Принцип работы кислотного аккумулятора: Принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора.

Содержание

Принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора.


Аккумуляторные батареи




Принцип работы свинцового аккумулятора

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

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

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

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

При подключении к электродам аккумулятора внешней нагрузки начинается электрохимическая реакция взаимодействия оксида свинца и серной кислоты, при этом металлический свинец окисляется до сульфата свинца.

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

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

Реакции на аноде:

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

Реакции на катоде:

Pb + SO42- - 2e- ↔ PbSO4.

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

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

В результате переход ионов свинца в электролит прекратится.

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

При подключении потребителей в аккумуляторе возникает разрядный ток. При этом ионы сернокислотного остатка SO4 соединяются со свинцом электродов и образуют на них сернокислый свинец

PbSO4, а ионы водорода соединяются с кислородом, выделяясь на положительной пластине в виде воды.
В результате электроды покрываются сернокислым свинцом, а серная кислота разбавляется водой, т. е. при разряде аккумулятора плотность электролита уменьшается. Поэтому по плотности электролита можно судить о степени заряженности аккумуляторной батареи.

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



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

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

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

Среднее значение напряжения аккумулятора – 2 В. Поскольку электрооборудование современных автомобилей рассчитано для работы при напряжении в бортовой сети

12 или 24 В, аккумуляторы соединяют в батареи (по 6 или 12 шт.).

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

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

***

Устройство аккумуляторной батареи и ее маркировка


Главная страница


Дистанционное образование

Специальности

Учебные дисциплины

Олимпиады и тесты

Принципы работы свинцового аккумулятора! | Статьи компании ООО «KRONVUZ» г Москва

Свинцовые аккумуляторы являются вторичными химическими источниками тока, которые могут использоваться многократно. Активные материалы, израсходованные в процессе разряда, восстанавливаются при последующем заряде. Химический источник тока представляет собой совокупность реагентов (окислителя и восстановителя) и электролита. Восстановитель (отрицательный электрод) электрохимической системы в процессе токообразующей реакции отдает электроны и окисляется, а окислитель (положительный электрод) восстанавливается. Электролитом, как правило, является жидкое химическое соединение, обладающее хорошей ионной и малой электронной проводимостью. В свинцовом аккумуляторе в токообразующих процессах участвуют двуокись свинца (диоксид свинца) РЬО

2 (окислитель) положительного электрода, губчатый свинец РЬ (восстановитель) отрицательного электрода и электролит (водный раствор серной кислоты H2S04). Активные вещества электродов представляют собой относительно жесткую пористую электронопроводящую массу с диаметром пор 1,5 мкм у РЬО2 и 5-10 мкм у губчатого свинца. Объемная пористость активных веществ в заряженном состоянии - около 50%. Часть серной кислоты в электролите диссоциирована на положительные ионы водорода Н+ и отрицательные ионы кислотного остатка (SO4)2-. Губчатый свинец при разряде аккумулятора выделяет в электролит положительные ионы двухвалентного свинца РЬ2+. Избыточные электроны отрицательного электрода по внешнему участку замкнутой электрической цепи перемещаются к положительному электроду, где восстанавливают четырехвалентные ионы свинца РЬ4+ до двухвалентного свинца РЬ2+. Положительные ионы свинца РЬ2+ соединяются с отрицательными ионами кислотного остатка (SO
2
)2-, образуя на обоих электродах сернокислый свинец РЬSО4 (сульфат свинца). При подключении аккумулятора к зарядному устройству электроны движутся к отрицательному электроду, нейтрализуя двухвалентные ионы свинца РЬ2+. На электроде выделяется губчатый свинец РЬ. Отдавая под влиянием напряжения внешнего источника тока по два электрона, двухвалентные ионы свинца РЬ2+ у положительного электрода окисляются в четырехвалентные ионы РЬ4+. Через промежуточные реакции ионы РЬ4+ соединяются с двумя ионами кислорода и образуют двуокись свинца РЬO2. Химические реакции в свинцовом аккумуляторе описываются уравнением: содержание в электролите серной кислоты и плотность электролита уменьшаются при разряде и увеличиваются при заряде. По плотности электролита судят о степени разряженности свинцового аккумулятора: где ΔCp - степень разряженности аккумулятора, %;РЗ и Рр - плотность электролита соответственно полностью заряженного и полностью разряженного аккумулятора при температуре 25°С, г/см2;Р25 - измеренная плотность электролита, приведенная к температуре 25°С, г/см3. Расход кислоты у положительных электродов больше, чем у отрицательных. Если учитывать количество воды, образующейся у положительных электродов, то количество кислоты, необходимое для них в течение разряда, в 1,6 раза больше, чем для отрицательных. При разряде происходит незначительное увеличение объема электролита, а при заряде - уменьшение (около 1 см
3
на 1 А·ч). На 1 А·ч электрической емкости расходуется: при разряде - свинца 3,86 г, диоксида свинца 4,44 г, серной кислоты 3,67 г, а при заряде - воды 0,672 г, сульфата свинца 11,6 г.

ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ.

