Меню Закрыть

Принцип работы свинцово кислотного аккумулятора: Свинцово-кислотный аккумулятор — устройство, принцип работы, преимущества и недостатки, срок службы

Содержание

§42. Кислотные аккумуляторы | Электротехника

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 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 PbO2, 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 H2+ и отрицательные ионы кислотного остатка
S04-, на которые распадаются молекулы серной кислоты H

2S04 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 S04— — 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.

Свинцово-кислотный аккумулятор: принцип работы, виды

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

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

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

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

По конструктивным особенностям современные батареи делятся на три типа:

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

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

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

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

Чтобы измерить емкость, существует несколько методов:

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

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

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

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

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

Герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы. Принцип работы, характеристики, особенности использования

Первый работоспособный свинцово-кислотный аккумулятор был изобретен в 1859 г. французским ученым Гастоном Планте. Конструкция аккумулятора представляла собой электроды из листового свинца, разделенные сепараторами из полотна, которые были свернуты в спираль и помещены в сосуд с 10 % раствором серной кислоты. Недостатком первых свинцово-кислотных аккумуляторов была их невысокая емкость. Поначалу для ее увеличения проводили большое число циклов заряда-разряда. Для достижения существенных результатов требовалось до двух лет таких тренировок. Причина недостатка была явной – конструкция пластин. Поэтому дальнейшее совершенствование конструкции свинцово-кислотных аккумуляторов было сосредоточено на совершенствование конструкции используемых в них пластин и сепараторов.

В 1880 г. К. Фор предложил методику изготовления намазных электродов путем нанесения на пластины окислов свинца. Такая конструкция электродов позволила значительно повысить емкость аккумуляторов. А в 1881 г. Э. Фолькмар предложил применять в качестве электродов намазную решетку. В том же году ученому Селлону был выдан патент на технологию изготовления решеток из сплава свинца и сурьмы.

Первоначально практическое использование свинцово-кислотных аккумуляторов было затруднено из-за отсутствия зарядных устройств – для заряда применяли первичные элементы конструкции Бунзена. То есть химический источник тока заряжался от другого химического источника – батареи гальванических элементов. Положение кардинально поменялось с появлением недорогих генераторов постоянного тока.

Именно свинцово-кислотные батареи первыми в мире из аккумуляторных батарей нашли коммерческое применение. К 1890 году во многих промышленно развитых странах был освоен их серийный выпуск. В 1900 году немецкая фирма Varta произвела первые стартерные аккумуляторы для автомобилей.

В 70-х годах XX века были созданы необслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, способные работать в любом положении. Жидкий электролит в них сменили гелиевым или адсорбированным (впитанным) сепараторами электролитом, батареи герметизировали, а для отвода газов, выделяющихся при заряде или разряде, установили клапаны. Строго говоря, абсолютная герметизация свинцово-кислотных аккумуляторов не может быть достигнута, так как нельзя обеспечить полную рекомбинацию кислорода и водорода, которые выделяются в них при заряде и хранении. Но специальными мерами выделение газов и потери воды в процессе эксплуатации удается свести к минимуму.

Были разработаны новые конструкции пластин на базе медно-кальциевых сплавов, покрытых оксидом свинца, а также на основе титановых, алюминиевых и медных решеток.

Свинцовые аккумуляторы являются наиболее распространенными среди всех существующих в настоящее время химических источников тока. Их масштабное производство определяется как относительно низкой ценой, обусловленной сравнительной не дефицитностью исходных материалов, так и разработкой разных вариантов этих аккумуляторов, отвечающих требованиям широкого круга потребителей.

Ключевые электрохимические процессы в свинцово-кислотном аккумуляторе

Активные вещества аккумулятора сосредоточены в электролите и положительных и отрицательных электродах, а совокупность этих веществ называется электрохимической системой. В свинцово-кислотных аккумуляторных батареях электролитом является раствор серной кислоты (H2SO4), активным веществом положительных пластин – двуокись свинца (PbO2), отрицательных пластин – свинец (Pb).

Основные процессы, проходящие на электродах, описывают реакции:
На отрицательном электроде:

Pb + HSO4 → PbSO4 + H+ + 2e (разряд)
PbSO4 + H+ + 2e → Pb + HSO4 (заряд)

На положительном электроде:

PbO2 + HSO4 + 3H+ + 2e → PbSO4 + 2H2O (разряд)
PbSO4 + 2H2O → PbO2 + HSO4 + 3H+ + 2e (заряд)

Суммарная реакция в свинцовом аккумуляторе имеет вид:

PbO2 + Pb + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O (разряд)
2PbSO4 + 2H2O → PbO2 + Pb + 2H2SO4 (заряд)

Таким образом, при разряде свинцового аккумулятора на обоих электродах формируется малорастворимый сульфат свинца (двойная сульфатация) и происходит сильное разбавление серной кислоты.

Напряжение разомкнутой цепи заряженного аккумулятора равно 2,05-2,15 В, в зависимости от концентрации серной кислоты. При разряде по мере разбавления электролита напряжение разомкнутой цепи аккумулятора понижается и после полного разряда становится равным 1,95-2,03 В.

При заряде свинцово-кислотного аккумулятора, как и в других аккумуляторах с водным электролитом, имеют место побочные реакции выделения газов. Выделение водорода начинается при полном заряжении отрицательного электрода. Кислород начинает выделяться гораздо раньше: в обычных условиях заряда при 50-80% заряженности (в зависимости от тока заряда), а при температуре 0 °С уже после заряда на 30-40 %. Вследствие этого отдача положительного электрода по емкости составляет 85-90 %. Для получения полной разрядной емкости при заряде аккумулятору должен быть обеспечен перезаряд на 10-20 %. Этот перезаряд сопровождается существенным выделением водорода на отрицательном электроде и кислорода – на положительном.

Выделение водорода имеет место и при хранении заряженного свинцово-кислотного аккумулятора. Саморазряд его определяется преимущественно скоростью растворения свинца согласно реакции:

Pb + H2SO4 → PbSO4 + H2

Скорость этого процесса зависит от температуры, объема электролита и его концентрации, но более всего от чистоты компонентов. В отсутствие примесей реакция протекает медленно из-за большого перенапряжения выделения водорода на свинце. Но на практике, на поверхности свинцового электрода всегда много примесей, среди которых наибольшее влияние оказывает сурьма, количество которой в сплаве для решеток и токоведущих деталей доходит до 6 %.

На положительном электроде может также самопроизвольно проходить реакция восстановления диоксида свинца:

PbO2 + H2SO4 → PbSO4 + 1/2O2 + H2O

в результате которой выделяется кислород, но скорость ее незначительна.

В процессе эксплуатации саморазряд аккумулятора может увеличиваться из-за образования дендритных мостиков из металлического свинца. Потери емкости свежеизготовленного аккумулятора за счет саморазряда как правило не превышают 2-3 % в месяц. Но при эксплуатации они быстро увеличиваются.

Особенности герметизированного свинцово-кислотного аккумулятора

Главные проблемы при создании герметичного варианта свинцово-кислотного аккумулятора связаны с необходимостью обеспечения условий для уменьшения газовыделения и содействия рекомбинации выделяющегося газа. При создании герметизированного аккумулятора, который в обычных условиях эксплуатации не требовал бы доливки воды в электролит в течение всего срока службы и не выделял бы газов, был предпринят ряд мер:

1. В аккумуляторе применяется иммобилизированный (обездвиженный) электролит, который сохраняет высокую электропроводность серной кислоты. Небольшое его количество позволяет обеспечить лучший транспорт кислорода от положительного электрода к отрицательному и высокий уровень его рекомбинации.

При одном методе иммобилизации электролита для его загущивания применяется силикагель (SiO2), который обладает высокой пластичностью и заполняет и электроды, и сепаратор. Благодаря своей вязкости он хорошо удерживается в порах и способствует эффективному использованию активных веществ электродов. Транспортировка кислорода обеспечивается по трещинам, которые появляются при усадке твердеющего электролита.

При другом методе иммобилизации применяется сепаратор из стекловолокна с высокой объемной пористостью и хорошей смачиваемостью в растворе серной кислоты. Такой сепаратор не только осуществляет функцию разделения электродов, но и благодаря тонкой структуре волокон обеспечивает удержание электролита в порах и высокую скорость переноса кислорода. Применение стекловолокнистого сепаратора и плотная сборка блока электродов способствуют также уменьшению оплывания активной массы положительного электрода и разбухания губчатого свинца на отрицательном.

2. Для снижения вероятности выделения водорода свинцово-сурьмяные сплавы токоведущих решеток заменяются другими, обеспечивающими более высокое перенапряжение выделения водорода. Применяются сплавы свинца с кальцием (до 0,1 % Ca), иногда легированного алюминием, сплавы свинца с оловом (0,5-2,5 % Sn), которые имеют неплохие литейные характеристики, и другие.

3. В отрицательный электрод закладывается ёмкость больше, чем в положительный. В данном случае при полном заряде положительного электрода оставшаяся недозаряженной часть активной массы отрицательного электрода практически исключает вероятность разряда ионов водорода. Кислород, выделяющийся на диоксиде свинца, достигает отрицательного электрода и окисляет губчатый свинец до оксида свинца, который в кислотном электролите переходит в сульфат свинца PbSO4 и воду. Следовательно, условия для герметизации аккумулятора улучшаются: газы не выделяются и вода не испаряется.

Снижению газовыделения способствуют и рекомендуемые для герметизированных аккумуляторов режимы заряда, при которых ток понижается по мере их заряжения.

И все-таки все реализованные варианты безуходного свинцово-кислотного аккумулятора оснащены клапаном, который время от времени открывается для сброса излишнего количества газа, главным образом водорода. Именно поэтому аккумулятор называется не герметичным, а герметизированным.

Успехи исследователей и технологов, достигнутые за прошедшие два десятилетия, тщательный контроль процесса изготовления и сотрудничество с потребителями, которые научились понимать, что безуходность этих батарей не означает полной свободы от контроля за их работой, позволяют в настоящее время выпускать на рынок продукцию, которая в ряде случаев может конкурировать с более дорогими герметичными щелочными аккумуляторами.

Герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи ёмкостью до 10-20 А*ч применяются как источники питания для разнообразной портативной аппаратуры и инструментов в тех случаях, когда масса не является определяющим критерием для выбора источника тока, а также в системах бесперебойного питания, телекоммуникаций, информационных системах, для аварийного оборудования и т.д., где они работают в буферном режиме.

Конструкция герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов

Портативные герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы выпускаются в виде батарей, которые собраны в едином призматическом контейнере из пластмассы или резины (моноблочная конструкция). Положительные и отрицательные электроды аккумуляторов делаются обычно намазкой на решетку сотовой структуры. Контейнер и крышка загерметизированы. Межэлементные соединения утапливаются в углублениях крышки и залиты мастикой. Выводы аккумуляторной батареи (в виде ушка или борна) также загерметизированы. Клапанное приспособление для сброса газа при излишнем давлении состоит из резинового клапана и отражателя, служащего для улавливания капель электролита. Воздух в аккумулятор через него не поступает.

На электрических и эксплуатационных характеристиках герметизированных свинцовых аккумуляторных батарей большой емкости значительно сказываются различия в конструкции электродов (поверхностного типа, панцирные или стержневые), а также различия в сплавах, используемых для изготовления токоведущих основ.

При выборе герметизированной свинцовой аккумуляторной батареи большой емкости следует внимательно отнестись к использованному в ней способу иммобилизации электролита, поскольку известно, что в высоких аккумуляторах со стекловолокнистым сепаратором (технология AGM) со временем отмечается расслоение электролита. Такие аккумуляторы стараются проектировать высотой не более 35 см.

Электрические и эксплуатационные характеристики герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов

Напряжение разомкнутой цепи свинцово-кислотных аккумуляторов линейно возрастает с ростом степени заряженности аккумулятора (рисунок 1). По значению напряжения разомкнутой цепи можно судить о степени разряда свинцового аккумулятора.

Рис.1. Зависимость напряжения разомкнутой цепи свинцово-кислотного аккумулятора от уровня заряженности

Номинальной ёмкостью свинцово-кислотного аккумулятора считается ёмкость, полученная при разряде в течение 20 ч, т.е. током 0,05С. Отдаваемая аккумулятором ёмкость значительно зависит от тока разряда, который может достигать нескольких С. Типичные разрядные характеристики при различных токах нагрузки показаны на рисунке 2. Из рисунка видно, что от тока разряда зависит также и конечное разрядное напряжение свинцового аккумулятора.

Рис.2. Разрядные характеристики герметизированной свинцово-кислотной аккумуляторной батареи

Герметизированные свинцовые аккумуляторные батареи работоспособны в интервале температур от -30 до +50 °С, чаще гарантируется работоспособность при температуре не ниже -15 °С. При более низких температурах возможности разряда мешает замерзание электролита. Работоспособность аккумуляторов при низких температурах может быть обеспечена увеличением концентрации электролита, как это и делается в специальных аккумуляторах.

Заряд свинцово-кислотного аккумулятора.
Заряд батарей, как было сказано ранее, должен осуществляться в режиме, при котором ток должен сильно понижаться к концу заряда. Используется несколько стратегий заряда, которые требуют оборудования различной сложности и стоимости. Наиболее простое и дешёвое оборудование осуществляет заряд при постоянном напряжении 2,4-2,45В/ак (потенциостатический режим). Заряд считается законченным если ток заряда остается неизменным в течении 3-х часов.

Рис.3. Зарядные кривые герметизированной свинцово-кислотной аккумуляторной батареи при комбинированном режиме заряда нормированным током 0,1С и нормированным напряжением 2,45В/ак: 1-напряжение, 2-зарядная емкость, 3-ток заряда

Но чаще применяют комбинированный режим, при котором начальный ток ограничивают, а по достижении заданного напряжения, заряд проводится при стабилизации напряжения (рисунок 3). Заряд проводится при постоянном токе 0,1С на первом этапе и при постоянном напряжении источника тока на втором. Большинство производителей советуют проводить заряд циклируемых батарей при постоянном напряжении 2,4В на аккумулятор.

Ускорение процесса заряда достигается при повышении тока на первой стадии заряда, но в соответствии с советами производителей не более чем до 0,3С. В конце заряда для большей безопасности может быть применена еще одна ступень заряда: при снижении напряжения источника питания до напряжения подзаряда аккумулятора 2,30-2,35 В.

Заряд аккумуляторных батарей, используемых, для работы в буферном режиме, проводится как правило при более низком напряжении (2,23-2,275 В).

Указанные напряжения заряда не требуют изменения при заряде в некотором интервале температуры (обычно от 5 до 35 °С). За пределами указанного температурного интервала, требуется компенсация влияния температуры: повышение напряжения при пониженных температурах и снижение при более высоких.

Рис.4. Рекомендуемое напряжение заряда при разных температурах для герметизированного свинцово-кислотного аккумулятора

Саморазряд свинцово-кислотной аккумуляторной батареи.
Саморазряд в герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторах значительно уменьшен по сравнению с вентилируемыми аккумуляторами и составляет 40% в год при 20 °С и 15% при 5 °С. При более высоких температурах хранения саморазряд увеличивается: при 40 °С батареи лишаются 40 % ёмкости за 4-5 месяцев.

При продолжительном хранении в заряженном состоянии батареи рекомендуют периодически подзаряжать. Если они хранились при температуре ниже -20 °С, то подзаряд должен проводиться 1 раз в год в течение 48 ч при постоянном напряжении 2,275 В/ак. При хранении при комнатной температуре – 1 раз в 8 месяцев в течение 6-12 ч при постоянном напряжении 2,4 В/ак. Хранение при температуре выше 30 °С не желателен.

Продолжительное хранение батареи в разряженном состоянии приводит к быстрой потере ее работоспособности.

Изменения характеристик свинцово-кислотных аккумуляторов при эксплуатации

Рис.5. Действие температуры на остаточную емкость герметизированного свинцово-кислотного аккумулятора: 1-40°С, 2-20°С, 3-10°С, 4-0°С

Срок службы герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, как и вентилируемых, в большинстве случаев определяется деградацией положительного электрода, которая определяется коррозией его решетки и изменениями в активной массе.

Скорость коррозии решеток зависит как от состава сплава, конструкции и условий отливки, так и от температуры, при которой работают батареи. Коррозия решетки из сплава без сурьмы или с низким ее содержанием существенно медленнее по сравнению с коррозией традиционных решеток вентилируемых аккумуляторов. В качественно отлитых решетках из сплавов Pb-Ca-Sn скорость коррозии маленькая, но в плохо отлитых – отдельные участки подвергаются глубокой коррозии, что вызывает локальный ее рост и деформацию. Деформация решеток может привести к короткому замыканию разнополярных пластин. Коррозия решеток положительных пластин – самый частый дефект батарей, эксплуатируемых в буферном режиме.

При эксплуатации в режиме циклирования происходит также разрыхление активных масс положительного электрода, которое приводит к потере контакта между частицами PbO2. Емкость источника тока при этом уменьшается. Процесс разрыхления ускоряется при разряде большими импульсами тока.

В герметизированных аккумуляторах могут протекать и специфические коррозионные процессы на токоведущих деталях отрицательных пластин, которые находятся выше уровня электролита, и на борне. Так как продукты коррозии имеют больший объем, чем свинец, в результате может иметь место выдавливание компаунда, герметизирующего вывод, и повреждение борна, крышки и даже бака. Дефекты такого рода часто отмечались в аккумуляторах разных производителей на ранних этапах разработок и производства. Сейчас большая часть производителей решила эту проблему подбором сплавов для всех компонентов аккумулятора и контролем за металлургическим процессом их изготовления.

В течении эксплуатации герметизированных аккумуляторов из-за неизбежных потерь воды при открывании клапана для сброса излишнего давления газа происходит некоторое осушение сепаратора и повышение внутреннего сопротивления аккумулятора. При эксплуатации в буферном режиме количество отказов, спровоцированных высыханием аккумулятора, становится соизмеримым с отказами из-за коррозии решеток положительных электродов. В аккумуляторах с гелиевым электролитом снижение количества электролита менее критично, чем в аккумуляторах с сепаратором из стекловолокна.

Факторы, влияющие на срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов

Рис.6. Зависимость срока службы герметизированной свинцово-кислотной батареи от глубины разряда

Самое большое влияние на срок службы герметизированного свинцово-кислотного аккумулятора оказывают: рабочая температура, глубина разряда и величина перезаряда, а также периодичность срабатывания клапана для сброса газа.

На рисунках 6 и 7 изображено изменение срока службы в зависимости от глубины разряда и температуры окружающей среды..

Рис.7. Зависимость срока службы герметизированной свинцово-кислотной батареи от температуры при работе в буферном режиме

Герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы очень чувствительны к перезаряду. На рисунке 8 изображено, как быстро уменьшается срок их службы при работе в режиме постоянного подзаряда при повышении напряжения (и тем самым – тока подзаряда) источника питания подключенного к аккумулятору.

Следует помнить, что при заряде герметизированных аккумуляторов их температура может быть значительно выше температуры окружающей среды. Это связано как с разогревом аккумуляторов из-за реакции рекомбинации кислорода, так и с неудовлетворительным отводом тепла от плотноупакованной батареи. Разница температур особенно ощутима при ускоренном режиме заряда. Если нельзя избежать существенного увеличения температуры, то при заряде следует вводить корректировку напряжения источника питания.

Рис.8. Воздействие режима заряда на срок службы герметизированной свинцово-кислотной аккумуляторной батареи при работе в буферном режиме

Переразряд также вреден для свинцово-кислотных батарей, как и перезаряд. При многократных переразрядах уменьшается разрядная емкость и понижается срок службы аккумулятора. Такие же изменения могут происходить и при продолжительном хранении батарей в разряженном состоянии.

В связи с расширением сферы применения герметизированных свинцовых аккумуляторов до обитаемых комплексов специального назначения, где должны применяться мощные источники тока с большим напряжением, стало необходимым исследование последствий возникновения аварийных ситуаций в эксплуатации. Такие ситуации могут происходить как при разбалансировании характеристик аккумуляторов, составляющих батарею, так и в результате ошибочного обслуживания батарей или отказе управляющего оборудования. В этом случае при перезаряде или переразряде батарей, приводящем к переполюсованию наиболее слабых аккумуляторов, может произойти разгерметизация аккумуляторов или даже разрушение их баков.

Было показано, что повреждение корпуса приводит к снижению отдаваемой ёмкости, но более серьезных проблем не возникает. Даже при полном разрушении контейнера аккумулятора емкость его стала меньше только на 14 %, так как электролит не вытекает, а задерживается в порах электродов и сепаратора. При вскрытии 5 % площади контейнера, аккумуляторы оставались годными для циклирования при снижении разрядной емкости на 15-20 %.

При продолжительном перезаряде (током 0,25 Сн) как свежих аккумуляторов, так и после полтора года эксплуатации в режиме постоянного подзаряда, а также при заряде аккумуляторов при завышенном напряжении (2,6В), чрезвычайного разогрева аккумуляторов не происходило. Температура стабилизируется спустя 4-6 ч на уровне 50-70 °С или затем медленно понижается. Но из-за выброса газов через аварийный клапан происходит осушение аккумуляторов и быстрая их деградация.

Современные герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи обладают достаточно высокими удельными энергетическими характеристиками (до 40 Втч/кг и 100 Втч/л). Они работоспособны в буферном режиме при нормальной температуре в течение продолжительного периода (более 10 лет), а при циклировании обеспечивают несколько сотен циклов до потери 20 % ёмкости.

Источник

Эта статья прочитана 7746 раз(а)!

Продолжить чтение

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.

Устройство свинцово-кислотного аккумулятора и принцип его работы

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

Устройство свинцово-кислотного аккумулятора

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

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

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

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

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

Принцип работы автомобильного аккумулятора

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

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

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

Типы и особенности свинцово кислотных акб

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

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

Преимущества и недостатки свинцово кислотных аккумуляторов

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

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

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

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

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

Области применения свинцово кислотных аккумуляторов

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

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

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

Устройство свинцово-кислотного аккумулятора и принцип его работы

Все автомобилисты знают, что под капотом либо в другом укромном месте машины располагается аккумулятор. Если говорить о машинах с ДВС, то здесь применяются стартерные аккумуляторные батареи. На гибридах и электрокарах используются тяговые АКБ.

При всём разнообразии источников питания самыми востребованными и популярными до сих пор остаются свинцово-кислотные. Причём ошибочно считать, что применяться они могут исключительно в сфере автомобилестроения.

Следует детальнее узнать об устройстве свинцово-кислотных АКБ, их принципе работы, познакомиться с существующими разновидностями.

Особенности устройства и принцип работы

У свинцово-кислотной батареи конструкция классическая. Это прямоугольный корпус из высокопрочного пластика, который наполняется свинцом и оксидами свинца, а также внутри располагается электролит. В зависимости от типа АКБ электролит может быть жидким или гелеобразным.

Если говорить про устройство свинцово-кислотного автомобильного аккумулятора, то здесь предусмотрено плотное наполнение параллельно расположенных пластин из оксида свинца и свинца. Свинец можно идентифицировать по тёмно-серому цвету с небольшим синеватым оттенком, в то время как оксидно-свинцовые элементы тёмно-коричневые, слегка рыжие.

При этом принцип работы, характерный для свинцово-кислотного питающего аккумулятора, основан именно на взаимодействии пластин и электролита.

Эти пластины погружены в кислоту, которая обязательно входит в состав свинцово-кислотного аккумулятора и объясняет наличие этого слова в названии. Кислота применяется серная, разбавленная с очищенной методом дистилляции водой.

Когда аккумулятор включается в работу, ток идёт от катода (оксидно-свинцовые пластины) к аноду (свинцовые элементы). При этом происходит выделение электронов, которые принимает на себя оксид.

Когда изменяется заряд двух типов пластин, они взаимодействуют с серной кислотой и преображаются в сульфаты свинца.

Поскольку одна пара пластин может дать только 2 В, требуется поднять количество Вольт. Для этого выполняется параллельное соединение большого количества пар пластин. Их размещают достаточно плотно внутри банка, что позволяет снизить объём АКБ. Но поскольку электроны должны перемещаться по терминалам (банкам), то пару пластин разъединяют между собой с помощью специальных изоляционных плёнок.

Особенность свинцово-кислотной АКБ в том, что батарея может иметь большую мощность, или обладать высокой плотностью энергии.

Это означает, что АКБ может сохранять много энергии и в течение долгого времени постепенно её отдавать, либо отдавать большой заряд, но быстро.

В случае с автомобилями используется второй тип, поскольку для запуска двигателя нужен большой стартерный ток.

Если устроенный таким образом источник питания сильно разряжается, на пластинах появляется белый налёт. Это сульфат свинца. Он препятствует нормальному заряду и передаче энергии пластин. Порой достаточно нескольких глубоких разрядов, чтобы произошла сильная сульфатация. Восстановить такую АКБ крайне сложно. Если методы десульфатации не помогли, приходится менять батарею. Подобная схема открывает сильные и слабые стороны аккумуляторов, в основе которых содержатся свинец и серная кислота.

Во многом работа используемого в разных отраслях свинцового или свинцово-кислотного аккумулятора зависит от его типа и выполняемых задач.

Несмотря на имеющиеся сильные стороны, такая АКБ не лишена и недостатков, о которых вы узнаете позже. Но при этом батареи свинцово-кислотного типа продолжают оставаться наиболее востребованными. Очень часто такая технология применяется в качестве автомобильного аккумулятора. Это можно объяснить неплохим КПД при сравнительно низкой стоимости.

Разновидности

Опираясь на основные характеристики, актуальные для свинцово-кислотных аккумуляторов, их можно разделить на соответствующие подкатегории.

Для начала стоит акцентировать внимание на возможностях их обслуживания. Тут выделяют такие типы свинцово-кислотных питающих аккумуляторов:

  1. Обслуживаемые. Предусматривают наличие открытой конструкции. То есть корпус не герметичный. Производитель устанавливает специальные съёмные крышки, позволяющие получить доступ к банкам. Тем самым можно по мере необходимости доливать электролит или кислоту, визуально проверять уровень жидкости и состояние пластин, делать замеры плотности ареометром.
  2. Необслуживаемые. Корпус полностью герметичный. Обслуживание сводится только к контролю заряда с помощью индикатора, а также подключению АКБ к зарядному устройству.

Популярность вторых вполне очевидна. Обслуживаемые АКБ встречаются всё реже, поскольку технологии совершенствуются, от автомобилистов требуется меньше усилий и внимания для поддержания аккумулятора в рабочем состоянии.

Опираясь на такие основные характеристики как назначение и область применения, выделяют следующие разновидности свинцово-кислотных аккумуляторов.

  1. Стартерные АКБ. Могут за короткое время выдать большое количество энергии. Из-за этого обладают большим саморазрядом. Необходимые для автомобилей виды батарей. Нуждаются в вентиляции и определённом обслуживании.
  2. Буферные. Такие виды свинцово-кислотных питающих аккумуляторов служат для того, чтобы в течение небольшого времени хранить сравнительно малый объём энергии. Они функционируют в режиме постоянной подзарядки.
  3. Для бесперебойных устройств. Чаще всего можно встретить в офисах, предназначаются для компьютерной техники. При возникновении перебоя с электроэнергией позволяют без потери данных успеть завершить работу.
  4. Для длительного снабжения энергией. Отличаются большим весом и габаритами. Но это позволяет питать потребителей долгое время. Подобные решения можно встретить в медицинской сфере, в отделениях реанимации. Могут питать достаточно внушительное количество потребителей длительное время.
  5. Гелевые. Существует 2 основных технологии производства гелевых АКБ. Это AGM и GEL. Характеризуются гелеобразным состоянием электролита. Усовершенствованная технология, хотя в её основе всё равно лежат свинец и серная кислота. Гелевые АКБ применяются в автомобилях, используются для работы солнечных батарей и пр.

Чтобы получить определённые характеристики, вносятся соответствующие изменения в конструкцию.

Когда нужно отдать много энергии за короткое время, пластины делают тонкими, но высокими и широкими, уменьшая между ними расстояние. Это позволяет им быстрее отдавать энергию.

Если потребляется мало энергии, но долго, тогда пластины должны быть толстыми, короткими и узкими, расстояние между ними увеличивают.

На параметры АКБ влияют также электролит, применяемые легирующие добавки, такие как кальций, серебро, цинк и пр. Это позволяет выделять ещё несколько разновидностей. Часто встречаются свинцово-кальциевые АКБ.

Где используются

Эксплуатационные характеристики и конструктивные особенности позволяют найти широкое применение для свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.

К основным сферам использования можно отнести:

  • питание систем охраны и сигнализаций;
  • применение в качестве источника стартерного тока на автомобиля;
  • автономные системы противопожарной безопасности;
  • системы аварийного питания в зданиях, отделениях медицинских учреждений;
  • кассовые аппараты и электрические весы;
  • системы обеспечения бесперебойного питания для компьютеров;
  • игрушки;
  • лёгкие летательные аппараты и пр.

Конечно же, автомобилистам свинцово-кислотные аккумуляторные батареи известны как источники для подачи стартерного тока. Не зря АКБ называют стартерными.

А вот в качестве тяговых такие батареи используются не так часто, если говорить про питание машин.

Преимущества и недостатки

Чтобы подвести итоги, стоит взглянуть на плюсы и минусы свинцово-кислотных аккумуляторов, тем самым окончательно дать им характеристику.

К слабым сторонам рассматриваемых источников питания можно отнести:

  • достаточно высокие показатели чувствительности к холоду, из-за чего батарея быстро теряет свою ёмкость;
  • такие АКБ требуют специальной процедуры утилизации, поскольку входящие в состав батареи компоненты губительны для здоровья человека и наносят огромный вред окружающей среде;
  • большинство разновидностей свинцово-кислотных АКБ имеют ограниченное число циклов заряда – разряда, после чего их требуется менять;
  • они выдают сравнительно небольшое количество ёмкости, лимиты ограничены.

Но есть ряд преимуществ, которые во многом перечёркивают эти недостатки.

Именно благодаря этим достоинствам источники питания на основе свинца и кислоты продолжают активно производить и совершенствовать технологию.

К числу главных преимуществ относят:

  1. Компоненты, необходимые для изготовления батарей, часто встречаются в природе. Их несложно получать, перерабатывать. Это снижает затраты на производство.
  2. Тандем из электролита (кислоты) и свинца обеспечивают эффективную энергоотдачу. Другие элементы на такое не способны.
  3. Конструктивно батареи получаются достаточно простыми, не требуется много ресурсов для их сборки. Это удешевляет готовую продукцию.
  4. Длительный срок службы. Понятие относительное, но 4–5 лет работы для любой современной АКБ – это отличный показатель. Некоторые устройства при правильной эксплуатации могут работать по 6–8 лет.
  5. Элементарное обслуживание. В большей степени это касается необслуживаемых видов.

Нельзя сказать, что сейчас у автомобилистов есть большой выбор и какая-то достойная альтернатива свинцово-кислотной технологии. Да, работы ведутся, продаются щелочные АКБ, но и они пока не могут конкурировать с кислотными.

Насколько изменится ситуация в ближайшие 10–20 лет, сказать сложно. Но вряд ли стоит ожидать скорого ухода свинцово-кислотной технологии из сферы производства источников питания. Автомобильных и не только.

Принцип действия аккумулятора | Аккумуляторные батареи

Страница 3 из 26

1.4. Принцип действия аккумулятора

В настоящее время выпускаются следующие типы электрических аккумуляторов: свинцово-кислотные, щелочные железо-никелевые, кадмий-никелевые и серебряно-цинковые аккумуляторы.
Наиболее массовыми типами аккумуляторов являются свинцово-кислотные автомобильные батареи и тяговые щелочные железо-никелевые аккумуляторы. Серебряно-цинковые аккумуляторы находят ограниченное применение из-за дороговизны и дефицитности исходных материалов и сравнительно малого срока службы.
Кислотные аккумуляторы представляют собой сосуд, заполненный электролитом соответствующей плотности, т. е. раствором серной кислоты h3SO4 в дистиллированной воде, в который погружен блок пластин из чистого свинца РЬ и блок пластин из перекиси свинца РЬО2 (рис. 1.7). Вследствие постоянно происходящей диссоциации молекул кислоты в электролите заряженного аккумулятора имеются ионы водорода Н2 (катионы) и ионы кислотного остатка SO4 (анионы). Если пластины аккумулятора замкнуть на некоторое сопротивление, то через него потечет ток. Отрицательно заряженные ионы SO4 будут стремиться к пластинам из чистого свинца, заряженным положительно. Ионы водорода, имеющие положительный заряд, будут стремиться к отрицательным пластинам, содержащим двуокись свинца. Пластины из свинца принято называть отрицательными, а из двуокиси свинца –  положительными.
При разрядке кислотного аккумулятора происходят следующие химические реакции:
у отрицательной пластины
Pb + SO4 = PbS04;
у положительной пластины
РЬО2 + h3+h3SO4=PbSO4+2h3O.

Рис. 1.7. Устройство и принцип действия кислотного аккумулятора.
Из рассмотренных химических реакций видно, что при разрядке кислотных аккумуляторов на всех пластинах выделяется сернокислый свинец PbSO4 и уменьшается концентрация электролита (вследствие диссоциации кислоты и выделения воды).
Сернокислый свинец обладает двумя недостатками. Во-первых, при интенсивном образовании сернокислого свинца возможно коробление или выпучивание пластин, а также «высыпание» из пластин активной массы, так как объем сернокислого свинца больше объема исходных продуктов, из которых он образуется. Во-вторых, сернокислый свинец по истечении некоторого времени кристаллизуется в нерастворимое вещество. Часть пластины, которая оказалась покрытой кристаллизовавшимся сернокислым свинцом, не участвует в химических реакциях. Вследствие этого снижается полезная емкость аккумулятора. Такое явление носит название сульфатации кислотных аккумуляторов. Для того чтобы избежать явления сульфатации, кислотные аккумуляторы не следует хранить в незаряженном состоянии, нельзя допускать недозарядку аккумуляторов. При коротком замыкании в результате бурной химической реакции и интенсивного выделения сернокислого свинца происходит коробление пластин кислотного аккумулятора.
Зарядка аккумуляторов производится от внешнего источника электроэнергии, генератора постоянного тока или выпрямителя. При зарядке к отрицательным пластинам направляются ионы водорода, а к положительным — ионы кислотного остатка. В результате возникают следующие химические реакции:
у отрицательной пластины
PbS04 + h3 = Pb + h3S04;
у положительной пластины
PbS04 + 2 Н20 + S04 = Рb02 + 2 Н2 + 2 h3SO4.
Следовательно, при зарядке аккумуляторов происходит разложение сернокислого свинца на исходные продукты, а также восстановление концентрации электролита. Очевидно, что окончанием зарядки аккумуляторов можно считать такой момент, когда весь сернокислый свинец разложился и концентрация электролита восстановилась до нормальной. При дальнейшей зарядке потребляемая аккумулятором электрическая энергия будет расходоваться на разложение воды, имеющейся в электролите. Вода разлагается на водород и кислород. Кислород, как наиболее активный газ, производит окисление металлов, имеющихся в аккумуляторе. Водород выделяется в атмосферу. Поэтому на поверхности электролита появляются пузырьки, создающие впечатление «кипения» электролита. В смеси с воздухом водород образует взрывчатый гремучий газ, который должен быть немедленно удален из аккумуляторного помещения.
ЭДС не включенного на разрядку кислотного аккумулятора, принимается в среднем равной 2,1 В независимо от размеров аккумулятора.
Напряжение, создаваемое аккумулятором на зажимах, определяется уравнениями:
при разрядке
U = E-IPr;
при зарядке
U=E+Iзар r
где           Е – ЭДС аккумулятора;
Ip,Iзар – соответственно ток разрядки и зарядки аккумулятора;
r  – внутреннее сопротивление аккумулятора.
Кислотные аккумуляторы имеют небольшое внутреннее сопротивление, поэтому напряжение на зажимах аккумулятора незначительно снижается даже при больших токах нагрузки. В среднем сопротивление кислотного аккумулятора составляет 0,005 Ом и является величиной, зависящей от плотности электролита, а также от габаритов аккумуляторов (чем больше габариты, тем меньше сопротивление). С уменьшением плотности электролита, т. е. с увеличением степени разряда, ЭДС кислотных аккумуляторов уменьшается, а внутреннее сопротивление увеличивается. Вследствие этого напряжение аккумулятора в начале разрядки понижается незначительно, а к концу падает быстро.
В настоящее время применяются в основном две разновидности щелочных аккумуляторов: кадмиево-никелевые и железо-никелевые.
Электролитом их является раствор едкого калия КОН в дистиллированной воде (плотность электролита 1,19—1,21). В качестве активной массы положительных пластин служит гидрат окиси никеля Ni(OH)3, а активной массы отрицательных – губчатый кадмий Cd (рис. 1.8).

Рис. 1.8.  Устройство и  принцип действия  щелочного  кадмиево-никелевого   аккумулятора
При разрядке аккумулятора анионы щелочного остатка ОН стремятся к пластинам из чистого кадмия. Избыточные электроны кислотного остатка направляются во внешнюю цепь и к пластинам из гидрата окиси никеля, где они нейтрализуются катионами калия. Таким путем создается разрядный ток аккумулятора.
При разрядке щелочного аккумулятора происходят следующие химические реакции:
у отрицательной пластины
Cd + 20H = Cd(OH)2;
у положительной пластины
Ni (ОН)3 + К = Ni (OH)a + КОН.
Из данных реакций видно, что при разрядке щелочного аккумулятора кадмий переходит в гидроокись кадмия Cd(OH)2, а трехатомный гидрат окиси никеля Ni(OH)3 – в двухатомную гидроокись никеля Ni(ОН)2. Эти вещества не обладают отрицательными свойствами, поэтому щелочные аккумуляторы не требуют тщательного ухода в эксплуатации, могут быть длительно незаряженными, мало разрушаются при коротких замыканиях.
При зарядке щелочных аккумуляторов катионы калия движутся к отрицательным пластинам, а анионы щелочного остатка – к положительным. При зарядке происходят следующие химические реакции:
у отрицательной пластины
Cd(OH)2 + 2K = 2KOH+Cd;
у положительной пластины
Ni(OH)2 + OH = Ni(OH)3.
При разрядке, и при зарядке щелочных аккумуляторов плотность электролита остается постоянной, так как диссоциация едкого калия на ионы К и ОН компенсируется образованием КОН.
После переработки всех веществ, участвующих в химических реакциях, при зарядке щелочных аккумуляторов происходит разложение воды электролита и «кипение» аккумулятора.

Что такое свинцово-кислотный аккумулятор? Строительство, работа, разгрузка и подзарядка

Определение: Батарея, в которой используется губчатый свинец и перекись свинца для преобразования химической энергии в электрическую, такой тип батареи называется свинцово-кислотной батареей. Свинцово-кислотные батареи чаще всего используются на электростанциях и подстанциях, поскольку они имеют более высокое напряжение элементов и более низкую стоимость.

Строительство свинцово-кислотной батареи

Различные части свинцово-кислотной батареи показаны ниже.Емкость и пластины являются основной частью свинцово-кислотного аккумулятора. В контейнере хранится химическая энергия, которая с помощью пластин преобразуется в электрическую.

1. Контейнер — Контейнер свинцово-кислотной батареи изготовлен из стекла, облицованного свинцом дерева, эбонита, твердой резины или битумного компаунда, керамических материалов или формованных пластиков и установлен сверху, чтобы избежать разряда электролита. Внизу контейнера есть четыре ребра, на два из которых опирается положительная пластина, а другие поддерживают отрицательные пластины.

Призма служит опорой для пластин и в то же время защищает их от короткого замыкания. Материал, из которого изготовлены контейнеры для аккумуляторов, должен быть стойким к серной кислоте, не должен деформироваться, не иметь пористости или содержать примеси, которые могут повредить электролит.

2. Пластина — Пластина свинцово-кислотного элемента имеет разнообразную конструкцию, и все они представляют собой некоторую форму сетки, которая состоит из свинца и активного материала. Сетка необходима для проведения электрического тока и равномерного распределения тока по активному материалу.Если ток распределяется неравномерно, активный материал ослабнет и выпадет.

Сетки изготовлены из сплава свинца и сурьмы. Обычно их делают с поперечным ребром, которое пересекает места под прямым углом или по диагонали. Решетки для положительных и отрицательных пластин имеют одинаковую конструкцию, но сетки для отрицательных пластин сделаны легче, поскольку они не так важны для равномерного прохождения тока.

Пластины аккумулятора бывают двух типов.Они представляют собой формованные пластины или пластины для растений, а также наклеенные пластины или пластины.

Пластины

Plante используются в основном для стационарных аккумуляторов, поскольку они тяжелее и дороже наклеенных пластин. Но пластины более прочные и менее подвержены потере активного материала из-за быстрой зарядки и разрядки. Плита саженцев имеет низкую удельную массу.

Процесс Faure больше подходит для изготовления отрицательных пластин, чем положительных пластин. Отрицательный активный материал довольно прочен и претерпевает сравнительно небольшие изменения при зарядке и разрядке.

3. Активный материал — Материал в элементе, который принимает активное участие в химической реакции (поглощение или выделение электрической энергии) во время зарядки или разрядки, называется активным материалом элемента. Активные элементы свинцово-кислотной

  1. Перекись свинца (PbO 2 ) — Образует положительный активный материал. PbO 2 — это метла из темного шоколада.
  2. Губчатый свинец — Форма отрицательного активного материала.Он серого цвета.
  3. Разбавленная серная кислота (H 2 SO 4 ) — Используется в качестве электролита. Он содержит 31% серной кислоты.

Пероксид свинца и губчатый свинец, которые образуют отрицательные и положительные активные материалы, имеют небольшую механическую прочность и поэтому могут использоваться отдельно.

4. Сепараторы — Сепараторы представляют собой тонкие листы непроводящего материала, состоящие из химически обработанного свинцового дерева, пористой резины или матов из стекловолокна, которые помещаются между положительным и отрицательным полюсом, чтобы изолировать их друг от друга.Сепараторы имеют вертикальные канавки с одной стороны и гладкие с другой.

5. Клеммы аккумулятора — Аккумулятор имеет две клеммы: положительный и отрицательный. Положительный вывод диаметром 17,5 мм вверху немного больше отрицательного вывода, диаметр которого составляет 16 мм.

Принцип работы свинцово-кислотной батареи

Когда серная кислота растворяется, ее молекулы распадаются на положительные ионы водорода (2H + ) и отрицательные ионы сульфата (SO 4 ) и свободно перемещаются.Если два электрода погружены в растворы и подключены к источнику постоянного тока, тогда ионы водорода заряжаются положительно, перемещаются к электродам и подключаются к отрицательному выводу источника питания. Отрицательно заряженные ионы SO 4 перемещаются к электродам, подключенным к положительной клемме питающей сети (то есть аноду).

Каждый ион водорода забирает один электрон с катода, а каждый ион сульфата забирает два отрицательных иона с анодов и реагирует с водой с образованием серной и водородной кислоты.

Кислород, который образуется из вышеприведенного уравнения, реагирует с оксидом свинца и образует пероксид свинца (PbO 2 ). Таким образом, во время зарядки свинцовый катод остается свинцом, но свинцовый анод превращается в пероксид свинца шоколадного цвета.

Если источник питания постоянного тока отключен и вольтметр подключается между электродами, он покажет разность потенциалов между ними. Если провод соединяет электроды, то ток будет течь от положительной пластины к отрицательной через внешнюю цепь i.е. ячейка способна поставлять электрическую энергию.

Химическое воздействие во время разряда

Когда ячейка полностью разряжена, анодом является перекись свинца (PbO 2 ), а катодом — металлический губчатый свинец (Pb). Когда электроды соединены через сопротивление, разряд ячейки и электроны текут в направлении, противоположном направлению заряда.

Ионы водорода движутся к аноду и, достигая анодов, получают один электрон от анода и становятся атомом водорода.Атом водорода контактирует с PbO 2 , поэтому он атакует и образует сульфат свинца (PbSO 4 ) беловатого цвета и воду в соответствии с химическим уравнением.

Каждый сульфат-ион (SO 4 ) движется к катоду и, достигнув там двух электронов, становится радикальным SO 4 , атакует металлический свинцовый катод и образует сульфат свинца беловатого цвета в соответствии с химическим уравнением.

Химическое воздействие во время зарядки

Для подзарядки анод и катод подключаются к положительной и отрицательной клеммам сети постоянного тока.Молекулы серной кислоты распадаются на ионы 2H + и SO 4 . Положительно заряженные ионы водорода движутся к катодам, получают оттуда два электрона и образуют атом водорода. Атом водорода реагирует с катодом из сульфата свинца, образуя свинец и серную кислоту в соответствии с химическим уравнением.

SO 4 ион движется к аноду, отдает свои два дополнительных электрона, становится радикалом SO 4 , вступает в реакцию с анодом из сульфата свинца и образует пероксид свинца и серную кислоту свинца в соответствии с химическим уравнением.Зарядка и разрядка представлены одним обратимым уравнением, приведенным ниже.

Уравнение должно быть направлено вниз при разрядке и вверх при подзарядке.

Работа свинцово-кислотных аккумуляторов | Свинцово-кислотная вторичная аккумуляторная батарея

Работа свинцово-кислотной аккумуляторной батареи

Аккумуляторная батарея или вторичная аккумуляторная батарея — это такая батарея, в которой электрическая энергия может храниться в виде химической энергии, и эта химическая энергия затем преобразуется в электрическую энергию по мере необходимости.Преобразование электрической энергии в химическую энергию с помощью внешнего источника электричества известно как зарядка аккумулятора. Преобразование химической энергии в электрическую для питания внешней нагрузки известно как разряд вторичной батареи.
Во время зарядки аккумулятора через него проходит ток, который вызывает некоторые химические изменения внутри аккумулятора. Эти химические изменения поглощают энергию во время своего образования.

Когда аккумулятор подключен к внешней нагрузке, химические изменения происходят в обратном направлении, во время которого поглощенная энергия выделяется в виде электрической энергии и подается на нагрузку.
Теперь мы попытаемся понять принцип работы свинцово-кислотной батареи , и для этого сначала обсудим свинцово-кислотную батарею , которая очень часто используется в качестве аккумуляторной батареи или вторичной батареи.

Материалы, используемые для элементов свинцово-кислотных аккумуляторных батарей

Основными активными материалами, необходимыми для создания свинцово-кислотных аккумуляторов, являются

  1. пероксид свинца (PbO 2 ).
  2. Губчатый свинец (Pb)
  3. Разбавленная серная кислота (H 2 SO 4 ).
Перекись свинца (PbO
2 )

Положительная пластина изготовлена ​​из перекиси свинца. Это темно-коричневое, твердое и хрупкое вещество.

Губчатый свинец (Pb)

Отрицательная пластина изготовлена ​​из чистого свинца в состоянии мягкой губки.

Разбавленная серная кислота (H
2 SO 4 )

Разбавленная серная кислота, используемая для свинцово-кислотных аккумуляторов, имеет соотношение вода: кислота = 3: 1.

Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея формируется путем погружения пластины из перекиси свинца и губчатого свинца в разбавленную серную кислоту.Между этими пластинами снаружи подключена нагрузка. В разбавленной серной кислоте молекулы кислоты расщепляются на положительные ионы водорода (H + ) и отрицательные ионы сульфата (SO 4 — — ). Ионы водорода, достигая пластины PbO 2 , получают от нее электроны и становятся атомами водорода, которые снова атакуют PbO 2 и образуют PbO и H 2 O (воду). Этот PbO реагирует с H 2 SO 4 и образует PbSO 4 и H 2 O (вода).


SO 4 — — ионы свободно перемещаются в растворе, поэтому некоторые из них достигают пластинки чистого свинца, где отдают свои лишние электроны и становятся радикалами SO 4 . Поскольку радикал SO 4 не может существовать в одиночку, он атакует Pb и сформирует PbSO 4 .
Поскольку ионы H + отбирают электроны от пластины PbO 2 , а ионы SO 4 — — отдают электроны пластине Pb, между этими двумя пластинами будет неравенство электронов.Следовательно, между этими пластинами будет протекать ток через внешнюю нагрузку, чтобы уравновесить это неравенство электронов. Этот процесс называется разрядкой свинцово-кислотного аккумулятора.
Сульфат свинца (PbSO 4 ) имеет беловатый цвет. Во время разряда

  1. Обе пластины покрыты PbSO 4 .
  2. Удельный вес раствора серной кислоты падает из-за образования воды во время реакции на пластине PbO 2 .
  3. В результате скорость реакции падает, что означает, что разность потенциалов между пластинами уменьшается во время процесса разряда.

Теперь отключим нагрузку и соединим пластину PbSO 4 , покрытую PbO 2 , с положительной клеммой внешнего источника постоянного тока и пластину PbO 2 , покрытую Pb, с отрицательной клеммой этого источника постоянного тока. Во время выгрузки плотность серной кислоты падает, но в растворе все еще присутствует серная кислота. Эта серная кислота также остается в растворе в виде ионов H + и SO 4 — — . Положительно заряженные ионы водорода (катион) перемещаются к электроду (катоду), соединенному с отрицательной клеммой источника постоянного тока.Здесь каждый ион H + забирает у него один электрон и становится атомом водорода. Эти атомы водорода затем атакуют PbSO 4 и образуют свинец и серную кислоту.

SO 4 — — ионы (анионы) движутся к электроду (аноду), соединенному с положительной клеммой источника постоянного тока, где они отдают свои лишние электроны и становятся радикалами SO 4 . Этот радикал SO 4 не может существовать сам по себе, поэтому реагирует с PbSO 4 анода и образует пероксид свинца (PbO 2 ) и серную кислоту (H 2 SO 4 ).

Следовательно, при зарядке элемента свинцово-кислотной аккумуляторной батареи

  1. Анод из сульфата свинца превращается в пероксид свинца.
  2. Катодный сульфат свинца превращается в чистый свинец.
  3. Терминал; потенциал клетки увеличивается.
  4. Удельный вес серной кислоты увеличивается.

Видео-презентация принципа работы свинцово-кислотных аккумуляторов

Работа свинцово-кислотных аккумуляторов

Свинцово-кислотные аккумуляторы состоят из отрицательного электрода, сделанного из губчатого или пористого свинца.Свинец пористый, что способствует образованию и растворению свинца. Положительный электрод состоит из оксида свинца. Оба электрода погружены в электролитический раствор серной кислоты и воды. В случае, если электроды входят в контакт друг с другом в результате физического движения батареи или изменения толщины электродов, два электрода разделяет электрически изолирующая, но химически проницаемая мембрана. Эта мембрана также предотвращает короткое замыкание через электролит.Свинцово-кислотные батареи накапливают энергию за счет обратимой химической реакции, показанной ниже.

Общая химическая реакция:

PbO2 + Pb + 2h3SO4⇔заряженный разряд2PbSO4 + 2h3O

На минусовой клемме реакции заряда и разряда:

Pb + SO42-зарядкаPbSO4 + 2e-

На положительном выводе реакции заряда и разряда:

PbO2 + SO42- + 4H ++ 2e-Заряженный разрядPbSO4 + 2h3O

Как показывают приведенные выше уравнения, разрядка батареи вызывает образование кристаллов сульфата свинца как на отрицательной, так и на положительной клеммах, а также высвобождение электронов из-за изменения валентного заряда свинца.Для образования этого сульфата свинца используется сульфат сернокислотного электролита, окружающего аккумулятор. В результате электролит становится менее концентрированным. Полный разряд приведет к тому, что оба электрода будут покрыты сульфатом свинца и водой, а не серной кислотой, окружающей электроды. При полном разряде два электрода выполнены из одного материала, и между двумя электродами отсутствует химический потенциал или напряжение. На практике, однако, разряд останавливается при напряжении отсечки, задолго до этого момента.Следовательно, аккумулятор не должен разряжаться ниже этого напряжения.

Между полностью разряженным и заряженным состояниями свинцово-кислотная батарея будет испытывать постепенное снижение напряжения. Уровень напряжения обычно используется для обозначения степени заряда аккумулятора. Зависимость аккумулятора от уровня заряда показана на рисунке ниже. Если аккумулятор остается на низком уровне заряда в течение длительного периода времени, могут вырасти крупные кристаллы сульфата свинца, что необратимо снижает емкость аккумулятора.Эти более крупные кристаллы не похожи на типичную пористую структуру свинцового электрода, и их трудно превратить обратно в свинец.

Напряжение свинцово-кислотного аккумулятора при зарядке.

В результате реакции зарядки сульфат свинца на отрицательном электроде превращается в свинец. На положительном конце реакция превращает свинец в оксид свинца. В качестве побочного продукта этой реакции выделяется водород. Во время первой части цикла зарядки преобладающей реакцией является превращение сульфата свинца в свинец и оксид свинца.Однако по мере того, как происходит зарядка и большая часть сульфата свинца превращается либо в свинец, либо в диоксид свинца, зарядный ток электролизует воду из электролита, и выделяются водород и газообразный кислород, процесс, известный как «выделение газа» из батареи. Если ток подается в батарею быстрее, чем может быть преобразован сульфат свинца, то выделение газа начинается до того, как весь сульфат свинца будет преобразован, то есть до того, как батарея будет полностью заряжена. Газообразование создает ряд проблем в свинцово-кислотной батарее.Газообразование батареи не только вызывает проблемы безопасности из-за взрывоопасной природы производимого водорода, но также снижает количество воды в батарее, которую необходимо заменять вручную, вводя в систему компонент для обслуживания. Кроме того, выделение газа может вызвать отделение активного материала от электролита, что приведет к необратимому снижению емкости аккумулятора. По этим причинам аккумулятор не следует регулярно заряжать выше напряжения, которое вызывает газообразование. Напряжение газовыделения изменяется в зависимости от скорости заряда.

Сульфат свинца является изолятором, и поэтому способ образования сульфата свинца на электродах определяет, насколько легко можно разрядить аккумулятор.

Свинцово-кислотный аккумулятор

: работа, конструкция и зарядка / разрядка

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

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

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

Строительство свинцово-кислотных аккумуляторов

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

Итак, , что такое внутренняя конструкция?

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

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

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

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

Теперь, , какова емкость накопителя заряда?

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

Работа свинцово-кислотных аккумуляторов

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

Батарея имеет два состояния химической реакции: Зарядка и Разрядка .

Зарядка свинцово-кислотных аккумуляторов

Как мы знаем, для зарядки аккумулятора нам необходимо обеспечить напряжение, превышающее напряжение на клеммах.Таким образом, для зарядки аккумулятора 12,6 В можно подать напряжение 13 В.

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

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

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

На катоде

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

На аноде

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

В сочетании двух приведенных выше уравнений общая химическая реакция будет

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

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

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

Свинцово-кислотная батарея разряжается

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

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

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

На катоде

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

На аноде:

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

В сочетании двух приведенных выше уравнений общая химическая реакция будет

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

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

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

Фактор риска и электрические характеристики

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

Каковы стандартные характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов?

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

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

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

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

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

: принципы работы

Свинцово-кислотная батарея: принципы работы

Свинцово-кислотная батарея: принципы работы
John Denker

* Содержание

1 Реакции полуэлементов

Каждая ячейка в батарее изготавливается на заводе следующим образом: клемма «-» представляет собой толстую пористую пластину из металлического свинца. Подключен к клемма «+» представляет собой пластину, состоящую в основном из пористого диоксида свинца. паста, нанесенная на тонкую металлическую сетку.В между пластинами довольно концентрированная серная кислота (около 4М).

Предварительно отметим, что серная кислота является сильная кислота по отношению к своему первому протону, поэтому даже перед добавлением кислоты в аккумулятор завершилась следующая реакция:

H 2 SO 4 → H + + HSO 4
(1)

Эта реакция связана с объемным электролитом, независимо от пластины аккумулятора.Это не электрохимическая реакция и не зависит от зарядки и разрядки аккумулятора. Мы делаем не ожидайте, что серная кислота высвободит свой второй протон с любым большая вероятность — лишь доли процента — поскольку K a2 всего 0,012.

По мере разряда батареи происходит следующая реакция полуэлемента. занимает место у знака «-»:

Pb + HSO 4 PbSO 4 + H 2 + (водн.) (2)

Эта реакция имеет большой смысл.Как обсуждалось в ссылка 1, когда ячейка находится под нагрузкой, есть электрическое поле в электролите, которое вызывает отрицательные ионы (в этом case bisulfate), чтобы сместиться к пластине со знаком «-». См. Рисунок 2. Отрицательный ион расходуется при реакции с пластина. В реакции также образуется положительный ион (протон), который уносится под действием упомянутого поля. Два электроны остаются в пластине и доставляются в Терминал. В этом нет ничего удивительного.

«Вперед» в уравнении 2 представляет разрядка аккумулятора.Чтобы представить зарядку (также известную как подзарядка) операции, просто измените направление стрелки. Результат делает смысл тоже.

Между тем, другая половина реакции разряда происходит на Табличка «+». Это можно записать по-разному, из которых следующие условно:

PbO 2 + 3H + + HSO 4 + 2e PbSO 4 + 2H 2 O
(с) (вод. (т)
(3)

Некоторые детали уравнения 3 требуют особой осторожности. анализ, как будет обсуждаться в разделе 2 и Раздел 3.Однако сначала давайте обсудим несколько вещей. относительно легко понять.

На каждой пластине соединения свинца нерастворимы и остаются прикрепленными к плита; в растворе никогда не бывает значительного количества свинца. Остальные продукты реакции (вода и серная кислота) полностью уничтожаются. растворимый. Эти свойства являются важной частью того, почему клетка аккумуляторная. (Напротив, в неперезаряжаемых батареях есть обычно продукты реакции, которые становятся недоступными для повторного использования, уходит в виде газа или нерастворимого осадка.)

Точно так же свободные электроны, которые высвобождаются по уравнению 2 и потребляются по уравнению 3, не растворим в электролите. Ионы H + и HSO 4 являются растворимы, но электроны нет. Это может показаться очевидным, но это нетривиально. Если бы электроны были растворимы, батарея не работала бы. Это закоротило бы себя.

Если мы сложим две реакции полуэлементов вместе, мы получим полноклеточные реакции. реакция разряда:

Pb + PbO 2 + 2H 2 SO 4 2PbSO 4 2 O
(с) (с) (водный) диск (с)
(4)

Во время операции слива потребляется кислота и образуется вода.Во время зарядки расходуется вода и образуется кислота. Поскольку серная кислота намного плотнее воды, широко используемый Методика проверки состояния заряда батареи заключается в измерении удельный вес электролита. (Иногда неспециалисты догадываются что изменение плотности связано с наличием тяжелого свинца соединений в растворе, как если бы происходила какая-то реакция свинца. (но это не так.) См. рисунок 1.

Во время разряда на пластине «-» свинец окисляется от металлический Pb в двухвалентный Pb (II).Это высвобождает отрицательный заряд в табличка со знаком «-». Между тем, у пластины «+» опережение восстанавливается от четырехвалентного Pb (IV) до двухвалентного Pb (II). Это освобождает положительный заряд в пластину «+».

Конечно, при перезарядке происходят противоположные окислительно-восстановительные реакции.

Остерегайтесь сложной терминологии:

  • Во время операции разряда пластина «-» называется анод (поскольку материал пластины окисляется), а «+» Пластина называется катодом (поскольку материал пластины подвергается уменьшенный).
  • Во время зарядки пластина со знаком «-» должна быть называется катодом (так как материал пластины теперь уменьшается), в то время как пластина «+» теперь должна называться анодом (поскольку пластина материал сейчас окисляется).

Ситуация резюмируется в следующей таблице:

зарядка разрядка
— пластина: катод окисляется окисляется окисляется
+ пластина: анод
окисляется
катод
восстанавливается

. никогда не наносите на клеммы слова «катод» или «анод».Видеть ссылка 2 для правильного определения «анода» и «Катод», а также связанные с этим вопросы.

2 Дрейф и диффузия

2.1 Предварительная притча

В качестве фона рассмотрим гетерогенный катализ, такой как каталитическое окисление паров ацетона на поверхности меди. Если есть без перемешивания, реакция будет протекать очень медленно, потому что реагенты должны диффундировать на поверхность, а продукты должны рассеиваются прочь. Распространение — довольно медленный процесс, особенно распространение на большие расстояния.

Обратите внимание, что это изображение реагентов (или продуктов), протекающих по градиент концентрации не соответствует вашей интуиции о протекание электрического тока в цепи постоянного тока. Рассмотрим следующие контраст:

Химическая реакция Цепь постоянного тока
Реагенты и продукты не являются неразрушаемыми. В реагенты истощаются во время реакции. Продукты накапливать. Заряд течет как несжимаемый, нерушимый жидкость, без накопления или истощения где-либо.

2.2 Бисульфат-ионы

Обратите внимание, что в свинцово-кислотной батарее во время разряда бисульфат-ионы потребляется в обоих местах, как на тарелке «-», так и на «+» пластину, как указано в уравнении 2 и уравнении 3. Во время разряда электролит становится значительно более разбавленный, так как бисульфат расходуется, а вода освобожден.Одним из практических следствий этого является то, что вы можете измерить, насколько полностью заряжен аккумулятор путем измерения плотности электролита с помощью ареометра, возможно простого типа, показанного на рисунок 1.

Сначала рассмотрим условия равновесия при разомкнутой цепи, нулевой нагрузке. Там отсутствует электрическое поле в объеме электролита. Это означает причина. Если бы было электрическое поле, ионы двигались бы поле. Положительные ионы будут течь в одном направлении, а отрицательные ионы будут течь в другом направлении, что противоречит предположение, что это ситуация равновесия при нулевом токе.

Кроме того, в равновесии нет значительного градиента концентрации в основная масса электролита.

Теперь рассмотрим операцию разряда, как показано на рисунке 2. Синяя пластина — это пластина «+», а красная пластина — это пластина со знаком «-». Фиолетовые стрелки показывают направление текущий поток. Они также показывают направление электрического поля. Это энергетически благоприятен для протекания положительного заряда в направление стрелок.


Рисунок 2: Ток и поля во время разряда

Точно так же он энергетически благоприятен для отрицательных видов. течь в направлении, противоположном стрелкам.В частности, это означает, что ионы бисуфата будут перемещаться слева направо на рисунке 2, обеспечивая подачу реагентов в соответствии с требованиями уравнение 2. Пока все хорошо.

Увы, мы не можем использовать эту цепочку рассуждений, чтобы объяснить, как бисульфат ионы попадают на положительный вывод. Уравнение 3 будет вскоре потребляют все ионы бисульфата в непосредственной близости. Если реакция должна продолжаться, их нужно пополнять из где-то. Это требует, чтобы ионы текли вверх по склону (против градиента электрохимического потенциала).

Единственное возможное объяснение состоит в том, что некоторые из ионов диффундируют в гору. Это, безусловно, возможно, учитывая очень большие концентрации и короткие расстояния. Распределение маленькие черные кружки на рисунке 2 предназначены для обозначения сильно преувеличенное представление концентрации бисульфата анионы. Диффузия заставит анионы течь из основной массы в направлении пластины в обоих направлениях.

Давайте проясним: срок службы пластины со знаком «-» прост, потому что дрейф и диффузия работают вместе, чтобы доставить реагенты к пластине.Напротив, ситуация на терминале «+» — беспорядок, потому что дрейф работает в бесполезном направлении, и мы должны полагаться на диффузия для доставки реагентов к пластине. Это намного хуже, чем реакция с ацетоном, рассмотренная в разделе 2.1, где диффузия не встретила сопротивления.

Легко предположить, что все, что происходит рядом с положительным пластина накладывает существенное ограничение на то, сколько тока мы можем получить из батареи. Мы также можем предсказать, что при перемешивании электролит повысит производительность аккумулятора.Много перемешивания схемы обсуждаются в литературе, но обычно только на феноменологический, недетализированный уровень.

Трудно найти количественные данные о микроскопических в электролите в непосредственной близости от Табличка «+». Стандартная книга по свинцово-кислотным аккумуляторам ссылка 3, но не вникает в этот вопрос. Некоторые дразнящие веб-страницы — это ссылка 4 и ссылка 5. Если кто-нибудь знает какие-либо хорошие ссылки на эту тему, пожалуйста, позвольте мне знать.

Обозначим несколько цифр: ячейка имеет напряжение холостого хода 2,2. вольт такие. Предположим, мы поместили его под большую нагрузку, так что там составляет Δv = 0,4 В «ИК» падение через электролит. В качестве всегда комнатная температура соответствует 25 мэВ, т.е. 0,025 электрон-вольт. Мы можем использовать это для вычисления фактора Больцмана, т.е. фракции бисульфат-ионов удается увеличить потенциал равно exp (q Δv / kT) = exp (.4 / .025) = 9,000,000. Так что под сильноточных условиях, если скорость реакции ограничена наличие бисульфат-ионов, ожидаем реакцию на отметке «+» плита продвигалась в миллионы раз медленнее, чем «в идеале».

Напротив, в условиях слабого тока реакция скорость ограничена наличием электронов, поэтому наличие ионы бисульфата не проблема.

В предыдущем расчете мы проигнорировали влияние диэлектрической проницаемости. скрининг. Это могло быть, а могло и не быть правильным. Аргумент за: энергия сохраняется. В конце дня, чтобы переместить бисульфат иона на холме высотой 0,4 В, вы должны выполнить работу 0,4 эВ. Аргумент минус: большая часть высоты холма связана с диполем слой у кромки воды, в том месте, где электролит встречает тарелку; в объеме электролита поле равно меньше.Ионы могут с относительно разумной вероятностью получить закрыть к пластине «+», сразу за дипольным слоем. Вопрос без ответа: если они подойдут так близко, достаточно ли этого?

В любом случае экранирование не устраняет полностью энергию барьер. Согласно обычному аргументу Клаузиуса-Моссотти (ссылка 6), поле внутри сферического отверстия в диэлектрическая проницаемость составляет 1/3 расстояния между полностью экранированным значением и неэкранированное значение. Итак, если мы введем числа, мы получим куб корень предыдущего числа, т.е.е. в 200 раз. Это намного меньше более 9 миллионов, но все же достаточно, чтобы на нее обращать внимание к. Я предполагаю, что это ограничивает количество тока, которое аккумулятор можно потушить.

3 Порядок реакции

Действительно ли реакция третьего порядка по концентрации протонов, как предложено уравнением 3? Я сомневаюсь. Я подозреваю это придаст батарее очень своеобразную ВАХ, в отличие от что наблюдается.

Если реакция протекает через некоторую последовательность промежуточных стадий, возможно, в соответствии с гипотетическими реакциями, приведенными в этом в разделе, будет зависимость более низкого порядка от активности H + .

Вот возможная последовательность:

68 68 3 2 ОН) 2
PbO 2 + H + + e PbOOH 9068 (5а)
(с) (водн.) диск (с)
PbOOH + H + + (5b)
(с) (водн.) диск (с)
Pb (OH) 2 + HSO 4 2 HSO 4 2 — 4 + OH + H 2 O (5c)
(с) (водный) диск (с) (водный)
9068 + OH H 2 O (5д)
(водн.) (водн.) disch

Как обсуждалось в разделе 2, это энергетически невыгодно для бисульфат-анионов двигаться к положительной пластине, которая ограничение на уравнение 5c.Напротив, такого ограничения нет. применяется к анионам OH в уравнении 5d, потому что они производятся на положительной пластине. Им не нужно двигаться к тарелке. Для ионов H + энергетически выгодно дрейфовать к положительной пластине.

С точки зрения затрат чистый эффект уравнения 5 состоит в том, что два электроны переносятся с пластины в электролит, поэтому что две единицы положительного заряда доставлены на терминал.

Вот еще одна гипотетическая последовательность, использующая PbO вместо Pb (OH) 2 в качестве промежуточного:

68 68 3 9068 2 2
PbO 2 + H + + e PbOOH 9068 (6а)
(с) (водн.) диск (s)
PbOOH + H + + + H 2 O (6b)
(с) (водн.) диск (s)
PbO + HSO 4 → PbO 9002 (6c)
(с) (водный) диск (с) (водный)
9068 + OH H 2 O (6д)
(водн.) (водн.) disch

У меня нет данных о том, указаны ли какие-либо из гипотетических реакций Вышеупомянутые играют какую-либо роль в реальных батареях.

4 Ссылки

«Как работает батарея», т. Е. Микроскопическое изображение того, как она работает. выдает напряжение: www.av8n.com/physics/battery.htm
Джон Денкер, «Как определить анод и катод» ./anode-cathode.htm
Свинцово-кислотные батареи Ханса Боде Wiley (1977).
«Отчет о подводных батареях» http://www.mcs.vuw.ac.nz/~markm/preprints/SubBatteriesReport.pdf
«Свинцово-кислотные батареи» http: // www.accuoerlikon.com/html/accud02.htm
«Внутренний диэлектрик» Лекции Фейнмана по физике, том II Глава 11.
Свинцово-кислотная батарея

Принцип работы свинцово-кислотной батареи

Свинцово-кислотная батарея — аккумуляторная батарея. Так что это вторичная батарея. Мы назвали эту батарею так, потому что в качестве электрода в ней используется металлический свинец. Кроме того, в качестве электролита используется разбавленная серная кислота. Среди этих двух электродов один является положительным электродом или анодом.Другой — отрицательный электрод или катод. Анод состоит из перекиси свинца (PbO 2 ). А катод состоит из чистого свинца (Pb).

Электроды свинцово-кислотной батареи

Чистый свинец или губчатый свинец достаточно пористый. Следовательно, поверхность контакта между электролитом и электродами достаточно большая. Но главная проблема свинца — его механическая слабость. Поэтому мы часто используем для этой цели несколько различных сплавов вместо чистого свинца. Например, такими сплавами являются свинец-сурьма, свинец-кальций и свинец-сурьма-кальций.

Преимущества и недостатки использования сурьмы в электродных пластинах

Хотя использование сплавов вместо чистого свинца создает некоторые проблемы в работе свинцово-кислотных аккумуляторов . Например, свинцово-сурьмянистый сплав дешев по стоимости, но склонен к сульфатированию. Поэтому, если оставить свинцово-кислотный аккумулятор на низком уровне зарядки на длительный период, на пластине может значительно возникнуть сульфатирование. Кроме того, сплав свинца и сурьмы увеличивает газообразование аккумулятора во время зарядки.В результате происходит большая потеря воды. Столь частое доливание воды становится необходимым. Также свинцово-сурьмянистый пластинчатый аккумулятор имеет высокий уровень разряда.

Преимущества и недостатки использования кальция в электродных пластинах

Свинцово-кальциевый сплав немного дороже, чем сплав свинец-сурьма. Но это снижает выделение газов свинцово-кислотной батареи . Но свинцово-кальциевый аккумулятор имеет менее глубокую разрядку, чем свинцово-сурьмяный аккумулятор.

Мы можем добиться преимуществ обоих сплавов, добавив в свинец как сурьму, так и кальций.Но сплав свинец-сурьма-кальций дороже двух предыдущих сплавов.

Физическая конфигурация электродов

Помимо материала электродных пластин, физическая конфигурация электродов также влияет на скорость заряда и разряда, а также на срок службы. Тонкие электродные пластины обеспечивают быструю зарядку и разрядку.

Но тонкая пластина механически непрочна и более склонна к отслаиванию материала с пластин.Таким образом, мы должны поддерживать умеренную толщину пластин. Таким образом, он может служить при умеренно меньшем времени зарядки и разрядки с более длительным сроком службы.

Электролит свинцово-кислотных аккумуляторов

Мы используем разбавленную серную кислоту (H 2 SO 4 + H 2 O) в качестве электролита в свинцово-кислотной батарее. Каждая молекула серной кислоты в ее разбавленной форме расщепляется на два положительных одновалентных иона водорода и один отрицательный двухвалентный ион сульфата. Удельный вес разбавленной серной кислоты колеблется от 1.2 до 1,23.

Зарядка свинцово-кислотных аккумуляторов

Во время зарядки соединяем положительную пластину (анод) с положительным концом источника постоянного тока. В то же время мы соединяем отрицательную пластину (катод) с отрицательным концом источника постоянного тока.

Изначально отрицательная и положительная обе пластины содержат слой сульфата свинца (PbSO 4 ). Слой этого сульфата свинца образовался во время разрядки свинцово-кислотной батареи. Мы еще не обсуждали разрядку свинцово-кислотного аккумулятора.Но мы обсудим это позже в этой статье.

Реакция положительной пластины

Из-за протекания тока через электролит во время зарядки некоторые молекулы воды расщепляются на ионы H + и O . За счет электростатических сил отрицательные ионы кислорода (O ) попадают на анод, покрытый сульфатом свинца. Здесь ионы кислорода (O ) замещают сульфат и образуют свинец PbO 2 . Затем ионы сульфата растворяются в электролите вместе с ионами водорода воды.Следовательно, концентрация серной кислоты в электролите увеличивается.

Реакция в отрицательной пластине

Под действием электростатических сил положительные ионы водорода (H +) попадают на катод, покрытый сульфатом свинца. Здесь ионы водорода (H +) реагируют с сульфатом свинца и образуют чистый свинец с серной кислотой. Другими словами, ионы сульфата и водорода растворяются в растворе электролита. Затем ионы сульфата растворяются в электролите вместе с ионами водорода воды.Следовательно, снова увеличивается концентрация серной кислоты в электролите.

Разряд свинцово-кислотных аккумуляторов

Реакция положительной пластины

Во время выгрузки PbO 2 реагирует с разбавленной серной кислотой и образует сульфат свинца (PbSO 4 ). Поскольку Pb является четырехвалентным, а сульфат двухвалентным, дополнительные два электрона реакция получает от самого электрода.

Итак, эта реакция свинцово-кислотной батареи поглощает растворенный сульфат из электролита и откладывает сульфат свинца на положительной пластине.Кроме того, вода попадает в электролит. Следовательно, концентрация серной кислоты в электролите снижается.

Реакция в отрицательной пластине

Здесь, на отрицательной пластине, чистые атомы Pb отдают свои два валентных электрона самому электроду и реагируют с серной кислотой с образованием сульфата свинца.


Из-за повторного поглощения сульфат-ионов отрицательной пластиной концентрация серной кислоты еще больше снижается. В результате общий удельный вес свинцово-кислотного аккумуляторного элемента становится низким.

Газообразование в свинцово-кислотной батарее

Как мы уже говорили, когда через электролит протекает ток, молекулы воды диссоциируют на ионы водорода и кислорода. Но сульфат свинца поглощает эти ионы во время образования PbO2 в положительных и Pb в отрицательных пластинах соответственно.

См. Приведенные выше реакции зарядки. Но после завершения зарядки сульфат свинца перестанет реагировать. После этого, если мы продолжим заряжать свинцово-кислотную батарею, эти ионы водорода и кислорода образуют газообразный водород и кислород.Здесь, на положительной пластине, ионы кислорода отдают свои лишние электроны и становятся атомами. Затем эти атомы соединяются в пары и образуют газообразный кислород. Следовательно, по положительной пластине будут выходить пузырьки газообразного кислорода. В то же время ионы водорода получают электроны от отрицательной пластины и становятся атомами водорода. Точно так же они соединяются в пару и образуют водород. Таким образом, на отрицательной пластине будет пузыриться газообразный водород. Мы называем это явление газообразованием свинцово-кислотных аккумуляторов.

Поделиться — это забота!

Свинцовая аккумуляторная батарея

| Введение в химию

Цель обучения
  • Вспомните химическую реакцию, которая происходит в свинцовых аккумуляторных батареях

Ключевые моменты
    • Свинцово-кислотные батареи, также известные как свинцовые аккумуляторные батареи, могут накапливать большой заряд и обеспечивать высокий ток в течение коротких периодов времени.
    • Базовая конструкция свинцово-кислотных аккумуляторов не претерпела существенных изменений с 1859 года, когда их спроектировал Планте, хотя некоторые улучшения были внесены Форе.
    • Свинцово-кислотные аккумуляторы можно заряжать, что важно при их использовании в автомобилях.
    • Разрядка накопленной энергии зависит от того, как положительная, так и отрицательная пластины превращаются в сульфат свинца (II), а электролит теряет большую часть растворенной серной кислоты.

Срок
  • лигносульфонат Водорастворимые анионные полиэлектролитные полимеры; они являются побочными продуктами производства древесной массы с использованием сульфитной варки.

Свинцовые батареи

Свинцовая аккумуляторная батарея, также известная как свинцово-кислотная батарея, является самым старым типом аккумуляторных батарей и одним из наиболее распространенных устройств хранения энергии.Эти батареи были изобретены в 1859 году французским физиком Гастоном Планте, и они до сих пор используются во множестве приложений. Большинство людей привыкло использовать их в транспортных средствах, где они могут обеспечивать высокие токи для запуска двигателя.

Хотя батареи надежны, у них ограниченный срок службы, они тяжелы при транспортировке и содержат токсичные материалы, которые требуют специальных методов удаления по окончании срока службы. Свинцово-кислотные батареи имеют умеренную удельную мощность и хорошее время отклика.В зависимости от используемой технологии преобразования энергии батареи могут перейти от приема энергии к мгновенной подаче энергии. Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи подвержены влиянию температуры и должны поддерживаться в надлежащем состоянии для достижения максимального срока службы.

Разработка свинцовой батареи

В конструкции свинцово-кислотного элемента Планте положительная и отрицательная пластины были сделаны из двух спиралей свинцовой фольги, разделенных листом ткани и скрученных. Ячейки изначально были малой вместимостью.Требовался медленный процесс «формовки» для коррозии свинцовой фольги, образования диоксида свинца на пластинах и придания им шероховатости для увеличения площади поверхности. Пластины Планте все еще используются в некоторых стационарных приложениях, где на пластинах имеются механические канавки для увеличения площади поверхности.

Свинцовая аккумуляторная батарея Схема, показывающая, как свинцовая аккумуляторная батарея состоит из шести последовательно соединенных двухвольтовых элементов. Также показан состав каждой ячейки.

Конструкция из клееных пластин Камиллы Альфонса Фор типична для современных автомобильных аккумуляторов.Каждая пластина состоит из прямоугольной свинцовой сетки. Отверстия решетки заполнены пастой из красного свинца и 33-процентной разбавленной серной кислоты. Эта пористая паста позволяет кислоте реагировать со свинцом внутри пластины, что увеличивает площадь поверхности. После высыхания пластины складываются с помощью подходящих разделителей и вставляются в аккумуляторный контейнер. Обычно используется нечетное количество пластин, на одну отрицательную пластину больше, чем положительной. Каждая альтернативная пластина подключается.

Паста содержит технический углерод, сульфат бария и лигносульфонат.Сульфат бария действует как затравочный кристалл для реакции сульфата свинца. Лигносульфонат предотвращает образование твердой массы отрицательной пластиной во время цикла разряда, а вместо этого позволяет формировать длинные игольчатые кристаллы. Технический углерод противодействует эффекту ингибирования образования, вызванному лигносульфонатами.

Разрядная химия

В разряженном состоянии как положительная, так и отрицательная пластины становятся сульфатом свинца (II) (PbSO 4 ). Электролит теряет большую часть растворенной серной кислоты и превращается в основном в воду.Процесс разряда управляется проводимостью электронов от отрицательной пластины обратно в ячейку на положительной пластине во внешней цепи.

Отрицательная реакция пластины: Pb (s) + HSO 4 (водный) → PbSO 4 (s) + H + (водный) + 2e

Положительная реакция пластины: PbO 2 (с) + HSO 4 (водн.) + 3H + (водн.) + 2e → PbSO 4 (с) + 2H 2 O (л)

Комбинируя эти две реакции, можно определить общую реакцию:

Pb (с) + PbO 2 (с) + 2H + (водный) + 2HSO 4 (водный) → 2PbSO 4 (с) + 2H 2 O (л)

Зарядная химия

Аккумулятор этого типа можно заряжать.В заряженном состоянии каждая ячейка содержит отрицательные пластины из элементарного свинца (Pb) и положительные пластины из оксида свинца (IV) (PbO 2 ) в электролите примерно 4,2 М серной кислоты (H 2 SO 4 ). . Процесс зарядки осуществляется за счет принудительного удаления электронов с положительной пластины и принудительного введения их в отрицательную пластину источником заряда.

Отрицательная реакция пластины: PbSO 4 (с) + H + (вод.) + 2e → Pb (с) + HSO 4 (вод.)

Положительная реакция пластины: PbSO 4 (с) + 2H 2 O (л) → PbO 2 (с) + HSO 4 (водн.) + 3H + (водн.) + 2e

Объединение этих двух реакций дает полную реакцию, обратную реакции разряда:

2PbSO 4 (с) + 2H 2 O (л) → Pb (с) + PbO 2 (с) + 2H + (водн.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *