Types de batteries d'énergie électrique
Les batteries font partie intégrante de tout système axé sur l'obtention types alternatifsénergie.
Les plus répandues à ce jour sont les batteries électrochimiques d'énergie électrique, dans lesquelles la conversion de l'énergie chimique en énergie électrique lorsque la batterie est déchargée se produit par une réaction chimique. Lors du chargement d’une batterie, la réaction chimique se produit dans le sens opposé.
En plus des batteries électrochimiques, l'électricité peut être stockée dans des condensateurs et des solénoïdes (inducteurs).
Dans un condensateur chargé, l'énergie est stockée sous forme d'énergie champ électrique diélectrique. Du fait que énergie spécifique, stockée par le condensateur est très faible (pratiquement de 10 à 400 J/kg), et la durée de stockage possible de l'énergie en raison de sa fuite est courte ; ce type d'accumulateur d'énergie n'est utilisé que dans les cas où il est nécessaire de transférer de l'électricité ; au consommateur dans un délai très court à à court terme son stockage.
Dans le solénoïde, l’énergie électrique est accumulée sous forme d’énergie de champ magnétique. Ce type de dispositif de stockage est donc appelé électromagnétique. Mais le temps de production d'énergie des batteries électromagnétiques n'est généralement pas mesuré en secondes, mais en fractions de seconde.
Le chargement de la batterie nécessite une source d'énergie externe et des pertes d'énergie peuvent survenir pendant le processus de chargement. Après la charge, la batterie peut rester dans un état prêt (dans un état chargé), mais même dans cet état, une partie de l'énergie peut être perdue en raison d'une dissipation aléatoire, d'une fuite, d'une autodécharge ou d'autres phénomènes similaires. Lorsque l’énergie est libérée de la batterie, des pertes d’énergie peuvent également se produire ; De plus, il est parfois impossible de récupérer toute l’énergie accumulée. Certaines batteries sont conçues pour conserver une certaine énergie résiduelle.
Caractéristiques de la batterie
La principale caractéristique d’une batterie est sa capacité électrique. L'unité de mesure de cette capacité est l'ampère-heure (Ah), une unité non systémique de mesure de la charge électrique.
Sur la base de la signification physique, 1 ampère-heure est charge électrique, qui traverse coupe transversale conducteur pendant une heure s'il y a un courant de 1 ampère. Théoriquement, une batterie chargée d'une capacité déclarée de 1 Ah est capable de fournir un courant de 1 ampère pendant une heure (ou, par exemple, 0,1 A pendant 10 heures, ou 10 A pendant 0,1 heure).
En pratique, la capacité de la batterie est calculée sur la base d'un cycle de décharge de 20 heures jusqu'à la tension finale, qui pour les batteries de voiture est de 10,8 V. Par exemple, l'inscription sur l'étiquette de la batterie « 55 Ah » signifie qu'elle est capable de délivrer une courant de 2,75 ampères pendant 20 heures, et la tension aux bornes ne descend pas en dessous de 10,8 V.
Un courant de décharge trop élevé entraîne une fourniture d'énergie moins efficace, ce qui réduit de manière non linéaire la durée de fonctionnement de la batterie à ce courant et peut entraîner une surchauffe.
Les fabricants de batteries indiquent parfois la capacité comme spécifications techniquesénergie stockée en Wh. Puisque 1 W = 1 A * 1 V, alors si l'énergie stockée est de 720 Wh, nous pouvons diviser cette valeur par la valeur de tension (disons 12 V) et obtenir la capacité en ampères-heures (dans notre exemple 720 Wh / 12 V = 60 Ah).
Batteries au plomb
À l'état chargé, l'anode (électrode négative) d'une telle batterie est constituée de plomb et la cathode (électrode positive) est constituée de dioxyde de plomb PbO2. Les deux électrodes sont rendues poreuses afin que la zone de contact avec l'électrolyte soit la plus grande possible. La conception des électrodes dépend de la fonction et de la capacité de la batterie et peut être très diverse.
Les réactions chimiques lors de la charge et de la décharge d'une batterie sont représentées par la formule
РbO2 + Рb + 2Н2SO4<—>2РbSO4 + H2О
Pour charger la batterie, il faut théoriquement une énergie spécifique de 167 W/kg. Le même nombre exprime donc sa limite théorique de capacité de stockage spécifique. Cependant, la capacité de stockage réelle est bien inférieure, de sorte que lorsqu'elle est déchargée, la batterie produit généralement une énergie électrique d'environ 30 W/kg. Les facteurs provoquant une diminution de la capacité de stockage sont clairement présentés sur la figure. 1. L'efficacité de la batterie (le rapport entre l'énergie reçue pendant la décharge et l'énergie consommée pendant la charge) est généralement comprise entre 70 % et 80 %.
Figure 1. Capacité de stockage spécifique théorique et réelle d'une batterie au plomb
Diverses mesures particulières (augmentation de la concentration d'acide à 39 %, utilisation de pièces structurelles en plastique et de pièces de connexion en cuivre, etc.) dernièrement il a été possible d'augmenter la capacité de stockage spécifique à 40 W h/kg et même légèrement plus.
Il résulte des données ci-dessus que la capacité de stockage spécifique d'une batterie au plomb (et aussi, comme nous le montrerons plus loin, d'autres types de batteries) est nettement inférieure à celle des cellules galvaniques primaires. Cependant, cet inconvénient est généralement compensé
- la possibilité de recharges multiples et, par conséquent, une réduction d'environ dix fois du coût de l'électricité obtenue à partir de la batterie,
- la possibilité de créer des batteries à très haute capacité énergétique (si nécessaire, par exemple jusqu'à 100 MWh).
Chaque cycle de charge-décharge s'accompagne de processus irréversibles sur les électrodes, notamment la lente accumulation de sulfate de plomb non réductible dans la masse des électrodes. Pour cette raison, à travers certain nombre(généralement environ 1 000) cycles, la batterie perd sa capacité à se charger normalement. Cela peut également se produire si la batterie n'est pas utilisée pendant une longue période, car le processus de décharge électrochimique (autodécharge lente) se produit dans la batterie même lorsqu'elle n'est pas connectée à un circuit électrique externe. Une batterie au plomb perd généralement entre 0,5 % et 1 % de sa charge par jour en raison de l'autodécharge. Pour compenser ce processus, les installations électriques utilisent une recharge constante à une tension assez stable (selon le type de batterie, à une tension de 2,15 V à 2,20 V).
Aux autres processus irréversible est l’électrolyse de l’eau (« ébullition » de la batterie), qui se produit à la fin du processus de charge. La perte d'eau peut être facilement compensée par un appoint, mais l'hydrogène libéré avec l'air peut conduire à la formation d'un mélange explosif dans la salle ou le compartiment des batteries. Une ventilation adéquate et adéquate doit être assurée pour éviter tout risque d'explosion.
Autres types de batteries
Au cours des 20 dernières années, des batteries au plomb hermétiquement fermées sont apparues, qui utilisent un électrolyte gélatineux plutôt que liquide. De telles batteries peuvent être installées dans n'importe quelle position et, de plus, étant donné qu'elles n'émettent pas d'hydrogène pendant la charge, elles peuvent être placées dans n'importe quelle pièce.
En plus des batteries au plomb, plus de 50 types de batteries basés sur divers systèmes électrochimiques sont produits. Les piles alcalines (avec un électrolyte sous forme de solution d'hydroxyde de potassium KOH) nickel-fer et nickel-cadmium sont assez souvent utilisées dans les centrales électriques, dont la force électromotrice est comprise entre 1,35 V et 1,45 V, et les la capacité de stockage est comprise entre 15 W h/kg et 45 W h/kg. Ils sont moins sensibles aux variations de température environnement et sont moins exigeants sur les conditions d’exploitation. Ils ont également une longue durée de vie (généralement de 1 000 à 4 000 cycles de charge-décharge), mais leur tension change pendant la décharge dans une plage plus large que les batteries au plomb, et leur efficacité est légèrement inférieure (de 50 % à 70 %).
Dans les batteries lithium-ion, l'anode est constituée de carbone contenant du carbure de lithium Li x C 6 à l'état chargé, et la cathode est constituée de lithium et d'oxyde de cobalt Li 1-x CoO 2. Des sels de lithium solides (LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4 ou autres) dissous dans un solvant organique liquide (par exemple l'éther) sont utilisés comme électrolyte. Un épaississant (par exemple des composés organosiliciés) est généralement ajouté à l'électrolyte, ce qui lui donne un aspect gélatineux. Les réactions électrochimiques lors de la décharge et de la charge consistent en la transition des ions lithium d'une électrode à l'autre et se déroulent selon la formule
Li x C 6 + Li 1-x CoO 2<—>C6 + LiCoO2
La forme externe des cellules de batterie lithium-ion peut être plate (semblable à des plaques quadrangulaires) ou cylindrique (avec des électrodes roulées). Des batteries sont également produites qui utilisent d'autres matériaux d'anode et de cathode. L'un des domaines importants Le développement est le développement de batteries à charge rapide.
Il existe de nombreux autres types de batteries (environ une centaine au total). Par exemple, dans les systèmes d'alimentation électrique des avions, où le poids de l'équipement doit être aussi faible que possible, on utilise des batteries argent-zinc d'une capacité de stockage spécifique d'une moyenne de 100 Wh/kg. La CEM la plus élevée (6,1 V) et la capacité de stockage spécifique la plus élevée (6 270 Wh/kg) se trouvent dans les batteries au lithium fluor, qui ne sont cependant pas encore produites en série.
Les cellules galvaniques primaires sont bien adaptées au fonctionnement à long terme et les batteries peuvent être utilisées à la fois long travail, et pour couvrir les charges à court terme et les chocs. Les condensateurs et les inductances sont principalement utilisés pour couvrir les charges pulsées et pour égaliser la puissance lors de changements rapides de charge. Pour égaliser la puissance fournie au réseau électrique par le vent et centrales solaires, des combinaisons de batteries avec des ultracondensateurs peuvent être utilisées.
Le champ d'application de certains dispositifs de stockage en termes de durée de charge et de puissance de sortie est caractérisé dans la Fig. 2.
À catégorie:
Équipement électrique des voitures
-
Processus chimiques dans la batterie
Dans une batterie chargée, la masse active des plaques positives est constituée de peroxyde de plomb brun foncé Pb02, et la masse active des plaques négatives est constituée de plomb spongieux Pb. gris. Dans le même temps, la densité de l'électrolyte, selon la période de l'année et la zone d'exploitation, varie de 1,25 à 1,31 g/cm3.
Lorsque la batterie est déchargée, la masse active des plaques négatives est convertie du plomb spongieux Pb en sulfate de plomb PbS04 avec un changement de couleur du gris au gris clair.
La masse active des plaques positives de la batterie est convertie du peroxyde de plomb PbO2 en sulfate de plomb PbS04 avec un changement de couleur du brun foncé au brun.
-
Le sulfate de plomb PbS04 est communément appelé sulfate de plomb.
En pratique, avec une décharge de batterie acceptable, pas plus de 40 à 50 % de la masse active des plaques participe aux réactions chimiques, car l'électrolyte en quantité requise n'atteint pas les couches profondes de la masse active en raison de sa porosité insuffisante. . Le dépôt de cristaux de PbS04 à la surface des parois des pores rétrécit et même obstrue les pores de la masse active, ce qui rend difficile la pénétration de l'électrolyte dans ses couches internes plus profondes. Dans cette optique, une partie de l’énergie chimique stockée sous forme de PbO2 et Pb dans couches internes la masse active n'entrera pas en contact avec l'électrolyte, ce qui réduira la capacité de chaque élément de la batterie.
Étant donné que pendant le processus de décharge, l'acide sulfurique est utilisé pour former du sulfate de plomb PbS04 avec libération simultanée d'eau H20, la densité de l'électrolyte diminue en conséquence de 1,25 - 1,31 à 1,09 - 1,15 g/cm3.
Ainsi, la densité de l'électrolyte à décharge à 100 % diminue de 0,16 g/cm3, donc, pendant la période de décharge de la batterie, une diminution de la densité de l'électrolyte de 0,01 g/cm3 correspond à une diminution de la capacité de la batterie de 6 %.
Le changement de densité de l'électrolyte est l'un des principaux indicateurs du degré de décharge de la batterie.
Pour charger la batterie, la batterie est connectée en parallèle à une source de courant continu (générateur, redresseur), dont la tension doit dépasser par ex. d.s. batterie rechargeable.
Lors du chargement, la masse active des plaques négatives passe progressivement du sulfate de plomb PbS04 au plomb spongieux Pb (gris), et la masse active des plaques positives passe du PbS04 au peroxyde de plomb PbO2 (brun foncé). Dans ce cas, en raison de la formation de H2S04 avec une diminution simultanée de H20, la densité de l'électrolyte augmente de 1,09 - 1,15 à 1,25 - 1,31 g/cm3.
La conception et le fonctionnement des batteries au plomb largement utilisées dans la pratique reposent sur les propriétés oxydantes du plomb tétravalent et sa transition vers un état divalent plus stable.
Les batteries électriques sont des appareils qui permettent d'accumuler de l'énergie électrique pour ensuite l'utiliser dans bon moment. Cette accumulation d'énergie s'effectue en faisant passer un courant électrique à travers la batterie, grâce à quoi elle se produit processus chimique, accompagné de la conversion de l'énergie électrique en énergie chimique ; On dit que la batterie est en charge. Une batterie chargée peut être utilisée comme cellule galvanique, et la même réaction qui s'est produite lors du chargement de la batterie se déroule dans la direction opposée et l'énergie chimique accumulée dans la batterie est convertie en énergie électrique ; Au fur et à mesure de son épuisement, la batterie se décharge.
Dans le cas le plus simple, une batterie au plomb est constituée de deux plaques de plomb en treillis dont les cellules sont remplies d’un mélange pâteux d’oxyde de plomb et d’eau. Les plaques sont immergées dans un bocal en verre rectangulaire rempli d'acide sulfurique dilué. poids 1,15-1,20 (22-28 % H 2 SO 4).
En raison de la réaction
PbSO + H 2 SO 4 = PbSO 4 + H 2 O
L'oxyde de plomb se transforme après un certain temps en sulfate. Si nous faisons maintenant passer un courant continu à travers l'appareil, en connectant une plaque au pôle négatif et l'autre au pôle positif de la source de courant, la batterie sera chargée et les processus suivants se produiront au niveau des électrodes :
En ajoutant ces équations, on obtient équation générale réactions qui se produisent lors du chargement de la batterie :
2PbSO 4 + 2H 2 O = Pb + PbO 2 + 4H + 2SO 4"
Ainsi, au fur et à mesure du passage du courant, le sulfate se transforme à la cathode en une masse libre de plomb métallique et à l'anode en dioxyde de plomb brun foncé.
Une fois ce processus terminé, la batterie est chargée. La fin de la charge est signalée par le début d'une décomposition vigoureuse de l'eau : elle est libérée à la cathode, et à l'anode (la batterie « bout »).