Щелочными аккумуляторами называют такие аккумуляторы, в которых в качестве электролита используется щелочь, например раствор едкого натрия или едкого калия. Электроды (пластины) в щелочных аккумуляторах выполнены из никелированного железа, в которые запрессовывается активная масса. Корпус щелочных аккумуляторов выполняют из никелированного стального листа. В качестве активной массы в щелочных аккумуляторах, к примеру - в кадмиево-никелевых, для положительных пластин используется гидрат закиси никеля в смеси с графитом, а в отрицательных пластинах - кадмий и окись железа. Электролит в щелочных аккумуляторах в процессе работы не расходуется и не меняет своей плотности. Это замечательное свойство позволяет корпус аккумулятора выполнить герметичным. Такая конструкция не требует никакого дополнительного обслуживания, кроме циклических зарядов после разряда. В зависимости от типа применяемой активной массы щелочные аккумуляторы называют: железо-никелевые (окись никеля и железо), кадмиево-никелевые (окись никеля и кадмий), серебряно-цинковые (положительные электроды из чистого серебра, а отрицательные пластины из спрессованной смеси окиси цинка и цинкового порошка, электролит из едкого калия). Основные характеристики аккумуляторов. Основные характеристики у аккумуляторов такие же, как и у гальванических элементов, дополнительные - это зарядная емкость, коэффициент отдачи, срок службы и годности. Зарядная емкость аккумулятора - количество электричества, преобразованного в химическую энергию, накопленную при полном заряде аккумулятора. Коэффициент отдачи, определяется соотношением разрядной емкости к зарядной емкости. Коэффициент отдачи по энергии - отношение энергии, полученной аккумулятором, к энергии, отданной при разряде. Срок службы - наработка по времени, при которой его разрядная емкость сделается меньше определенной нормативной величины. Срок годности аккумулятора - сумма срока хранения и времени эксплуатации, в течение которого наработка аккумулятора достигает срока его службы.


Рекомендуем ознакомиться со следующими материалами:

Аккумуляторы (АКБ) оптом во Владивостоке

Компания «Пауэр Старт» предлагает ознакомиться с ассортиментом и купить автомобильные аккумуляторы оптом, отечественного и зарубежного производства. Необходимо учитывать, что выбор накопителей для автотранспорта и специальной техники имеет некоторые особенности.

АКБ оптом для легкового и грузового транспорта

При покупке надо обращать внимание на номинальную и резервную ёмкость накопителя. Это определяет период времени, в течение которого АКБ накапливает и отдаёт энергию. Пусковая мощность – показатель, по которому классифицируется интервал выходного тока. Для отечественных аккумуляторов - это 30 секунд, при контрольной температуре -18°С, для европейских - 10 секунд. Большое значение имеет контрастность – местоположение клемм на АКБ. Длина силовых кабелей автомобиля определяет вид клемм.

Изучив все параметры, можно первично определить какой вариант аккумулятор подойдет для машины, и перейти к выбору системы. АКБ бывают трех видов:

  • Свинцово-кислотные – самые востребованные и простые батареи. Принцип работы основан на химической реакции свинца и серной кислоты. Невысокая стоимость и доступность менять электролит обуславливают популярность этих аккумуляторов.
  • Гелевые – конструкция и особенности работы идентичны свинцово-кислотному типу. С той лишь разницей, что в серную кислоту добавляются кремниевые смеси, которые превращают её в желеобразную массу. Современные аккумуляторы можно наклонять под любым углом, не требуют профилактических работ, герметичны.
  • Гибридные – конструктивная совокупность гелевых и свинцово-кислотных аккумуляторов. Принцип действия простой - наполнитель батареи пропитывается электролитом и укладывается между пластинами.

АКБ для специальной и мототехники

Купить аккумуляторы оптом можно не только для автотранспорта, но и для мотоциклов, скуттеров и мопедов. Такие батареи имеют свои особенности и технические параметры. Стартовый ток АКБ не превышает напряжения 12 Вт, что вполне достаточно для получения большой мощности двигателя двухколесного транспорта. Но следует учитывать, что в период простоя техники, некоторые элементы всё равно продолжают работать. Например, система ДВС, контроллер, сигнализация и прочее. Это неизбежно приводит к потере заряда АКБ.

Важными параметрами для выбора батареи являются:

  • Габаритные размеры. Они должны полностью совпадать с отсеком для установки и соответствовать техническим характеристикам мототранспорта.
  • Подсоединение клемм. Конфигурация подключения АКБ имеет более пяти вариантов, поэтому следует внимательно выбирать батарею. Универсальную модель очень сложно подобрать.
  • Объем батареи. Стандартный мотоциклетный аккумулятор выпускается емкостью 12 Вт. В технических параметрах транспортного средства указаны номинальный объём АКБ. Следует придерживаться этих показателей.

Электромобили, катера, инвалидные коляски, средства телекоммуникации и связи также нуждаются в источниках бесперебойного питания. В интернет-магазине «Пауэр Старт» представлен широкий выбор аккумуляторов любого типа и мощности для обеспечения надёжной работы технических средств разной направленности.

АКБ оптом купить по доступным ценам можно без потери времени, нервов и утомительных поисков. В магазине «Пауэр Старт» представлены проверенные поставщики аккумуляторов для автомобилей, мотоциклов и прочих технических средств. На выбор предлагается продукция китайской DELTA, южнокорейских CAURA, DELKOR, GLOBAL & YUASA, украинской DOCKER и российской DELTA. Оригинальное качество от надежных производителей – главный залог эффективного технического функционала.


Подробнее о компании

Преимущества компании «Пауэр Старт»

20 лет успешного опыта
на рынке оптовых поставок
аккумуляторных батарей

Официальные дилеры передовых
брендов Японии, Америки,
Кореи и России

Гарантия на все аккумуляторы,
потому что мы уверены
в качестве

Широкий ценовой диапазон:
от стандартных моделей
до аккумуляторов класса
Премиум

Широкая география:
работаем от Чукотки
до Урала

Бесплатная доставка
по приморскому краю и в любую
транспортную компанию

Работаем с клиентами
по всей России!

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 7449 раз(а)!

Продолжить чтение

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.

