Кислотные аккумуляторы устройство емкость эдс. Свинцовый кислотный аккумулятор

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 PbO 2 . 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:

PbO 2 + SO 4 2- + 4H + + 2e - ↔ PbSO 4 + 2H 2 O ;

Реакции на катоде:

Pb + SO 4 2- - 2e - ↔ PbSO 4 .

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 HSO 4 .
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 SO 4 соединяются со свинцом электродов и образуют на них сернокислый свинец PbSO 4 , 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.

Базовый принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора (АКБ), определяемый термином «двойная сульфатация», был разработан (изобретен) более полутора веков назад в районе 1860 года и с тех пор никаких принципиальных новшеств не претерпел. Появилось достаточное количество специализированных моделей, но устройство аккумулятора выпущенного вчера в Японии или производимого сегодня в России или в Германии, такое же, как и устройство самой первой батареи собранной «на коленке» во Франции, с неизбежными улучшениями и оптимизацией.

Назначение

АКБ в обычном автомобиле предназначен для работы стартера при запуске двигателя и для устойчивого снабжения заданного вольтажа электроэнергией, многочисленного электрооборудования. При этом роль автомобильного аккумулятора, как «энергетического буфера», при недостаточном поступлении энергии от генератора не менее важна. Типичный пример подобного режима – при работе двигателя на холостых оборотах во время стояния в пробке . В такие моменты весь электропакет и дополнительное сервис-оборудование запитаны только от аккумулятора. Критически важна роль кислотного аккумулятора при аварийных форс-мажорах: поломка генератора , регулятора напряжения, выпрямителя тока, при обрыве ремня генератора.

Правила подзарядки

Подзарядка свинцово-кислотного автомобильного аккумулятора в штатном режиме производится от генератора. При интенсивной работе батареи требуется ее дополнительная подзарядка в стационарных условиях через специальное зарядное устройство. Особенно это актуально в зимнее время, когда возможность холодной батареи принимать заряд резко снижается, а потребление энергии на раскрутку мотора на морозе возрастает. Поэтому зарядку автомобильного АКБ необходимо проводить в тепле после его согревания естественным образом.

Важно! Ускорение согревания батареи горячей водой или феном недопустимо, так как реально разрушение пластин вследствие резкого перепада температур. При опадении наполнителя на дно банок, резко возрастает возможность саморазряда за счет замыкания пластин.
Для так называемых «кальциевых» аккумуляторов, недопущение полного или значительного разряда критически важно, потому что ресурс этого типа батарей ограничен 4-5 циклами полной разрядки, после чего аккумулятор приходит в негодность.

В современных гибридных автомобилях и в электромобилях аккумуляторная батарея имеет повышенные размеры и емкость, обеспечивая движение. Их так и называют – тяговые. В «чистых» электромобилях только аккумуляторы являются поставщиком энергии для движения и работы всего электрооборудования, отчего имеют значительные размеры и в разы большую емкость, чем батарея в «классическом» автомобиле с карбюраторным двигателем. Например: танковые, тепловозные, на подводных лодках и так далее. Хотя принцип кислотного аккумулятора во всех случаях одинаков за исключением размеров.

Устройство кислотного АКБ и принцип его работы

Устройство кислотной АКБ (свинцово-кислотного) различного назначения, от разных производителей отличается не принципиально и в тезисной форме выглядит следующим образом:

пластиковый контейнер-корпус из инертного, устойчивого к агрессивной среде материала;
в общем корпусе располагается несколько модулей-банок (как правило шесть), которые являются полноценными источниками тока и соединяются между собой тем или иным способом в зависимости от основных задач;
в каждой банке располагаются плотные пакеты, состоящие последовательно из разделенных диэлектрическими сепараторами отрицательно и положительно заряженных пластин (свинцовый катод и анод из диоксида свинца соответственно). Каждая пара пластин является источником тока, их параллельное соединение кратно увеличивает выдаваемое на напряжение;
пакеты залиты раствором химически чистой серной кислоты, разбавленной до определенной плотности дистиллированной водой.

Работа кислотного аккумулятора

В процессе работы кислотного аккумулятора на катодных пластинах образуется сульфат свинца и выделяется энергия в виде электрического тока. За счет выделяемой в процессе электрохимической реакции воды плотность кислотного электролита падает, он становится менее концентрированным. При подаче напряжения на клеммы в процессе зарядки происходит обратный процесс с восстановлением свинца до металлической формы и повышается концентрация электролита.

