которые крепится активный материал. Пластины делятся на положительные и отрицательные. Положительные пластины содержат чистый свинец в качестве активного материала, в то время как оксид свинца прикреплен к отрицательным пластинам.

Свинцово-кислотная батарея

Полностью заряженная батарея может разрядить свой ток при подключении к нагрузке.В процессе разряда серная кислота соединяется с активными материалами на положительной и отрицательной пластинах, что приводит к образованию сульфата свинца. Вода — самый важный шаг в обслуживании свинцово-кислотной батареи. Периодичность подачи воды зависит от использования, способа зарядки и рабочей температуры. Во время процесса атомы водорода серной кислоты реагируют с кислородом с образованием воды.

Это приводит к высвобождению электронов из положительных пластин, которые будут приняты отрицательными пластинами.Это приводит к образованию электрического потенциала на батарее. Электролит в свинцово-кислотной батарее представляет собой смесь серной кислоты и воды, имеющую удельный вес. Удельный вес — это вес кислотно-водной смеси по сравнению с равным объемом воды. Удельный вес чистой воды, не содержащей ионов, составляет 1.

Свинцово-кислотные батареи обеспечивают наилучшее соотношение мощности и энергии на киловатт-час; имеют самый продолжительный жизненный цикл и большое экологическое преимущество, поскольку они перерабатываются с чрезвычайно высокой скоростью.Никакая другая химия не может затронуть существующую инфраструктуру для сбора, транспортировки и переработки свинцово-кислотных аккумуляторов.

Наряду с этой статьей обсуждается литий-ионный аккумулятор, его достоинства и недостатки.

Работа литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы в настоящее время популярны в большинстве портативных электронных устройств, таких как мобильные телефоны, ноутбуки, цифровые фотоаппараты и т. Д., Благодаря их длительной энергоэффективности. Это самые популярные аккумуляторные батареи с такими преимуществами, как лучшая плотность энергии, незначительные потери заряда и отсутствие эффекта памяти.Литий-ионный аккумулятор использует ионы лития в качестве носителей заряда, которые перемещаются от отрицательного электрода к положительному во время разряда и обратно при зарядке. Во время зарядки внешний ток от зарядного устройства вызывает перенапряжение, чем в аккумуляторе. Это заставляет ток проходить в обратном направлении от положительного электрода к отрицательному, где ионы лития внедряются в пористый электродный материал посредством процесса, называемого интеркаляцией. Ионы лития проходят через неводный электролит и разделительную диафрагму.Материал электрода — интеркалированное соединение лития.

Отрицательный электрод литий-ионной батареи состоит из углерода, а положительный электрод — из оксида металла. Чаще всего для отрицательного электрода используется графит, а для положительного электрода — оксид лития-кобальта, ион-фосфат лития или оксид лития-марганца. Литиевая соль в органическом растворителе используется в качестве электролита. Электролит обычно представляет собой смесь органических карбонатов, таких как этиленкарбонат или диэтилкарбонат, содержащих ионы лития.В электролите используются анионные соли, такие как гексафторфосфат лития, моногидрат гексафторарсената лития, перхлорат лития, гексафторборат лития и т. Д. В зависимости от используемой соли напряжение, емкость и срок службы батареи различаются. Чистый литий бурно реагирует с водой с образованием гидроксида лития и ионов водорода. Таким образом, в качестве электролита используется неводный органический растворитель. Электрохимическая роль заряда электродов между анодом и катодом зависит от направления протекания тока.

Li Ion Battery Реакция

В литий-ионной батарее оба электрода могут принимать и выделять ионы лития. Во время процесса интеркаляции ионы лития перемещаются в электрод. Во время обратного процесса, называемого деинтеркаляцией, ионы лития возвращаются. Во время разряда положительные ионы лития извлекаются из отрицательных электродов и вставляются в положительный электрод. В процессе зарядки происходит обратное движение ионов лития.

Преимущества литий-ионных батарей:

Литий-ионные батареи превосходят никель-кадмиевые и другие вторичные батареи.Некоторые из преимуществ:

• Легкий вес по сравнению с другими батареями аналогичного размера
• Доступны в другой форме, включая плоскую
• Высокое напряжение разомкнутой цепи, которое увеличивает передачу мощности при низком токе
• Отсутствие эффекта памяти.
• Очень низкая скорость саморазряда 5-10% в месяц. Саморазряд составляет около 30% в NiCd и NiMh батареях.
• Экологичный аккумулятор без свободного металлического лития

Но наряду с преимуществами, как и у других аккумуляторов, литий-ионный аккумулятор также страдает некоторыми недостатками.

Недостатки литий-ионного аккумулятора:

• Отложения внутри электролита со временем будут препятствовать прохождению заряда. Это увеличивает внутреннее сопротивление батареи, и способность элемента передавать ток постепенно уменьшается.
• Высокая зарядка и высокая температура могут привести к потере емкости.
• При перегреве литий-ионная аккумуляторная батарея может подвергнуться тепловому уходу и разрушению элемента.
• Глубокая разрядка может привести к короткому замыканию литий-ионного аккумулятора. Поэтому, чтобы предотвратить это, некоторые производители имеют внутреннюю схему отключения, которая отключает аккумулятор, когда его напряжение превышает безопасный уровень от 3 до 4.2 вольта. В этом случае, когда аккумулятор не используется в течение длительного времени, внутренняя схема будет потреблять энергию и разряжать аккумулятор ниже напряжения отключения. Так что для зарядки таких аккумуляторов обычные зарядные устройства не пригодятся.

.

Как работают батареи? | Живая наука

Батарейки везде. Современный мир зависит от этих портативных источников энергии, которые можно найти во всем: от мобильных устройств до слуховых аппаратов и автомобилей.

Но, несмотря на то, что они широко используются в повседневной жизни людей, батарейкам часто не уделяют должного внимания. Подумайте об этом: вы действительно знаете, как работает аккумулятор? Не могли бы вы объяснить это кому-нибудь другому?

Вот краткое изложение научных данных об источниках энергии для смартфонов, электромобилей, кардиостимуляторов и многого другого.[Тест: электрические и газовые автомобили]

Анатомия аккумулятора

Большинство аккумуляторов содержат три основные части: электроды, электролит и сепаратор, по словам Энн Мари Састри, соучредителя и генерального директора Sakti3, базирующейся в Мичигане. запуск аккумуляторных технологий.

В каждой батарее по два электрода. Оба изготовлены из токопроводящих материалов, но выполняют разные функции. Один электрод, известный как катод, подключается к положительному концу батареи и является местом, где электрический ток уходит (или электроны входят) в батарею во время разряда, когда батарея используется для питания чего-либо.Другой электрод, известный как анод, подключается к отрицательному полюсу батареи и является местом, где электрический ток входит (или электроны покидают) батарею во время разряда.

Между этими электродами, а также внутри них находится электролит. Это жидкое или гелеобразное вещество, содержащее электрически заряженные частицы или ионы. Ионы соединяются с материалами, из которых состоят электроды, производя химические реакции, которые позволяют батарее генерировать электрический ток.[Взгляд изнутри на работу батарей (инфографика)]

Типичные батареи питаются за счет химической реакции. [См. Полную инфографику] (Изображение предоставлено Карлом Тейтом, художником по инфографике)

Последняя часть батареи, разделитель, довольно проста. Роль сепаратора заключается в том, чтобы удерживать анод и катод отдельно друг от друга внутри батареи. По словам Састри, без разделителя два электрода соприкоснутся, что вызовет короткое замыкание и помешает правильной работе батареи.

Как это работает

Чтобы представить себе, как работает батарейка, представьте, как вы вставляете щелочные батарейки, такие как двойные AA, в фонарик. Когда вы вставляете эти батарейки в фонарик, а затем включаете его, на самом деле вы замыкаете цепь. Химическая энергия, накопленная в батарее, преобразуется в электрическую, которая выходит из батареи в основание лампы фонарика, заставляя ее загораться. Затем электрический ток снова входит в батарею, но на противоположном конце от того места, где он выходил изначально.

Все части батареи работают вместе, чтобы фонарик загорался. Электроды в батарее содержат атомы определенных проводящих материалов. Например, в щелочной батарее анод обычно сделан из цинка, а диоксид марганца действует как катод. Электролит между этими электродами и внутри них содержит ионы. Когда эти ионы встречаются с атомами электродов, между ионами и атомами электродов происходят определенные электрохимические реакции.

Серия химических реакций, протекающих в электродах, вместе известна как окислительно-восстановительные (окислительно-восстановительные) реакции.В батарее катод известен как окислитель, потому что он принимает электроны от анода. Анод известен как восстановитель, потому что он теряет электроны.

В конечном итоге эти реакции приводят к потоку ионов между анодом и катодом, а также к освобождению электронов от атомов электрода, — сказал Састри.

Эти свободные электроны собираются внутри анода (нижняя плоская часть щелочной батареи). В результате два электрода имеют разные заряды: анод становится отрицательно заряженным, когда высвобождаются электроны, а катод становится положительно заряженным, поскольку электроны (которые заряжены отрицательно) поглощаются.Эта разница в заряде заставляет электроны двигаться к положительно заряженному катоду. Однако у них нет возможности попасть внутрь батареи, потому что разделитель не позволяет им сделать это.

Когда вы щелкаете выключателем на фонарике, все меняется. У электронов теперь есть путь к катоду. Но сначала они должны пройти через основание лампы фонарика. Схема замыкается, когда электрический ток снова входит в батарею через верхнюю часть батареи у катода.

Перезаряжаемые и неперезаряжаемые

Для первичных батарей, таких как батареи фонарика, реакции, питающие батарею, в конечном итоге прекратятся, а это означает, что электроны, которые обеспечивают батарею ее зарядом, больше не будут создавать электрический ток. Когда это происходит, аккумулятор разряжен или «мертв», — сказал Састри.

Вы должны выбросить такие батареи, потому что электрохимические процессы, которые заставили батарею производить энергию, не могут быть обращены вспять, объяснил Састри.Однако электрохимические процессы, происходящие во вторичных или перезаряжаемых батареях, могут быть обращены вспять, подавая в батарею электрическую энергию. Например, это происходит, когда вы подключаете аккумулятор мобильного телефона к зарядному устройству, подключенному к источнику питания.

Некоторые из наиболее распространенных используемых сегодня вторичных батарей — это литий-ионные (литий-ионные) батареи, от которых питается большинство бытовых электронных устройств. Эти батареи обычно содержат угольный анод, катод из диоксида лития-кобальта и электролит, содержащий соль лития в органическом растворителе.Другие аккумуляторные батареи включают никель-кадмиевые (NiCd) и никель-металлогидридные (NiMH) батареи, которые можно использовать в таких вещах, как электромобили и беспроводные электроинструменты. Свинцово-кислотные (Pb-кислотные) батареи обычно используются в автомобилях и других транспортных средствах для запуска, освещения и зажигания.

Все эти аккумуляторные батареи работают по одному и тому же принципу, сказал Састри: когда вы подключаете батарею к источнику питания, поток электронов меняет направление, и анод и катод возвращаются в исходное состояние.[10 лучших подрывных технологий]

Battery lingo

Хотя все батареи работают более или менее одинаково, разные типы батарей имеют разные характеристики. Вот несколько терминов, которые часто встречаются при любом обсуждении батарей:

Напряжение : Когда дело доходит до батарей, напряжение — также известное как номинальное напряжение ячейки — описывает величину электрической силы или давления, при которой свободные электроны — переходите от положительного полюса батареи к отрицательному, — пояснил Састри.В батареях с более низким напряжением ток выходит из батареи медленнее (с меньшей электрической силой), чем в батареях с более высоким напряжением (с большей электрической силой). Батареи в фонарике обычно имеют напряжение 1,5 В. Однако, если в фонарике используются две батареи последовательно, эти батареи или элементы имеют общее напряжение 3 вольта.

Свинцово-кислотные батареи, подобные тем, которые используются в большинстве неэлектрических автомобилей, обычно имеют напряжение 2,0 вольт. Но обычно в автомобильном аккумуляторе последовательно соединено шесть таких элементов, поэтому вы, вероятно, слышали, что такие батареи называются 12-вольтовыми батареями.

Литий-кобальто-оксидные батареи — наиболее распространенный тип литий-ионных батарей, используемых в бытовой электронике, — имеют номинальное напряжение около 3,7 вольт, сказал Састри.

Ампер : Ампер или ампер — это мера электрического тока или количества электронов, которые проходят через цепь в течение определенного периода времени.

Емкость : Емкость или емкость элемента измеряется в ампер-часах, то есть количество часов, в течение которых батарея может подавать определенное количество электрического тока, прежде чем ее напряжение упадет ниже определенного порога, согласно сообщению Райса. Кафедра электротехники и вычислительной техники университета.

9-вольтовая щелочная батарея, используемая в портативных радиоприемниках, рассчитана на 1 ампер-час, что означает, что эта батарея может непрерывно подавать один ампер тока в течение 1 часа, прежде чем она достигнет порогового значения напряжения и будет считаться разряженной.

Плотность мощности : Плотность мощности описывает количество энергии, которое батарея может выдать на единицу веса, сказал Састри. По словам Састри, для электромобилей важна плотность мощности, потому что она показывает, насколько быстро автомобиль может разогнаться от 0 до 60 миль в час (97 км / ч).Инженеры постоянно пытаются найти способы уменьшить размеры батарей без уменьшения их удельной мощности.

Плотность энергии : Плотность энергии описывает, сколько энергии способна отдавать батарея, деленное на ее объем или массу, сказал Састри. Это число соответствует вещам, которые имеют большое влияние на пользователей, например, сколько времени вам нужно пройти, прежде чем зарядить свой мобильный телефон, или как далеко вы можете проехать на электромобиле, прежде чем остановиться, чтобы подключить его.

Follow Elizabeth Palermo @ techEpalermo .Следуйте за Live Science @livescience , Facebook и Google+ .

Дополнительные ресурсы

,

Потери воды, расслоение кислот и поверхностный заряд

Ознакомьтесь с простыми рекомендациями по продлению срока службы свинцово-кислотных аккумуляторов при правильном использовании.

Кислотная стратификация

Электролит многослойной батареи концентрируется внизу, истощая верхнюю половину элемента. Кислотное расслоение происходит, если аккумулятор остается на низком уровне заряда (ниже 80 процентов), никогда не получает полного заряда и имеет неглубокие разряды. Езда на автомобиле на короткие расстояния с включенными аксессуарами для ограничения мощности способствует расслоению кислоты, поскольку генератор не всегда может подавать насыщенный заряд.Особенно подвержены кислотному расслоению большие роскошные автомобили. Это не дефект аккумулятора как таковой, а связано с применением. На рисунке 1 показан обычный аккумулятор, в котором кислота равномерно распределена сверху вниз.

Рисунок 1: Нормальный аккумулятор. Кислота равномерно распределяется сверху вниз по батарее, обеспечивая хорошие общие характеристики. Предоставлено Cadex

На рис. 2 показана многослойная батарея, в которой концентрация кислоты мала сверху и повышена снизу. Легкая кислота наверху ограничивает активацию пластины, способствует коррозии и снижает производительность, в то время как высокая концентрация кислоты внизу заставляет батарею казаться более заряженной, чем она есть, и искусственно повышает напряжение холостого хода. Неравномерный заряд пластин снижает CCA (ток холодного пуска), и запуск двигателя происходит медленно.

Рис. 2: Многослойная батарея. Концентрация кислоты небольшая вверху и высокая внизу. Это повышает напряжение холостого хода, и аккумулятор кажется полностью заряженным. Избыточная концентрация кислоты вызывает сульфатирование нижней половины пластин. Предоставлено Cadex

Дать батарее отдохнуть в течение нескольких дней, встряхнуть или наклонить батарею набок, чтобы решить проблему.Применение выравнивающего заряда путем повышения напряжения 12-вольтовой батареи до 16 вольт в течение 1-2 часов также помогает путем смешивания электролита посредством электролиза. Не увеличивайте дозировку сверх рекомендованного времени. Подзарядка применяется для поддержания полного заряда и предотвращения сульфатации свинцово-кислотных аккумуляторов.

Не всегда можно избежать расслоения кислоты. В холодные зимние месяцы стартерные батареи большинства легковых автомобилей имеют уровень заряда 75 процентов. Зная, что работа двигателя на холостом ходу и движение в пробке недостаточно заряжает аккумулятор; периодически заряжайте аккумулятор с помощью внешнего зарядного устройства.Если это нецелесообразно, переключитесь на батарею AGM. AGM не страдает от расслоения кислоты и менее чувствителен к сульфатированию при недостаточной загрузке, чем версия с затоплением. AGM немного дороже залитой версии, но батарея должна работать дольше.

Поверхностный заряд

Свинцово-кислотные батареи медлительны и не могут быстро преобразовать сульфат свинца в свинец и диоксид свинца во время зарядки. Это замедленное действие приводит к тому, что большая часть процессов зарядки происходит на поверхностях пластин, что приводит к повышенному состоянию заряда (SoC) снаружи.

Аккумулятор с поверхностным зарядом имеет немного повышенное напряжение и дает ложные показания SoC на основе напряжения. Чтобы нормализовать состояние, включите электрические нагрузки, чтобы снять около 1 процента емкости батареи, или дайте батарее отдохнуть в течение нескольких часов. Включите фары на несколько минут. Поверхностный заряд — это не дефект аккумулятора, а обратимое состояние.

Простые рекомендации по продлению срока службы батареи

• Дайте полностью зарядиться 14–16 часов.Заряжайте в хорошо вентилируемом месте.
  
• Всегда держите свинцовую кислоту заряженной. Избегайте хранения при напряжении ниже 2,07 В / элемент или при уровне удельного веса ниже 1,190.
  
• Избегайте глубоких разрядов. Чем глубже разряд, тем короче будет срок службы батареи. Кратковременная зарядка при перерыве в 1-2 часа при интенсивном использовании продлевает срок службы батареи.
  
• Никогда не позволяйте электролиту опускаться ниже вершин пластин. Открытые пластины сульфатируются и становятся неактивными. При низком уровне добавляйте воды только для покрытия открытых пластин перед зарядкой.После зарядки всегда доливайте до нужного уровня.
  
• Никогда не добавляйте кислоту. Это может привести к слишком высокому удельному весу и вызвать чрезмерную коррозию.
  
• Используйте дистиллированную или деионизированную воду. В некоторых регионах можно использовать водопроводную воду.
  
• Емкость новой батареи глубокого разряда может составлять 70 процентов или меньше. Форматирование как часть использования в полевых условиях будет постепенно повышать производительность. Слегка нагружайте первые пять циклов, чтобы новая батарея могла отформатироваться.
  
• Многие новые батареи малой емкости работают не так хорошо, как те, которые начинают жизнь с большой емкости. Известно, что у малоэффективных исполнителей короткая жизнь. Рекомендуется проверка мощности в рамках приемки.
  
• Аккумулятор старт-стоп обычно имеет на 25 процентов больше свинца, чем стандартный стартерный аккумулятор, что позволяет достичь большого числа циклов. Это отражается в соответствующей надбавке к цене.
  

Последнее обновление: 15.11.2017

.

No related posts.