До недавнего времени наиболее распространенным способом накопления электрической энергии являлось применение свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. Они, например, широко используются в системах бесперебойного электроснабжения малой мощности, но абсолютно непригодны для перекачки больших потоков энергии в ежедневном режиме. С развитием технологий на рынке появились литий ионные (ЛИА) АКБ.
Высокая реактивность и способность лития интеркалировать (проникать) в кристаллическую решетку другого материала позволяет сохранить в атомных связях большое количество энергии, поэтому служит идеальным накопителем.
Благодаря наноструктурированной топологии, литий-ионные АКБ имеют безусловные преимущества перед всеми существующими на сегодняшний день аналогами по ряду технических характеристик:
- Токи заряда и разряда беспрецедентно высоки. Способность ЛИА воспринимать большой ток заряда позволяет накапливать энергию в режиме онлайн. Разряд может пятикратно превосходить заряд, что говорит о возможности мгновенной отдачи огромного количества энергии.
- Очень низкий саморазряд, не превышающий 2% от первоначального заряда в месяц
- Отсутствует эффект памяти (не требует полной разрядки перед циклом заряда).
- Высокий электрохимический потенциал (энергетическая плотность);
- Эксплуатация в широком диапазоне температур (от -40°C +50°C).
Еще несколько лет назад, свинцовые АКБ не имели конкурентов в этой области, так как альтернативные АКБ, были очень дорогостоящими, в связи с чем их применение было экономически не выгодно.
Но с развитием технологий, на рынке появились литий ионные (ЛИА) АКБ, которые на первый взгляд имеют более высокую цену, тем не менее, если рассмотреть более внимательно, то в системах ИБП от 50кВт, применение именно ЛИА, имеет более высокую экономическую эффективность. Ниже приведены сравнения.
Основными параметрами любой АКБ, является:
- Ёмкость: Какое количество энергии может запасти АКБ на 1 кг веса
- Ток разряда: Как быстро накопленную энергию АКБ может отдать
- КПД: потери энергии при заряде и разряде
- Количество циклов разряда и заряда
- Срок годности – или период эксплуатации
| Критерий | Свинец | ЛИА |
| Ёмкость (вт/кг) | 25 | 110 |
| Ток разряда (при котором АКБ отдаёт всю ёмкость) | 0,1С (10% от тока ёмкости) | 3С (300% от тока ёмкости) |
| КПД | 80% | 97% |
| Количество циклов разряда - заряда | 700 | 5000 |
| Срок годности – или период эксплуатации | 3.5 лет | 25 лет |
Как видно из таблицы, ЛИА имеют значительные преимущества перед свинцовыми АКБ. Это вызвано в первую очередь тем, что у них разный принцип действия. В Свинцовых АКБ свинцовые электроды вступают в химическую реакцию с электролитом - серной кислотой, за счет чего происходит накопление электроэнергии. Но со временем кислота образует на поверхности электродов сульфат свинца, что приводит батарею в негодность. Преждевременное старение свинцовой АКБ происходит так же при разряде большими токами и параллельном подключении, которое часто используется для увеличения суммарной емкости.
В ЛИА как таковой химической реакции не происходит, а происходит миграция ионов лития с электрода на электрод, накапливая или отдавая заряд, за счет чего ЛИА имеет значительно лучшие характеристики. Разряд силой тока, пятикратно превосходящей номинальную емкость АКБ – штатный режим работы. Допускается параллельное соединение, т.к. контроллер заряда/разряда установлен на каждом элементе батареи.
Для оценки экономической выгоды от применения той или иной технологии, рассмотрим затраты на первичную установку, а так же затраты на дальнейшую эксплуатацию. В качестве примера примем ИБП на 300 кВА со временем бесперебойной работы 30 мин. Это время было выбрано потому, что именно этого времени хватит в случае необходимости запустить, и ввести в рабочий режим резервный генератор, а генераторы как известно заводятся далеко не с первого раза, особенно если стоят в резерве.