Как устроена щелочная батарея и принцип ее работы

Устройство щелочной батареи аналогично таковому у кислотного. Но положительно и отрицательно заряженные пластины имеют другой элементный состав, а в качестве электролита используется раствор едкого кали определенной плотности. Есть и другие отличия — в самом корпусе контейнера, выводе клемм и в наличии мелкосетчатой «рубашки» вокруг каждой отдельной пластины.

Отрицательные катоды традиционного щелочного аккумулятора выполнены из губчатого кадмия с примесью губчатого железа, положительные – из гидроокиси трехвалентного никеля с добавлением чешуйчатого графита, добавка которого, обеспечивает лучшую электропроводность катода. Пары пластин параллельно соединяются между собой в банках, которые тоже соединены параллельно. В процессе зарядки щелочного аккумулятора двухвалентный никель в гидрате закиси меняет валентность до значения «8» и превращается в гидрат окиси; соединения кадмия и железа восстанавливаются до металлов. При разрядке процессы противоположны.

Достоинства щелочной АКБ

К достоинствам щелочного типа относятся:

внутреннее устройство обеспечивает повышенную устойчивость к механическим нагрузкам, в том числе к тряске и ударам;
разрядные токи могут быть значительно выше, чем у кислотного аналога;
в принципе отсутствует испарение/выделение вредных веществ с газами;
легче и меньше при равных емкостях;
имеют очень высокий ресурс и служат в 7-8 раз дольше;
для них не является критичными перезаряд или недозаряд;
эксплуатация их проста.

По достижении максимального возможного заряда и при продолжении подключения к зарядному устройству никаких отрицательных электрохимических процессов с элементами не происходит. Просто начинается электролиз воды на водород и кислород с ростом концентрации едкого кали и падением уровня электролита, что безопасно и легко компенсируется добавлением дистиллированной воды.
Очевидно, что имеются показатели, по которым этот тип аккумуляторов хуже кислотного:

использование дорогостоящих материалов повышает стоимость на единицу емкости до четырех раз;
более низкое – 1,25 В против 2 и выше В — напряжение на элементах.

Заключение

Правильная эксплуатация любого типа АКБ обеспечивает его долгую и надежную работу, что не только позволяет экономить финансы, но и гарантирует большую безопасность и комфорт при езде на автомобиле.

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

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 PbO 2 , 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.

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 PbO 2 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

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
S0 4 -, на которые распадаются молекулы серной кислоты H 2 S0 4 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 PbO 2 положительного
электрода и ионов сернокислого остатка S0 4 — со свинцом Pb отрицательного электрода, образуется сернокислый свинец PbS0 4 (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 PbS0 4 , покрывающим оба электрода. В процессе возникающих электрохимических реакций сульфат свинца PbS0 4 растворяется и на электродах вновь образуются активные массы: перекись свинца PbO 2 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

PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4 ? 2PbSO 4 + 2H 2 O

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

Номинальный разрядный ток численно равен 0,1С НОМ, максимальный при запуске дизеля (стартерный режим) - примерно 3С НОМ, зарядный ток - 0,2 С НОМ, где С НОМ - 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

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 РbO 2 и свинец РЬ. При этом аккумулятор становится непригодным для эксплуатации.

Изобретенный французским физиком Рэймондом Луи Гастоном Планте в 1859 году, свинцово-кислотный аккумулятор был первым аккумулятором для коммерческого использования. Сегодня, заливные свинцово-кислотные аккумуляторы широко используется в автомобилях, электропогрузчиках, источниках бесперебойного питания (ИБП).

Заливные свинцово-кислотные батареи состоят из свинцовых пластин, выступающих в качестве электродов, погруженных в воду и серную кислоту. Эти батареи требуют некоторого технического обслуживания за счет потери водорода с течением времени.

В середине 1970-х годов, исследователи разработали необслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторы, которые могут работать в любом положении в пространстве. Жидкий электролит был заменен увлажненными сепараторами и была решена проблема изоляции. Были добавлены предохранительные клапаны, которые сделали возможным удаление воздуха во время заряда и разряда. Тем не менее, необслуживаемые батареи стоят дороже и имеют более короткий срок эксплуатации, чем заливные батареи.

Свинцово-кислотные батареи могут иметь жидкий или гелеобразный электролит.

В зависимости от областей применения, появились два обозначения свинцово-кислотно батарей. Это небольшие герметичные свинцово-кислотные (SLA , sealed lead acid ) батареи и большие клапанные регулируемые свинцово-кислотные (VRLA , valve regulated lead acid ) батареи . Конструктивно, обе батареи одинаковы. (Некоторые могут возразить, что название «герметичная свинцово-кислотная батарея » является неправильным, потому что свинцово-кислотный аккумулятор не может быть полностью герметичен. Я соглашусь — это действительно так, название не совсем корректное, но это не мешает ему быть широкораспространенным). Я сделаю акцент на портативных батареях, поэтому буду ориентироваться на SLA .

В отличие от заливной свинцово-кислотной батареи, как SLA , так и VRLA имеют низкий потенциал перенапряжения, чтобы исключить выделение газа во время зарядки. Перезаряд вызывает газообразование и обезвоживание батареи. Следовательно, эти батареи не могут быть заряжены до их полного потенциала.

Свинцово-кислотные батареи не имеют эффекта памяти. Если оставить аккумулятор на подзарядке в течение длительного времени, то это не вызывает его повреждения. Время удержания заряда свинцово-кислотным аккумулятором является лучшим среди различных типов аккумуляторных батарей. В то время, как никель-кадмиевая батарея саморазряжается примерно на 40 процентов от ее накопленной энергии за три месяца, SLA саморазряжается на ту же величину в течение одного года. SLA являются относительно недорогими источниками энергии.

SLA не поддается быстрой зарядке — типичный цикл заряда длится 8-16 часов.

SLA всегда должны храниться в заряженном состоянии. Оставив батарею в разряженном состоянии, вы запустите в ней процесс под названием сульфатация (по сути, это окисление и кристаллизация), что может привести к невозможности ее последующей перезарядки.

В отличие от никель-кадмиевых аккумуляторов, SLA не любит глубокого разряда. Полный разряд вызывает дополнительную деформацию, и каждый цикл лишает батарею небольшого количества мощности. Эта спадающая характеристика износа относится и к другим химическим батареям в той или иной степени. Для того, чтобы предотвратить частые глубокие разряды батареи, лучше использовать SLA несколько большей, чем требуется емкости.

В зависимости от глубины разряда и рабочей температуры, SLA обеспечивает от 200 до 300 циклов заряда/разряда. Основной причиной столь относительно короткого жизненного цикла является коррозия сетки положительного электрода, истощение активного материала и расширение плюсовых пластин. Эти изменения более ярко выражены при более высоких рабочих температурах.

Оптимальной рабочей температурой для батарей SLA и VRLA , является температура в 25°C . Как правило, повышение температуры на 8°C сокращает срок службы батареи в два раза. VRLA , работающая в течение 10 лет при 25°C проработает только 5 лет при 33°C, и чуть более года при температуре 42°C.

Среди современных аккумуляторных батарей, семейство свинцово-кислотных аккумуляторов имеет самую низкую плотность энергии, которая измеряется в Ватт/кг, что делает его непригодным для портативных устройств, которым требуется компактный источник питания. Кроме того, КПД таких аккумуляторов при низких температурах оставляет желать лучшего.

Свинцово-кислотные батареи хорошо работают на высоких импульсных токах. Полная мощность может быть выдана в нагрузку за короткое время. Это делает их идеальными для использования там, где может внезапно понадобиться большое количество энергии. Именно поэтому они используются для электрического запуска двигателей внутреннего сгорания в большинстве транспортных средств.

С точки зрения утилизации, SLA является менее вредными, чем никель-кадмиевые батареи, но высокое содержание свинца делает SLA неэкологичными.

Преимущества свинцово-кислотных аккумуляторов

Недорогие и простые в изготовлении — с точки зрения затрат на Вт·ч, SLA является наименее дорогими. Например, аккумулятор 12В емкостью 3.2 А·ч, имеющий размеры 134x67x60мм, стоит порядка 400 рублей.
Зрелая, надежная и хорошо освоеная технология — при правильном использовании, SL A достаточно долговечны
Низкий саморазряд — скорость саморазряда является одной из самой низких в аккумуляторных системах (3-20% в месяц)
Низкие требования к обслуживанию — нет эффекта памяти, нет необходимости доливать электролит
Способность к большой токоотдаче. Для упомянутого выше аккумулятора с C = 3.2 А·ч токоотдача составляет не менее 16А. Аккумулятор отдает большой пусковой ток в нагрузку, при этом не просаживая напряжение питания.

Недостатки свинцово-кислотных аккумуляторов

Не могут храниться в разряженном состоянии
Высокая чувствительность к изменению температуры — влияет и на продолжительность работы и на срок жизни аккумулятора
Низкая плотность энергии — слабая весо-энергетическая плотность аккумулятора ограничивает область применения стационарными и колесными приложениями, поэтому их целесообразно использовать только в больших и средних по размерам роботах (если уж говорить о роботах)
Позволяет только ограниченное количество полных циклов разряда — хорошо подходит для резервных приложений, в которых происходят только случайные глубокие разряды
Экологически вредные — электролит и содержание свинца делают их небезопасными для окружающей среды
Транспортные ограничения для заливных свинцово-кислотных батарей — в случае аварии может произойти утечка кислоты

Типичные характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов

Приведу типичные значения параметров, встречающиеся для необслуживаемых 6 и 12 вольтовых батарей с емкостью порядка 0.8-7 А·ч:

Теоретическая энергоемкость: 135 Вт·ч/кг
Удельная энергоемкость: 30-60 Вт·ч/кг
Удельная энергоплотность: 1250 Вт·ч/дм 3
ЭДС заряженного аккумулятора: 2.11В
Рабочее напряжение: 2.1В (3 или 6 секций дают стандартные 6.3 или 12.6В)
Напряжение полностью разряженного аккумулятора: 1.75-1.8В (на одну секцию). Более низкий заряд не допускается

Напряжение	Заряд
12.70В	100%
12.46В	80%
12.24В	55%
12.00В	25%
11.90В	0%

Рабочая температура: от -40 до +40ºС
КПД: 80-90%

Аккумулятор– химический источник тока, обладающий способностью накапливать и сохранять в течение некоторого времени электрическую энергию и по мере необходимости отдавать её во внешнюю цепь.

Аккумулятор сам не производит электрическую энергию. Он только накапливает её при заряде: пропускание тока от постороннего источника (рис. 4.2. а) сопровождается превращением электрической энергии в химическую, в результате, аккумулятор сам становится источником тока.

При разряде аккумулятора накопленная электрическая энергия расходуется в подключённой к нему внешней цепи - химическая энергия преобразуется в электрическую (рис. 4.2. б).

При правильной эксплуатации аккумулятор выдерживает несколько сотен циклов заряда и разряда.

В зависимости от состава электролита различают:

· кислотные

· щелочные аккумуляторы.

Рисунок 4.2.

а) заряд и б) разряд

Простейший кислотный аккумулятор состоит из двух свинцовых электродов, погруженных в раствор серной кислоты.

Разряд и заряд. При разряде аккумулятора (рис. 4.3, а) положительные и отрицательные ионы кислотного остатка S0 4 - , на которые распадаются молекулы серной кислоты H 2 S0 4 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.

Рисунок 4.3. Прохождение через электролит положительных и отрицательных ионов при

а) разряде и б) заряде кислотного аккумулятора

В результате электрохимических реакций, возникающих при взаимодействии водорода Н 2 + с перекисью свинца Рb0 2 положительного рода и ионов сернокислого остатка S0 4 - со свинцом Рb отрицательного электрода, образуется сернокислый свинец PbS0 4 (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. 4.3, б) положительные ионы водорода Н 2 + перемещаются к отрицательному электроду 2 , а отрицательные ионы сернокислого остатка S0 4 - - положительному электроду 1 и вступают в химическое взаимодействие с сульфатом свинца PbS0 4 , покрывающим оба электрода. В процессе возникающих электрохимических реакций сульфат свинца PbSО 4 растворяется и на электродах вновь образуются активные массы: перекись свинца РЬ0 2 на положительном электроде и губчатый свинец Pb -на отрицательном. Концентрация серной кислот при этом возрастает, т.е. плотность электролита увеличивается.

Процессы, проходящие в кислотном аккумуляторе, можно представить следующим уравнением:

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

РbO 2 – порошок перекиси свинца;

PbSO 4 - сернокислый свинец (сульфат свинца).

Плотность электролита зависит от окружающей температуры.

При температуре свыше +15°С применяют раствор едкого натра плотностью 1,17-1,19 грамма на кубический сантиметр (г/см 2) чистой (дистиллированной, дождевой, снеговой) воды. Приготовленному электролиту дать отстояться 6-12ч, чтобы самые вредные примеси (кальций, железо, марганец и др.) осели на дно сосуда, после чего электролит осторожно перелить в другой сосуд, а затем в аккумуляторы.

Если нет едкого натра, то можно использовать едкий кали. При температуре от +15° до -15° С применяют раствор едкого кали плотностью 1,19-1,21 г/см 3 , при температуре ниже-15°С- раствор едкого кали плотностью 1,27-1,3 см 2 .

Для увеличения срока службы щелочного аккумулятора часто в электролит добавляют некоторое количество едкого лития. При этом сопротивление аккумулятора немного увеличивается и он становится менее пригодным для работы в условиях более пригодных для работы в условиях более низких температур.

Электролит приготовляют в чистой стальной, чугунной посуде, куда сначала кладут едкий кали, а затем вливают воду (на 1 кг едкого кали 2 л воды). Раствор перемешивают до полного растворения едкого кали. При этом температура электролита повышается. После того как электролит остынет, нужно измерить его плотность и довести ее до нужной величины. Заливать в аккумулятор горячий, электролит (температурой выше 30° С) нельзя, так как при этом портится активная масса.

Заливают электролит в аккумулятор через стеклянную воронку. Уровень его должен быть выше верхней кромки пластин на 5-10 мм.

Недостатки свинцово-кислотных батарей :

Не допускается хранение в разряженном состоянии;

Низкая энергетическая плотность - большой вес аккумуляторных батарей ограничивает их применение в стационарных и подвижных объектах;

Допустимо лишь ограниченное количество циклов полного разряда;

Кислотный электролит и свинец оказывают вредное воздействие на окружающую среду;

При неправильном заряде возможен перегрев.

Полностью заряженный кислотный аккумулятор имеет э.д.с. около 2,2 В, приблизительно такое же напряжение на его зажимах, так как внутреннее сопротивление очень мало.

При разряде напряжение быстро падает до 1,8–1,7 В, при этом напряжении разряд прекращается во избежание повреждения.

Щелочные аккумуляторы.

На локомотивах и электропоездах наибольшее распространение получили щелочные аккумуляторы (значительно больший срок службы, чем у кислотных).

Наиболее распространены никель-железные (НЖ) и никель-кадмиевые (НК) щелочные аккумуляторы. В тех и других активная масса положительного электрода в заряженном состоянии состоит из гидрата окиси никеля NiOH , к которому добавляют графит и окись бария.

Графит увеличивает электропроводность активной массы, а окись бария – срок службы. Активная масса отрицательного электрода никель-железного аккумулятора состоит из порошкового железа с добавками, а никель-кадмиевого аккумулятора из смеси порошкового кадмия и железа. Электролитом служит раствор едкого калия с примесью моногидрата лития, которая увеличивает срок службы аккумулятора.

Электрохимические реакции, протекающие при заряде и разряде щелочного аккумулятора, можно представить следующими уравнениями:

2Ni(OOH)+2KOH+Fe 2Ni(OH) 2 +2KOH+Fe(OH) 2

2Ni(OOH)+2KOH+Cd 2Ni(OH) 2 +2KOH+Cd(OH) 2

Ni(OОH) – гидрат окись никеля; КОН – едкий калий.

Железо-никелевый аккумулятор Кадмиево-никелевый аккумулятор

типа ТЖН-300 типа КН-100

Рисунок 4.4. Щелочные аккумуляторы

1 – активная масса; 2 – стальные перфорированные ленты; 3 – эбонитовые палочки; 4 – блок положительных пластин; 5 – полюсные выводы; 6 – пробка с отверстием для заливки электролита; 7 – крышка; 8 – блок отрицательных пластин; 9 - активная масса положительных пластин; 10 - активная масса отрицательных пластин; 11 – изоляция (винипласт, эбонит); 12 - пробка

При заряде аккумулятора кислород с железной (отрицательной), пластины переходит на никелевую (положительную). Во время разряда происходит обратный процесс.

Полностью заряженный щелочной аккумулятор имеет э.д.с. приблизительно 1,45 В. При разряде напряжение быстро падает до 1,3 В, затем медленно до 1 В. Разряжать ниже этого напряжения запрещается.

Преимущества щелочных аккумуляторов :

· при их изготовлении не используется дефицитный свинец;

· они обладают большей выносливостью и механической прочностью, не боятся сильных токов разряда, тряски, ударов и даже коротких замыканий;

· при длительном бездействии несут малые потери на саморазряд и не портятся, имеют большой срок службы;

· при работе выделяют меньшее количество вредных газов и испарений;

· имеют меньший вес;

· менее требовательны в отношении постоянного квалифицированного ухода.

Недостатками являются:

· меньшая э.д.с;

· более низкий к.п.д.

· более высокая стоимость.

Контрольные вопросы