Опубликовано

Принцип работы аккумулятора

Свинцово-кислотный аккумулятор

Схема свинцово-кислотного аккумулятора при зарядке (слева) и при подключении потребителя электрического тока Схема расположения электродов в свинцово-кислотном аккумуляторе, пластины катода и анода располагаются попеременно с прослойкой изолятора и объединяется каждый токонесущей полоской в выводы аккумулятора Строение свинцово-кислотного аккумулятора: слева — пластины положительного электрода, изолятора из стекловаты, отрицательного электрода; справа — аккумулятор в сборе (извлечён из корпуса с электролитом). Пластины электродов представляют собой свинцовую (чаще сплав свинца и сурьмы для повышения механической прочности) решётку, ячейки которой заполнены сульфатом свинца со связующим материалом, токонесущие полосы и выводы аккумулятора изготовлены из свинца Варианты электрода свинцово-кислотного аккумулятора Свинцово-кислотный аккумулятор в сборе См. также: Автомобильный аккумулятор

Свинцо́во-кисло́тный аккумуля́тор — тип аккумуляторов, получивший широкое распространение ввиду умеренной цены, неплохого ресурса (от 500 циклов и более), высокой удельной мощности. Основные области применения: стартерные аккумуляторные батареи в транспортных средствах, аварийные источники электроэнергии, резервные источники энергии. Строго говоря, аккумулятором называется один элемент аккумуляторной батареи, но в просторечии «аккумулятором» называют аккумуляторную батарею (сколько бы в ней не было элементов).

Принцип действия

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

При подключении к электродам аккумулятора внешней нагрузки начинается электрохимическая реакция взаимодействия оксида свинца и серной кислоты, при этом металлический свинец окисляется до сульфата свинца (в классическом варианте аккумулятора). Проведенные в СССР исследования показали, что при разряде аккумулятора протекает как минимум ~60 различных реакций, порядка 20 из которых протекают без участия кислоты электролита.

Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на катоде и окисление свинца на аноде. При заряде протекают обратные реакции. При перезаряде аккумулятора, после исчерпания сульфата свинца, начинается электролиз воды, при этом на аноде (положительный электрод) выделяется кислород, а на катоде — водород.

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

  • Реакции на катоде:

P b O 2 + S O 4 2 − + 4 H + + 2 e − ⇆ P b S O 4 + 2 H 2 O {\displaystyle PbO_{2}+SO_{4}^{2-}+4H^{+}+2e^{-}\leftrightarrows PbSO_{4}+2H_{2}O}

  • Реакции на аноде:

P b + S O 4 2 − − 2 e − ⇆ P b S O 4 {\displaystyle Pb+SO_{4}^{2-}-2e^{-}\leftrightarrows PbSO_{4}}

При разряде аккумулятора из электролита расходуется серная кислота и выделяется относительно более лёгкая вода, плотность электролита падает. При заряде происходит обратный процесс. В конце заряда, когда количество сульфата свинца на электродах снижается ниже некоторого критического значения, начинает преобладать процесс электролиза воды. Газообразные водород и кислород выделяются из электролита в виде пузырьков — так называемое «кипение» при перезаряде. Это нежелательное явление, при заряде его следует по возможности избегать, так как при этом вода необратимо расходуется, нарастает плотность электролита и есть риск взрыва образующихся газов. Поэтому большинство зарядных устройств снижает зарядный ток при повышении напряжения аккумулятора. Потери воды восполняют доливкой в аккумуляторы дистиллированной воды при обслуживании аккумуляторной батареи (некоторые автомобильные батареи не имеют открывающихся/отвинчивающихся пробок).

Устройство

Элемент свинцово-кислотного аккумулятора состоит из электродов и разделительных пористых пластин, изготовленных из материала, не взаимодействующего с кислотой, препятствующих замыканию электродов (сепараторов), которые погружены в электролит. Электроды представляют собой плоские решётки из металлического свинца. В ячейки этих решёток запрессованы порошки диоксида свинца (PbO2) — в анодных пластинах и металлического свинца — в катодных пластинах. Применение порошков увеличивает поверхность раздела электролит — твердое вещество, тем самым увеличивает электрическую ёмкость аккумулятора.

Электроды вместе с сепараторами погружены в электролит, представляющий собой водный раствор серной кислоты. Для приготовления раствора кислоты применяют дистиллированную воду.

Электрическая проводимость электролита зависит от концентрации серной кислоты и при комнатной температуре максимальна при массовой доле кислоты 35%, что соответствует плотности электролита 1,26 г/см³. Чем больше проводимость электролита, тем меньше внутреннее сопротивление аккумулятора, и, соответственно, ниже потери энергии на нём. Однако, на практике в районах с холодным климатом применяются и более высокие концентрации серной кислоты, до 1,29−1,31 г/см³, это связано с тем, что при снижении концентрации из-за разряда электролит может замёрзнуть, а при замерзании образуется лёд, который может разорвать банки аккумулятора и повреждает губчатый материал пластин.

Существуют экспериментальные разработки аккумуляторов, где свинцовые решетки заменяют пластинами из переплетённых нитей углеродного волокна, покрытых тонкой свинцовой пленкой. При этом используется меньшее количество свинца, распределённого по большой площади, что позволяет изготовить аккумулятор не только компактным и лёгким, при прочих равных параметрах, но и значительно более эффективным — помимо большего КПД, заряжается значительно быстрее традиционных аккумуляторов.

В аккумуляторах, применяемых в бытовых ИБП, систем охранной сигнализации и др. жидкий электролит загущают водным щелочным раствором силикатов натрия (Na2Si2O4) до пастообразного состояния. Это так называемые гелевые аккумуляторы (GEL), имеющие длительный ресурс. Другой вариант исполнения − с пористыми сепараторами из стеклоткани (AGM), допускающими более жёсткие режимы заряда.

Применение

Чаще всего свинцово-кислотные аккумуляторы применяются в составе аккумуляторной батареи с номинальным напряжением 6, 12 вольт, реже с другим кратным 2 напряжением. Промышленностью выпускаются варианты обслуживаемых (заливание электролита, дистиллированной воды, контроль плотности электролита, его замена) и не обслуживаемых в герметичном корпусе (исключается проливание электролита при изменений положения, переворачиваний) аккумуляторных батарей. Обслуживаемые аккумуляторные батареи могут выпускаться сухозаряженными (без залитого электролита), что увеличивает их срок хранения и не требует периодического обслуживания при хранении, заливка производится перед вводом в эксплуатацию.

  • Герметичная не обслуживаемая свинцово-кислотная аккумуляторная батарея напряжением 12 В и ёмкостью 4,5 А·ч бытовой электротехники

  • Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи напряжением 8 В и ёмкостью 3,5 А·ч ИБП

  • Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея напряжением 12 В и ёмкостью 7 А·ч и бытовой источник бесперебойного электропитания в котором он применяется

  • Вариант обслуживаемой свинцово-кислотной аккумуляторной батареи для автомототракторной техники в эбонитовом корпусе, в подобных батареях была даже возможность заменить отдельный вышедший из строя аккумулятор

  • Вариант не обслуживаемой свинцово-кислотной аккумуляторной батареи для автомототракторной техники, нет доступа к заливным горловинам банок аккумуляторов

  • Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи электромобиля tZero

  • Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи подводной лодки

Эксплуатация

Ареометр может быть использован для проверки плотности электролита в каждом отдельном элементе Семипоплавковый индикаторный ареометр для оценки плотности электролита в автомобильных аккумуляторах

При эксплуатации «обслуживаемых» аккумуляторов (с открываемыми пробками на банках) на автомобиле при движении по неровной дороге неизбежно происходит просачивание электролита из-под пробок на корпус аккумулятора. Через электропроводную не высыхающую, из-за гигроскопичности, пленку электролита происходит постепенный саморазряд аккумулятора. Во избежание глубокого саморазряда необходимо периодически нейтрализовать электролит протиранием корпуса аккумулятора, например, слабым раствором пищевой соды или разведенным в воде до консистенции жидкой сметаны хозяйственным мылом. Кроме того, особенно в жаркую погоду, происходит испарение воды из электролита; также количество воды в электролите уменьшается при перезаряде аккумулятора за счёт её электролиза. Потеря воды увеличивает плотность электролита, увеличивая напряжение на аккумуляторе. При существенной потере воды могут оголиться пластины, что одновременно увеличивает саморазряд и вызывает сульфатацию батареи. Поэтому необходимо следить за уровнем электролита и при необходимости доливать дистиллированную воду.

Эти меры вместе с проверкой автомобиля на паразитную утечку тока в его электрооборудовании и периодической подзарядкой аккумулятора могут существенно продлить срок эксплуатации аккумуляторной батареи.

Работа свинцово-кислотного аккумулятора при низких температурах

По мере снижения окружающей температуры параметры аккумулятора ухудшаются, однако, в отличие от прочих типов аккумуляторов, у свинцово-кислотных аккумуляторов это снижение относительно мало, что и обуславливает их широкое применение на транспорте. Эмпирически считается, что свинцово-кислотный аккумулятор теряет ~1 % отдаваемой ёмкости при снижении температуры на каждый градус от +20 °C. То есть, при температуре −30 °C свинцово-кислотный аккумулятор покажет примерно 50 % ёмкости.

Снижение ёмкости и токоотдачи при низких температурах обусловлено, в первую очередь, снижением скорости химических реакций (закон Аррениуса). Единственным способом повышения отдаваемой ёмкости является подогрев холодной батареи, как вариант — встроенным подогревателем (6СТ-190ТР-Н).

Разряженный аккумулятор в мороз может раздуться из-за замерзания электролита низкой плотности (близкой к 1,10 г/см3) и образования кристаллов льда, что приводит к необратимому повреждению свинцовых пластин внутри аккумулятора.

Низкие температуры электролита негативно влияют на работоспособность и зарядно-разрядные характеристики аккумулятора:

  • при температуре от 0 °C до −10 °C снижение зарядных и разрядных характеристик несущественно влияют на работоспособность аккумулятора;
  • при температуре от −10 °C до −20 °C происходит снижение тока в стартерном режиме и ухудшение заряда;
  • при температуре ниже −20 °C аккумуляторные батареи не обеспечивают надежного пуска двигателя и не способны принимать заряд от генератора.

Из-за большего внутреннего сопротивления, присущего современным аккумуляторам закрытого типа (т. н. «необслуживаемым», герметичным, герметизированным) при низких температурах по сравнению с обычными аккумуляторами (открытого типа), для них эти вопросы ещё более актуальны.

Для эксплуатации транспортных средств при очень низких температурах предназначены конструкции аккумулятора с внутренним электроподогревом.

Хранение

В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 19 мая 2016 года.
Статья или раздел содержит противоречия и не может быть понята однозначно. Следует разрешить эти противоречия, используя более точные авторитетные источники или корректнее их цитируя. На странице обсуждения должны быть подробности.

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

Слой грязи, солей и плёнки электролита на поверхности корпуса аккумулятора создаёт проводник для тока между электродами и приводит к саморазряду аккумулятора, при глубоком разряде начинается преждевременная сульфатация пластин, и поэтому поверхность аккумулятора необходимо поддерживать в чистоте. Хранение свинцово-кислотных аккумуляторов в разряженном состоянии приводит к быстрой потере их работоспособности.

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

При подготовке аккумуляторной батареи к зимнему хранению, что актуально для автомобилей не эксплуатируемых в холодное время года специалисты старейшей лаборатории НИИАЭ рекомендуют следующие действия:

1. Правильно и до конца зарядите аккумуляторную батарею. 2. Нанесите на положительный вывод АКБ пластичную смазку (литол, солидол и т. п.), так как плёнка электролита способна абсорбировать влагу из атмосферы, что может приводить к повышенному саморазряду. 3. Хранить аккумуляторы на холоде, так как при низких температурах саморазряд намного ниже. Электролит полностью заряженного аккумулятора начинает замерзать при температуре ниже −55 С.

В случае необходимости поездки в морозы следует перенести аккумулятор в отапливаемое помещение и в течение 7—9 часов (например, за ночь) он придёт в пригодное для пуска двигателя состояние.

Износ свинцово-кислотных аккумуляторов

При использовании технической серной кислоты и недистиллированной воды ускоряются саморазряд, сульфатация, разрушение пластин и уменьшение ёмкости аккумуляторной батареи.

При химических реакциях в аккумуляторе образуется плохо растворимое вещество — сульфит свинца PbSO3, осаждающийся на пластинах и создающий диэлектрический слой между электролитом и активной массой. Это один из факторов, снижающих срок службы свинцово-кислотной аккумуляторной батареи.

Основными процессами износа свинцово-кислотных аккумуляторов являются:

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

Хотя батарею, вышедшую из строя по причине физического разрушения пластин, в домашних условиях восстановить нельзя, в литературе описаны химические растворы и прочие способы, позволяющие «десульфатировать» пластины. Простой, но чреватый полным отказом аккумулятора способ предполагает использование раствора сульфата магния. Раствор сульфата магния заливается в секции, после чего батарею разряжают и заряжают несколько раз. Сульфат свинца и прочие остатки химической реакции осыпаются при этом на дно банок, это может привести к замыканию элемента, поэтому обработанные банки желательно промыть и заполнить новым электролитом номинальной плотности. Это позволяет несколько продлить срок использования устройства.

Примечания

  1. Bertrand Gille Histoire des techniques. — Gallimard, coll. «La Pléiade», 1978, ISBN 978-2070108817.
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 Свинцовые аккумуляторы. Эксплуатация: Правда и вымыслы.
  3. Н. Ламтев. Самодельные аккумуляторы. Москва: Государственное издательство по вопросам радио, 1936 год.
  4. Как отрыть автомобильный аккумулятор: делаем батарею обслуживаемой (рус.), AkkumulyatorAvto.ru (2 августа 2017). Дата обращения 12 августа 2018.
  5. Удельная электропроводность х водных растворов серной кислоты и температурный коэффициент аt. chemport.ru. Дата обращения 1 июля 2018.
  6. Концентрация и плотность серной кислоты. Зависимость плотности серной кислоты от концентрации в аккумуляторе автомобиля (рус.), FB.ru. Дата обращения 1 июля 2018.
  7. http://auto.lenta.ru/news/2006/12/19/battery/ Американцы облегчили и уменьшили аккумуляторы
  8. Аккумуляторы для бесперебойного питания. Статьи компании «ООО Новая система». aegmsk.ru. Дата обращения 12 августа 2018.
  9. 1 2 Свинцовый кислотный аккумулятор. Устройство и принцип действия аккумулятора.. www.eti.su. Дата обращения 1 июля 2018.
  10. Расчет идеального свинцового аккумулятора.
  11. .
  12. ГОСТ 26881-86 Методика проверки свинцовых аккумуляторов
  13. Краткий аналитический обзор существующих способов оценки ёмкости ХИТ и приборов, реализующих эти способы (недоступная ссылка). Дата обращения 21 октября 2011. Архивировано 4 марта 2016 года.
  14. ГОСТ Р 53165-2008: Батареи аккумуляторные свинцовые стартерные для автотракторной техники. Общие технические условия
  15. Руководство, 1983, с. 70.
  16. Железнодорожный транспорт. — 2011. № 12. — c.35.
  17. Руководство, 1983, с. 21-23.
  18. Вредные добавки к электролиту свинцовых аккумуляторов
  19. О противоречиях в теории работы свинцового кислотного аккумулятора к. т. н., проф. Кочуров А. А. Рязанский военный автомобильный институт Архивировано 20 сентября 2011 года.
  20. Отравление свинцом | ProfMedik Медицинский Портал (рус.) (неопр.) ?. profmedik.ru (22 февраля 2016). Дата обращения 4 февраля 2017.
  21. Кочуров. http://echemistry.ru/assets/files/books/hit/statya-o-protivorechiyah-v-teorii-raboty-svincovogo-kislotnogo-akkumulyatora.pdf. Новости. Первоуральск.Ru (17 июля 2014). Дата обращения 4 февраля 2017.

Назначение и особенности аккумуляторной батареи

АКБ – это устройство, которое может накапливать энергию и питать электрические устройства, не вырабатывающие ток самостоятельно.
Аккумуляторная батарея состоит из:

  • пластмассового или эбонитового корпуса;
  • заливной горловины и съемной пробки;
  • сепаратора;
  • пластин с разным потенциалом (отрицательной и положительной);
  • межэлементного соединения;
  • выводов со знаком «+» и «-«.

В случае автомобильного аккумулятора бывают обслуживаемые и необслуживаемые источники автономного питания. Аккумуляторы с напряжением в 12 Вт состоят из 6 соединенных между собой банок, которые находятся в одном корпусе. Если в автомобиле установлен необслуживаемый аккумулятор, то единственным способам подзарядки АКБ является подзарядка при помощи генератора во время работы двигателя.

В случае обслуживаемого аккумулятора в него можно подливать электролит (смесь дистиллированной воды и серной кислоты) для повышения его плотности или подзаряжать его при помощи зарядного устройства. Данный процесс предусматривает образование двуокиси свинца путем химической реакции воды и сульфата свинца. При этом существенно увеличивается плотность электролита. Если двигатель работает, то заряд (накопление емкости) АКБ происходит с использованием генератора. Специалисты рекомендуют осуществлять заряд аккумуляторной батареи при незначительном напряжении. Если осуществлять заряд АБ при высоком напряжении, то в результате можно получить огромное разложение воды, что снизит уровень электролита. Неправильное использование аккумуляторной батареи приведет к уменьшению срока использования.
Аккумуляторная батарея эксплуатируется в среднем в течении 3-5 лет в зависимости от условий эксплуатации. Если придерживаться оптимального режима работы такого устройства, то можно увеличить в несколько раз время его использования. Регулярно нужно следить, чтобы все баночки с жидкостью были заполнены до нужного уровня. Это позволит работать аккумулятору в обычном режиме, не перегружаясь и не разряжаясь.

Принцип работы аккумуляторной батареи автомобиля

В основе принципа работы АКБ лежит преобразование химической энергии в электрическую. Электроды взаимодействуют с электролитом, образуя в результате воду и сульфат свинца. Необходимо отметить, что в случае такого взаимодействия постепенно уменьшается плотность электролита и, соответственно, мощность аккумулятора.
Стоит отметить, что температура воздуха влияет на режим работы устройства: ее увеличение влияет на некоторое увеличение мощности батареи. Однако вместе с такими изменениями может увеличиться коррозия электродов и саморазряд. Если на улице минусовая температура воздуха, то можно прослеживать уменьшение разрядной емкости, уменьшение электролита и замедление химических процессов. Поэтому автомобилисты рекомендуют снимать АКБ во время длительной стоянки машины в условиях зимы.

Устройство и принцип работы аккумуляторной батареи

Виды АКБ. В наше время можно приобрести различные аккумуляторные батареи, которые отличаются между собой двумя признаками:

  • принципом действия;
  • конструкцией.

По химическому составу активного вещества АКБ бывают следующих видов:

  • серебряно-цинковые;
  • никель-кадмиевые;
  • свинцово-кислотные;
  • щелочные железо-никелевые аккумуляторы.

Все эти виды АКБ имеют разную степень использования. Так, например, популярными можно считать накопительные устройства, которые имеют свинцово-кислотные наполнители (автомобильные варианты аккумулятора). Устройства, использующие химическое взаимодействие железа и никеля, используются реже. Серебряно-цинковые аккумуляторы практически не используются. Это можно объяснить тем, что стоимость их довольно велика, а время использования незначительное. Различные аккумуляторы имеют разный принцип работы, время эксплуатации, емкость.
Важным параметром любой АКБ считается емкость. От такого показателя зависит потребление и отдача энергии. На аккумуляторах, которые предназначены для автомобилей, можно увидеть маркировку, которая указывает на емкость устройства. Она может быть представлена таким образом: 55, 60, 75 Ам*ч. Для телефонных батарей характерна такая емкость – 2000, 1500, 1000, 700 mAh (тысячные доли Ампера). Выбор аккумуляторной батареи необходимо осуществлять, исходя из потребляемого заряда или предполагаемой нагрузки устройства. При неправильном или длительном использовании АБК емкость может уменьшаться. Очень часто это прослеживается при длительном использовании аккумуляторной батареи в легковом автомобиле или же при неполной зарядке батареи, если речь идет про мобильный телефон.

Щелочные аккумуляторы и их использование

Аккумуляторы такого типа могут иметь различное наполнение:

  • никель + железо;
  • никель + кадмий.

В основе таких устройств имеется прямоугольный корпус, сделанный из качественной стали. Внешняя часть батареи для заряда имеет небольшой слой никеля. Внутри устройства есть отрицательные и положительные пластины, причем положительных пластин на одну единицу больше. Все пластины сделаны из стальных ламелей и по внешнему виду одинаковые. На них нанесен небольшой слой никеля. Внутри пластин имеется в небольшом объеме активная масса. Все пластины соединены между собой с помощью ребер. В щелочную АКБ электролит может заливаться только через специальное отверстие, имеющее клапан с целью выпуска излишков газов.

Если брать во внимание никель-кадмиевые батареи, то они практически ничем не отличаются от никель-железных автономных источников. Главным отличием считается наличие у них сепараторов, которые находятся между пластинами. Если все части аккумулятора работоспособны, то он будет использоваться достаточно долго. Данные устройства преобразовывают электрическую энергию в химическую. Если на клеммы такого устройства поступает ток, то в результате такого действия может произойти обратный процесс.

Принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора

Этот вид накопительного источника энергии можно отнести к самому популярному и востребованному, так как они используются практически на всех автомобилях. Он имеет несколько ячеек и электроды, которые представляют собой своеобразные свинцовые решетки с мелкой ячейкой. Решетки обоих полярностей в своей основе имеют разное содержание: диоксид свинца содержится в решетках со знаком «+», в минусовых решетках содержится свинец. Такие накопительные устройства устойчивы к морозам и относительно недорогие.

Принцип работы малогабаритных батарей

В различных устройствах имеются аккумуляторные батареи, которые отдают заряд. С помощью такого заряда другие устройства могут работать длительное время без осуществления подзарядки. К числу таких устройств можно отнести мобильные устройства. У них аккумулятор имеет небольшие размеры. Однако их емкость может быть разной. Банки таких аккумуляторов составляют обычные мягкие пакеты из пластика, которые заполнены литием. Этот химический состав похож по консистенции на сметану. Чтобы выполнить контрольное измерение такой батареи, необходимо использовать специальный прибор, который называется контроллер. Это небольших размеров электронная плата, которая подключается к зарядному устройству и определяет подачу заряда. У таких аккумуляторов нет клемм или контактов. Эту роль берет на себя коннектор, который состоит из многополюсного соединения. Принцип работы такого аккумулятора аналогичен обычным АКБ литий-ионного типа. Однако, их стоимость и габариты значительно меньше.

Правильный подход к выбору аккумуляторной батареи позволит подзаряжать другие устройства, необходимые человеку. Предварительно перед приобретением такого устройства, можно ознакомиться с его параметрами и работоспособностью в Интернете.

Механизм работы аккумулятора

Аккумуляторы — это химические источники тока с обрати­мым процессом: они могут отдавать энергию, преобразуя хими­ческую энергию в электрическую, или накапливать энергию, преобразуя электрическую энергию в химическую. Та­ким образом, аккумулятор попеременно то разряжается, отдавая электрическую энергию, то заряжается от какого-либо соответствующего источника постоянного тока.

Схема сборки аккумулятора.

Аккумуляторы, в зависимости от применяемого в них электро­лита, подразделяются на кислотные и щелочные. Кроме того, аккумуляторы различаются, в зависимости от материала электродов. Широкое применение имеют лишь свинцовые, кадмиево-никелевые, железо-никелевые и серебряно-цинковые акку­муляторы.

Емкость аккумулятора определяется количеством электри­чества qp, которое он может отдать при разряде в питаемую цепь.

Это количество электричества измеряется не в кулонах, а в более крупных единицах — ампер-часах (а-ч). 1 а-ч = 3600 кл. Но для заряда аккумулятора требуется большее количество электричества q3, чем отдаваемое при разряде. Отношение qp : q3 =ne называется отдачей аккумулятора по емкости.

Напряжение, необходимое для заряда аккумулятора, значи­тельно выше того напряжения на зажимах аккумулятора, при котором он отдает длительно разрядный ток.

Схема устройства аккумулятора.

Важной характеристикой аккумулятора являются его средние зарядное и разрядное напряжения.

Ясно, что из-за ряда потерь энергии аккумулятор отдает при разряде значительно меньшее количество энергии Wp, чем полу­чает при заряде. Отношение Wp : W3= n есть коэффициент полезного действия или отдача по энергии аккумулятора.

Наконец, весьма важной для характеристики аккумулятора величиной является его удельная э н е р г и я, т. е. количество энергии, отдаваемой при разряде, приходящееся на 1 кг веса аккумулятора. Особенно существенно, чтобы удельная энергия была возможно больше у нестационарных аккумуляторов, уста­навливаемых, например, на самолетах. В подобных случаях обычно она важнее, чем коэффициент полезного действия и от­дача по емкости.

Следует иметь в виду, что при медленном разряде процесс в аккумуляторе протекает равномерно во всей массе пластин, бла­годаря чему при длительном разряде малым током емкость акку­мулятора больше, чем при кратковременном разряде большим током. При быстром разряде процесс в массе пластин отстает от процесса на их поверхности, что вызывает внутренние токи и уменьшение отдачи.

Напряжение аккумулятора существенно изменяется во время разряда. Желательно, чтобы оно было возможно более постоян­ным. В расчетах обычно указывается среднее разрядное напря­жение Up. Но для заряда аккумулятора нужен источник тока, дающий значительно большее зарядное напряжение Uз (на 25— 40%). В противном случае невозможно зарядить аккумулятор полностью.

Схема литиево-кислородного аккумулятора.

Если напряжение одного аккумуляторного элемента недоста­точно для данной установки, то необходимое число аккумулятор­ных элементов соединяется последовательно. Конечно, последо­вательно соединять можно только аккумуляторы, рассчитанные на одну и ту же разрядную силу тока.

Если разрядный ток одного элемента недостаточен, то приме­няется параллельное соединение нескольких одинаковых элемен­тов.

Из числа кислотных аккумуляторов практическое значение имеют лишь свинцовые аккумуляторы. В них на положительном электроде активным веществом служит двуокись свинца РЬ02, на отрицательном электроде — губчатый свинец РЬ. Положительные пластины имеют бурый цвет, отрицатель­ные— серый, в качестве электролита применяется раствор сер­ной кислоты H2S04 с с удельным весом 1,18—1,29.

Химический процесс разряда и заряда свинцового аккумуля­тора относительно сложен. В основном он сводится к восстановлению свинца на положительном электроде и окислению губча­того свинца на отрицательном электроде в закисную соль серной кислоты. При этом образуется вода и, следовательно, плотность электролита уменьшается. При разря­де сначала напряжение аккумулятора быстро падает до 1,95 В, а затем медленно понижается до 1,8 В. После чего необходимо прекратить разряд.

При дальнейшем разряде имеет место необратимый процесс образования кристаллического сернокислого свинца PbS4. По­следний покрывает пластины белым налетом. Он обладает боль­шим удельным сопротивлением и почти не растворим в электро­лите. Слой сернокислого свинца увеличивает внутреннее сопро­тивление активной массы пластин. Такой процесс называется сульфатацией пластин.

При заряде аккумулятора процесс идет в обратном направ­лении: на отрицательном электроде восстанавливается металли­ческий свинец, а на положительном электроде свинец окисляется до двуокиси РЬ02. Ион S04 переходит в электролит, поэтому плотность серной кислоты при заряде увеличивается, следова­тельно, возрастает и удельный вес электролита. Для измерения удельного веса электролита применяется специальный арео­метр. По его показаниям можно ориентировочно судить, в какой мере аккумулятор заряжен. Среднее разрядное напряжение свинцового аккумулятора 1,98 В, а среднее зарядное напряжение 2,4 В.

Схема зарядки аккумулятора.

Внутреннее сопротивление rBн свинцовых аккумуляторов, бла­годаря малому расстоянию между пластинами и большой пло­щади их соприкосновения с электролитом, весьма мало: порядка тысячных долей ома у стационарных аккумуляторов и сотых до­лей у небольших переносных аккумуляторов.

Вследствие малого внутреннего сопротивления и относительно большого напряжения КПД этих аккумуляторов достигает 70— 80 %, а отдача — 0,85—0,95 %.

Однако из-за малого внутреннего сопротивления в свинцовых аккумуляторах при коротких замыканиях возникают токи очень большой силы, что приводит к короблению и распаду пластин.

Свинцовые аккумуляторы обладают рядом существенных не­достатков. Они тяжелы из-за большого веса свинца пластин, и их объем велик из-за значительного количества электролита, актив­но участвующего в процессе. В них неизбежен саморазряд внут­ренними паразитными электрическими токами с потерей заряда порядка 1 % в сутки. Наконец, они весьма чувствительны к толчкам и сотрясениям. Но их отдача и КПД значительно выше, чем у любых других аккумуляторов.

Из числа щелочных аккумуляторов широкое при­менение в настоящее время имеют кадмиево-никелевые, железо- никелевые и серебряно-цинковые. Во всех этих аккумуляторах электролитом служит щелочь — примерно двухпроцентный ра­створ едкого калия КОН или едкого натра NaOH. При заряде и разряде этот электролит почти не претерпевает изменений. Сле­довательно, от его количества емкость аккумулятора не зависит. Это дает возможность свести к минимуму количество электроли­та во всех щелочных аккумуляторах и таким путем существенно их облегчить.

Остовы положительной и отрицательной пластин этих акку­муляторов делаются из стальных никелированных рамок с пакетами для активной массы. Благодаря такой конструкции активная масса прочно удерживается в пластинах и не выпадает при толчках.

Схема устройства пластин свинцового аккумулятора.

В кадмиево-никелевом КН аккумуляторе ак­тивным веществом положительного электрода служат окислы никеля, смешанные для увеличения электропроводности с графи­том; активным веществом отрицательного электрода является губчатый металлический кадмий Cd. При разряде на положи­тельном электроде расходуется часть активного кислорода, со­держащегося в окислах никеля, а на отрицательном электроде окисляется металлический кадмий. При заряде обратно обога­щается кислородом положительный электрод: гидрат закиси никеля Ni(OH)2 переходит в гидрат окиси никеля Ni(OH)3. На отрицательном электроде гидрат закиси кадмия восстанавли­вается в чистый кадмий. Приближенно процесс в этом аккумуля­торе может быть выражен химической формулой:

разряд

2Ni (ОН)3 + 2КОН + Cd ??2Ni (ОН)2 + 2КОН + Cd (ОН)2.

заряд

Как показывает формула, из электролита при разряде выде­ляется частица (ОН)2 на отрицательной пластине и такая же частица переходит в электролит на положительной пластине. При заряде процесс идет в обратном направлении, но в обоих случаях электролит не изменяется.

Устройство железо-никелевого аккумулятора отличается лишь тем, что в нем в отрицательных пластинах кадмий заменен мелким порошком железа (Fe). Химический процесс этого аккумулятора можно просле­дить по вышеприведенному для кадмиево-никелевого аккумуля­тора уравнению путем замены Cd на Fe.

Применение железа вместо кадмия удешевляет аккумуля­тор, делает его более прочным механически и увеличивает срок его службы. Но с другой сторо­ны, у железо-никелевого акку­мулятора при том же примерно разрядном напряжении зарядное напряжение на 0,2 В выше, вследствие чего КПД этого аккумулятора ни­же, чем кадмиево-никелевого. Затем очень важным недостат­ком железо-никелевого аккуму­лятора является относительно быстрый саморазряд. У кадмиево-никелевого аккумулятора саморазряд мал, и поэтому ему отдается предпочтение в тех случаях, когда аккумулятор должен длительно находиться в заряженном со­стоянии, например для питания радиоустановок. Среднее разрядное напряже­ние обоих этих аккумуляторов равно 1,2 В.

Схема железоникелевого аккумулятора.

Герметически закрытые сосуды вышеописанных щелочных аккумуляторов выполняются из листовой никелированной стали. Болты, через которые пласти­ны аккумуляторов соединяются с внешней целью, пропускаются через отвер­стия в крышке сосуда, причем болт, с которым соединены отрицательные пла­стины, тщательно изолирован от стального корпуса; но болт, соединенный с положительными пластинами, от корпуса не изолируется.

Внутреннее сопротивление щелочных аккумуляторов значи­тельно больше, чем кислотных, благодаря этому они лучше пере­носят короткие замыкания. Но по той же причине КПД щелоч­ных аккумуляторов (порядка 45%) значительно ниже, чем кис­лотных, также существенно меньше их удельная энергия и отда­ча по емкости (0,65). Так как состояние электролита у щелочных аккумуляторов при работе не изменяется, то определить их степень заряженности по внешним признакам нельзя. Вследствие чего за зарядом приходится следить на основании их емкости и напряжения. При заряде нужно сообщить аккумулятору количество электричества It=q значительно большее, чем его емкость, примерно в 1,5 раза. Например, аккумулятор емкостью 100 а-ч желательно заряжать током силой в 10 а в течение 15 час.

http://fazaa.ru/www.youtube.com/watch?v=DuZSNfTNDyg

Серебряно-цинковые аккумуляторы являются новей­шими из числа современных аккумуляторов. Электролитом в них служит вод­ный раствор едкого калия КОН с удельным весом 1,4, с активным веществом положительного электрода (окисью серебра Ag20) и отрицательного электро­да (цинком Zn). Электроды изготавливаются в виде пористых пластин и отделяют­ся друг от друга пленочной перегородкой.

При разряде аккумулятора окись серебра восстанавливается до металли­ческого серебра, а металлический цинк окисляется до окиси цинка ZnO. Об­ратный процесс происходит при заряде аккумулятора. Основная химическая реакция выражается формулой

разряд

AgsO + КОН + Zn ?? 2Ag + КОН + ZnO.

заряд

http://fazaa.ru/www.youtube.com/watch?v=0jbnDTRtywE
Устойчивое разрядное напряжение составляет около 1,5 В. При небольших токах разряда это напряжение почти не изменяется в течение примерно 75— 80% времени работы аккумулятора. Затем оно довольно быстро падает, и при напряжении 1 в разряд следует прекращать.

Внутреннее сопротивление серебряно-цинковых аккумуляторов сущест­венно меньше, чем остальных щелочных аккумуляторов. При равной емкости первые значительно легче. Они удовлетворительно работают как при пониженной (—50° С), так и при повышенной ( + 75° С) температурах. Наконец, они допускают большие разрядные токи. Например, некоторые типы таких акку­муляторов можно разогреть током короткого замыкания в течение одной минуты.

Устройство батарейки несложное, но без нее трудно представить современную жизнь. Она применяется повсеместно во многих бытовых приборах. С данными источниками питания знакомы даже маленькие дети, ведь все электронные игрушки работают от них. А вот как работает батарейка и из чего она сделана, знают далеко не все.

Что ж, давайте рассмотрим принцип работы обычной батарейки.

Принцип работы

На прилавках магазинов представлено множество различных видов батареек. У них есть небольшие различия, но вот работают они все по одной схеме. Если есть старая батарейка, сделайте ее разбор, и вы увидите, какова ее анатомия.

Каждая из них имеет в своем строении несколько элементов, состоящих из:

  • положительного полюса – анода (цинк);
  • отрицательного полюса – катода (марганец);
  • электролита – сухого или жидкого.

Вот эти три компонента батарейки и определяют ее состав.

Принцип работы устройства такой: происходит поступление электрического тока с положительного заряда (анода) на отрицательный (катод). При этом важно помнить, что необходимо присутствие нагрузки: лампочки, двигателя, диода или какого-либо иного элемента. Отсутствие нагрузки во время соединения «плюса» с «минусом» грозит коротким замыканием.

Катоды выступают восстановителем. Они получают электроны от поступившего анода. Электролит представляет собой среду для передвижения ионов, образовавшихся в результате химических реакций.

В процессе эксплуатации аккумуляторов постоянно образуются определенные вещества, аноды же в ходе работы элемента приходят в негодность, разрушаются, окисляются. Таким образом источник питания садится.

Многих интересует вопрос: «А возможно ли его заряжать?» Все, что происходит в батарейках – необратимо. Поэтому гальванические элементы не заряжаются. Но с помощью достижений науки есть возможность возвратить изначальное состояние элементам. Для этого необходимо пропустить электрический ток в противоположную сторону, то есть от катода к аноду. Такие источники питания получили название аккумулятора, а сам процесс мы видим на примере обычной зарядки.

Но вот традиционные устройства с помощью этой рецептуры зарядить нельзя. Они не подходят для повторного использования, так как это чревато взрывом или течью химических элементов из корпуса.

Какими бывают батарейки

Существует несколько типов элементов. В большинстве своем они солевые или щелочные. Жидкими не пользуются, потому что при переворачивании они выходят из строя. Слишком текучий электролит загущают.

Батарейки, в зависимости от состава, могут быть таких видов:

  • солевые элементы с угольно-цинковыми и марганцево-цинковыми компонентами;
  • щелочные (или алкалиновые);
  • литиевые.

Помимо специфического состава, эти источники тока отличаются своими параметрами и объемом заряда.

Теперь вы знаете, каким характеристикам соответствует работа гальванического элемента. Если хотите все увидеть наглядно, разберите старую батарейку из сухих элементов и изучите ее устройство.

Своё название щелочные аккумуляторы получили от вида электролита, необходимого для их работы. Основными разновидностями электролита, используемыми в щелочных аккумуляторах, являются едкий калий (КОН) и едкий натрий (NaOH). При сравнении щелочных аккумуляторов с кислотными батареями, очевидно, что аккумуляторы, работающие на электролите, имеют некоторые преимущества. Однако недостатки у них также существуют. Особенности работы щелочных аккумуляторов делают их незаменимыми в некоторых производственных отраслях.

Устройство щелочных аккумуляторов

Среди аккумуляторов, работающих при помощи щелочного раствора (электролита), наиболее часто используются два их вида – никель-кадмиевый и никель-металлогидридный. В каждом них положительный электрод состоит из гидроокиси никеля (NiOOH), с добавками графита и окиси бария. Каждая из добавок улучшает качество работы аккумулятора. Графит увеличивает электропроводность электрода, а окись бария увеличивает срок работы аккумулятора.

Массы отрицательных электродов каждого вида щелочного аккумулятора имеют различный состав. У металлогидридного аккумулятора отрицательный электрод изготовлен из порошкообразного железа и его окислов. В основной состав отрицательного электрода входит также сернистое железо и сернокислый никель. Если батарея никель-кадмиевая, то отрицательный электрод состоит из смеси порошков железа и кадмия.

В качестве электролита преимущественно используют раствор едкого калия (20 %), в который добавлен моногидрат лития, увеличивающий срок эксплуатации щёлочного аккумулятора. Необходимое количество – 20-30 г/литр раствора.

Химические процессы, происходящие при работе щелочного аккумулятора

При использовании щелочного аккумулятора, то есть, при его разряде, гидроокись никеля положительного электрода вступает в реакцию с ионами электролита. Результатом данной реакции становится образование Ni(OH)2 — гидрата закиси никеля

Одновременно подобный процесс происходит на отрицательном электроде, только на нём образуются гидраты окисей кадмия и железа. Разность потенциалов, составляющая около 1,45 вольта, обеспечивается протеканием тока по контурам внешней и внутренней сети. Таков принцип работы щелочного аккумулятора.

При зарядке щелочного аккумулятора происходит обратный химический процесс – при воздействии тока положительные электроды окисляются, превращая гидрат закиси никеля в гидроокись никеля. Отрицательный электрод при этом восстанавливается, в его массе образуется кадмий и железо.


Главная особенность этих процессов в том, что вещества, образующиеся в процессе электрохимических реакций, в реакцию друг с другом не вступают. Они практически не растворяются в электролите. Благодаря такому поведению веществ расход электролита отсутствует, а его плотность не изменяется.

Применение щёлочных аккумуляторов, их достоинства и недостатки.

Щёлочные аккумуляторы находят применение в устройствах систем аварийного электроснабжения, в оборудовании локомотивов и вагонов для пассажиров. Их используют в устройствах электропогрузчиков, электроинструментах и портативных электроинструментах. Телефоны и фотоаппараты также оборудуются щёлочными батареями. Правильно выбрать аккмуляторную батарею можно, протитав статью на нашем сайте.

Основными достоинствами батарей данной конструкции считают:

— Длительный срок службы;

— Небольшой вес;

— Небольшой саморазряд.

Существенным минусом щелочных аккумуляторов является небольшой КПД – всего 55%. Наличие эффекта памяти, приводящего к потере ёмкости.



Аккумулятор представляет собой устройство, которое накапливает энергию в химической форме при подключении к источнику постоянного тока, а затем отдает ее, преобразуя в электричество. Его используют многократно за счет способности к восстановлению и обратимости химических реакций. Разряжается – снова заряжают. Применяются аккумуляторы в качестве автономных и резервных источников питания для электротехнического оборудования и различных устройств.

Устройство аккумулятора

В автомобилях обычно применяют свинцово-кислотные аккумуляторы. Рассмотрим их устройство.

Все элементы располагаются в корпусе, который изготавливают из полипропилена. Корпус состоит из емкости, разделенной на шесть ячеек, и крышки, оснащенной дренажной системой для стравливания давления и отвода газа. На крышку выводится два полюса (клеммы) – положительный и отрицательный.

Содержимое каждой ячейки представляет собой пакет из 16 свинцовых пластин, полярность которых чередуется. Восемь положительных пластин, объединенных бареткой, являются плюсовым электродом (катодом), восемь отрицательных – минусовым (анодом). Каждый электрод выводится к соответствующей клемме аккумулятора.

Пакеты пластин в ячейках погружены в электролит – раствор серной кислоты и воды плотностью 1,28 г/см3.

Между пластинами электродов, для предотвращения замыкания, вставлены сепараторы – пористые пластины, которые не препятствуют циркуляции электролита и не взаимодействуют с ним.

Отдельная пластина электрода – это решетка из металлического свинца, в которую впрессован (намазан) реагент. Активная масса катода – диоксид свинца (PbO2), анода – губчатый свинец.

Принцип действия аккумуляторов

Принцип действия аккумулятора основан на образовании разности потенциалов между двумя электродами, погруженными электролит. При подключении нагрузки (электротехнических устройств) к клеммам аккумулятора в реакцию вступают электролит и активные элементы электродов. Происходит процесс перемещения электронов, который, по сути, и является электротоком.


При разряде аккумулятора (подключении нагрузки) губчатый свинец анода выделяет положительные двухвалентные ионы свинца в электролит. Избыточные электроны перемещаются по внешней замкнутой электрической цепи к катоду, где происходит восстановление четырехвалентных ионов свинца до двухвалентных.

При их соединении с отрицательными ионами серного остатка электролита, образуется сульфат свинца на обоих электродах.

Ионы кислорода от диоксида свинца катода и ионы водорода из электролита соединяются, образуя молекулы воды. Поэтому плотность электролита понижается.

При заряде происходят обратные реакции. Под воздействием внешнего напряжения ионы двухвалентного свинца положительного электрода отдают по два электрона и окисляются в четырехвалентные. Эти электроны движутся к аноду и нейтрализуют ионы двухвалентного свинца, восстанавливая губчатый свинец. На катоде, путем промежуточных реакций, снова образуется двуокись свинца.

Химические реакции в одной ячейке вырабатывают напряжение 2 В, поэтому на клеммах аккумулятора из 6 ячеек и получается 12 В.

Из видео Вы сможете более подробно узнать, как работает аккумулятор:

Читайте также, как правильно выбрать аккумулятор по емкости, особенности литий-ионных и никиль-кадмиевых аккмуляторов


Из чего состоит аккумуляторная батарея?

Автомобильная аккумуляторная батарея состоит из шести отдельных элементов, каждый из которых имеет положительные и отрицательные электроды, погруженные в электролит, и собранные в едином корпусе.

Электролит — это водный раствор серной кислоты. На срок службы аккумулятора и его характеристики существенно влияет качество серной кислоты и воды, из которых готовится электролит.

Электроды состоят из токоотвода (решетки) изготавливаемой из свинцовых сплавов. В состав сплавов входят компоненты, позволяющие сплаву иметь определенные литейные свойства, а также защищать его от коррозии. Состав сплава и форма решетки заметно влияют на характеристики аккумулятора. На эту решетку наносится активная масса (паста), изготавливаемая из свинцово-оксидного порошка. Состав и свойства пасты коренным образом определяют свойства аккумулятора (все равно как тесто определяет свойства пирога).

Сепаратор — разделитель разнополярных электродов друг от друга, является важным компонентом аккумулятора, он защищает электроды разной полярности от прямого замыкания между собой. Сепаратор с одной стороны должен быть отличным изолятором, с другой он должен минимально влиять на внутреннее сопротивление аккумулятора и обеспечивать свободный доступ ионам электролита к электродам.

Корпус аккумулятора или батареи (моноблок) должен соответствовать требованиям условий эксплуатации, не подвергаться воздействию агрессивной внутренней среды батареи, быть герметичным не только от внешней среды, но и между элементами внутри батареи.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *