Устройство кислотного аккумулятора – §42. Кислотные аккумуляторы

Содержание

§42. Кислотные аккумуляторы

Принцип действия. Аккумулятором называется химический источник тока, который способен накапливать (аккумулировать) в себе электрическую энергию и по мере необходимости отдавать ее во внешнюю цепь. Накапливание в аккумуляторе электрической энергии происходит при пропускании по нему тока от

Рис. 158. Заряд (а) и разряд (б) аккумулятора

постороннего источника (рис. 158,а). Этот процесс, называемый зарядом аккумулятора, сопровождается превращением электрической энергии в химическую, в результате чего аккумулятор сам становится источником тока. При разряде аккумулятора (рис. 158, б) происходит обратное превращение химической энергии в электрическую. Аккумулятор обладает большим преимуществом по сравнению с гальваническим элементом. Если элемент разрядился, то он приходит в полную негодность; аккумулятор же. после разряда может быть вновь заряжен и будет служить источником электрической энергии. В зависимости от рода электролита аккумуляторы разделяют на кислотные и щелочные.

На локомотивах и электропоездах наибольшее распространение получили щелочные аккумуляторы, которые имеют значительно больший срок службы, чем кислотные. Кислотные аккумуляторы ТН-450 применяют только на тепловозах, они имеют емкость 450 А*ч, номинальное напряжение — 2,2 В. Аккумуляторная батарея 32 ТН-450 состоит из 32 последовательно соединенных аккумуляторов; буква Т означает, что батарея установлена на тепловозе, буква Н — тип положительных пластин (намазные).

Устройство. В кислотном аккумуляторе электродами являются свинцовые пластины, покрытые так называемыми активными массами, которые взаимодействуют с электролитом при электрохимических реакциях в процессе заряда и разряда. Активной массой положительного электрода (анода) служит перекись свинца PbO2, а активной массой отрицательного электрода (катода) — чистый (губчатый) свинец Pb. Электролитом является 25—34 %-ный водный раствор серной кислоты.

Пластины аккумулятора могут иметь конструкцию поверхностного или намазного типа. Пластины поверхностного типа отливают из свинца; поверхность их, на которой происходят электрохимические реакции, увеличена благодаря наличию ребер, борозд и т. п. Их применяют в стационарных аккумуляторных батареях и некоторых батареях пассажирских вагонов.

В аккумуляторных батареях тепловозов применяют пластины намазного типа (рис. 159, а). Такие пластины имеют остов из сплава свинца с сурьмой, в котором устроен ряд ячеек, заполняемых пастой.

Ячейки пластин после заполнения пастой закрывают свинцовыми листами с большим количеством отверстий. Эти листы предотвращают возможность выпадания из пластин активной массы и не препятствуют в то же время доступу к ней электролита.

Исходным материалом для изготовления пасты для положительных пластин служит порошок свинца Pb, а для отрицательных— порошок , перекиси свинца PbO

2, которые замешиваются на водном растворе серной кислоты. Строение активных масс в таких пластинах пористое; благодаря этому в электрохимических реакциях участвуют не только поверхностные, но и глубоколежащие слои электродов аккумулятора.

Для повышения пористости и уменьшения усадки активной массы в пасту добавляют графит, сажу, кремний, стеклянный порошок, сернокислый барий и другие инертные материалы, называемые расширителями. Они не принимают участия в электрохимических реакциях, но затрудняют слипание (спекание) частиц свинца и его окислов и предотвращают этим уменьшение пористости.

Намазные пластины имеют большую поверхность соприкосновения с электролитом и хорошо им пропитываются, что способствует уменьшению массы и размеров аккумулятора и позволяет получать при разряде большие токи.

Рис. 159. Устройство пластин (а) и общий вид (б) кислотного аккумулятора: 1 — блок намазных отрицательных пластин; 2 — выводные штыри; 3 — блок панцирных положительных пластин; 4 — панцирь; 5 — активная масса; 6 — отверстие с пробкой для заливки электролита; 7 — крышка; 8 — эбонитовый сосуд; 9 — пространство для осаждения шлама

При изготовлении аккумуляторов пластины подвергают специальным зарядно-разрядным циклам. Этот процесс носит название формовки аккумулятора. В результате формовки паста положительных пластин электрохимическим путем превращается в перекись (двуокись) свинца PbO2 и приобретает коричневый цвет. Паста отрицательных пластин при формовке переходит в чистый свинец Pb, имеющий пористую структуру и называемый поэтому губчатым; отрицательные пластины приобретают серый цвет.

В некоторых аккумуляторах применены положительные пластины панцирного типа. В них каждая положительная пластина заключена в специальный панцирь (чехол) из эбонита или стеклоткани. Панцирь надежно удерживает активную массу пластины от осыпания при тряске и толчках; для сообщения же активной массы пластин с электролитом в панцире делают горизонтальные прорези шириной около 0725 мм.

Для предотвращения замыкания пластин посторонними предметами (щупом для измерения уровня электролита, устройством для заливки электролита и др.) пластины в некоторых аккумуляторах покрывают полихлорвиниловой сеткой.

Для увеличения емкости в каждый аккумулятор устанавливают несколько положительных и отрицательных пластин; одноименные пластины соединяют параллельно в общие блоки, к которым приваривают выводные штыри. Блоки положительных и отрицательных пластин обычно устанавливают в эбонитовом аккумуляторном сосуде (рис. 159,б) так, чтобы между каждыми двумя

Рис. 160. Прохождение через электролит положительных и отрицательных ионов при разряде (а) и заряде (б) кислотного аккумулятора

пластинами одной полярности располагались пластины другой полярности. По краям аккумулятора ставят отрицательные пластины, так как положительные пластины при установке по краям склонны к короблению. Пластины отделяют одну от другой сепараторами, выполненными из микропористого эбонита, полихлорвинила, стекловойлока или другого изоляционного материала. Сепараторы предотвращают возможность короткого замыкания между пластинами при их короблении.

Пластины устанавливают в аккумуляторном сосуде так, чтобы между их нижней частью и дном сосуда имелось некоторое свободное пространство. В этом пространстве скапливается свинцовый осадок (шлам), образующийся вследствие отпадания отработавшей активной массы пластин в процессе эксплуатации.

Разряд и заряд. При разряде аккумулятора (рис. 160, а) положительные ионы H

2+ и отрицательные ионы кислотного остатка
S04-, на которые распадаются молекулы серной кислоты H2S04 электролита 3, направляются соответственно к положительному
1 и отрицательному 2 электродам и вступают в электрохимические реакции с их активными массами. Между электродами возникает
разность потенциалов около 2 В, обеспечивающая прохождение электрического тока при замыкании внешней цепи. В результате
электрохимических реакций, возникающих при взаимодействии ионов водорода с перекисью свинца PbO2 положительного
электрода и ионов сернокислого остатка S04— со свинцом Pb отрицательного электрода, образуется сернокислый свинец PbS04 (сульфат свинца), в который превращаются поверхностные слои активной массы обоих электродов. Одновременно при этих реакциях образуется некоторое количество воды, поэтому концентрация серной кислоты понижается, т. е. плотность электролита уменьшается.

Аккумулятор может разряжаться теоретически до полного превращения активных масс электродов в сернокислый свинец и истощения электролита. Однако практически разряд прекращают гораздо раньше. Образующийся при разряде сернокислый свинец представляет собой соль белого цвета, плохо растворяющуюся в электролите и обладающую низкой электропроводностью. Поэтому разряд ведут не до конца, а только до того момента, когда в сернокислый свинец перейдет около 35 % активной массы. В этом случае образовавшийся сернокислый свинец равномерно распределяется в виде мельчайших кристалликов в оставшейся активной массе, которая сохраняет еще достаточную электропроводность, чтобы обеспечить напряжение между электродами 1,7—1,8 В.

Разряженный аккумулятор подвергают заряду, т. е. присоединяют к источнику тока с напряжением, большим напряжения аккумулятора. При заряде (рис. 160,б) положительные ионы водорода перемещаются к отрицательному электроду 2, а отрицательные ионы сернокислого остатка S0

4— — положительному электроду 1 и вступают в химическое взаимодействие с сульфатом свинца PbS04, покрывающим оба электрода. В процессе возникающих электрохимических реакций сульфат свинца PbS04 растворяется и на электродах вновь образуются активные массы: перекись свинца PbO2 на положительном электроде и губчатый свинец Pb — на отрицательном. Концентрация серной кислоты при этом возрастает, т. е. плотность электролита увеличивается.

Электрохимические реакции при разряде и заряде аккумулятора могут быть выражены уравнением

PbO2 + Pb + 2H2SO4 ? 2PbSO4 + 2H2O

Читая это уравнение слева направо, получаем процесс разряда, справа налево — процесс заряда.

Номинальный разрядный ток численно равен 0,1СНОМ, максимальный при запуске дизеля (стартерный режим) — примерно 3СНОМ, зарядный ток — 0,2 СНОМ, где СНОМ — номинальная емкость.

Полностью заряженный аккумулятор имеет э. д. с. около 2,2 В. Таково же приблизительно и напряжение на его зажимах, так как внутреннее сопротивление аккумулятора весьма мало. При разряде напряжение аккумулятора довольно быстро падает до 2 В, а затем медленно понижается до 1,8—1,7 В (рис. 161), при этом напряжении разряд прекращают во избежание повреждения аккумулятора. Если разряженный аккумулятор оставить на некоторое время в бездействии, то напряжение его снова восстанавливается до среднего значения 2 В. Это явление носит название «отдыха» аккумулятора. При нагрузке подобного «отдохнувшего» аккумулятора напряжение быстро понижается, поэтому

измерение напряжения аккумулятора без нагрузки не дает правильного суждения о степени разряда.

При заряде напряжение аккумулятора быстро поднимается до 2,2 В, а затем медленно повышается до 2,3 В и, наконец, снова довольно быстро возрастает до 2,6—2,7 В. При 2,4 В начинают выделяться пузырьки газа, образующегося в результате разложения воды на водород и кислород. При 2,5 В оба электрода выделяют сильную струю газа, а при 2,6—2,7 В аккумулятор начинает как бы кипеть, что служит признаком окончания заряда. При отключении аккумулятора от источника зарядного тока напряжение его быстро снижается до 2,2 В.

Уход за аккумуляторами. Кислотные аккумуляторы быстро теряют емкость или даже приходят в полную негодность при

Рис. 161. Кривые напряжения кислотного аккумулятора при заряде и разряде

неправильной эксплуатации. В них происходит саморазряд, в результате которого они теряют свою емкость (примерно 0,5— 0,7 % в сутки). Для компенсации саморазряда неработающие аккумуляторные батареи необходимо периодически подзаряжать. При загрязнении электролита, а также крышек аккумуляторов, их выводов и междуэлементных соединений происходит повышенный саморазряд, быстро истощающий батарею.

Батарея аккумулятора должна быть всегда чистой, а выводы для предохранения от окисления покрыты тонким слоем технического вазелина. Периодически нужно проверять уровень электролита и степень заряженности аккумуляторов. Аккумуляторы должны периодически заряжаться. Хранение незаряженных аккумуляторов недопустимо. При неправильной эксплуатации аккумуляторов (разряде ниже 1,8—1,7 В, систематическом недозаряде, неправильном проведении заряда, длительном хранении незаряженного аккумулятора, понижении уровня электролита, чрезмерной плотности электролита) происходит повреждение их пластин, называемое

сульфатацией. Это явление заключается в переходе мелкокристаллического сульфата свинца, покрывающего пластины при разряде, в нерастворимые крупнокристаллические химические соединения, которые при заряде не переходят в перекись свинца РbO2 и свинец РЬ. При этом аккумулятор становится непригодным для эксплуатации.

electrono.ru

Принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора.


Аккумуляторные батареи




Принцип работы свинцового аккумулятора

Источником электроэнергии на автомобиле при неработающем или работающем с малой частотой вращения коленчатого вала двигателе является аккумуляторная батарея. В настоящее время на автомобилях наиболее широко применяются свинцовые аккумуляторные батареи, состоящие из нескольких последовательно соединенных аккумуляторов. Применение кислотных аккумуляторов объясняется тем, что они обладают небольшим внутренним сопротивлением и способны в течение короткого промежутка времени (несколько секунд) отдавать ток силой в несколько сотен ампер, что необходимо для питания стартера при пуске двигателя.

Свинцовый аккумулятор электрической энергии был изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте. В последующие годы конструкция аккумулятора, особенно – химический состав его электродов (пластин) постоянно совершенствовалась. В настоящее время свинцовые аккумуляторы и аккумуляторные батареи широко применяются в разных областях техники в качестве накопителей электроэнергии (стартерные батареи, аварийные и резервные источники энергии и т. п.).

Конструктивно аккумулятор представляет собой емкость, наполненную электролитом, в которой размещены свинцовые электроды. В качестве электролита используется раствор серной кислоты и дистиллированной воды. Электроды выполнены в виде пластин, одна из которых изготовлена из губчатого свинца Pb, а вторая – из диоксида свинца PbO2. При взаимодействии электродов с электролитом между ними возникает разность потенциалов.

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.

Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на положительном электроде (аноде) и окисление свинца на отрицательном электроде (катоде). При пропускании через электроды аккумулятора зарядного тока в нем протекают обратные реакции. При перезаряде аккумулятора, после исчерпания сульфата свинца начинается электролиз воды, при этом на аноде выделяется кислород, а на катоде — водород.

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

Реакции на аноде:

PbO2 + SO42- + 4H+ + 2e ↔ PbSO4 + 2H2O;

Реакции на катоде:

Pb + SO42- — 2e ↔ PbSO4.

Физические процессы, происходящие в аккумуляторе, объясняются свойством электролитического растворения металлов, которое заключается в переходе положительно заряженных ионов металла в раствор. Легкоокисляющиеся металлы (например, свинец) обладают этим свойством в большей степени, чем инертные металлы.
При погружении свинцового электрода в раствор электролита от него начнут отделяться положительно заряженные ионы свинца и переходить в раствор, при этом сам электрод будет заряжаться отрицательно.

По мере протекания процесса растет разность потенциалов раствора и электрода, и переход положительных ионов в раствор будет замедляться.
При какой-то определенной разности потенциалов электрода и раствора наступит равновесие между силой электролитической упругости растворения свинца, с одной стороны, и силами электростатического поля и осмотического давления — с другой.
В результате переход ионов свинца в электролит прекратится.

При погружении электрода, изготовленного из двуокиси свинца, в раствор серной кислоты наблюдается такой же процесс, но результат получается иной. Двуокись свинца в ограниченном количестве переходит в раствор, где при соединении с водой ионизируется на четырехвалентные ионы свинца Рв4+ и одновалентные ионы гидроксила ОН.
Четырехвалентные ионы свинца, осаждаясь на электроде, создают положительный потенциал относительно раствора. Серная кислота образует в воде практически только на ионы НO+ и HSO4.
Таким образом, при разряде аккумулятора расходуется серная кислота, образуется вода, а на обоих электродах — сульфат свинца. При заряде процессы протекают в обратном направлении.

При подключении потребителей в аккумуляторе возникает разрядный ток. При этом ионы сернокислотного остатка SO4 соединяются со свинцом электродов и образуют на них сернокислый свинец PbSO4, а ионы водорода соединяются с кислородом, выделяясь на положительной пластине в виде воды.
В результате электроды покрываются сернокислым свинцом, а серная кислота разбавляется водой, т. е. при разряде аккумулятора плотность электролита уменьшается. Поэтому по плотности электролита можно судить о степени заряженности аккумуляторной батареи.

При прохождении электрического (зарядного) тока через аккумуляторную батарею протекают обратные электрохимические процессы. Ионы водорода, образующиеся в результате распада воды, взаимодействуют с сернокислым свинцом электродов.
Водород, соединяясь с сернистым осадком, образует серную кислоту, а на электродах восстанавливается губчатый свинец. Выделяющийся из воды кислород, соединяется со свинцом положительной пластины, образуя перекись свинца.
В результате этих процессов содержание воды в электролите уменьшается, а содержание кислоты увеличивается, что приводит к повышению плотности электролита.



По завершению процессов восстановления свинца на электродах заряд аккумулятора прекращается. При дальнейшем прохождении электрического тока через электролит начинается процесс электролиза (разложения) воды, при этом аккумулятор «закипает», и выделяющиеся пузырьки образуют смесь водорода и кислорода. Смесь этих газов является взрывоопасной, поэтому следует избегать перезаряда до появления электролизных явлений по разложению воды.

Кроме того, длительный перезаряд приводит к потере электролитом воды (испарению), в результате чего его плотность повышается и для корректировки требуется доливка дистиллированной воды.
При доливке воды необходимо помнить, что вода, попадающая в концентрированную серную кислоту, закипает и сильно разбрызгивает кислотные капли, что при попадании на открытое тело или одежду может привести к ожогам кожи, слизистых оболочек, прожигу одежды и другим неприятным последствиям.

При постоянном напряжении источника зарядного тока по мере увеличения степени заряженности аккумулятора повышается его ЭДС и, следовательно, уменьшается сила зарядного тока. Когда напряжение на клеммах источника тока будет равно ЭДС полностью заряженного аккумулятора плюс ЭДС поляризации, зарядный ток прекратится.

Среднее значение напряжения аккумулятора – 2 В. Поскольку электрооборудование современных автомобилей рассчитано для работы при напряжении в бортовой сети 12 или 24 В, аккумуляторы соединяют в батареи (по 6 или 12 шт.).

Важным параметром аккумулятора является его емкость, т. е. количество электрической энергии, которую способен отдать аккумулятор. Емкость – это произведение силы разрядного тока на продолжительность разрядки до предельно допустимого разряженного состояния. Измеряется емкость аккумулятора в ампер-часах (А×ч). Емкость аккумулятора зависит, в первую очередь, от активной площади его электродов.
Поэтому повышения емкости можно достичь увеличением поверхности электродов, что достигается использованием нескольких параллельно соединенных между собой пластин, а также применением пористого материала для их изготовления, что позволяет использовать в качестве активной массы не только поверхность, но и внутренний объем пластин.

Емкость аккумулятора не постоянна, она зависит от силы разрядного тока, температуры электролита и состояния активной поверхности пластин. При увеличении разрядного тока и понижении температуры электролита емкость аккумулятора уменьшается, что объясняется неполным протеканием электрохимических реакций разрядки в этих условиях, вследствие сокращения времени разрядки и повышения вязкости электролита при низких температурах.

***

Устройство аккумуляторной батареи и ее маркировка



k-a-t.ru

Кислотные аккумуляторы: конструкция, характеристики

            Аккумулятор — источник питания, в котором при разряде энергия химической реакции преобразовывается в электрическую, а при заряде — наоборот. Главное отличие от обычной батареи – это возможность восстановления энергии методом повторной зарядки. Для заряда нужно подключить постоянный ток в направлении, обратном разряду.

            Кислотные аккумуляторы были изобретены в 19 веке, но до сих пор являются самыми востребованными в мире благодаря невысокой стоимости и высокой степени эффективности. Устройство состоит из корпуса, двух разнополярных электродов, помещенных в электролит – раствор кислоты, от этого получено название – кислотные батареи (АКБ — Аккумуляторные Кислотные Батареи). По материалу, из которого изготовлены электроды, их еще называют свинцово-кислотные.

Как работают?

            Основой работы аккумулятора является электрохимический процесс взаимодействия свинца и диоксида свинца в водном растворе серной кислоты. При включении нагрузки на электроды происходит химическая реакция диоксида свинца с серной кислотой H2SO4, а также реакция окисления свинца до сульфата свинца. В процессе разряда на катоде («-») идет восстановление диоксида свинца, на аноде («+») — окисление свинца. Во время зарядки происходят обратные химические реакции и электролиз воды с выделением кислорода на аноде, водорода на катоде.

Реакции взаимодействия, протекающие в аккумуляторе, можно описать двумя формулами:

  1. PbO2 + Pb + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O – разряд.
  2. 2PbSO4 + 2H2O → PbO2 + Pb + 2H2SO4 — заряд.

            При разрядке идет процесс образования сульфата свинца в активных массах анода и катода, расходование серной кислоты H2SO4 и снижение плотности электролита. Во время зарядки происходят обратные реакции, идет образование серной кислоты, повышается плотность электролита. Окончание процесса заряда характеризуется завершением преобразования веществ на электродах, прекращением изменения электролита. Если продолжать зарядку, то возникает нежелательная реакция разложения воды (электролиз), идет выделение кислородных и водородных пузырьков в электролите, происходит иллюзия закипания. Если это произошло, необходимо добавить в аккумулятор дистиллированной воды для восстановления ее в электролите.

Конструкция

            Кислотные батареи уже более ста лет не меняются по своему основному внутреннему устройству.

            В конструкцию аккумуляторных батарей входят:

  1. Электроды – в виде плоских решеток из свинца, в ячейки запрессован порошок диоксид свинца (PbO2) на аноде, порошок металлического свинца (Pb) — на катоде.
  2. Сепаратор — пористый диэлектрик, разделяет между собой электроды, препятствуя замыканию.
  3. Электролит — разбавленная водой (дистиллированной) серная кислота H2SO4, в нее помещены электроды и сепаратор. Максимальная электропроводность достигается при температуре 20оС, концентрации серной кислоты – 35 %, что означает плотность электролита 1,26 г/см³. Внутренне сопротивление при этом минимально, потери внутри устройства существенно малы. В местах с низкотемпературным климатом возможно повышение плотности раствора до 1,29 г/см³ – 1,31 г/см³. Увеличение концентрации кислотного раствора препятствует замерзанию электролита, образованию льда внутри корпуса, который может повредить электроды и разорвать аккумулятор.

Основные характеристики, параметры

  1. Емкость (номинальная) — количество электрической энергии, которое могут дать кислотные батареи, измерение происходит в момент разряда, при нагрузке маленьким током потребления, единицы измерения— А*ч.
  2. Стартерный ток – показывает способность АКБ отдавать большие токи при температуре — 18оС на протяжении половины минуты.
  3. Емкость(резервная) — показывает временной промежуток, на протяжении которого кислотные батареи отдают ток 25 А до величины напряжения 10,5 В.
  4. Нижнее значение напряжения разряженной АКБ — 1,75 — 1,8 V.
  5. Температурный рабочий диапазон — – 40ос — + 40оС.

Разновидности

            По режиму работы кислотные батареи можно разделить на три группы:

  1. Циклический — принцип работы происходит по циклу – полный разряд — полный заряд, периодически отключается от источника питания. Считается наиболее жестким режимом, количество циклов стопроцентной разрядки ограничено.
  2. Буферный — широко используемый режим, щадящий для АКБ, при нем не допускается полного разряда, характерно постоянное подключение к источнику питания.
  3. Смешанный — комбинация буферного и циклических режимов, но большая часть времени работы проходит в буферном.

            Самые распространенные кислотные батареи, представленные на рынке, можно разделить на виды:

Вид Обслуживание Описание Вольтаж, V
Lead-Acid Обслуживаемые Автомобильные АКБ, бывают: малосурьмянистые, сурьмянистые, кислотно-кальциевые, гибридные. 612
AGM VRLA Не требуют обслуживания Сепараторы изготовлены из стекловолокна, циклический и буферный режим работы. 24612
VRLA Не требуют обслуживания Герметичный корпус, бывают кальциевые, не выделяют газов, используются в буферном режиме. 24612
GEL VLRA Не требуют обслуживания В качестве электролита — селикагель, что продлевает срок службы АКБ, буферный режим эксплуатации. 24612243648
OPzV Не требуют обслуживания Электроды трубчатой конструкции, устойчивы к полному разряду, срок службы — около 22 лет. 2

Применение

  1. Автотранспорт — кислотные батареи используются как стартерные батареи.
  2. Компьютерная техника — источники бесперебойного питания (ИБП) позволяют сохранить информацию в случае аварийного отключения электричества.
  3. Промышленное производство — кислотные батареи используются как источники резервного питания.

Зарядка и общие рекомендации

  1. Зарядку необходимо проводить при температуре 20оС.
  2. Ток заряда не должен превышать 10 % номинального значения емкости АКБ.
  3. Для использования в транспортных средствах кислотные батареи при низких температурах, лучше применять с системой внутреннего электроподогрева, т. к. емкость устройства теряется на 1% при снижении температуры на 1оС.
  4. Не рекомендуется хранить кислотные батареи при температуре выше 30оС, либо разряженными, предварительно АКБ должны быть полностью заряжены.
  5. Хранение зимой лучше организовать на холоде, т. к. процесс саморазряда будет минимален, и на плюсовую клемму необходимо предварительно нанести солидол.
  6. Перед использованием, кислотные батареи нужно занести в помещение с температурой 20оС на 8-10 часов для приведения в рабочее состояние.

batareykaa.ru

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):

PbO2+SO42−+4H++2e−⇆PbSO4+2h3O{\displaystyle PbO_{2}+SO_{4}^{2-}+4H^{+}+2e^{-}\leftrightarrows PbSO_{4}+2H_{2}O}
Pb+SO42−−2e−⇆PbSO4{\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.

wikipedia.green

Принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора | AUTO-GL.ru

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.

Содержание статьи

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.

auto-gl.ru

Свинцово-кислотный аккумулятор — это… Что такое Свинцово-кислотный аккумулятор?

Свинцово-кислотный аккумулятор — наиболее распространенный на сегодняшний день тип аккумуляторов, изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте. Основные области применения: аккумуляторные батареи в автомобильном транспорте, аварийные источники электроэнергии.

История

Свинцовый аккумулятор разработал в 1859—1860 годах Гастон Планте, сотрудник лаборатории Александра Беккереля. В 1878 году Камилл Фор усовершенствовал его конструкцию, покрыв пластины аккумулятора свинцовым суриком.

Принцип действия

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в сернокислотной среде.

Энергия возникает в результате взаимодействия оксида свинца и серной кислоты до сульфата (классическая версия). Проведенные в СССР исследования показали, что внутри свинцового аккумулятора протекает как минимум ~60 реакций, порядка 20 из которых протекают без участия кислоты электролита (нехимические)[1]

Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на катоде[2][1] и окисление свинца на аноде. При заряде протекают обратные реакции, к которым в конце заряда добавляется реакция электролиза воды, сопровождающаяся выделением кислорода на положительном электроде и водорода — на отрицательном.

Химическая реакция (слева направо — разряд, справа налево — заряд):

В итоге получается, что при разряде аккумулятора расходуется серная кислота из электролита (и плотность электролита падает, а при заряде, серная кислота выделяется в раствор электролита из сульфатов, плотность электролита растёт). В конце заряда, при некоторых критических значениях концентрации сульфата свинца у электродов, начинает преобладать процесс электролиза воды. При этом на катоде выделяется водород, на аноде — кислород. При заряде не стоит допускать электролиза воды, в противном случае необходимо её долить для восполнения потерянного в ходе электролиза количества.

Устройство

Элемент свинцово-кислотного аккумулятора состоит из электродов (положительных и отрицательных) и разделительных изоляторов (сепараторов), которые погружены в электролит. Электроды представляют собой свинцовые решётки. У положительных активным веществом является перекись свинца (PbO2), у отрицательных активным веществом является губчатый свинец.

На самом деле электроды выполнены не из чистого свинца, а из сплава с добавлением сурьмы в количестве 1-2 % для повышения прочности и примесей. Иногда в качестве легирующего компонента используются соли кальция, в обеих пластинах, или только в положительных. Применение солей кальция вносит не только положительные но и много отрицательных моментов в эксплуатацию свинцового аккумулятора, например, у такого аккумулятора при глубоких разрядах существенно и необратимо снижается емкость.


Электроды погружены в электролит, состоящий из разбавленной дистиллированной водой серной кислоты (H2SO4). Наибольшая проводимость этого раствора наблюдается при комнатной температуре (что означает наименьшее внутреннее сопротивление и наименьшие внутренние потери) и при его плотности 1,23 г/см³

Однако на практике, часто в районах с холодным климатом применяются и более высокие концентрации серной кислоты, до 1,29 −1,31 г/см³.

Существуют экспериментальные разработки аккумуляторов где свинцовые решетки заменяют вспененным карбоном, покрытым тонкой свинцовой пленкой. Используя меньшее количество свинца и распределив его по большой площади, батарею удалось сделать не только компактной и легкой, но и значительно более эффективной — помимо большего КПД, она заряжается значительно быстрее традиционных аккумуляторов.[3]

В батареях для бытовых ИБП жидкий электролит сгущают водным щелочным раствором силикатов натрия (Na2Si2O4)жидкое стекло до пастообразного состояния.

Физические характеристики

Аккумулятор электромобиля
  • Теоретическая энергоёмкость (Вт·ч/кг): около 133.
  • Удельная энергоёмкость (Вт·ч/кг): 30-60.
  • Теоретическая удельная энергоплотность (Вт·ч/дм³): 1250.[4]
  • ЭДС заряжённого аккумулятора = 2,11 — 2,17 В, рабочее напряжение = 2 В (3 или 6 секций в итоге дают стандартные 6 В или 12 В (12 В)).[1]
  • Напряжение полностью разряженного аккумулятора = 1,75 — 1,8 В (из расчета на 1 секцию). Ниже разряжать их нельзя.[1]
  • Рабочая температура: от −40 °C до +40 °C.
  • КПД: порядка 80-90 %

Эксплуатационные характеристики

  • Номинальная ёмкость, показывает количество электричества, которое может отдать данный аккумулятор. Обычно указывается в ампер-часах, и измеряется при разряде[5] малым током (1/20 номинальной емкости, выраженной в А*ч).
  • Стартерный ток (для автомобильных аккумуляторов). Характеризует способности отдавать сильные токи при низких температурах. В большинстве случаев замеряется при −18 °C (0 °F) в течение 30 секунд. Различные методики[6] замера отличаются, главным образом, допускаемым конечным напряжением.
  • Резервная емкость (для автомобильных аккумуляторов). Характеризует время, в течение которого аккумулятор может отдавать ток 25А до конечного напряжения 10,5В согласно ГОСТ Р 53165-2008[7].

Эксплуатация

Ареометр может быть использован для проверки удельного веса электролита каждой секции

При эксплуатации «обслуживаемых» аккумуляторов (с открываемыми крышками над банками) на автомобиле при движении по неровностям неизбежно происходит просачивание проводящего электролита на корпус аккумулятора. Во избежание сильного саморазряда необходимо периодически нейтрализовывать электролит протиранием корпуса, например слабым раствором пищевой соды или разведенным в воде до состояния консистенции жидкой сметаны хозяйственным мылом. Кроме того, особенно в жаркую погоду, происходит испарение воды из электролита, что увеличивает его плотность, увеличивая напряжение на аккумуляторе, и может оголить свинцовые пластины. Поэтому необходимо следить за уровнем электролита и своевременно доливать дистиллированную воду.

Такие нехитрые операции вместе с проверкой автомобиля на утечку тока и периодической подзарядкой аккумулятора могут на несколько лет продлить срок эксплуатации батареи.

Свинцово-кислотный аккумулятор при низких температурах

По мере снижения окружающей температуры, параметры аккумулятора ухудшаются, однако в отличие от прочих типов аккумуляторов, свинцово-кислотные снижают их относительно медленно, что не в последнюю очередь обусловило их широкое применение на транспорте. Считается что свинцово-кислотный аккумулятор теряет ~1% ёмкости на каждый градус от +20°C. Т.е. в -30°C свинцово-кислотный аккумулятор будет иметь 50% ёмкости.

Снижение ёмкости и токоотдачи при низких температурах обусловлено, в первую очередь, ростом вязкости электролита, который уже не может в полном объёме поступать к электродам, и вступает в реакцию лишь в непосредственной близости от них, быстро истощаясь.

Не полностью заряженный аккумулятор в мороз может раздуться из-за замерзания электролита низкой плотности (близкой к 1.10)

Хранение

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

Слой грязи и накипи на поверхности аккумулятора создаёт проводник для тока от одного контакта к другому и приводит к саморазряду аккумулятора,после чего начинается преждевременная сульфатизация 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.

Износ свинцово-кислотных аккумуляторов

При использовании технической серной кислоты и не дистиллированной воды, ускоряются саморазряд, сульфатация, разрушение пластин и уменьшение ёмкости аккумуляторной батареи.[8]

В результате каждой реакции образуется нерастворимое вещество — сернокислый свинец PbSO4, осаждающийся на пластинах, который образует диэлектрический слой между токоотводами и активной массой. Это один из факторов, влияющий на срок службы свинцово-кислотной аккумуляторной батареи.

Основными процессами износа свинцово-кислотных аккумуляторов являются:

  • сульфатация пластин[1], заключающаяся в образовании крупных кристаллитов сульфата свинца, который препятствует протеканию обратимых токообразующих процессов;
  • коррозия электродов, то есть электрохимические процессы окисления и растворения в электролите, что вызывает осыпание материала электродов;
  • слабая механическая прочность или плохое сцепление активной массы с токоотводами, что приводит к опаданию активной массы;[9][1]
  • оползание и осыпание активной массы положительных электродов, связанное с разрыхлением, нарушением однородности.[1]

Хотя батарею, вышедшую из строя по причине физического разрушения пластин, самому починить нельзя, некоторые источники описывают химические растворы и прочие способы способные «десульфатировать» пластины. Простой но вредный для жизни аккумулятора способ предполагает использование раствора сульфата магния.[1] Раствор заливается в секции после чего батарею разряжают и заряжают несколько раз. Сульфат свинца и прочие остатки химической реакции осыпаются при этом на дно батареи, что может привести к замыканию секции поэтому обработанные секции желательно промыть и заполнить новым электролитом номинальной плотности. Это позволяет несколько продлить срок использования устройства. Если батарея имеет одну или несколько секций которые не работают (то есть не дают 2.17 вольта — например если корпус имеет трещины) возможно соединить две (или больше) батареи последовательно: к плюсовому контакту первой батареи подключаем плюсовой провод потребителя, к минусовому контакту второй батареи — минусовой провод потребителя, а две оставшихся контакта батареи соединяются кабелем. Такая батарея имеет суммарное напряжение работающих секций и поэтому количество работающих секций должно быть не более шести — то есть необходимо слить электролит из излишних секций. Такой вариант подходит для транспортных средств с большим моторным отсеком.

Вторичная переработка

Кодовый символ указывающий, что свинцовые батареи могут быть вторично переработаны

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

Выброшенные аккумуляторы часто используются как источник свинца для кустарной переплавки, например, в рыболовные грузила, дробь или гири. Для этого из аккумулятора сливается электролит, остатки нейтрализуются промыванием каким-либо безвредным основанием (например, гидрокарбонатом натрия), после чего корпус батареи разбивается и извлекается металлический свинец.

См. также

Примечания

Ссылки

dic.academic.ru

устройство, емкость. Зарядное устройство для кислотных аккумуляторов. Восстановление кислотных аккумуляторов

Кислотные аккумуляторы характеризуются повышенным параметром стойкости. По конструкции устройства довольно сильно отличаются. Емкость кислотного аккумулятора всегда указана в инструкции. На рынке представлены модификации на 2 и 4 вывода. Показатель саморазряда у них может отличаться.

Электролит в устройствах чаще всего применяется серии КС. Выходное напряжение, как правило, не превышает 10 В. Для того чтобы более подробно разобраться в указанном вопросе, надо рассмотреть устройство кислотного аккумулятора.

Устройство аккумуляторной батареи

Стандартный аккумулятор средней емкости состоит из блока, герметичной оболочки, пластин, электролита, а также клемм. Крышки в устройствах производятся с выходным контактами. Пластины у моделей фиксируются на стойках. Некоторые модификации производятся с клапанами. Если рассматривать аккумуляторы с высокой емкостью, то у них имеется сепаратор. Указанный элемент устанавливается с перемычкой. Как правило, минусовые выводы соединяются с платинами напрямую. Непосредственно блок батареи обрабатывается каучуком.

Модификации с емкостью 8 Ач

Аккумуляторы кислотные (необслуживаемые) данного типа используются часто для компрессоров на 2 кВт. Частота в данном случае равняется минимум 30 Гц. Электролит в устройствах применяется разных серий. Проводимость напряжения у них отличается. Показатель перегрузки батарей в среднем равняется 40 А.

У некоторых модификаций установлена система защиты от перегрева. Если рассматривать устройства на две клеммы, то у них имеются проводные пластины. Сепаратор, как правило, устанавливается в нижней части блока. Камера у моделей обрабатывается смолой. Показатель герметичности в среднем колеблется в районе 85 %. Параметр саморазряда, как правило, не превышает 0.2 %.

Допустимый уровень температуры зависит от электролита. Для приводов указанные аккумуляторы подходят плохо. Также важно отметить, что современные устройства производятся с блоками рекомбинации. Процесс восстановления у них много времени не отнимает. Однако важно отметить, что стоят они на рынке довольно много.

Модели на 20 Ач

Аккумуляторные батареи на 20 Ач производятся под приводные устройства. Также модели подходят для освещения местности. На рынке представлены модификации на 2 и 4 клеммы. Перемычки в устройствах используются с различной проводимостью. Электролит чаще сего применяется с маркировкой КС202. Заряд устройства осуществляется при напряжении в 10 В. Пластины в данном случае устанавливаются в вертикальном положении.

По степени герметичности устройства довольно сильно отличаются. Блоки рекомбинации установлены не во всех модификациях. Для компрессоров малой мощности устройства подходят плохо. Параметр допустимой температуры у батарей в среднем равняется 40 градусов. Сепараторы чаще всего используются коммутируемого типа. У некоторых модификаций выходное напряжение достигает 15 В. Параметр порогового сопротивления находится в пределах 18 Ом. Срок службы устройств колеблется от 3 до 10 лет.

Аккумуляторные батареи указанной емкости используются для компрессоров на 6 кВт. В данном случае устройства выпускаются с пластинами из свинца. Многие модификации оснащаются проводными сепараторами. Положительный выход в устройствах устанавливается на крышке. Модификации с двумя клеммами обладают проводимостью на уровне 3 мк. Клапана у моделей, как правило, находятся в нижней части блока. Выходное напряжение у моделей составляет около 13 В.

Система защиты от перегрузок используется второй либо третей степени. Герметичность блоков в среднем составляет 90 %. Заряд аккумуляторных батарей осуществляется при напряжении в 4 В. Допустимый уровень температуры, как правило, не превышает 45 градусов. По плотности энергии модификации довольно сильно отличаются. Для приводных устройств модели не подходят. Диоксидные пластины в них устанавливаются редко.

Устройства на 100 Ач

Кислотные аккумуляторы на 100 Ач производятся для контрольных блоков. Для облуживания генераторов и котлов модификации подходят отлично. Допустимая температура устройств в среднем равняется 35 градусов. Современные батареи производятся с четырьмя пластинами. Система защиты от перегрузок имеется не во всех модификациях.

Уровень внутреннего сопротивления, как правило, не превышает 30 Ом. По герметичности устройства довольно сильно отличаются. Срок службы аккумуляторных батарей колеблется от 5 до 10 лет. В среднем параметр проводимости у них равняется 3 мк. Выходное напряжение, в свою очередь, составляет не менее 15 В. Электролит в устройствах используется серии КС200. Для силового оборудования батареи применяются часто. Клапана, как правило, соединены с положительными выходами.

Модели с емкостью 120 Ач

Кислотные аккумуляторы на 120 Ач имеют высокую плотность энергии. В среднем проводимость у них равняется 3 мк. Показатель выходного напряжения зависит от размеров пластин. Многие модификации производятся с четырьмя клеммами. Для компрессоров на 5 кВт устройства подходят замечательно. Крышки у моделей используются герметичного типа. Допустимая температура батарей составляет около 40 градусов. Для приводов низкочастотного типа устройства подходят плохо.

Параметр герметичности, как правило, не превышает 80 %. Кислотные аккумуляторы для фонарей со свинцовыми пластинами встречаются не часто. По параметру саморазряда модели отличаются. В данном случае многое зависит от чувствительности сепаратора. Плюсовые выводы в устройствах, как правило, находятся на крышке. Плотность энергии аккумуляторных батарей — в пределах 3 %.

Аккумуляторные батареи на 150 Ач

Кислотные аккумуляторы на 150 Ач производятся с проводными сепараторами. Некоторые модификации оснащаются коммутируемыми клапанами. Пластины чаще всего изготовлены из свинца. В среднем показатель проводимости не превышает 3 мк. Выходное напряжение модификаций зависит от чувствительности сепаратора. Срок службы моделей колеблется от 3 до 10 лет.

Электролит в устройствах чаще всего применяется серии КС200. Плотность энергии — около 3 %. Блоки рекомбинации встречаются редко. Для компрессоров на 10 кВт устройства подходят замечательно. Однако важно отметить, что у некоторых моделей отсутствует выходной клапан. Показатель герметичности находится в пределах 90 %. Однако в данном случае многое зависит от торговой марки.

Восстановление устройств

Восстановление кислотных аккумуляторов осуществляется при помощи зарядных устройств. Указанные приборы выпускаются различной чувствительности. Параметр перегрузки в среднем равняется 20 А. Чтобы ускорить восстановление кислотных аккумуляторов используются триггеры с переходниками. Если рассматривать батареи малой емкости, то у них зарядка в среднем занимает 2 часа. Однако в данном случае важно учитывать параметры модели. Аккумуляторные батареи на 120 Ач восстанавливаются около 10 часов при среднем напряжении.

Зарядные устройства Pulso BC-15860

Зарядные устройства данной серии хорошо подходят для аккумуляторных батарей емкостью до 20 Ач. Расширитель у модели применяется аналогового типа. Параметр проводимости, как правило, не превышает 3 мк. В среднем рабочая частота составляет 35 Гц. Система защиты от импульсных скачков имеется. Восстановление батарей занимает не более двух часов. Обкладка у данного зарядного устройства отсутствует. Всего в комплекте имеется два зажима. Стабилитрон у зарядного устройства указанной серии отсутствует. Если работать с батареями на 15 Ач, то выходное напряжение следует выбирать 10 В.

Особенности зарядных устройств Pulso BC-15855

Зарядные устройства представленной серии производятся с двумя зажимами. Для аккумуляторных батарей на 50 Ач модель подходит хорошо. Параметр выходного напряжения у модификации регулируется контроллером. Расширитель в устройстве применяется лучевого типа. Диодный мост имеет высокую проводимость, и сбои в системе происходят не часто. Защита от импульсных скачков есть.

Преобразователь в данном случае отсутствует. Для аккумуляторных батарей на100 Ач устройство не подходит однозначно. Демпфер у модификации применяется переменного типа. Параметр чувствительности в среднем составляет 4 мВ. В свою очередь показатель перегрузки не превышает 50 А. С моделями на две клеммы зарядное устройство для кислотных аккумуляторов работать может.

Параметры зарядных моделей Lavita 192204

Зарядное устройство представленной серии состоит и проводного расширителя. Триггер в данном случае используется электродного типа. Также важно отметить, что у модели имеется преобразователь. Зажимы установлены с фиксаторами и соединены в устройстве с выпрямителем.

Параметр проводимости модификации равняется не менее 4 мк. Перегрузка системы в среднем составляет 30 А. Для аккумуляторных батарей на 100 Ач устройство подходит замечательно. Процесс зарядки в среднем времени занимает не более 5 часов. Стабилизатор используется с фильтром. Система защиты от импульсных скачков отсутствует.

Зарядные устройства Lavita 192212

Зарядное устройство указанной серии имеет массу преимуществ. В первую очередь важно отметить, что у модификации используется два фильтра. Расширитель стандартно установлен проводного типа. Преобразователь у зарядного устройства производителем не предусмотрен. Параметр перегрузки системы, как правило, составляет 33 А. Выпрямитель применяется с обкладкой. Для аккумуляторных батарей на 150 Ач устройство подходит хорошо. Импульсные скачки в системе наблюдаются редко. Стабилитрон применяется регулируемого типа.

Особенности зарядных устройств TESLA ЗУ-10642

Зарядные устройства указанной серии производятся с двумя расширителями. Преобразователь у них используется коммутируемого типа. В среднем проводимость модели составляет 3 мк. Для аккумуляторных батарей на 10 Ач устройство подходит замечательно. Параметр пороговой чувствительности в устройстве невысокий. Проблемы с перегрузками наблюдаются очень редко. Система защиты от скачков есть. Фильтр у зарядки используется на 12 В.

Для аккумуляторных батарей на две клеммы устройство подходит. В данном случае выходное напряжение можно регулировать. Держатели в устройствах применяются довольно широкие. Непосредственно ручка в комплекте есть. Регулятор у зарядки применяется поворотного типа. Зажимы используются без фиксаторов. Для аккумуляторов на 100 Ач устройство не подходит. Показатель перегрузки в среднем составляет 33 А. Для моделей на четыре клеммы модификация не подходит.

Параметры зарядных моделей Deltran

Указанное зарядное для кислотных аккумуляторов производится с выпрямителем. Триггер применяется с фильтрами. Для аккумуляторных батарей на 10 Ач устройство подходит хорошо. Проводимость в данном случае составляет не менее 4 мк. Допустимый уровень перегрузки равняется 30 А. Система защиты от импульсов есть. Преобразователь у зарядки отсутствует.

С аккумуляторами на 20 Ач модель используется часто. Всего у модификации есть один держатель. Фиксаторы установлены на выходных контактах. Показатель напряжения максимум равняется 20 В. Компаратор в представленной зарядке отсутствует. Зажимы используются довольно широкие. Регулятор у зарядки установлен с поворотным механиком. По габаритам модель является компактной и весит крайне мало. Селектор в устройстве применяется открытого типа.

Зарядные устройства Tenex

Зарядка данной серии подходит для аккумуляторов на 100 Ач. В данном случае расширитель используется переходного типа. Показатель выходной проводимости у модели невысокий. Проблемы с диодным мостом наблюдаются редко. Зарядка кислотных аккумуляторов на 20 Ач примерно происходит за один час. Система защиты от импульсов имеется.

Динистор у модификации используется с двумя фильтрами. Показатель предельного напряжения находится на отметке 30 В. Регулятор тока у модели есть. При необходимости можно включать циклический режим. Зарядить кислотный аккумулятор на 500 Ач можно в среднем за три часа. Проблемы с кроткими замыканиями наблюдаются не слишком часто.

fb.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о