| ИБП 300 кВА. Напряжение постоянного тока 400 В. Время работы при полной нагрузке 30 мин. | |||
| Критерий | Свинец | Литий | Комментарии |
| При работе на полную нагрузку, ИБП будет потреблять 750А в течении 30 мин. Требуемая ёмкость и тип АКБ | OPzV 1200Ач (2В) 185ШТ | ЛИА 400Ач (3.2В) 125 ШТ. | АКБ требует высокие токи разряда, которые могут поддерживать только единичные элементы по 2,14В. При высоких токах разряда свинцовая АКБ не отдаёт 100% своей ёмкости. Рекомендуемые производителем токи разряда подтверждают, что минимальная ёмкость АКБ должна быть 1200Ач. Для лития данных проблем нет, поэтому устанавливается батарея почти номинальной ёмкости. |
| Стоимость | Одинаковая | Одинаковая | Обычно цена АКБ рассчитывается исходя из стоимости одного Ампер часа. Приведенные цены являются средними по рынку. Цена за ЛИА АКБ приведена с учетом стоимости системы управления. |
| Вес АКБ | В среднем по 100 кг на элемент 185*100=18500 кг | В среднем по 11 кг на элемент 125*11=1375 кг | При использовании ЛИА АКБ потребуется размер помещения(площадь и предельные нагрузки на пол) в 13 раз меньше чем для свинца. |
| Срок эксплуатации до замены | 3.5 лет | 25 лет | Срок эксплуатации свинцово кислотных OPzV АКБ 20 лет, но они не служат так долго. Дело в том, что производитель указывает срок эксплуатации при разряде батареи током не более 10% от номинальной ёмкости, а значит для АКБ 1200Ач, это всего 120А. Ток разряда данного ИБП 750А, что в 6 раз выше рекомендованного. При такой силе разряда свинцовые АКБ выходят из строя гораздо быстрее, а потеря емкости заметна уже через несколько циклов разряда. |
| Стоимость обслуживания | Высокая | Нет | Можно установить свинцовых АКБ в 6 раз больше, что бы они прослужили 18 лет, но стоимость такого массива будет астрономической. ЛИА работает в штатном режиме и прослужит заявленное время эксплуатации без замены. |
Разряд Свинцово-кислотной АКБ постоянным током, А.
Конечное напряжение 1,75В элемент при температуре 20°С
| Маркировка | Минуты | Часы | |||||||
| 10 | 15 | 30 | 1 | 2 | 3 | 5 | 8 | 10 | |
| OPzV-200 | 261 | 230 | 171 | 122 | 79 | 58 | 39 | 27 | 21 |
| OPzV-250 | 302 | 287 | 213 | 152 | 98 | 73 | 49 | 33 | 26 |
| OPzV-300 | 362 | 344 | 256 | 182 | 118 | 87 | 58 | 40 | 31 |
| OPzV-350 | 365 | 347 | 275 | 204 | 139 | 105 | 72 | 50 | 37 |
| OPzV-420 | 438 | 417 | 330 | 245 | 167 | 126 | 86 | 60 | 45 |
| OPzV-500 | 472 | 448 | 366 | 286 | 195 | 147 | 101 | 67 | 52 |
| OPzV-600 | 477 | 454 | 388 | 302 | 219 | 168 | 118 | 85 | 66 |
| OPzV-800 | 740 | 693 | 580 | 422 | 293 | 223 | 157 | 113 | 82 |
| OPzV-1000 | 887 | 823 | 681 | 515 | 370 | 282 | 197 | 131 | 103 |
| OPzV-1200 | 956 | 903 | 790 | 614 | 450 | 342 | 237 | 165 | 123 |
| OPzV-1500 | 1011 | 995 | 874 | 697 | 521 | 407 | 294 | 197 | 155 |
| OPzV-2000 | 1372 | 1326 | 1165 | 929 | 695 | 543 | 391 | 276 | 207 |
| OPzV-2500 | 1685 | 1658 | 1510 | 1203 | 863 | 668 | 482 | 317 | 258 |
| OPzV-3000 | 2022 | 1989 | 1813 | 1444 | 1035 | 802 | 579 | 378 | 309 |
Итог. Первичная стоимость свинца будет больше, а также при первичной разнице в стоимости в 11% применение ЛИА позволит:
- Сократить в 13 раз площадь (объем) помещения для размещения системы ИБП.
- Сократить в 13 раз вес батарейного стеллажа.
- Минимум троекратно продлить срок службы перед заменой АКБ. Экономия при эксплуатации ЛИА, за 20 лет составит не менее 350% , исходя из расчета первичных затрат, стоимости обслуживания, периодической замены и трехкратной утилизации свинцовых АКБ.