Свинцово-кислотный аккумулятор - это... Что такое Свинцово-кислотный аккумулятор?

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

История

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

Принцип действия

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

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

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

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

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

Устройство

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

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


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

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

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

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

Физические характеристики

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

Эксплуатационные характеристики

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

Эксплуатация

Ареометр может быть использован для проверки удельного веса электролита каждой секции

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

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

Свинцово-кислотный аккумулятор при низких температурах

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

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

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

Хранение

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

Слой грязи и накипи на поверхности аккумулятора создаёт проводник для тока от одного контакта к другому и приводит к саморазряду аккумулятора,после чего начинается преждевременная сульфатизация пластин и поэтому поверхность аккумулятора необходимо поддерживать в чистоте. Хранение свинцово-кислотных аккумуляторов в разряженном состоянии приводит к быстрой потере их работоспособности.

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

Износ свинцово-кислотных аккумуляторов

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

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

Основными процессами износа свинцово-кислотных аккумуляторов являются:

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

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

Вторичная переработка

Кодовый символ указывающий, что свинцовые батареи могут быть вторично переработаны

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

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

См. также

Примечания

Ссылки

В чем различия между кислотными и щелочными аккумуляторами?

На складах и заводах, как всем известно, большой объём работы, грузы всевозможной весовой категории, зачастую без подъёмной техники, например, погрузчиков или штабелеров, просто не обойтись. Данная техника работает благодаря тяговым аккумуляторам, стоит заметить, что тяговые батареи подразделяются на несколько наиболее известных видов – кислотные, щелочные и литий-ионные. Однако, сегодня мы разберем основные отличительные особенности между щелочными и кислотными аккумуляторами.

Для начала разберем устройство каждого из представленных аккумуляторов.

Устройство кислотного аккумулятора. Первое, на что стоит обратить внимание, это то, что тяговый кислотный аккумулятор, как правило, состоит из двух групп свинцовых пластин, которые по своему внешнему виду напоминают решётку, при этом сами пластины помещены в серную кислоту. 

Теперь рассмотрим устройство щелочного аккумулятора. В данном типе, в основном используются никелевые или железные пластины, которые помещены в раствор едкого калия. Пластины изготавливаются из никелированного железа, с большим количеством отверстий. В качестве электролита у щелочных тяговых аккумуляторов выступает раствор щёлочи.

Одним из немаловажных факторов в сравнении двух вышеперечисленных батарей является – переносимость нагрузок.

В этом вопросе отдельно стоит выделить кислотный тип батарей, так как напряжение одного аккумулятора составляет 2 В., когда как, у щелочных всего 1,25 В. (Не стоит забывать, что батарея состоит из аккумуляторов. Модели батарей могут состоять из различного количества аккумуляторов, которые, чаще всего встречаются в диапазоне от 6 до 48 штук.)

Но при этом, при больших отрицательных температурах щелочные батареи свои свойства сохраняют гораздо лучше, нежели кислотные. Сохранение данных свойств во многом зависит от должного обслуживания батареи, а также необходимой качественной подзарядкой. Информируем о том, что устройство зарядки для щелочных батарей довольно таки дорогостоящее. Чтобы зарядное устройство работало гораздо дольше, нужно помнить о том, что щелочные аккумуляторы не стоит доводить до глубокой разрядки и зарядки, всё должно быть в меру.

Далее поговорим об одном из главных критериев в сравнении щелочных и кислотных батарей – срок службы!

В данном вопросе предпочтение с лёгкостью можно отдать щелочным видам батарей. Как мы ранее говорили, щелочные типы при долгом простое сохраняют свои свойства и характеристики эффективнее кислотных. Стойкость никель-железных пластин щелочной батареи гораздо лучше, нежили кислотной, у которой пластины более хрупкие, так как изготавливаются они из свинца с добавками сурьмы. За счёт этого, они подвержены ломкости, соответственно, к кислотным видам батарей стоит относится бережно.

 

Так же нельзя оставить без внимания моменты по уходу за каждым типом АКБ.

Сначала разберем кислотные батареи:

  • Ни в коем случае нельзя оставлять разряженный АКБ более, чем на сутки. Если все же планируется простой, то при дальнейшем хранении батареи необходимо сделать следующее – аккумулятор следует немного разрядить, затем слить старый электролит и, желательно, промыть пластины дистиллированной водой.
  • Заряд батареи не должен падать ниже 1,8 В.
  • Зарядка аккумулятора происходит при открытых банках, до того момента пока в каждый не начнёт одинаково кипеть электролит.
  • Если ваш заряженный аккумулятор некоторое время был в инертном состоянии, то через некоторое время его следует подзарядить.

 

Основные моменты по эксплуатации щелочных АКБ:

  • При зарядке щелочной батареи крышки необходимо обязательно снимать для того, чтобы не допустить перегрева и, как следствие, разрушение аккумулятора. Соответственно, после полной зарядки, их нужно поставить на место.
  • Заряд аккумулятора не должен падать ниже 1,1 В.
  • По истечении каждого года во время эксплуатации необходимо заново заливать электролит, а в течение года подливать дистиллированную воду.
  • Если заряженная батарея некоторое время была в инертном состоянии, то через некоторое время её необходимо подзарядить.

И самое главное, на что обращают свое внимание большинство пользователей батарей – это ценовая политика.

В данном вопросе предпочтение отдаётся кислотным видам аккумуляторов за счёт своей низкой стоимости. Во внимание можно взять даже тот фактор, что они намного лучше переносят сильную разрядку и, соответственно, зарядку с нуля. Поэтому им не нужны особенные или специальные зарядки, а подойдут самые обыкновенные и дешёвые.