Lorsque les plaques d'une batterie chargée sont reliées par un conducteur, un courant apparaît dans ce dernier, et les électrons se déplacent de la plaque recouverte de plomb vers la plaque recouverte de dioxyde de plomb. L'apparition du courant s'explique comme suit. À partir d'une plaque recouverte de plomb, une partie des ions Pb ++ passe dans la solution, ce qui fait que la plaque devient chargée négativement. Les électrons libérés au niveau de la plaque de plomb passent au PbO 2 et se réduisent tétravalents en divalents. En conséquence, des ions Pb se forment sur les deux plaques, qui se combinent avec les ions SO 4 en solution pour former du sulfate de plomb insoluble, et la batterie est déchargée.
Les processus qui se produisent lorsque la batterie est déchargée sont représentés par le schéma suivant :
En additionnant les équations écrites, il n'est pas difficile de vérifier que la réaction qui se produit lorsque la batterie est déchargée est l'inverse de celle qui a eu lieu lors de sa charge. Par conséquent, les deux processus peuvent être exprimés par une seule équation :
chargeur
2PbSO 4 + 2H 2 O ⇄Pb + Pb0 2 + 4H + 2SO 4"
décharge
Lorsque la batterie est déchargée, la concentration d'acide sulfurique diminue à mesure que les ions H et SO 4 sont consommés et formés. Par conséquent, le degré de décharge de la batterie peut être jugé par densité spécifique acide, en le mesurant avec un densimètre.
La tension d'une batterie au plomb est de 2 volts et àla charge normale reste presque inchangée pendant son fonctionnement. Si la tension commence à chuter, la batterie doit être rechargée.
Vous lisez un article sur le thème Batterie au plomb
Avec l’introduction généralisée des batteries sans entretien, de nombreux automobilistes ont déjà oublié ce que signifie recharger leur batterie. Et lorsqu'ils doivent enfin effectuer cette procédure, ils découvrent à leur grande surprise une batterie en ébullition. Pourquoi cela se produit et comment l'éviter sera discuté dans cet article.
La batterie moderne a été inventée au 19ème siècle et n'a pas subi de changements significatifs pendant cette période.
Le même principe de fonctionnement de la batterie repose sur l'oxydation du plomb dans une solution aqueuse d'acide sulfurique. Dans le même temps, lorsque la batterie est déchargée, le plomb métallique des électrodes se transforme en sulfate de plomb.
Lors du chargement, le processus inverse se produit. Ce sont les principales réactions sur la base desquelles se produisent l’accumulation et la libération d’énergie électrique. Cependant, en plus d’eux, 60 autres réactions différentes se produisent dans les parcs de batteries.
La structure générale de la batterie est présentée dans la figure ci-dessus. Pour expliquer, il convient de noter que les plaques de plomb sont réalisées sous la forme d'un réseau dont les cellules sont remplies dans les électrodes positives de dioxyde de plomb (PbO2) sous forme de poudre, et dans les électrodes négatives de plomb, également en sous forme de poudre.
Dans l'espace entre les plaques principales se trouvent d'autres plaques en plastique poreux qui n'interagissent pas avec l'acide, qui séparent les électrodes et les empêchent de se court-circuiter.
Ainsi, lors du chargement d’une batterie, le sulfate de plomb se transforme en métal pur, qui consomme de l’eau et produit de l’acide sulfurique. Dans le même temps, la densité de l’électrolyte augmente.
Qu'est-ce qu'une batterie en ébullition ?
Ce processus découle directement du processus de charge. Comme écrit ci-dessus, lors du chargement, le sulfate de plomb est consommé, et lorsque la quantité de sulfate diminue, il n'y a personne niveau critique, le processus d’électrolyse de l’eau commence.
Ce processus libère de l’hydrogène et de l’oxygène, connus pour être des gaz. Et tout le processus, extérieurement, ressemble à une ébullition.
Comment bien charger la batterie pour éviter ce processus désagréable ? Plus d’informations à ce sujet ci-dessous.
Comment charger correctement votre batterie
Il existe aujourd’hui deux manières principales de charger une batterie, et nous les décrirons toutes les deux.
Il convient de rappeler qu'un chargeur spécial capable de modifier le courant de charge est utilisé pour le chargement.
Charge à faible courant
Avec cette méthode, vous devez sélectionner un courant de charge avec une tension égale à 0,1 de la capacité de la batterie.
Autrement dit, si vous disposez de la batterie la plus courante d’une capacité de 60 ampères/heure, le courant de charge doit être une tension de 6 ampères.
Charger la batterie avec cette méthode prend environ 24 heures. Vous saurez que la charge est terminée lorsque la batterie commence à bouillir.
Charge à courant élevé
La charge doit commencer avec une tension de 14,5 volts, une fois que la batterie cesse de se charger, elle sera chargée à environ 80 %. Pour amener la charge à 90 % de sa capacité, la tension de charge doit être augmentée à 15 Volts.
Eh bien, la dernière étape consiste à amener la charge à 100 %. Elle est réalisée en ajoutant une tension jusqu'à 16,5 V.
Il convient de noter qu'avec cette méthode, vous devez non seulement surveiller en permanence la batterie, mais également disposer d'un chargeur professionnel.
Dans quels cas la batterie commence-t-elle à bouillir ?
Comme cela a déjà été écrit ci-dessus, l’ébullition d’un électrolyte n’est pas exactement une ébullition, au sens habituel du terme, c’est juste une figure de style.
Cette expression fait référence au processus de libération de gaz de l’électrolyte qui se produit lors du chargement d’une batterie. Il n'y a rien de terrible dans ce processus, cependant, par la façon dont cela se produit, vous pouvez évaluer l'état de la batterie.
Si ce processus a commencé immédiatement après le début de la charge, il s'agit d'un très mauvais signal. AVEC plus probable on peut dire que votre batterie a déjà épuisé sa ressource.
- Bouillie en fin de vie de la batterie. Dans ce cas, l'ébullition commence immédiatement après la connexion chargeur. Dans ce cas, le processus ne commence généralement pas dans toutes, mais seulement dans certaines banques. Cela peut indiquer que ces canettes contiennent des plaques en court-circuit. Dans ce cas, vous ne pouvez pas économiser la batterie et il est temps de la changer.
- Bouillant lorsque la batterie est complètement chargée. Si l'ébullition commence après une longue période, après 8 heures ou plus, c'est normal. Cela indique que la densité de l'électrolyte a déjà atteint la valeur standard et que la batterie est chargée. Dans ce cas, il vous suffit d'arrêter de charger la batterie.
Pourquoi la batterie de ma voiture bout-elle ?
Si l'ébullition de la batterie pendant la charge est le plus souvent normale et n'indique rien de mauvais, alors l'ébullition pendant que le moteur tourne est définitivement mauvaise.
Un tel moment indique un dysfonctionnement de l'équipement électrique de la voiture.
Ci-dessous, nous verrons dans quels cas la batterie bout pendant que le moteur tourne.
Méthodes pour déterminer une batterie en ébullition
Si vous disposez d'une batterie en bon état, ce processus est le plus simple à déterminer visuellement. Par exemple, comme le montre la vidéo ci-dessous :
Si vous possédez aujourd'hui la batterie sans entretien la plus courante, le processus d'ébullition peut être déterminé par des signes indirects.