Применение нашей технологии позволяет осуществить прямую замену Свинцово-кислотных или Никель-Кадмиевых АКБ на ЛИА, БЕЗ каких либо конструктивных изменений или дополнений к системе заряда или подключения! Даже перемычки могут остаться старые.
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.
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.
1. Каково назначение аккумулятора?
2. Принцип работы кислотного аккумулятора.
3. Принцип работы щелочного аккумулятора.
4. Достоинства щелочных аккумуляторов.
5. Недостатки щелочных аккумуляторов.
6. Чему равна э.д.с. полностью заряженного аккумулятора?
7. Из чего состоит простейший кислотный аккумулятор?
8. Как называются устройства, преобразующие химическую энергию в электрическую?
9. Что такое электролит?
10. Что такое электролиз?
11. На какие составляющие распадается молекула серной кислоты?
12. Из чего состоит гальванический элемент Вольта?
13. Как происходит поляризация элемента?
14. Что такое сухой гальванический элемент?
15. Как проходит электрический ток в жидких проводниках?
16. Какова конструкция кислотных аккумуляторов?
17. Расскажите об устройстве щелочных аккумуляторов.
18. Каким образом заряжают аккумуляторы?
19. Что служит признаком конца заряда у кислотного аккумулятора?
20. Что служит признаком конца заряда у щелочного аккумулятора?
21. Как соединяют аккумуляторы в батарею?
Похожая информация.
Свинцово-кислотный аккумулятор — это наиболее распространённый на данный момент тип источника энергии в автомобиле. Он был изобретён в далёком 1859 году и до сих пор устанавливается на большинстве машин, конечно же, есть и альтернативы, но они пользуются меньшей популярностью у автопроизводителей.
Немного истории
Авторство данного устройства принадлежит французу Гастону Планте. Именно он в 1859 году создал первый рабочий прототип. Конструкция устройства не представляла собой что-то слишком сложное. Электроды делались из листового свинца. В качестве разделителя использовался сепаратор из простого полотна. Он сворачивался в спираль, после чего помещался в колбу, в которой был раствор серной кислоты.
Внимание! Учёный использовал десятипроцентный раствор серной кислоты.
К сожалению, устройство обладало слишком малой ёмкостью, которая легко объясняется излишним примитивизмом конструкции. Чтобы её немного увеличить ученый множество раз заряжал и разряжал свинцово-кислотный аккумулятор.
Чтобы достичь хоть какого-нибудь результата Планте понадобилось два года. Естественно, что подобный недостаток был слишком существенным. Неудивительно, что свинцово-кислотные аккумуляторы тогда не получили большого распространения. Главный дефект крылся в конструкции пластин.
Конечно же, учёный свет не остановился на достигнутом. Совершенствование конструкции свинцово-кислотного аккумулятора только начиналось. Большой прорыв в этом деле совершил К. Фор. Он предложил инновационную технологию изготовления электродов.
В 1880 год К. Фор на электроды наносит окись свинца. Результат превосходит все ожидания. Учёному в значительной степени удалось увеличить ёмкость аккумулятора. Идея получила широкое распространение. А уже в 1881 Э. Фолькмар начал использовать вместо обычных электродов специальную решетку. Селлоун пошёл дальше и получил патент на производство решеток, в сплаве которых была сурьма.
Сразу же учёным пришлось столкнуться со следующей проблемой. Не было нормальных зарядных устройств. Чтобы хоть как-то возобновить начальный заряд свинцово-кислотного аккумулятора применялась разработка Бунзена. К сожалению, результат был не очень хорошим.
Внимание! Суть подобной методики заряда сводилась к источнику в виде гальванической батареи. Именно от неё в то время можно было осуществить подзарядку.
Данное положение дел изменили генераторы постоянного тока, которые были дёшевы в производстве. Результат поразил весь мир. В 1890 году свинцово-кислотные аккумуляторы начинают массово выпускаться во всех цивилизованных странах мира. Мало того, все они нашли себе коммерческое применение.
Важно! Настоящим прорывом стал выпуск в 1900 году немецкой компанией Varta свинцово-кислотных аккумуляторов.
Следующая весомая дата в развитии технологии по созданию свинцово-кислотных аккумуляторов приходится уже на 70-е годы XX века. Именно в этот период разрабатываются необслуживаемые аналоги. Их главным отличием от всех предыдущих является то, что они способны работать в любом положении.
На смену жидкому электролиту пришёл гель. Батареи стали полностью герметичными. Для выведения отработанных газов установили специальные клапаны. Кардинально изменилась конструкция пластин. Их основой стал медно-кальциевый сплав. Чтобы добиться ещё большего результата он дополнительно покрывался оксидом свинца. Решётки делались из титана, алюминия и меди.
Все активные вещества нового свинцово-кислотного аккумулятора были расположены в электролите вместе с положительными и отрицательными электродами. Все эти элементы образуют сложную электрохимическую систему.
Всё о свинцово-кислотных аккумуляторах
Подробно о принципе работы
Для начала суммируем всё вышесказанное. Свинцово-кислотные аккумуляторы выступают в роли вторичных источников питания. Они обеспечивают работу электрических устройств за счёт химической реакции, которая происходит в электролите.
Важно! Свинцово-кислотные аккумуляторы имеют множество циклов зарядки и разрядки.
Свинцовые аккумуляторы могу использоваться многократно. Они являются вторичными источниками тока, работающими за счёт создания химических реакций. При их работе в большом количестве расходуются химические элементы. Но следующая зарядка их восстанавливает.
Химическое вещество, в котором и происходят все реакции состоит из окислителя, электролита и специального восстанавливающего вещества. Роль восстановителя играет отрицательный электрод. Он в процессе токообразующей реакции отдаёт электроны. Как результат проходит процесс окисления. При этом положительный электрод восстанавливается. Он по умолчанию является и окислителем.
Важно! Роль электролита в свинцово-кислотном аккумуляторе играет химическое соединение. Главное к нему требование — хорошая ионная проводимость.
Активные вещества — это жёсткая пористая масса, которая хорошо проводит электричество. Диаметр пор в свинцово-кислотном аккумуляторе составляет 1,5 мкм. Если же речь идёт про PbO2, то у этого вещества аналогичный показатель будет побольше, в районе 5—10 мкм.
Серная кислота в электролите имеет положительные ионы водорода и отрицательные. Когда кислотно-свинцовый аккумулятор лишается накопленного заряда выделяются положительные ионы.
Отрицательные ионы сближаются с положительным электродом. Подобное становится возможным благодаря внешнему замкнутому участку цепи. Здесь же восстанавливаются четырёх- и двухвалентные ионы свинца.
Важно! Положительные ионы соединяются с отрицательными. В результате образуется сернокислый свинец.
Как только свинцово-кислотный аккумулятор подключается к зарядному устройству. Электроны начинают двигаться к отрицательному электроду. В результате нейтрализуются двухвалентные ионы свинца.
В данном процессе выделяется губчатый свинец. Он отдаёт по два электрона, при этом происходит процесс окисления. Апогеем является соединение ионами кислорода. Только после этого образуется PbO2.
Упрощённый принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора
В данном устройстве происходит множество химических реакций. Если же опустить химические формулы, то сам процесс будет выглядеть следующим образом: плотность серной кислоты и электролита будет уменьшаться при разряде; во время подзарядки данный показатель будет увеличиваться.
Важно! Положительные электроды расходуют кислоты больше чем отрицательные.
При разрядке электролит увеличивается незначительно. Уменьшение составляет один сантиметр кубический на 1 А·ч. Расход свинца, когда аккумулятор разряжается составляет 3,86 г. Количество других химических элементов также значительно уменьшается. Больше всего уходит сульфата свинца, порядка 12 грамм.
Варианты устройства конструкции
С вышеизложенного материала вам должно быть понятно, что учёные приложили множество усилий, чтобы создать по-настоящему надёжную свинцово-кислотную батарею с большой ёмкостью.
На данный момент в производстве чаще всего используются два варианта конструкции свинцово-кислотной батареи. В первом случае это обычны моноблок. В нём размещены ячейки банок и специальные перемычки между ними.
Электроды погружены в электролит. Данные устройства представляют собой свинцовые решётки. Их полости заполняются пастой. Повышенной плотности удаётся добиться за счёт волокон полипропилена. В качестве альтернативы некоторые производители используются сажу на основе сернокислого бария.
При накладывании на решётки паста прессуется и сушится. Дополнительно она обрабатывается электрохимическими процессами. Подобная конструкция свинцово-кислотной батареи помогает добиться эффективного использования всех активных химических соединений.
Важно! Решётки способствуют равномерного распределению тока.
Второй вариант отличается от первого тем, что батарея помещается в один моноблок. Межэлементные перемычки присутствуют.
Режимы работы
В свинцово-кислотных аккумуляторах в качестве электролита выступает раствор серной кислоты. Положительные пластины также имеют активное вещество — это двуокись свинца, отрицательные содержат свинец РЬ. В зависимости от режима эксплуатации все свинцово-кислотные аккумуляторы можно поделить на такие группы:
- Буферный режим. В качестве основного источника питания выступает сетевой блок. Основное назначение такого аккумулятора — резервный источник.
- Циклический режим. Такие аккумуляторы разряжаются после чего происходит зарядка.
- Смешанный режим — соединение предыдущих двух режимов.
При создании определённого агрегата или для выполнения какой-либо работы выбирается аккумулятор с подходящим для конкретной цели режимом работы.
Как заряжать свинцово-кислотный аккумулятор
Существует множество методов зарядки свинцово-кислотного аккумулятора. Эффективнее всего использовать так называемый I-U. Его суть сводится приблизительно к следующему: вначале вы пускаете постоянные ток, как только необходимое напряжение достигнуто, вашей задачей является его поддержание на заданном уровне.
Очень важно правильно определить величину тока на начальном этапе зарядки. Обычно она указывается на корпусе батареи. Обычно она лежит в диапазоне от 20 до 30 процентов от ёмкости элемента питания. Возьмём конкретный пример. Ёмкость аккумулятора составляет 100 А*ч. В таком случае ток должен быть 25 А.
Важно! Автомобильные производители рекомендуют начинать зарядку с 10 % от ёмкости батареи. Это позволит уберечь свинцово-кислотный аккумулятор от повреждения.
Итоги
Несмотря на год создания, свинцово-кислотные аккумуляторы до сих пор пользуются большой популярностью среди автомобилестроителей. Свойства этих устройств позволяют хранить приличный запас энергии, обеспечивая стабильную работу машины.
Случайно узрел с комментариями к ней, и так злость во мне закипела по поводу безграмотности людей в области кислотных (свинцовых в простонародье) аккумуляторов, что не выдержал и решил написать «гикам» (чтобы быть гиком, как оказывается, мало купить дорогой телефон) краткую статью об аккумуляторах. С рассмотрением тех ошибок, которые мне постоянно мусолят глаза и вызывают праведное желание их исправить.
Начнем с названия. Я очень часто вижу что тремя буквами А-К-Б называют все что можно зарядить, абсолютно любой аккумулятор. Особенно тремя буквами люди любят называть аккумуляторы типа Li-ion. На самом-же деле АКБ аббревиатура от Аккумуляторная Кислотная Батарея. Под ними подразумевается лишь один тип аккумулятора - свинцовый кислотный. С современной точки зрения это название вызывает некоторый когнитивный диссонанс т.к. на данный момент значение слова «батарейка» т.е. гальванического элемента который зарядить нельзя перешло на слово «батарея». И получается как будто бы из-за слова «аккумуляторная» это аккумулятор который зарядить можно, а из-за слова «батарея» это как будто батарейка которую зарядить нельзя. В реальности-же батарея - просто цепь гальванических элементов и со словом «батарейка» имеет общий лишь корень.
Далее перейдем к некоторым мифам, а именно главный миф - АКБ для автомобиля имеет некие существенные отличия от АКБ для ИБП. И вот нельзя их применять и там и там.
С химической точки зрения любые АКБ абсолютно одинаковы
. Как-же они устроены? Очень кратко - если аккумулятор заряжен, то один электрод представляет собой свинцовую решетку с нанесенной на нее пастой из PbO 2 , второй -такую-же решетку с пастой губчатого свинца. Электролитом служит раствор серной кислоты. В процессе разряда PbO 2 восстанавливается и взаимодействуя с серной кислотой образует PbSO 4 . Свинец на другом электроде окисляется и опять-же образует PbSO 4 . В конце разрядки мы имеем обе решетчатые пластины заполненные (более или менее) сульфатом свинца. При зарядке аккумулятора происходит электролиз и из сульфата свинца вновь образуется диоксид и металлический свинец. Конечно-же, тут нужно подчеркнуть, что электроды при этом не равны и путать их полярность не стоит т.к. еще на стадии производства в намазку электродов вводятся соответствующие добавки, улучшающие их эксплуатационные свойства. При этом добавки полезные для одного электрода вредны для другого. В очень старые времена, где-то в начале прошлого века, в условиях простых аккумуляторов, вероятно, была допустима переполюсовка аккумулятора по ошибке или с какими-то целями и он какое-то время после этого работал. В том что она допустима сейчас я сомневаюсь.
Таких ячеек в 12В аккумуляторе 6 шт, в 6В - 3 шт. и т.д. Многих вводит в заблуждение значение напряжения на аккумуляторах. Причем значений напряжения номинального, заряда, разряда. С одной стороны, аккумуляторы называются 12В (и 6В, 24В тоже есть, по-моему, даже 4В изредка встречаются) но на корпусе тех-же аккумуляторов для ИБП производитель указывает напряжение выше 13.5В.
Например:
Тут мы видим, что в форсированном режиме напряжение заряда может быть аж 15В.
Все разъяснит кривая напряжения на АКБ:
Слева мы видим напряжение для аккумулятора из 12 ячеек (24В номинальных), 6 (12В номинальных) и, самое полезное, для одной ячейки. Там-же отмечены области нежелательных напряжений при разряде/ заряде. Из кривой можно сделать выводы:
1 Напряжение 12В, 24В и т.д. являются номинальными и показывают лишь число гальванических ячеек (путем деления на два) в батарее. Это просто название для удобства.
2 Напряжение при заряде могут достигать 2.5 В/ ячейку что для 12В аккумулятора соответствует 15В.
3 Напряжение заряженной батареи считается допустимым при значении 2.1-2.2 В/ячейку, что для 12В аккумулятора соответствует 12.6-13.2В.
Теоретически, батарею можно зарядить и до значений 2.4 В/ячейку или даже немного выше, однако, такая зарядка будет негативно сказываться как на состоянии электродов, так и на концентрации электролита. Однажды, перед сдачей в утиль, я легко зарядил 12В батарею до напряжения ок. 14.5В (уже не помню точное значение).
Итак, автор статьи с которой я начал, решил, что напряжение заряда автомобильной АКБ и АКБ от ИБП отличаются. Это неверно, у них одинаковый тип электродов и одинаковая концентрация серной кислоты в электролите (подобранная давным-давно экспериментальным путем, чтобы предоставлять максимальное напряжение и минимальном саморазряде). Однако, что-же происходит в батарее, почему ее нельзя заряжать при слишком высоком значении напряжения?
Почему в автомобильную АКБ нужно подливать воду, а в АКБ от ИБП не нужно? Эти вопросы позволяют нам плавно перейти в область напряжения разложения воды. Как я написал выше, при зарядке аккумулятора происходит электролиз. Однако, не весь ток расходуется на превращение PbSO 4 в PbO 2 и Pb. Часть тока будет неизбежно расходоваться и на разложение воды, составляющей значительную часть электролита:
2H 2 O = 2H 2 + O 2
Теоретический расчет дает значение напряжения для этой реакции ок. 1.2В. Напоминаю, что напряжение на ячейке при заряде заведомо более 2В. К счастью, активно вода начинает разлагаться только выше 2В, а в промышленности для получения водорода и кислорода из нее процесс ведут и вовсе при 2.1-2.6В (при повышенной температуре). Как бы то ни было, тут мы приходим к выводу, что в конце процесса заряда АКБ будет неизбежно происходить процесс разложения воды в электролите на элементы. Образующиеся кислород и водород попросту улетучиваются из сферы реакции. Про них бытуют следующие мифы:
1. Водород крайне взрывоопасен! Перезарядишь аккумулятор и как минимум лишишься комнаты где тот был!
На самом деле, водорода в процессе электролиза выделяется ничтожно мало по сравнению с объемом комнаты. Водород взрывается при концентрации от 4% в воздухе. Если мы допустим, что электролиз ведется в комнате размером 3*3*3 метра или 27 метров куб., то нам понадобится наполнить помещение 27*0.04=1.1 метров куб. водорода. Для получения такого количества H2 нужно было бы полностью разложить ок. 49 моль воды или 884 грамма ее. Если кто-то наблюдал электролиз, то поймет насколько это много. Или попробуем перейти ко времени. При силе тока в стандартной зарядке для крупногабаритных АКБ в 6А, уравнение Фарадея дает время, необходимое для получения этого количества водорода, аж 437 часов или 18.2 дня. Чтобы наполнить комнату водородом до взрывоопасной концентрации нужно забыть про зарядку на 2 с половиной недели! Но даже если это случится, концентрация серной кислоты просто будет расти пока ее раствор не приобретет слишком высокое сопротивление для жалких 12В зарядки и сила тока не станет ничтожной. Да и водород попросту улетучится.
Очень редко случаются взрывы непосредственно в корпусах крупногабаритных АКБ из-за того, что выделяющийся водород по какой-то причине не может покинуть замкнутого пространства. Но и в этом случае нечего страшного не бывает - чаще всего взрыва хватает только на небольшую деформацию верхней части корпуса, но не на разрыв свинцовых соединений. И АКБ еще может работать дальше даже после таких повреждений.
2. При электролизе может образоваться смертельно ядовитый и, не менее взрывоопасный чем водород, сероводород!
Не наш, периодически попадался миф в англоязычных постах. Теоретически конечно возможно подать такое большое напряжение и создать т.о. такую большую силу тока, что на катоде начнется процесс восстановления сульфат-иона. Напряжение для этого будет достаточным, а продукты восстановления не будут успевать диффундировать подальше от электрода и восстановление будет идти дальше. Но зарядка в пределах десятка-трех вольт и с ограничением силы тока в 6А на такое едва ли способна. Однажды, я наблюдал процесс восстановления сульфата до SO 2 , да, это возможно; однокурсницы по ошибке что-то сделали не то во время опыта. Но это большая редкость т.к. там концентрация серной кислоты была заметно выше той, что используется в АКБ, была иная конструкция электрода и иной его материал и, естественно, напряжения и сила тока были были непомерными. И SO 2 не H 2 S.
3. При электролизе мышьяк и сурьма из материала решеток будут восстанавливаться до ядовитых арсина и стибина!
Действительно, решетки содержат относительно много сурьмы, мышьяка в современных решетках, вероятно, нет вообще. При работе АКБ та решетка на которой происходит восстановление, т.е. катод, разрушению не может подвергаться. Выделяйся даже каким-то образом стибин, он бы тут-же взаимодействовал с PbSO4, восстанавливая его до металла.
Однако, некоторая практическая неприятность тут есть. Газообразные водород и кислород могут увлекать за собой капельки электролита, создавая аэрозоль серной кислоты. Аэрозоль серной кислоты, даже концентрированной, для человека не опасен и просто вызывает кашель. Однако, серная кислота - кошмар для тканей и бумаги. Стоит даже небольшому количеству серной кислоты попасть на одежду и там обязательно появятся дырки или ткань разорвется по этому месту. Через недели, если кислоты много, через месяц, но одежда истлеет.
Так что газовыделения опасаться не стоит с бытовой точки зрения или стоит, но нужно ориентироваться именно на аэрозоль серной кислоты.
Итак, вода начала разлагаться на водород кислород, ее в электролите становится все меньше, что-же дальше? Если это АКБ в котором электролит просто налит в виде слоя жидкости, то начнется повышение саморазряда из-за повышения концентрации серной кислоты. Занятно, что это будет сопровождаться небольшим повышением напряжения (концентрация кислоты растет) на ячейке. Именно поэтому автовладельцы должны постоянно контролировать концентрацию серной кислоты в своих АКБ (при помощи ареометра) и доливать туда воду. Процедура доливания воды - необходимая часть процесса обслуживания любой АКБ. Кроме одного их типа, и мы сейчас об этом поговорим.
Иметь аккумулятор в котором болтается слой едкой, по отношению к металлам, жидкости конечно-же неудобно, а потому попытки избавиться непосредственно от жидкости предпринимались давно, начались чуть ли не в первой половине 20-го века. К слову сказать, не то чтобы слой серной кислоты прямо плескался вокруг электродов. В реальности она неплохо распределена между электродами и окружающими их сепараторами даже в дешевых моделях. Итак, первым вариантом было использование стекловолокна. Достаточно просто окружить электроды стекловолокном которое пропитано серной кислотой и большинство проблем решится. Этот тип АКБ носит название AGM (absorbent glass mat) и таких АКБ для ИБП подавляющее большинство. Хотя такие АКБ малого форм-фактора и зачастую позиционируются как те, которые можно эксплуатировать в любом положении, с этим нельзя вполне согласиться. Вскрытие крышки стандартного дешевого AGM аккумулятора показывает, что никаких особых крышек там нет, а следовательно, электролит от вытекания удерживают лишь капиллярные силы. Я почти уверен, что если погонять AGM аккумулятор перевернутым вверх дном, то уже после одной зарядки из него польется серная кислота под давление газов.