Пришла пора делать выводы всему вышеперечисленному – если у вас производство не стоит на месте, и соответственно, вы проводите обслуживание батареи на регулярной основе, то кислотный аккумулятор определенно вам подойдет. Если все же на производстве случаются простои, а батарея обслуживается не регулярно, то лучше приобрести щелочной аккумулятор!

Свинцово-кислотная батарея

: принципы работы Свинцово-кислотная батарея

: принципы работы

Свинцово-кислотная батарея: принципы работы
Джон Денкер

* Содержание

1 Реакции полуэлементов

Каждая ячейка в батарее на заводе изготавливается 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 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 - всего доли процента - поскольку K a2 составляет всего 0,012.

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

Pb + HSO 4 - PbSO 4 + H + + 2e -
(s) (вод.) disch (s) (вод.) (s)
(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
(s) (вод.) (вод.) (s) disch (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 как правило, 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 расходуются 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 сложить две реакции полуэлементов, мы получим реакция разряда:

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

Во время операции разгрузки 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 аккумулятора 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).
  • Теперь во время зарядки пластина «-» должна быть называется катодом (поскольку материал пластины теперь уменьшается), в то время как пластина «+» теперь должна называться анодом (поскольку пластина материал сейчас окисляется).

Ситуация резюмируется в следующей таблице:

заряд разряд
- пластина: катод
восстанавливается
анод
окисляется
+ пластина: анод
окисляется
катод
восстанавливается

Отсюда можно сделать вывод, что для аккумуляторной батареи необходимо 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 ионы бисульфата 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 заряженный аккумулятор измеряется плотностью 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 перемешивает 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 закройте 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 даст 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:

PbO 2 + H + + e - PbOOH (5а)
(с) (водн.) диск (с)
PbOOH + H + + e - Pb ( ОН) 2 (5b)
(с) (водн.) диск (с)
Pb (OH) 2 + HSO 4 - PbSO 4 + OH - + H 2 O (5c)
(с) (вод.) диск (с) (вод.)
H + + 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 пластине. 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 звена:

PbO 2 + H + + e - PbOOH (6а)
(с) (водн.) диск (с)
PbOOH + H + + e - PbO + H 2 O (6b)
(с) (водн.) диск (с)
PbO + HSO 4 - PbSO 4 + OH - (6c)
(с) (вод.) диск (с) (вод.)
H + + OH - H 2 O (6д)
(водн.) (водн.) disch

У меня нет данных о том, перечислены 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
«Внутри диэлектрика» Лекции Фейнмана по физике, том II Глава 11.

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.При образовании 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 прекращается 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 электролизирует 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 несколько 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.

Работа, типы, конструкция, срок службы и применение

Прежде чем перейти непосредственно к изучению концепций свинцово-кислотных аккумуляторов, давайте начнем с их истории. Так, французский ученый по имени Николя Готеро в 1801 году заметил, что при испытании электролиза существует минимальное количество тока, даже когда происходит отключение основной батареи.В то время как в 1859 году ученый по имени Гатсон разработал свинцово-кислотную батарею, и это была первая батарея, которая перезаряжалась за счет прохождения обратного тока. Это была первоначальная версия такого типа батареи, тогда как Фор затем добавил к ней множество улучшений, и, наконец, практический тип свинцово-кислотной батареи был изобретен Анри Тюдором в 1886 году. Давайте более подробно обсудим этот тип батареи, работая , виды, конструкция и преимущества.


Что такое свинцово-кислотная батарея?

Свинцово-кислотная батарея подразделяется на аккумуляторные и вторичные батареи.Несмотря на минимальное соотношение энергии к объему и энергии к весу, батарея обладает способностью обеспечивать повышенные импульсные токи. Это соответствует тому, что свинцово-кислотные элементы обладают высокой удельной мощностью по отношению к весу.

Это батареи, которые используют перекись свинца и губчатый свинец для преобразования химической энергии в электрическую. Они в основном используются на подстанциях и в энергосистемах, поскольку имеют повышенные уровни напряжения ячеек и минимальную стоимость.

Строительство

В конструкции свинцово-кислотной батареи пластины и контейнеры являются важнейшими компонентами. В следующем разделе приводится подробное описание каждого компонента, используемого в конструкции. Схема свинцово-кислотных аккумуляторов -

Схема свинцово-кислотной батареи
Контейнер

Эта часть контейнера изготовлена ​​из эбонита, дерева со свинцовым покрытием, стекла, твердой резины, изготовленной из битумного элемента, керамических материалов или кованого пластика, которые размещаются сверху для предотвращения любого разряда электролита.В то время как в нижней части контейнера имеется четыре ребра, два из которых размещены на положительной пластине, а другие - на отрицательной пластине.

Здесь призма действует как основание для обеих пластин и дополнительно защищает пластины от короткого замыкания. Компоненты, которые используются для изготовления контейнера, не должны содержать серной кислоты, они не должны изгибаться, быть проницаемыми и не содержать каких-либо примесей, которые могут привести к повреждению электролита.

Тарелки

Пластины в свинцово-кислотных аккумуляторах сконструированы по-разному, и все они состоят из аналогичных типов сетки, состоящей из активных компонентов и свинца.Сетка имеет решающее значение для обеспечения проводимости тока и для передачи равных величин тока активным компонентам. Если будет неравномерное распределение, то произойдет расшатывание активного компонента. Пластины в этой батарее бывают двух видов. Это плантационные / формованные плиты и формованные / приклеенные плиты.

Формованные пластины в основном используются для статических аккумуляторов, к тому же они тяжелые и дорогие. Но они обладают длительным сроком службы, и они нелегко теряют свои активные компоненты даже при непрерывных процессах зарядки и разрядки.Они имеют минимальное соотношение мощности к весу.

В то время как процесс наклеивания чаще используется для изготовления отрицательных пластин, чем для изготовления положительных пластин. Отрицательный активный компонент несколько сложен, и они претерпевают небольшие изменения в процессах зарядки и разрядки.

Активный компонент

Компонент, который активно участвует в процессах химических реакций, происходящих в батарее, главным образом во время зарядки и разрядки, называется активным компонентом.Активные компоненты:

  • Перекись свинца - образует положительный активный компонент.
  • Губчатый свинец - Этот материал образует отрицательный активный компонент
  • Разбавленная серная кислота - в основном используется в качестве электролита
Сепараторы

Это тонкие листы, изготовленные из пористой резины, свинцовой древесины с покрытием и стекловолокна. Разделители расположены между пластинами для обеспечения активной изоляции. Они имеют рифленую форму с одной стороны и гладкую поверхность с другой стороны.

Батарейные края

Имеет положительную и отрицательную кромки диаметром 17,5 мм и 16 мм.

Свинцово-кислотный аккумулятор

Принцип работы

Поскольку серная кислота используется в качестве электролита в батарее, когда она растворяется, молекулы в ней распределяются как SO 4 - (отрицательные ионы) и 2H + (положительные ионы), и они будут иметь свободное движение. Когда эти электроды погружаются в растворы и обеспечивают источник постоянного тока, положительные ионы будут двигаться в направлении отрицательного края батареи.Таким же образом отрицательные ионы будут двигаться в направлении положительного края батареи.

Все ионы водорода и сульфата собирают одно-, двухэлектронные и отрицательные ионы с катода и анода, и они вступают в реакцию с водой. При этом образуется водород и серная кислота. В то время как развитые из вышеперечисленных реакций реагируют с оксидом свинца и образуют пероксид свинца. Это означает во время процесса зарядки; свинцовый катодный элемент сам по себе остается свинцом, тогда как свинцовый анод представляет собой пероксид свинца темно-коричневого цвета.

Когда нет источника постоянного тока, а затем, когда вольтметр подключен между электродами, он отображает разность потенциалов между электродами. Когда есть соединение провода между электродами, будет проходить ток от отрицательной к положительной пластине через внешнюю цепь, что означает, что ячейка обладает способностью обеспечивать электрическую форму энергии.

Итак, это показывает сценарий работы свинцово-кислотной батареи .

Различные типы

Свинцово-кислотные батареи типа в основном делятся на пять типов, и они подробно описаны в нижеследующем разделе.

Залитый тип - Это обычный двигатель с зажиганием с тяговой батареей. Электролит имеет свободное движение в секции ячейки. Люди, которые используют этот тип, могут иметь доступ к каждой ячейке, и они могут добавлять воду в ячейки, когда батарея высыхает.

Герметичный тип - этот вид свинцово-кислотных аккумуляторов является лишь незначительным изменением по сравнению с аккумуляторами залитого типа.Несмотря на то, что люди не имеют доступа к каждой ячейке в батарее, внутренняя конструкция почти такая же, как и у залитого типа. Основное отличие этого типа состоит в том, что существует достаточное количество кислоты, которая выдерживает плавное протекание химических реакций на протяжении всего срока службы батареи.

VRLA Тип - это свинцово-кислотные батареи с регулируемым клапаном, которые также называют герметичными батареями. Процедура контроля значений позволяет безопасно выделять газы O 2 и H 2 во время зарядки.

AGM Тип - это батарея из матового абсорбированного стекла, которая позволяет электролиту задерживаться рядом с материалом пластины. Этот вид аккумулятора увеличивает производительность процессов разряда и зарядки. Они особенно используются в силовых видах спорта и в приложениях для запуска двигателей.

Гель Тип - это свинцово-кислотный аккумулятор мокрого типа, в котором электролит в этом элементе содержит кремнезем, который делает материал жестким.Значения напряжения перезарядки элемента питания минимальны по сравнению с другими типами, а также он имеет большую чувствительность.

Свинцово-кислотная батарея Химическая реакция

Химическая реакция в батарее происходит в основном во время методов разрядки и зарядки, и в процессе разрядки это объясняется следующим образом:

Когда аккумулятор полностью разряжен, то анод и катоды - PbO 2 и Pb. Когда они соединяются с помощью сопротивления, батарея разряжается, и во время зарядки электроны идут по противоположному пути.Ионы H 2 движутся к аноду и становятся атомами. Он доступен с PbO 2 , таким образом образуя PbSO 4 белого цвета.

Таким же образом сульфат-ион движется к катоду, и после его достижения ион превращается в SO 4 . Он реагирует со свинцовым катодом, образуя сульфат свинца.

PbSO 4 + 2H = PbO + H 2 O

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

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

Химические реакции

Во время процесса перезарядки катод и аноды соединяются с отрицательным и положительным фронтами источника постоянного тока.Положительные ионы h3 движутся в направлении катода, получают два электрона и образуют атом h3. Он вступает в химическую реакцию с сульфатом свинца и образует свинец и серную кислоту.

PbSO 4 + 2H 2 O + 2H = PbSO 4 + 2 H 2 SO 4

Объединенное уравнение для обоих процессов представлено как

Процесс разрядки и перезарядки

Здесь стрелка вниз указывает разряд, а стрелка вверх указывает процесс перезарядки.