- Le premier signe d’ébullition le plus courant est l’apparition d’une couche verdâtre et d’oxydes abondants sur les bornes de la batterie, comme ceux illustrés dans la figure ci-dessous ;
- Un autre signe d'ébullition est l'odeur d'électrolyte apparaissant dans le compartiment moteur. Il est assez aigu et peut être entendu même par des personnes sans odorat aiguisé ;
- Un autre signe peut être l'apparition de rouille sur le capot au niveau de la batterie et une corrosion sévère du support de batterie ;
- Il existe également des moyens exotiques de déterminer le processus d'ébullition. Certains conducteurs, lorsqu'ils soupçonnent une batterie en ébullition, la connectent à son tuyau de sortie de gaz ballon ou un préservatif. Si la batterie bout, elle commencera à gonfler ;
- Une autre façon exotique consiste à utiliser un stéthoscope médical. Si vous l'appliquez sur un pot bouillant, vous pouvez entendre un gargouillis caractéristique ;
Raisons d'une batterie de voiture en ébullition
- La cause la plus courante d'ébullition d'une batterie pendant que le moteur tourne est un court-circuit dans l'un des bidons.
Malheureusement, c'est le signe que la batterie de la voiture est en panne. Il convient de noter que récemment, cela a commencé à se produire non seulement avec des batteries anciennes, mais également avec des batteries relativement récentes.
Très souvent, les canettes court-circuitent en raison des vibrations du groupe motopropulseur. Ou à cause d'un banal défaut d'appareil. Donc, si vous avez acheté une nouvelle batterie, veillez à obtenir une garantie pour celle-ci.
Eh bien, lorsque la période de garantie arrive à son terme, effectuez un test complet. Cela vous aidera peut-être à économiser l’argent que vous dépenseriez pour acheter une nouvelle batterie.
- Le deuxième problème le plus courant concerne la surcharge.
La recharge est le processus de charge à partir d'un générateur avec des courants dont la tension est supérieure à celle standard.
Cela se produit généralement en raison d’un problème avec l’alternateur de la voiture. En règle générale, la tension de charge standard du générateur ne doit pas dépasser 14,5 volts.
Cela peut être plus important dans les cas où le régulateur de tension du générateur est défectueux. Ce dysfonctionnement peut être éliminé en réparant le générateur.
- Sur les vieilles batteries, le processus de recharge peut se produire non seulement lorsque les plaques de la banque sont court-circuitées, mais également lorsque les plaques sont sulfatées.
La sulfatation est un processus chimique qui produit du sulfate de plomb à la surface des plaques.
Dans les vieilles batteries, une telle quantité de sulfate de plomb s'accumule que le courant de charge diminue. Dans ce cas, si le générateur continue à produire une tension de 14,5 V, la batterie commence à bouillir.
- Une autre raison courante, surtout si la batterie n'est plus neuve, est une charge importante sur la batterie.
Autrement dit, si vous avez beaucoup de consommateurs électriques et qu'ils sont tous allumés, par exemple les feux de route, la climatisation, les essuie-glaces et autres, et que la batterie n'est plus fraîche, elle ne supportera pas la charge et chauffera lever et faire bouillir.
- Eh bien, la raison la moins courante, mais pas si rare, est une ventilation insuffisante de la batterie. Cela se produit si l'évent de la batterie est bouché ou si une batterie non standard est utilisée, il n'y a pas suffisamment d'espace pour la ventilation à proximité.
En fait, ce sont toutes les principales raisons pour lesquelles une batterie bout.
Prévention de l'ébullition de l'électrolyte lorsque le moteur tourne
Pour que votre batterie dure le plus longtemps possible, vous devez respecter des règles simples et simples pour éviter l'ébullition de l'électrolyte :
- Tout d'abord, en été, vérifiez le niveau d'électrolyte dans les batteries en cours d'entretien.
- Il ne faut pas oublier que les plaques doivent toujours être recouvertes d'électrolyte. Et si le niveau baisse, il vous suffit alors d'ajouter de l'eau distillée. Il faut savoir ça eau claire Vous ne pouvez pas recharger la batterie.
- De plus, vérifiez régulièrement visuellement l’état de l’appareil. Il doit être propre et il ne doit y avoir aucun dépôt sur les bornes.
- Et enfin, lors de la visite des gares entretien Ne soyez pas paresseux et demandez à vérifier le courant de charge produit par le générateur de la voiture.
C'est tout, bonne chance sur les routes et ne tombez jamais en panne.
Objectif des batteries de démarrage
Fondements théoriques de la conversion de l'énergie chimique en énergie électrique
Batterie faible
Chargement de la batterie
Consommation des principaux réactifs générateurs de courant
Force électromotrice
Résistance interne
Tension de charge et de décharge
Capacité de la batterie
Énergie et puissance de la batterie
Autodécharge de la batterie
Objectif des batteries de démarrage
La fonction principale de la batterie est un démarrage fiable du moteur. Une autre fonction est un tampon d'énergie lorsque le moteur tourne. En effet, à côté des types de consommateurs traditionnels, de nombreux dispositifs de service supplémentaires sont apparus qui améliorent le confort du conducteur et la sécurité routière. La batterie compense le déficit énergétique lors de la conduite en cycle urbain avec des arrêts fréquents et longs, lorsque le générateur ne peut pas toujours fournir la puissance nécessaire pour alimenter pleinement tous les consommateurs allumés. La troisième fonction opérationnelle est l'alimentation électrique lorsque le moteur est arrêté. Cependant, l'utilisation prolongée d'appareils électriques en stationnement avec le moteur arrêté (ou le moteur au ralenti) entraîne une décharge profonde de la batterie et forte baisse ses caractéristiques de démarreur.
La batterie est également destinée à l'alimentation électrique de secours. En cas de panne du générateur, du redresseur, du régulateur de tension ou de la rupture de la courroie du générateur, celui-ci doit assurer le fonctionnement de tous les consommateurs nécessaires au déplacement en toute sécurité vers la station-service la plus proche.
Ainsi, les batteries de démarrage doivent répondre aux exigences de base suivantes :
Fournir le courant de décharge nécessaire au fonctionnement du démarreur, c'est-à-dire avoir une faible résistance interne pour des pertes de tension internes minimales à l'intérieur de la batterie ;
Fournir quantité requise tente de démarrer le moteur avec définir la durée, c'est-à-dire avoir stock requisénergie de décharge du démarreur ;
Avoir une puissance et une énergie suffisamment élevées avec une taille et un poids minimum possibles ;
Disposer d'une réserve d'énergie pour alimenter les consommateurs lorsque le moteur ne tourne pas ou en cas d'urgence (capacité de réserve) ;
Maintenir la tension nécessaire au fonctionnement du démarreur lorsque la température descend dans les limites spécifiées (courant de démarrage à froid) ;
Maintenir le fonctionnement pendant une longue période à des températures ambiantes élevées (jusqu'à 70 "C) ;
Recevoir une charge pour restaurer la capacité utilisée pour démarrer le moteur et alimenter les autres consommateurs du générateur pendant que le moteur tourne (recevoir une charge) ;
Ne nécessite pas de formation particulière de l'utilisateur ni de maintenance pendant le fonctionnement ;
Avoir une résistance mécanique élevée correspondant aux conditions d’exploitation ;
Maintenir les caractéristiques de performance spécifiées pendant une longue période de fonctionnement (durée de vie) ;
Posséder une autodécharge insignifiante ;
Avoir un faible coût.
Fondements théoriques de la conversion de l'énergie chimique en énergie électrique
Une source de courant chimique est un dispositif dans lequel, en raison de l'apparition de réactions chimiques rédox spatialement séparées, leur énergie libre est convertie en énergie électrique. En fonction de la nature de leur travail, ces sources sont divisées en deux groupes :
Sources de courant chimique primaire ou cellules galvaniques ;
Sources secondaires ou batteries électriques.
Les sources primaires ne permettent qu'une utilisation unique, car les substances formées lors de leur rejet ne peuvent être transformées en matières actives d'origine. Complètement déchargé cellule galvanique, en règle générale, ne convient pas à des travaux ultérieurs - c'est une source d'énergie irréversible.
Les sources de courant chimique secondaires sont des sources d'énergie réversibles - après une décharge arbitrairement profonde, leur fonctionnalité peut être complètement restaurée par charge. Pour ce faire, il suffit de passer par une source secondaire courant électrique dans le sens opposé à celui dans lequel il s'écoulait lors du rejet. Pendant le processus de charge, les substances formées lors de la décharge se transformeront en matières actives d'origine. C'est ainsi que l'énergie libre d'une source de courant chimique est convertie à plusieurs reprises en énergie électrique (décharge de batterie) et la conversion inverse de l'énergie électrique en énergie gratuite source de courant chimique (charge de la batterie).
Le passage du courant à travers les systèmes électrochimiques est associé aux événements qui se produisent réactions chimiques(transformations). Il existe donc une relation entre la quantité d'une substance qui est entrée dans une réaction électrochimique et a subi des transformations et la quantité d'électricité dépensée ou libérée, qui a été établie par Michael Faraday.
Selon la première loi de Faraday, la masse d'une substance qui entre dans une réaction d'électrode ou qui en résulte est proportionnelle à la quantité d'électricité traversant le système.
Selon la deuxième loi de Faraday, avec une quantité égale d'électricité traversant le système, les masses de substances ayant réagi sont liées les unes aux autres comme leur équivalents chimiques.
En pratique, une plus petite quantité de substance est soumise à un changement électrochimique que selon les lois de Faraday - lorsque le courant passe, en plus des réactions électrochimiques principales, des réactions parallèles ou secondaires (secondaires) se produisent également qui modifient la masse des produits. Pour prendre en compte l’influence de telles réactions, la notion d’efficacité actuelle a été introduite.
La production de courant est la partie de la quantité d’électricité traversant le système qui représente la principale réaction électrochimique considérée.
Batterie faible
Substances actives d'une batterie au plomb chargée qui participent au processus de génération de courant sont :
L'électrode positive contient du dioxyde de plomb (brun foncé) ;
Sur l'électrode négative se trouve du plomb éponge (gris) ;
L'électrolyte est une solution aqueuse d'acide sulfurique.
Certaines molécules d'acide dans une solution aqueuse sont toujours dissociées en ions hydrogène chargés positivement et en ions sulfate chargés négativement.
Le plomb, qui est la masse active de l'électrode négative, se dissout partiellement dans l'électrolyte et s'oxyde en solution pour former ions positifs. Les électrons en excès libérés dans ce cas informent l'électrode charge négative et commencez à vous déplacer le long d'une section fermée du circuit externe jusqu'à l'électrode positive.
Les ions plomb chargés positivement réagissent avec les ions sulfate chargés négativement pour former du sulfate de plomb, qui a peu de solubilité et se dépose donc à la surface de l'électrode négative. Pendant le processus de décharge de la batterie, la masse active de l'électrode négative est convertie du plomb spongieux en sulfate de plomb avec un changement de couleur du gris au gris clair.
Le dioxyde de plomb de l’électrode positive se dissout dans l’électrolyte en quantité bien moindre que le plomb de l’électrode négative. Lorsqu'il interagit avec l'eau, il se dissocie (se désintègre en solution en particules chargées - ions), formant des ions plomb tétravalents et des ions hydroxyle.
Les ions communiquent avec l'électrode potentiel positif et, en ajoutant les électrons qui ont traversé le circuit externe depuis l'électrode négative, sont réduits en ions plomb divalents.
Les ions interagissent avec les ions pour former du sulfate de plomb qui, pour la raison indiquée ci-dessus, se dépose également à la surface de l'électrode positive, comme c'était le cas sur l'électrode négative. Au fur et à mesure que la décharge progresse, la masse active de l'électrode positive passe du dioxyde de plomb au sulfate de plomb, changeant sa couleur du brun foncé au brun clair.
Au fur et à mesure que la batterie se décharge, les matières actives des électrodes positives et négatives sont converties en sulfate de plomb. Dans ce cas, l'acide sulfurique est consommé pour former du sulfate de plomb et de l'eau se forme à partir des ions libérés, ce qui entraîne une diminution de la densité de l'électrolyte lors de la décharge.
Chargement de la batterie
L'électrolyte des deux électrodes contient de petites quantités de sulfate de plomb et d'ions eau. Sous l'influence de la tension de la source de courant continu, dans le circuit de laquelle est connectée la batterie en charge, un mouvement directionnel des électrons s'établit dans le circuit externe vers la borne négative de la batterie.
Les ions plomb divalents de l'électrode négative sont neutralisés (réduits) par les deux électrons entrants, transformant la masse active de l'électrode négative en plomb spongieux métallique. Les ions libres restants se forment acide sulfurique
Au niveau de l'électrode positive, sous l'influence du courant de charge, les ions plomb divalents cèdent deux électrons et s'oxydent en tétravalents. Ces derniers, se combinant par réactions intermédiaires avec deux ions oxygène, forment du dioxyde de plomb, qui est libéré au niveau de l'électrode. Les ions et, tout comme ceux de l'électrode négative, forment de l'acide sulfurique, ce qui entraîne une augmentation de la densité de l'électrolyte pendant la charge.
Lorsque les processus de transformation des substances en masses actives des électrodes positives et négatives sont terminés, la densité de l'électrolyte cesse de changer, ce qui indique la fin de la charge de la batterie. Avec la poursuite de la charge, le processus dit secondaire se produit - la décomposition électrolytique de l'eau en oxygène et hydrogène. Émis par l'électrolyte sous forme de bulles de gaz, ils créent un effet d'ébullition intense, qui sert également de signe de la fin du processus de charge.
Consommation des principaux réactifs générateurs de courant
Pour obtenir une capacité d'un ampère-heure lorsque la batterie est déchargée, il faut que participent à la réaction :
4,463 g de dioxyde de plomb
3,886 g de plomb éponge
3,660 g d'acide sulfurique
La consommation théorique totale de matériaux pour produire 1 Ah (consommation spécifique de matériaux) d'électricité sera de 11,989 g/Ah, et la capacité spécifique théorique sera de 83,41 Ah/kg.
Avec une tension nominale de batterie de 2 V, la consommation spécifique théorique de matériaux par unité d'énergie est de 5,995 g/Wh, et l'énergie spécifique de la batterie sera de 166,82 Wh/kg.
Cependant, en pratique, il est impossible d'obtenir utilisation complète matériaux actifs participant au processus de génération de courant. Environ la moitié de la surface de la masse active est inaccessible à l'électrolyte, puisqu'elle sert de base à la construction d'une charpente poreuse volumineuse qui assure la résistance mécanique du matériau. Par conséquent, le coefficient d'utilisation réel des masses actives de l'électrode positive est de 45 à 55 % et celui de l'électrode négative de 50 à 65 %. De plus, une solution à 35-38 % d'acide sulfurique est utilisée comme électrolyte. Par conséquent, la valeur de la consommation spécifique réelle de matériaux est beaucoup plus élevée et les valeurs réelles de la capacité spécifique et de l'énergie spécifique sont bien inférieures aux valeurs théoriques.
Force électromotrice
La force électromotrice (FEM) d'une batterie E est la différence entre elle potentiels d'électrode, mesuré avec le circuit externe ouvert.
EMF d'une batterie composée de n batteries connectées en série.
Il est nécessaire de faire la distinction entre la FEM d'équilibre de la batterie et la FEM de non-équilibre de la batterie pendant le temps allant de l'ouverture du circuit à l'établissement d'un état d'équilibre (la période du processus de transition).
La FEM est mesurée avec un voltmètre à haute résistance (résistance interne d'au moins 300 Ohm/V). Pour ce faire, un voltmètre est connecté aux bornes de la batterie ou de la batterie. Dans ce cas, aucun courant de charge ou de décharge ne doit traverser l'accumulateur (batterie).
La FEM d'équilibre d'une batterie au plomb, comme toute source de courant chimique, dépend du produit chimique et propriétés physiques substances participant au processus de formation du courant et est totalement indépendant de la taille et de la forme des électrodes, ainsi que de la quantité de masses actives et d'électrolyte. En même temps, dans une batterie au plomb, l'électrolyte prend participation directe dans le processus de génération de courant sur les électrodes de la batterie et change sa densité en fonction du degré de charge des batteries. Par conséquent, la FEM d’équilibre, qui à son tour est fonction de la densité
La variation de la force électromotrice de la batterie en fonction de la température est très faible et peut être négligée pendant le fonctionnement.
Résistance interne
La résistance fournie par la batterie au courant qui y circule (charge ou décharge) est généralement appelée résistance interne de la batterie.
La résistance des matériaux actifs des électrodes positives et négatives, ainsi que la résistance de l'électrolyte, évoluent en fonction de l'état de charge de la batterie. De plus, la résistance de l’électrolyte dépend de manière très importante de la température.
La résistance ohmique dépend donc également de l’état de charge de la batterie et de la température de l’électrolyte.
La résistance de polarisation dépend de l'intensité du courant de décharge (charge) et de la température et n'obéit pas à la loi d'Ohm.
La résistance interne d'une batterie et même batterie, composé de plusieurs batteries connectées en série, est insignifiant et ne représente que quelques millièmes d'ohm à l'état chargé. Cependant, au cours du processus de décharge, cela change considérablement.
Conductivité électrique les masses actives diminuent pour l'électrode positive d'environ 20 fois et pour l'électrode négative - de 10 fois. La conductivité électrique de l'électrolyte varie également en fonction de sa densité. Lorsque la densité de l'électrolyte augmente de 1,00 à 1,70 g/cm3, sa conductivité électrique augmente d'abord jusqu'à sa valeur maximale, puis diminue à nouveau.
Au fur et à mesure que la batterie se décharge, la densité de l'électrolyte diminue de 1,28 g/cm3 à 1,09 g/cm3, ce qui entraîne une diminution de sa conductivité électrique de près de 2,5 fois. En conséquence, la résistance ohmique de la batterie augmente à mesure qu’elle se décharge. A l'état déchargé, la résistance atteint une valeur plus de 2 fois supérieure à sa valeur à l'état chargé.
Outre l’état de charge, la température a un effet significatif sur la résistance des batteries. Alors que la température baisse résistivité l'électrolyte augmente et à une température de -40 °C, il devient environ 8 fois plus élevé qu'à +30 °C. La résistance des séparateurs augmente également fortement avec la diminution de la température et, dans la même plage de température, augmente presque 4 fois. C’est le facteur déterminant pour augmenter la résistance interne des batteries à basse température.
Tension de charge et de décharge
La différence de potentiel aux bornes polaires de l'accumulateur (batterie) pendant la charge ou la décharge en présence de courant dans le circuit externe est généralement appelée tension de l'accumulateur (batterie). La présence d'une résistance interne de la batterie conduit au fait que sa tension pendant la décharge est toujours inférieure à la FEM, et lors de la charge, elle est toujours supérieure à la FEM.
Lors du chargement d'une batterie, la tension à ses bornes doit être supérieure à sa force électromotrice du montant des pertes internes.
Au début de la charge, un saut de tension se produit en raison de la quantité de pertes ohmiques à l'intérieur de la batterie, puis une forte augmentation de tension due au potentiel de polarisation, provoquée principalement par une augmentation rapide de la densité de l'électrolyte dans les pores de la masse active. Ensuite, une lente augmentation de la tension se produit, principalement en raison d’une augmentation de la force électromotrice de la batterie due à une augmentation de la densité de l’électrolyte.
Une fois que la majeure partie du sulfate de plomb est convertie en PbO2 et Pb, les coûts énergétiques restent dans une plus grande mesure provoquer la décomposition de l'eau (électrolyse). La quantité excessive d'ions hydrogène et oxygène apparaissant dans l'électrolyte augmente encore la différence de potentiel entre les électrodes opposées. Cela conduit à une augmentation rapide de la tension de charge, provoquant une accélération du processus de décomposition de l'eau. Les ions hydrogène et oxygène résultants n’interagissent pas avec les matières actives. Ils se recombinent en molécules neutres et sont libérés de l'électrolyte sous forme de bulles de gaz (de l'oxygène est libéré sur l'électrode positive, de l'hydrogène est libéré sur l'électrode négative), provoquant « l'ébullition » de l'électrolyte.
Si vous continuez le processus de charge, vous remarquerez que l'augmentation de la densité de l'électrolyte et de la tension de charge s'arrête pratiquement, car presque tout le sulfate de plomb a déjà réagi et toute l'énergie fournie à la batterie est désormais dépensée uniquement pour le apparition d'un processus secondaire - la décomposition électrolytique de l'eau. Ceci explique la constance de la tension de charge, qui constitue l'un des signes de la fin du processus de charge.
Une fois la charge arrêtée, c'est-à-dire éteinte source externe, la tension aux bornes de la batterie diminue fortement jusqu'à la valeur de sa FEM hors équilibre, ou de la quantité de pertes internes ohmiques. Ensuite, il y a une diminution progressive des CEM (due à une diminution de la densité de l'électrolyte dans les pores de la masse active), qui se poursuit jusqu'à ce que la concentration en électrolyte dans le volume de la batterie et les pores de la masse active soit complètement égalisée. , ce qui correspond à l’établissement de la FEM d’équilibre.
Lorsqu'une batterie est déchargée, la tension à ses bornes est inférieure à la force électromotrice du montant de la chute de tension interne.
Au début de la décharge, la tension de la batterie chute fortement du montant des pertes ohmiques et de la polarisation provoquées par une diminution de la concentration en électrolyte dans les pores de la masse active, c'est-à-dire la polarisation de la concentration. De plus, lors d'un processus de décharge en régime permanent (stationnaire), la densité de l'électrolyte dans le volume de la batterie diminue, provoquant une diminution progressive de la tension de décharge. Dans le même temps, le rapport entre la teneur en sulfate de plomb et la masse active change, ce qui entraîne également une augmentation des pertes ohmiques. Dans ce cas, des particules de sulfate de plomb (qui ont environ trois fois plus de volume par rapport aux particules de plomb et de son dioxyde à partir desquelles elles ont été formées) ferment les pores de la masse active, empêchant ainsi le passage de l'électrolyte dans les profondeurs de les électrodes.
Cela provoque une augmentation de la polarisation de concentration, conduisant à une diminution plus rapide de la tension de décharge.
Lorsque la décharge s'arrête, la tension aux bornes de la batterie augmente rapidement du montant des pertes ohmiques, atteignant la valeur de la FEM hors équilibre. Une modification supplémentaire de la FEM due à l'égalisation de la concentration d'électrolyte dans les pores des masses actives et dans le volume de la batterie conduit à un établissement progressif de la valeur d'équilibre de la FEM.
La tension de la batterie pendant la décharge est déterminée principalement par la température de l'électrolyte et l'intensité du courant de décharge. Comme indiqué ci-dessus, la résistance d'un accumulateur au plomb (batterie) est insignifiante et, à l'état chargé, n'est que de quelques milliOhms. Cependant, avec des courants de décharge du démarreur 4 à 7 fois supérieurs à la capacité nominale, la chute de tension interne a un effet significatif sur la tension de décharge. L'augmentation des pertes ohmiques avec la diminution de la température est associée à une augmentation de la résistance de l'électrolyte. De plus, la viscosité de l'électrolyte augmente fortement, ce qui complique le processus de diffusion dans les pores de la masse active et augmente la polarisation de la concentration (c'est-à-dire qu'elle augmente la perte de tension à l'intérieur de la batterie en réduisant la concentration de l'électrolyte dans le pores des électrodes).
À un courant supérieur à 60 A, la dépendance de la tension de décharge sur l'intensité du courant est presque linéaire à toutes les températures.
La valeur moyenne de la tension de la batterie pendant la charge et la décharge est déterminée comme la moyenne valeurs arithmétiques tension mesurée à intervalles réguliers.
Capacité de la batterie
La capacité de la batterie est la quantité d’électricité reçue de la batterie lorsqu’elle est déchargée jusqu’à la tension finale spécifiée. Dans les calculs pratiques, la capacité de la batterie est généralement exprimée en ampères-heures (Ah). La capacité de décharge peut être calculée en multipliant le courant de décharge par la durée de décharge.
La capacité de décharge pour laquelle la batterie est conçue et indiquée par le fabricant est appelée capacité nominale.
En plus de cela, un indicateur important est également la capacité transmise à la batterie lors du chargement.
La capacité de décharge dépend d'un certain nombre de paramètres de conception et technologiques de la batterie, ainsi que de ses conditions de fonctionnement. Les paramètres de conception les plus importants sont la quantité de masse active et d'électrolyte, l'épaisseur et les dimensions géométriques des électrodes de la batterie. Les principaux paramètres technologiques affectant la capacité des batteries sont la formulation des matériaux actifs et leur porosité. Les paramètres de fonctionnement - température de l'électrolyte et courant de décharge - ont également un impact significatif sur la capacité de décharge. Un indicateur général caractérisant l'efficacité d'une batterie est le taux d'utilisation des matières actives.
Pour obtenir une capacité de 1 Ah, comme indiqué ci-dessus, il faut théoriquement 4,463 g de dioxyde de plomb, 3,886 g de plomb spongieux et 3,66 g d'acide sulfurique. La consommation spécifique théorique des masses actives des électrodes est de 8,32 g/Ah. Dans les batteries réelles, la consommation spécifique de matières actives en mode décharge de 20 heures et à une température d'électrolyte de 25°C varie de 15,0 à 18,5 g/Ah, ce qui correspond à un taux d'utilisation des masses actives de 45 à 55 %. Par conséquent, la consommation pratique de masse active dépasse les valeurs théoriques de 2 fois ou plus.
Le degré d'utilisation de la masse active, et donc la valeur de la capacité de décharge, est influencé par les principaux facteurs suivants.
Porosité de la masse active. Avec l'augmentation de la porosité, les conditions de diffusion de l'électrolyte dans la profondeur de la masse active de l'électrode s'améliorent et la véritable surface sur laquelle se produit la réaction génératrice de courant augmente. À mesure que la porosité augmente, la capacité de décharge augmente. Le degré de porosité dépend de la granulométrie de la poudre de plomb et de la recette de préparation des masses actives, ainsi que des additifs utilisés. De plus, une augmentation de la porosité entraîne une diminution de la durabilité du fait de l'accélération du processus de destruction des masses actives très poreuses. Par conséquent, la valeur de porosité est sélectionnée par les fabricants en tenant compte non seulement des caractéristiques de capacité élevées, mais également en garantissant la durabilité nécessaire de la batterie en fonctionnement. Actuellement, une porosité comprise entre 46 et 60 % est considérée comme optimale, en fonction de l'objectif de la batterie.
Épaisseur de l'électrode. À mesure que l'épaisseur diminue, la charge inégale des couches externe et interne de la masse active de l'électrode diminue, ce qui contribue à augmenter la capacité de décharge. Pour les électrodes plus épaisses, les couches internes de la masse active sont très peu sollicitées, notamment lors de décharges avec des courants élevés. Par conséquent, à mesure que le courant de décharge augmente, les différences de capacité des batteries avec des électrodes d'épaisseurs différentes diminuent fortement.
Porosité et rationalité de la conception des matériaux du séparateur. Avec une augmentation de la porosité du séparateur et de la hauteur de ses nervures, l'apport d'électrolyte dans l'espace interélectrodes augmente et les conditions de sa diffusion s'améliorent.
Densité d'électrolyte. Affecte la capacité de la batterie et sa durée de vie. À mesure que la densité de l'électrolyte augmente, la capacité des électrodes positives augmente et la capacité des électrodes négatives, en particulier à des températures négatives, diminue en raison de l'accélération de la passivation de la surface de l'électrode. L'augmentation de la densité affecte également négativement la durée de vie de la batterie en raison de l'accélération des processus de corrosion sur l'électrode positive. Par conséquent, la densité optimale de l’électrolyte est établie en fonction de l’ensemble des exigences et des conditions dans lesquelles la batterie fonctionne. Ainsi, par exemple, pour batteries de démarrage, travaillant dans un climat tempéré, la densité d'électrolyte de travail recommandée est de 1,26 à 1,28 g/cm3 et pour les zones à climat chaud (tropical) de 1,22 à 1,24 g/cm3.
L'intensité du courant de décharge avec lequel la batterie doit être déchargée en continu pendant un temps donné (caractérise le mode de décharge). Les modes de décharge sont classiquement divisés en longs et courts. Dans les modes à long terme, la décharge se produit à faible courant pendant plusieurs heures. Par exemple, des décharges de 5, 10 et 20 heures. Avec des décharges courtes ou de démarrage, le courant est plusieurs fois supérieur à la capacité nominale de la batterie et la décharge dure plusieurs minutes ou secondes. À mesure que le courant de décharge augmente, le taux de décharge des couches superficielles de la masse active augmente de dans une plus grande mesure que les plus profonds. En conséquence, la croissance du sulfate de plomb à l'embouchure des pores se produit plus rapidement qu'en profondeur, et le pore est obstrué par le sulfate avant qu'il n'ait le temps de réagir. surface intérieure. En raison de l'arrêt de la diffusion de l'électrolyte dans le pore, la réaction s'y arrête. Ainsi, plus le courant de décharge est élevé, plus la capacité de la batterie est faible, et donc plus le taux d'utilisation de la masse active est faible.
Pour évaluer les qualités de démarrage des batteries, leur capacité est également caractérisée par le nombre de décharges intermittentes du démarreur (par exemple, d'une durée de 10 à 15 s avec des pauses entre elles de 60 s). La capacité délivrée par la batterie lors de décharges intermittentes dépasse la capacité lors d'une décharge continue avec le même courant, notamment en mode de décharge du démarreur.
Actuellement, dans la pratique internationale d'évaluation des caractéristiques de capacité des batteries de démarrage, le concept de capacité de « réserve » est utilisé. Il caractérise le temps de décharge de la batterie (en minutes) à un courant de décharge de 25 A, quelle que soit la capacité nominale de la batterie. À la discrétion du fabricant, il est permis de fixer la valeur de la capacité nominale en mode décharge de 20 heures en ampères-heures ou en capacité de réserve en minutes.
Température de l'électrolyte. À mesure qu’elle diminue, la capacité de décharge des batteries diminue. La raison en est une augmentation de la viscosité de l'électrolyte et de sa résistance électrique, ce qui ralentit la vitesse de diffusion de l'électrolyte dans les pores de la masse active. De plus, à mesure que la température diminue, les processus de passivation de l'électrode négative s'accélèrent.
Coefficient de température La capacité a indique la variation en pourcentage de la capacité avec un changement de température de 1 °C.
Lors des tests, la capacité de décharge obtenue lors d'un mode de décharge à long terme est comparée à la valeur de la capacité nominale déterminée à une température d'électrolyte de +25 °C.
La température de l'électrolyte lors de la détermination de la capacité en mode de décharge à long terme conformément aux exigences des normes doit être comprise entre +18 °C et +27 °C.
Les paramètres de décharge du démarreur sont évalués par la durée de la décharge en minutes et la tension au début de la décharge. Ces paramètres sont déterminés lors du premier cycle à +25 °C (test pour batteries chargées à sec) et lors des cycles suivants à des températures de -18 °C ou -30 °C.
Degré de charge. Avec une augmentation du degré de charge et d'autres conditions égales La capacité augmente et atteint sa valeur maximale lorsque les batteries sont complètement chargées. Cela est dû au fait que lorsque la charge est incomplète, la quantité de matières actives sur les deux électrodes, ainsi que la densité de l'électrolyte, n'atteignent pas leurs valeurs maximales.
Énergie et puissance de la batterie
L'énergie de la batterie W est exprimée en watts-heures et est déterminée par le produit de sa capacité de décharge (charge) et de la tension moyenne de décharge (charge).
Étant donné que la capacité de la batterie et sa tension de décharge changent avec les changements de température et de mode de décharge, lorsque la température diminue et que le courant de décharge augmente, l'énergie de la batterie diminue encore plus de manière significative que sa capacité.
Lors de la comparaison de sources de courant chimiques qui diffèrent par leur capacité, leur conception et même leur système électrochimique, ainsi que lors de la détermination des orientations pour leur amélioration, l'indicateur d'énergie spécifique est utilisé - l'énergie par unité de masse de la batterie ou son volume. Pour les batteries de démarrage au plomb modernes sans entretien, l'énergie spécifique en mode de décharge de 20 heures est de 40 à 47 W·h/kg.
La quantité d’énergie fournie par une batterie par unité de temps est appelée sa puissance. Il peut être défini comme le produit du courant de décharge par la tension de décharge moyenne.
Autodécharge de la batterie
L'autodécharge est la diminution de la capacité de la batterie lorsque le circuit externe est ouvert, c'est-à-dire pendant l'inactivité. Ce phénomène est provoqué par des processus redox qui se produisent spontanément sur les électrodes négatives et positives.
L'électrode négative est particulièrement susceptible de s'autodécharger en raison de la dissolution spontanée du plomb (masse active négative) dans une solution d'acide sulfurique.
L'autodécharge de l'électrode négative s'accompagne de la libération d'hydrogène gazeux. Le taux de dissolution spontanée du plomb augmente considérablement avec l’augmentation de la concentration en électrolyte. L'augmentation de la densité de l'électrolyte de 1,27 à 1,32 g/cm3 entraîne une augmentation du taux d'autodécharge de l'électrode négative de 40 %.
La présence d'impuretés de divers métaux à la surface de l'électrode négative a un effet très significatif (catalytique) sur l'augmentation du taux d'auto-dissolution du plomb (en raison d'une diminution de la surtension du dégagement d'hydrogène). Presque tous les métaux présents comme impuretés dans les matières premières des batteries, l'électrolyte et les séparateurs, ou introduits comme additifs spéciaux, contribuent à augmenter l'autodécharge. En arrivant à la surface de l'électrode négative, ils facilitent les conditions de libération de l'hydrogène.
Certaines impuretés (sels métalliques à valence variable) agissent comme porteurs de charge d'une électrode à l'autre. Dans ce cas, les ions métalliques sont réduits au niveau de l’électrode négative et oxydés au niveau de l’électrode positive (ce mécanisme d’autodécharge est attribué aux ions fer).
Autodécharge positive matière active provoquée par la réaction.
2PbO2 + 2H2SO4 -> PbSCU + 2H2O + O2T.
La vitesse de cette réaction augmente également avec l’augmentation de la concentration en électrolyte.
Étant donné que la réaction se déroule avec la libération d'oxygène, sa vitesse est largement déterminée par la surtension d'oxygène. Par conséquent, les additifs qui réduisent le potentiel de dégagement d'oxygène (par exemple, l'antimoine, le cobalt, l'argent) augmenteront la vitesse de réaction d'autodissolution du dioxyde de plomb. Le taux d’autodécharge du matériau actif positif est plusieurs fois inférieur au taux d’autodécharge du matériau actif négatif.
Une autre raison de l'autodécharge de l'électrode positive est la différence de potentiel entre le matériau du conducteur de courant et la masse active de cette électrode. La micropile galvanique résultant de cette différence de potentiel convertit le fil du conducteur de descente et le dioxyde de plomb de la masse active positive en sulfate de plomb lorsque le courant circule.
L'autodécharge peut également se produire lorsque l'extérieur de la batterie est sale ou rempli d'électrolyte, d'eau ou d'autres liquides créant une possibilité de décharge à travers le film électriquement conducteur situé entre les bornes de la batterie ou ses cavaliers. Ce type d'autodécharge ne diffère pas d'une décharge classique à très faibles courants lorsque le circuit externe est fermé et peut être facilement éliminé. Pour ce faire, vous devez garder la surface des piles propre.
L'autodécharge des batteries dépend en grande partie de la température de l'électrolyte. À mesure que la température diminue, l'autodécharge diminue. À des températures inférieures à 0 °C pour les piles neuves, cela s'arrête pratiquement. Par conséquent, il est recommandé de stocker les batteries chargées à basse température (jusqu'à -30 ° C).
Pendant le fonctionnement, l'autodécharge ne reste pas constante et augmente fortement vers la fin de sa durée de vie.
Réduire l'autodécharge est possible en augmentant la surtension des émissions d'oxygène et d'hydrogène au niveau des électrodes de la batterie.
Pour ce faire, il faut, dans un premier temps, utiliser les matériaux les plus purs possibles pour la fabrication des batteries, réduire la teneur quantitative en éléments d'alliage dans les alliages de batteries, n'utiliser que
acide sulfurique pur et eau distillée (ou proche de celle-ci en pureté avec d'autres méthodes de purification) pour la préparation de tous les électrolytes, tant pendant la production que pendant le fonctionnement. Par exemple, en réduisant la teneur en antimoine dans l'alliage des conducteurs de courant de 5 % à 2 % et en utilisant de l'eau distillée pour tous les électrolytes du procédé, l'autodécharge quotidienne moyenne est réduite de 4 fois. Le remplacement de l'antimoine par du calcium permet de réduire davantage le taux d'autodécharge.
Les suppléments peuvent également aider à réduire l’autodécharge matière organique- des inhibiteurs d'autodécharge.
L'utilisation d'un couvercle commun et de connexions inter-éléments cachées réduit considérablement le taux d'autodécharge dû aux courants de fuite, car la probabilité de couplage galvanique entre des bornes polaires largement espacées est considérablement réduite.
Parfois appelé auto-décharge perte rapide capacité due à un court-circuit à l’intérieur de la batterie. Ce phénomène s'explique par une décharge directe à travers des ponts conducteurs formés entre électrodes opposées.
L'utilisation de séparateurs d'enveloppes dans les batteries sans entretien
exclut la possibilité de poursuivre des études courts-circuits entre les électrodes opposées pendant le fonctionnement. Cependant, cette possibilité demeure en raison d'éventuels dysfonctionnements des équipements lors de la production en série. Généralement, un tel défaut est détecté dès les premiers mois de fonctionnement et la batterie doit être remplacée sous garantie.
Généralement, le degré d'autodécharge est exprimé en pourcentage de perte de capacité sur une période de temps spécifiée.
Les normes actuelles d'autodécharge sont également caractérisées par la tension de décharge du démarreur à -18 °C après essai : inactivité pendant 21 jours à une température de +40 °C.