Второй распространенный тип интереснее, это т.н. гелевые АКБ. А получаются они благодаря следующему. Если подкислять растворимые силикаты, то будет происходить выделение кремневой кислоты:
Na 2 SiO 3 + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + SiO 2 + H 2 O
Если исходный раствор силиката не отличается качеством, то кремневая кислота будет выделяться в виде стекловидной массы, но если он достаточно чист, то кремневая кислота осадится в виде красивого куска однородного полупрозрачного геля. На этом и основан способ получения гелевых АКБ - простое добавление силикатов к электролиту вызывает его затвердение в гелеобразную массу. Соответственно, вытекать оттуда уже нечему и АКБ действительно можно эксплуатировать в любом положении. Сам по себе процесс образования геля не повышает емкости АКБ и не улучшает его качеств, однако, производители его используют при производстве наиболее качественных моделей, а потому эти АКБ отличаются высоким качеством и большей емкостью. Занятно, что в обоих случаях носителем электролита является SiO2 в той или иной форме.
Оба типа АКБ объединяются в славный тип VRLA - valve-regulated lead-acid battery который и применяется в ИБП. Формально они считаются необслуживаемыми и терпящими эксплуатацию в любом положении, но это не совсем так. Более того, многие уже встречались с эффектом, когда буквально несколько мл воды возвращают к жизни, казалось бы, дохлую АКБ от ИБП. Так получается, потому что и эти аккумуляторы не капли не застрахованы от электролиза воды в электролите, а следовательно, и пересыхания. Все происходит точно так-же, как в крупногабаритных АКБ. А вот самые дорогие и крутые необслуживаемые АКБ содержат катализатор для рекомбинации выделяющихся газов обратно в воду и вот уже у них корпус действительно выполнен абсолютно герметичным. Обращаю внимание, что по-настоящему герметичным и необслуживаемым может быть и аккумулятор типа AGM и GEL, но они-же могут ими и не быть и не содержать катализатора рекомбинации кислорода и водорода. Тогда, несмотря на казалось бы продвинутую конструкцию, пользователю придется либо чаще покупать новые аккумуляторы, либо доливать воду при помощи шприца.
Хотелось бы добавить несколько слов о режимах разряда. Производители АКБ указывают какой ток максимально допустим для той или иной модели, но нужно понимать, что аккумулятор - просто смесь химических веществ и ЭДС генерируется исключительно химическим путем. Это не конденсатор который, по электрогидравлической аналогии, можно сравнить с неким механическим сосудом (с гибкой мембраной). Хотя АКБ могут выдавать очень большие значения силы тока, в реальности они лучше всего эксплуатируются как раз при небольших токах, что в разряде, что в заряде. Поэтому ИБП, рассчитанные на заряды небольших АКБ, при работе с крупногабаритными будут заряжать их в наиболее щадящем режиме. Впрочем, в течении далеко не одних суток. Интересно обратить внимание на то, что чем выше мощность ИБП, тем больше аккумуляторов последовательно предпочитает собирать производитель. Тут все логично - большие токи разряда маленькие АКБ выдерживают очень плохо.
Подводя итоги:
1. Малогабаритные и крупногабаритные АКБ идентичны по устройству.
2. Для подавляющего большинства АКБ любого размера доливание воды является необходимой частью текущего обслуживания.
3. Лишь немногие из дорогих моделей АКБ содержат механизм рекомбинации газов и могут быть названы действительно необслуживаемыми.
4. Сам по себе водород, который выделяется при заряде (а это равно постоянной работе в ИБП) АКБ, не является существенной угрозой или проблемой.
5. Нужно очень внимательно работать с АКБ, тщательно избегая пролива даже малейших капель электролита, или лишитесь одежды.
6. Разряд и заряд малыми токами являются наиболее предпочтительными режимами эксплуатации АКБ.