Жизнь

Оптимальная рабочая температура для свинцово-кислотных аккумуляторов составляет 25 0 C, что означает 77 0 F. Увеличение диапазона температур сокращает срок службы. Как правило, при повышении температуры на 80 ° C период полураспада батареи сокращается. В то время как батарея с регулируемым значением, работающая при температуре 25 0 C, имеет срок службы свинцово-кислотной батареи , равный 10 годам. И когда он работает при 33 0 C, срок его службы составляет всего 5 лет.

Применение свинцово-кислотных аккумуляторов

  • Они используются в аварийном освещении для обеспечения питания отстойных насосов.
  • Используется в электродвигателях
  • Подводные лодки
  • Атомные подводные лодки

В этой статье объясняется принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов, их типы, срок службы, конструкция, химические реакции и области применения. Кроме того, знаете, каковы преимущества свинцово-кислотных аккумуляторов и недостатки в различных областях?

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 аккумуляторов . Мы также узнаем о характеристиках зарядки / разрядки, требованиях и безопасности свинцово-кислотных аккумуляторов.

Конструкция свинцово-кислотной батареи

Что такое свинцово-кислотный аккумулятор? Если мы сломаем название Свинцово-кислотная батарея, мы получим Свинцовая, Кислотная и Батарея . 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.Так, аккумулятор, состоящий 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. Одноэлементный магазин обычно 2,1 В. По этой причине свинцово-кислотная батарея 12 В состоит из 6 ячеек и обеспечивает 6 x 2,1 В / элемент = 12.Обычно 6В.

Теперь, , каков объем зарядного накопителя?

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-часов. Мы опишем это в следующем разделе.

Работа свинцово-кислотной батареи

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

Батарея имеет два состояния химической реакции: Зарядка и Разрядка .

Свинцово-кислотная батарея Зарядка

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

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

Ну, те же химические реакции, которые мы описали ранее.В частности, когда аккумулятор соединен с зарядным устройством, молекулы серной кислоты распадаются на два иона: положительные ионы 2H + и отрицательные ионы SO 4 -. Водород обменивается электронами с катодом и становится водородом, этот водород реагирует с PbSO 4 на катоде и образует серную кислоту (H 2 SO 4 ) и свинец (Pb). С другой стороны, SO 4 - обмениваются электронами с анодом и 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 от 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 20А питающего тока нагрузки в течение 8 часов 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.

Не следует увеличивать или обеспечивать большой зарядный ток , так как это приведет к выделению тепла и повышенному газообразованию.

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 технология »Электроника

Как работает свинцово-кислотная аккумуляторная батарея - ознакомьтесь с технологией, принципом действия, преимуществами и конструкцией свинцово-кислотной аккумуляторной батареи.


Технология аккумуляторов Включает:
Обзор технологии аккумуляторов Определения и термины батареи NiCad NiMH Литий-ионный Свинцово-кислотные


Свинцово-кислотные батареи дешевы, удобны и подходят для многих применений, связанных с батарейным питанием.Они, вероятно, наиболее известны своим использованием в транспортных средствах, где они обеспечивают питание для всего, от запуска до электроники и многого другого.

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи имеют много преимуществ для автомобильной и многих других областей применения: они обладают большим током и устойчивостью к скачкам напряжения, что идеально при использовании для запуска двигателей внутреннего сгорания.

Свинцово-кислотные батареи - это хорошо зарекомендовавшая себя технология, и их можно легко производить с использованием относительно низкотехнологичного оборудования.

Основы свинцово-кислотных аккумуляторов

: как они работают

При рассмотрении того, как работает свинцово-кислотная аккумуляторная батарея, необходимо обратить внимание на основные компоненты. Батарея состоит из сравнительно небольшого количества компонентов - по сути, есть четыре основных элемента:

  • Положительная пластина: Покрыта пастой из диоксида свинца.
  • Отрицательная пластина: Изготовлена ​​из губчатого свинца.
  • Разделитель: Это изолирующий материал между двумя пластинами, но он позволяет электролиту и ионам в нем проводить проводимость без соприкосновения двух пластин.
  • Электролит: Состоит из воды и серной кислоты

Все эти компоненты содержатся в пластиковом контейнере, который удерживает электролит и аккумулятор вместе.

Батарея в целом обычно состоит из нескольких последовательно соединенных ячеек, обеспечивающих необходимое напряжение, поскольку каждая ячейка способна обеспечивать ЭДС 2,1 вольт.

Чтобы основной свинцово-кислотный элемент мог вырабатывать напряжение, он должен сначала получить заряд.Приложенное для этого напряжение должно быть больше 2,1 вольт, чтобы ток мог протекать в ячейку. Если бы оно было меньше этого, заряд действительно вытекал бы из него.

После зарядки элемент или батарея могут обеспечивать заряд внешних цепей, часто работая в течение нескольких часов в зависимости от разряда элемента или батареи.

Саморазряд свинцово-кислотных аккумуляторов

Характеристики саморазряда свинцово-кислотных аккумуляторов относительно хорошие.При комнатной температуре 20 ° C скорость саморазряда составляет около 3% в месяц> Теоретически свинцово-кислотный аккумулятор может храниться до 12 месяцев без подзарядки. Однако при более высоких температурах саморазряд выше. При 30 ° C саморазряд увеличивается, и через 6 месяцев потребуется подзарядка. Если в течение некоторого времени уровень заряда батареи упадет ниже 60%, это приведет к сульфатации.

Сульфатирование - это процесс, снижающий емкость свинцово-кислотных аккумуляторов. При нормальном использовании образуются маленькие кристаллы сульфата, но они нормальны и не вредны.Однако во время длительного отсутствия заряда аморфный сульфат свинца превращается в стабильный кристалл и осаждается на отрицательных пластинах. Это приводит к развитию крупных кристаллов, которые уменьшают количество активного материала внутри ячейки и приводят к уменьшению емкости внутри ячейки.

Преимущества и недостатки свинцово-кислотных аккумуляторов

Хотя свинцово-кислотные батареи широко используются, поскольку они имеют ряд явных преимуществ, они также имеют несколько основных недостатков.Все это необходимо учитывать при принятии решения о том, использовать эту технологию или нет.

Преимущества свинцово-кислотных аккумуляторов

  • Зрелые технологии
  • Относительно дешево в производстве и покупке (они обеспечивают самую низкую стоимость единицы емкости для перезаряжаемых элементов)
  • Большой ток
  • Может использоваться в различных областях применения
  • Терпимость к жестокому обращению
  • Допускается перезарядка
  • Доступен широкий диапазон размеров и спецификаций
  • Многие производители по всему миру

Свинцово-кислотный аккумулятор Недостатки

  • Выход из строя через несколько лет Срок службы обычно 300-500 циклов
  • Не всегда можно использовать в различных ориентациях
  • Едкий электролит (может вызвать ожоги людей и коррозию металлоконструкций)
  • Свинец не является экологически чистым
  • Кислота требует осторожного обращения
  • Не подходит для быстрой зарядки
  • После введения электролита необходимо хранить в заряженном состоянии
  • Типичная эффективность зарядки только около 70%

Свинцово-кислотная батарея очень хорошо зарекомендовала себя.Он используется более 150 лет и в настоящее время является одной из опор автомобильной промышленности. Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея отличается высокой токовой нагрузкой, низкой стоимостью и устойчивостью к неправильному обращению. Это делает его идеальным для многих приложений. Однако с переходом к более экологически чистым источникам энергии за электромобилями теперь, похоже, будущее, а производители и законодательство указывают на постепенный отказ от двигателей внутреннего сгорания. Для электромобилей литий-ионная технология обеспечивает лучшую производительность, они более экологически приемлемы и обладают производительностью, позволяющей электромобилям добиться успеха.Таким образом, свинцово-кислотные батареи, вероятно, будут использоваться значительно реже.

Другие электронные компоненты:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты». . .

Вентиляционный колпачок рекомбинации для свинцово-кислотных аккумуляторов

Вентиляционный колпачок рекомбинации для свинцово-кислотных аккумуляторов | Аккумулятор SBS

Магазин не будет работать корректно, если куки отключены.

Похоже, в вашем браузере отключен JavaScript. Для наилучшего взаимодействия с нашим сайтом обязательно включите Javascript в своем браузере.

Рекомбинационные вентиляционные колпачки для стационарных залитых аккумуляторных батарей

Производство этого продукта прекращено.Посетите страницу вентиляционных колпачков с двунаправленной рекомбинацией стационарных батарей для получения сопоставимой информации о продукте.

Значительно сокращает / устраняет интервалы полива и повышает безопасность в плохо вентилируемых помещениях

Принцип работы

При эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторов происходит электролиз воды. В ходе этого процесса естественным образом образуются водород и кислород, и эти газы могут накапливаться и становиться взрывоопасными. Электролиз также снижает количество воды в электролите, что, в свою очередь, требует более частого полива батареи, что увеличивает требования к техническому обслуживанию.

Вентиляционные колпачки с рекомбинацией экспоненциальной мощности помогают предотвратить утечку газов, образующихся при электролизе. Внутри крышки находится катализатор (редкоземельный элемент), который реагирует с водородом и кислородом и превращает газы в пар. Это экзотермический процесс, и во время этого процесса рекомбинации выделяется тепло.

Когда батарея перестанет выделять газ и крышка остынет, водяной пар конденсируется на стенках пробки и будет течь обратно в батарею, таким образом, 98% газовой смеси водорода и кислорода, образующейся во время зарядки, будет рекомбинировано и преобразовано обратно в воду.Этот процесс эффективно предотвращает попадание газов из аккумулятора в атмосферу.

Вентиляционные колпачки с рекомбинацией экспоненциальной мощности значительно повышают безопасность, предотвращая (при нормальных условиях) поток газа в непосредственное окружение и устраняя риск возгорания, а также снижая потребность в доливке воды.

Система экономична как с точки зрения установки, так и с точки зрения обслуживания.

Характеристики

  • Уменьшает / отменяет полив батарей (интервал доливки 10–20 лет)
  • Снижение затрат на техобслуживание и уход
  • Повышает безопасность, поскольку взрывоопасные газы не выходят из ячейки при нормальной работе
  • Защищает от воспоминаний
  • Срок службы 20 лет
  • Работает со свинцово-кислотными или никель-кадмиевыми батареями

Ресурсы

- Спецификация системы рекомбинации

Приложения

  • Распределительное устройство / подстанции
  • Энергетика
  • СВЧ-реле
  • Телекоммуникации
  • Солнечная / фотоэлектрическая
  • Нефть и газ

Сопутствующие товары

Аккумуляторы стационарные заливные STT (OPzS)

Авторские права © 2021-настоящее время Exponential Power - -

Аккумулятор как источник питания

Существуют разные типы аккумуляторных батарей.Самый распространенный тип - это свинцово-кислотные аккумуляторы. Менее известна никель-кадмиевая (NiCad) батарея, которую до сих пор можно встретить в старых системах аварийного электроснабжения. Из-за высокого напряжения заряда, необходимого для никель-кадмиевых аккумуляторов, и того факта, что они очень вредны для окружающей среды, эти аккумуляторы не подходят для использования на борту судна или автомобиля / грузовика.

Принцип работы свинцово-кислотной батареи

Батарея - это устройство, которое хранит электроэнергию в форме химической энергии.При необходимости энергия снова высвобождается в виде электроэнергии для потребителей постоянного тока, таких как осветительные приборы и стартеры. Батарея состоит из нескольких гальванических ячеек с напряжением 2 вольта каждый. В 12-вольтовой батарее шесть ячеек соединены последовательно и помещены в один корпус. Для достижения 24 В последовательно соединены две 12-вольтовые батареи. Каждая ячейка имеет положительные окисленные свинцовые пластины и отрицательные свинцовые металлические пластины, а также электролит, состоящий из воды и серной кислоты. Во время разряда оксид свинца на свинцовых пластинах превращается в свинец.Содержание кислоты уменьшается, поскольку для этого процесса требуется серная кислота.

Для подзарядки аккумулятора необходимо подключить внешний источник питания - например, зарядное устройство, генератор или солнечную панель - с напряжением около 2,4 В на элемент. Затем сульфат свинца снова превратится в свинец и оксид свинца, и содержание серной кислоты возрастет. Для напряжения заряда установлены ограничения для предотвращения выделения чрезмерного количества водорода. Напряжение заряда более 2.Например, 4 В на элемент выделяет много газообразного водорода, который может образовывать взрывоопасную смесь с кислородом воздуха.

Верхний предел напряжения заряда для батареи 12 В составляет 14,4 В, а соответствующее значение для батареи 24 В составляет 28,8 В при 20 ° C. Взаимосвязь между степенью заряда аккумулятора и удельным весом смеси вода / серная кислота выглядит следующим образом:


Батареи разных типов - по толщине и количеству пластин на элемент - соответствуют разным приложениям.Максимальный ток, который может подаваться, определяется общей поверхностью пластины. Количество раз, которое можно разряжать и заряжать аккумулятор - количество циклов - зависит от толщины пластин. Батарея может состоять из множества тонких пластин или нескольких толстых.

Стартерная аккумуляторная батарея

Стартерная батарея имеет много тонких пластин на элемент, что приводит к большой общей поверхности пластин. Таким образом, этот тип батареи подходит для передачи высокого уровня тока в течение короткого периода времени.Количество раз, когда стартерная аккумуляторная батарея может быть сильно разряжена, ограничено примерно 50-80 раз. Но поскольку запуск двигателя использует только небольшую часть запасенной энергии (около 0,01%), батареи хватает на многие годы. Этот тип батареи обычно не подходит для циклического использования.

Литий-ионный аккумулятор

До недавнего времени литий-ионные батареи были в основном доступны в виде заряжаемых батарей небольшой емкости, что сделало их популярными для использования в мобильных телефонах и ноутбуках.Mastervolt предлагает литий-ионные батареи большой емкости. Наши литий-ионные батареи обладают высокой плотностью энергии и идеально подходят для циклических приложений. По сравнению с традиционными свинцово-кислотными аккумуляторами литий-ионные аккумуляторы обеспечивают экономию до 70% по объему и весу, а количество циклов зарядки в три раза выше, чем у полутяговых свинцово-кислотных аккумуляторов. Дополнительным преимуществом является то, что литий-ионные батареи могут обеспечивать постоянную емкость независимо от подключенной нагрузки. Доступная емкость свинцово-кислотного аккумулятора уменьшается при более высоких токах разряда.Литий-ионные батареи могут быть разряжены до 80% без ущерба для их срока службы, тогда как свинцово-кислотные батареи более подвержены глубокому разряду.

Длится дольше

По сравнению с традиционными открытыми или свинцово-кислотными аккумуляторами литий-ионные аккумуляторы предлагают еще больше преимуществ, таких как гораздо большая удельная мощность и более длительный срок службы. А поскольку литий - самый легкий металл, литий-ионные батареи также более легкие. Их также можно заряжать в любое время, в то время как никель-кадмиевые батареи требуют полной разрядки для оптимальной работы и предотвращения эффекта памяти.Кроме того, литий-ионные батареи можно заряжать очень высоким током, до 100% емкости, что обеспечивает очень короткое время зарядки и отсутствие эффекта памяти.

Система управления батареями

Литий-ионные батареи

Mastervolt оснащены системой управления батареями. Система сохраняет все отдельные ячейки идеально сбалансированными, что приводит к увеличению емкости и увеличению срока службы.

Де полутяговый аккумулятор

Полутяговая батарея имеет меньшее количество, но более толстые пластины в каждой ячейке.Эти батареи обеспечивают относительно более низкий пусковой ток, но могут разряжаться чаще и в большей степени (от 200 до 600 полных циклов). Этот тип батареи очень подходит для совместной работы стартерной и служебной батареи.

Залитая тяговая батарея

(Mastervolt не имеет в своем портфеле аккумуляторов этого типа)

У этого типа батарей еще меньше, но очень толстых, плоских или цилиндрических пластин. Следовательно, его можно разряжать много раз и достаточно полностью (1000-1500 полных циклов).Вот почему залитые тяговые батареи часто используются в вилочных погрузчиках и небольшом электрическом оборудовании, таком как промышленные очистительные машины. Но затопленные тяговые батареи требуют особого метода зарядки. Поскольку эти батареи в основном высокие, они чувствительны к накоплению серной кислоты на дне аккумуляторного контейнера. Это явление называется расслоением и возникает из-за того, что серная кислота плотнее воды. Содержание кислоты увеличивается в нижней части батареи, местами усиливая коррозию пластин, и уменьшается в верхней части, снижая емкость.

Аккумулятор разряжается неравномерно, что значительно сокращает срок его службы. Для того, чтобы снова равномерно распределить кислоту, аккумулятор необходимо целенаправленно перегрузить из-за чрезмерного напряжения.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *