Аккумуляторы иначе называются вторичными элементами, или вторичными источниками электрической энергии. Они отличаются от гальванических элементов тем, что не могут сразу после изготовления отдавать энергию, их нужно сначала зарядить.
При заряде аккумулятора происходит электролиз (распад молекул электролита на положительные и отрицательные ионы, называемые катионами и анионами), сопровождающийся превращением электрическое энергии в химическую. В результате этого процесса на зажимах аккумулятора создается э.д.с. После зарядки аккумулятор может служить источником тока. В процессе разряда аккумулятора происходит превращение запасенной химической энергии в электрическую. Таким образом, аккумулятор запасает (накапливает) электрическую энергию при заряде и отдает ее при разряде.
Кислотные аккумуляторы
Кислотные аккумуляторы широко применяются как для питания радио- и телефонной аппаратуры, так и для питания электрооборудования автотранспорта.
Элемент кислотного аккумулятора состоит из сосуда, наполненного электролитом, в котором находятся отделенные один от другого положительные и отрицательные электроды (в виде пластин). Отдельные элементы, называ емые банками, соединяют в аккумуляторные батареи, которые сокращенно называются аккумуляторами. Устройство кислотного аккумулятора показано на рис. 28. Корпус кислотного аккумулятора изготавливается из электроизоляционно г о и кислотоупорного материала (стекло, эбонит и специальные сорта пластмассы).
Положительные пластины кислотных аккумуляторов изготавливают из запрессованного в свинцовую решетку свинцового сурика (окись свинцу с несколько большим содержанием кислорода). Отрицательные пластины изготавливают из запрессованного в свинцовую решетку свинцового глета (окись свинца).
Пластины во избежание замыкания отделяются одна от другой пористой изоляционной прокладкой - сепаратором. Для изготовления сепараторов применяют дерево (ольха, сосна, кедр), твердую резину с микроскопическими порами (называемую мипор), микропористую пластмассу (мипласт) и др.
Электролитом служит раствор серной кислоты в дистиллированной воде. В зависимости от окружающей температуры в процессе эксплуатации аккумулятора плотность электролита должна быть различной.
Плотность электролита измеряется ареометром, который, представляет собой небольшую, расширяющуюся книзу трубку. В нижней части ареометра имеется строго определенное количество грузика, а верхняя часть имеет шкалу, деления которой показывают плотность. При опускании ареометра в электролит он погружается до того деления, которое соответствует плотности электролита.
Новые заводские аккумуляторы выпускаются в продажу незаряженными, и от правильности их первой зарядки зависит продолжительность их работы. Новый аккумулятор следует залить электролитом плотностью 1,12 при температуре +20°С и оставить на пять-шесть часов для того, чтобы активная масса пластин пропиталась электролитом. Заливка производится через воронку в специальное заливочное отверстие. Уровень электролита должен быть на 10-15 мм выше верхнего края пластин.
Для приготовления электролита используют промышленную серную кислоту плотностью 1,83-1,84, которую разбавляют дистиллированной водой. Концентрированная серная кислота очень ядовита, поэтому обращаться с ней нужно очень осторожно. Электролит изготавливается в следующей последовательности. В стеклянный сосуд наливают нужное количество дистиллированной воды, а затем из бутылки тонкой струйкой и небольшими порциями льют в воду серную кислоту, размешивая раствор стеклянной палочкой.
Категорически запрещается вливать воду в сернугб кислоту, так как при этом начинается бурное кипение и разбрызгивание кислоты во все стороны. Капли кислоты, попавшие на руки и лицо, могут вызвать сильные ожоги.
Зарядка аккумулятора производится постоянным током от сети постоянного тока или специального выпрямителя.
Выпрямитель должен быть снабжен реостатом или автотрансформатором, позволяющим менять величину зарядного тока. Аккумулятор включается в зарядную цепь следующим образом: положительный зажим аккумулятора (+) соединяют с плюсом выпрямителя (сети), а отрицательный зажим (-) с минусом выпрямителя (сети). Схема зарядки аккумулятора приведена на рис. 29.
В цепь заряда включается амперметр для контроля величины тока.
Зарядку аккумуляторов производят током, величина которого указывается заводом-изготовителем в техническом паспорте (для стационарных аккумуляторов величина зарядного тока равна одной пятнадцатой емкости аккумулятора).
Первый заряд обычно продолжается непрерывно 36 часов. После этого делают перерыв на 3 часа и продолжают заряд тем же током еще 12 часов. К концу зарядки электролит «кипит» (происходит обильное выделение пузырьков газов - водорода и кислорода), и уровень электролита может значительно повыситься. Излишки электролита следует отсасывать резиновой грушей.
Когда напряжение на зажимах одной банки поднимется до 2,3-2,5 в, следует замерить плотность электролита и довести ее до величины 1,285.
После окончания зарядки новый аккумулятор следует разрядить током, равным одной двадцатой величины емкости аккумулятора, до тех пор, пока напряжение на каждой банке не станет равным 1,8 е. Затем аккумулятор заряжают 10-12 часов и после этого его можно включать в работу. Напряжение на каждой банке свежезаряженного аккумулятора равно 2,6- 2,86 в. Напряжение на банке следует замерять специальным вольтметром, снабженным нагрузочным сопротивлением, называемым аккумуляторным пробником. В целях предотвращения взрыва гремучего газа, образующегося при заряде в результате электролиза воды, пользоваться пробником можно не раньше двух-трех часов после зарядки.
Напряжение аккумулятора можно замерить обычным вольтметром постоянного тока при нагрузке аккумулятора током, равным Vio его емкости.
В зависимости от назначения различают несколько типов кислотных (свинцовых) аккумуляторов. Для питания стационарных устройств применяются стационарные аккумуляторы, корпус которых обычно выполняется из стекла или дерева, выложенного слоем свинца.
Типы аккумуляторов электрической энергии
Аккумуляторы являются неотъемлемой частью любой системы, ориентированной на получение альтернативных видов энергии.
Наибольшее распространение к настоящему времени получили электрохимические аккумуляторы электрической энергии, в которых преобразование химической энергии в электрическую при разряде аккумулятора происходит посредством химической реакции. При зарядке аккумулятора химическая реакция протекает в обратном направлении.
Кроме электрохимических аккумуляторов электроэнергию можно запасать в конденсаторах и соленоидах (катушках индуктивности).
В заряженном конденсаторе энергия хранится в виде энергии электрического поля диэлектрика. Ввиду того что удельная энергия, запасаемая конденсатором, очень невелика (практически от 10 до 400 Дж/кг), а длительность возможного хранения энергии вследствие имеющейся ее утечки небольшая, этот тип аккумулятора энергии применяется только в тех случаях, когда надо отдать электроэнергию потребителю за очень короткое время при кратком сроке ее хранения.
В соленоиде электрическая энергия аккумулируется в виде энергии магнитного поля. Поэтому этот тип накопителя именуется электромагнитным. Но время выдачи энергии электромагнитными аккумуляторами обычно измеряется даже не секундами, а долями секунды.
Для зарядки аккумулятора нужен внешний источник энергии, причем в процессе зарядки могут возникать потери энергии. После зарядки аккумулятор может оставаться в состоянии готовности (в заряженном состоянии), но и в этом состоянии часть энергии может теряться из-за произвольного рассеяния, утечки, саморазряда или других подобных явлений. При отдаче энергии из аккумулятора также могут возникать ее потери; кроме того, иногда невозможно получить обратно всю аккумулированную энергию. Некоторые аккумуляторы устроены так, что в них должна оставаться некоторая остаточная энергия.
Характеристики аккумуляторов
Основной характеристикой аккумулятора является его электрическая ёмкость. Единицей измерения этой ёмкости является ампер-час (А·ч) - внесистемная единица измерения электрического заряда.
Исходя из физического смысла, 1 ампер-час - это электрический заряд, который проходит через поперечное сечение проводника в течение одного часа при наличии в нём тока силой в 1 ампер. Теоретически заряженный аккумулятор с заявленной ёмкостью в 1 А·ч способен обеспечить силу тока 1 ампер в течение одного часа (или, например, 0,1 А в течение 10 часов, или 10 А в течение 0,1 часа).
На практике же емкость аккумулятора рассчитывают исходя из 20-часового цикла разряда до конечного напряжения, которое для автомобильных аккумуляторов составляет 10,8 В. Например, надпись на маркировке аккумулятора «55 А·ч» означает, что он способен выдавать ток 2,75 ампер на протяжении 20 часов, и при этом напряжение на клеммах не опустится ниже 10,8 В.
Слишком большой ток разряда аккумулятора приводит к менее эффективной отдаче электроэнергии, что нелинейно уменьшает время его работы с таким током и может приводить к перегреву.
Производители аккумуляторов иногда в качестве емкости указывают в технических характеристиках запасаемую энергию в Вт·ч. Поскольку 1 Вт = 1 А * 1 В, то если запасаемая энергия равна 720 Вт·ч мы можем поделить это значение на величину напряжения (скажем 12 В) и получим емкость в ампер-часах (в нашем примере 720 Вт·ч / 12 В = 60 А·ч.).
Свинцово-кислотные аккумуляторы
В заряженном состоянии анод (отрицательный электрод) такого аккумулятора состоит из свинца, а катод (положительный электрод) — из двуокиси свинца РbO2 . Оба электрода изготовлены пористыми, чтобы площадь их соприкосновения с электролитом была как можно больше. Конструктивное исполнение электродов зависит от назначения и емкости аккумулятора и может быть весьма разнообразным.
Химические реакции при заряде и разряде аккумулятора представляются формулой
РbO2 + Рb + 2Н2SO4 <—> 2РbSO4 + Н2О
Для заряда аккумулятора теоретически требуется удельная энергия 167 Вт/кг. Этим же числом выражается, следовательно, и теоретический его предел удельной аккумулирующей способности. Однако фактическая аккумулирующая способность намного меньше, вследствие чего из аккумулятора при разряде обычно получается электрическая энергия приблизительно 30 Вт/кг. Факторы, обусловливающие снижение аккумулирующей способности, наглядно представлены на рис. 1. Кпд аккумулятора (отношение энергии, получаемой при разряде, к энергии, расходуемой при заряде) обычно находится в пределах от 70 % до 80 %.
Рис.1. Теоретическая и фактическая удельная аккумулирующая способность свинцового аккумулятора
Различными специальными мерами (повышением концентрации кислоты до 39 %, использованием пластмассовых конструкционных частей и медных соединительных частей и др.) в последнее время удалось повысить удельную аккумулирующую способность до 40 Вт ч/кг и даже немногим выше.
Из вышеприведенных данных вытекает, что удельная аккумулирующая способность свинцового аккумулятора (а также, как будет показано в дальнейшем, и других типов аккумуляторов) существенно ниже, чем первичных гальванических элементов. Однако этот недостаток обычно компенсируется
- возможностью многократного заряда и, как результат, приблизительно десятикратным снижением стоимости получаемой из аккумулятора электроэнергии,
- возможностью составлять аккумуляторные батареи с очень большой энергоемкостью (при необходимости, например, до 100 МВт ч).
Каждый цикл заряда-разряда сопровождается некоторыми необратимыми процессами на электродах, в том числе медленным накапливанием невосстанавливающегося сернокислого свинца в массе электродов. По этой причине через определенное число (обычно приблизительно 1000) циклов аккумулятор теряет способность нормально заряжаться. Это может случиться и при длительном неиспользовании аккумулятора, так как электрохимический разрядный процесс (медленный саморазряд) протекает в аккумуляторе и тогда, когда он не соединен с внешней электрической цепью. Свинцовый аккумулятор теряет из-за саморазряда обычно от 0,5 % до 1 % своего заряда в сутки. Для компенсации этого процесса в электроустановках используется постоянный подзаряд при достаточно стабильном напряжении (в зависимости от типа аккумулятора, при напряжении от 2,15 В до 2,20 В).
Другим необратимым процессом является электролиз воды («закипание» аккумулятора), возникающий в конце зарядного процесса. Потерю воды легко компенсировать путем доливки, но выделяющийся водород может вместе с воздухом привести к образованию взрывоопасной смеси в аккумуляторном помещении или отсеке. Во избежание опасности взрыва должна предусматриваться соответствующая надежная вентиляция.
Другие типы аккумуляторов
В последние 20 лет появились герметически закрытые свинцовые аккумуляторы, в которых применяется не жидкий, а желеобразный электролит. Такие аккумуляторы могут устанавливаться в любом положении, а кроме того, учитывая, что во время заряда они не выделяют водорода, могут размещаться в любых помещениях.
Кроме свинцовых выпускается более 50 видов аккумуляторов, основанных на различных электрохимических системах. В энергоустановках довольно часто находят применение щелочные (с электролитом в виде раствора гидроокиси калия КОН) никель-железные и никель-кадмиевые аккумуляторы, ЭДС которых находится в пределах от 1,35 В до 1,45 В, а удельная аккумулирующая способность — в пределах от 15 Вт ч/кг до 45 Вт ч/кг. Они менее чувствительны к колебаниям температуры окружающей среды и менее требовательны к условиям эксплуатации. Они обладают также большим сроком службы (обычно от 1000 до 4000 циклов заряда-разряда), но их напряжение изменяется во время разряда в более широких пределах, чем у свинцовых аккумуляторов, и кпд у них несколько ниже (от 50 % до 70 %).
В литий-ионных аккумуляторах анод состоит из углерода, содержащего в заряженном состоянии карбид лития Li х C 6 , а катод — из окиси лития и кобальта Li 1-х CoO 2 . В качестве электролита применяются твердые соли лития (LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 или другие), растворенные в жидком органическом растворителе (например, в эфире). К электролиту обычно добавляют сгуститель (например, кремнийорганические соединения), благодаря чему он приобретает желеобразный вид. Электрохимические реакции при разряде и заряде заключаются в переходе ионов лития с одного электрода на другой и протекают по формуле
Li x C 6 + Li 1-x CoO 2 <—> C 6 + LiCoO 2
По внешней форме элементы литий-ионных аккумуляторов могут быть плоскими (похожими на четырехугольные пластины) или цилиндрическими (с рулонными электродами). Выпускаются также аккумуляторы, в которых применяются другие материалы анода и катода. Одним из важных направлений развития является разработка быстрозаряжаемых аккумуляторов.
Существует много других видов аккумуляторов (всего около 100). Например, в системах электроснабжения самолетов, где масса оборудования должна быть как можно меньше, находят применение серебряно-цинковые аккумуляторы с удельной аккумулирующей способностью, в среднем, 100 Вт ч/кг. Наивысшую ЭДС (6,1 В) и наибольшую удельную аккумулирующую способность (6270 Вт ч/кг) имеют фторо-литиевые аккумуляторы, серийного производства которых, однако, еще нет.
Первичные гальванические элементы хорошо подходят для работы в длительном режиме, а аккумуляторы могут использоваться как для длительной работы, так и для покрытия кратковременных и толчковых нагрузок. Конденсаторы и катушки индуктивности используются, главным образом, для покрытия импульсных нагрузок и для выравнивания мощности при быстрых изменениях нагрузок. Для выравнивания мощности, отдаваемой в энергосистему ветряными и солнечными электростанциями, могут применяться комбинации аккумуляторов с ультраконденсаторами.
Область применения некоторых аккумулирующих устройств по длительности нагрузки и по отдаваемой мощности характеризует рис. 2.
Химическим источником тока называется устройство, в котором за счет протекания пространственно разделенных окислительно-восстановительных химических реакций их свободная энергия преобразуется в электрическую. По характеру работы эти источники делятся на две группы:
Первичные химические источники тока или гальванические элементы;
Вторичные источники или электрические аккумуляторы.
Первичные источники допускают только однократное использование, так как вещества, образующиеся при их разряде, не могут быть превращены в исходные активные материалы. Полностью разряженный гальванический элемент, как правило, к дальнейшей работе непригоден - он является необратимым источником энергии.
Вторичные химические источники тока являются обратимыми источниками энергии - после как угодно глубокого разряда их работоспособность можно полностью восстановить путем заряда. Для этого через вторичный источник достаточно пропустить электрический ток в направлении, обратном тому, в котором он протекал при разряде. В процессе заряда образовавшиеся при разряде вещества, превратятся в первоначальные активные материалы. Так происходит многократное превращение свободной энергии химического источника тока в электрическую энергию (разряд аккумулятора) и обратное превращение электрической энергии в свободную энергию химического источника тока (заряд аккумулятора).
Прохождение тока через электрохимические системы связано с происходящими при этом химическими реакциями (превращениями). Поэтому между количеством вещества, вступившего в электрохимическую реакцию и подвергшегося превращениям, и количеством затраченного или высвободившегося при этом электричества существует зависимость, которая была установлена Майклом Фарадеем.
Появление разности потенциалов объясняется тем, что вещество электрода под действием химических сил растворяется в электролите (например, цинк в растворе серной кислоты) и положительные ионы его переходят в электролит. Помещая в электролит два электрода из равных металлов, получим между ними разность электродных потенциалов - стороннюю ЭДС E = φ1-φ2 - Следовательно, устройство, состоящее из двух разнородных электродов, помещенных в электролит, является источником питания – гальваническим или первичным элементом, в котором происходит процесс преобразования (необратимый) химической энергии в электрическую.
Большое распространение получили сухие и наливные марганцово-цинковые элементы. По конструкции они делятся на стаканчиковые и галетные. В элементе стаканчиковой конструкции цинковый электрод имеет форму стакана, внутри которого расположен положительный электрод - угольный стержень. Угольный электрод окружен деполяризатором из двуокиси марганца, графита и сажи. Цинковый стакан заполняется электролитом – водным раствором хлористого аммония (нашатыря) с добавлением крахмала в качестве загустителя. Электродвижущая сила элемента E=1,5 В. Номинальным разрядным током элемента называется наибольший длительный ток, допускаемый при его эксплуатации. Емкостью элемента называется количество электричества, выраженное в ампер-часах (А·ч), которое можно получить от элемента за весь период его работы. Как от дельные элементы, так и собранные из них батареи широко применяются в радиотехнике, аппаратуре проводной связи, для карманных фонарей, слуховых аппаратов и т. д.
Аккумуляторы (вторичные элементы). Гальванические элементы, у которых после их разрядки возможен обратный процесс зарядки с преобразованием электрической энергии в химическую, называются аккумуляторами или вторичными элементами.
Щелочной аккумулятор получил такое название по электролиту- щелочи, а именно 21 %-му водному раствору едкого калия КОН или едкого натрия NaOH . Аккумулятор состоит из двух блоков – пластин, расположенных в стальном сосуде с электролитом. Пластины – это стальные рамки с вставленными в них стальными коробочками, заполненными активной массой. Активная масса отрицательных пластин кадмиево-никелевых элементов состоит из губчатого кадмия, а железо-никелевых – из губчатого железа. Активная масса положительных пластин у обоих аккумуляторов состоит из гидрата окиси никеля Ni(OH)3 .
При разрядке гидрат окиси никеля переходит в гидрат закиси никеля, а губчатый кадмий (железо) – в гидрат его закиси. Химическая реакция при разрядке выражается уравнением:
2Ni(OH)3 + 2КОН + Cd ->- 3Ni(OH)2 + 2KOН + Cd(OH)2.
При зарядке реакция идет в обратном направлении и, следовательно, происходит восстановление активной массы электродов. Концентрация электролита при разрядке и зарядке остается неизменной. При разрядке напряжение с 1,4 В сначала быстро уменьшается до 1,3 В, а затем медленно до 1,15 В; при этом напряжении разрядку необходимо прекращать. При зарядке напряжение с 1,15 В быстро увеличивается до 1,75 В, а затем после незначительного понижения медленно увеличивается до 1,85 В. Кроме щелочных широко применяются и кислотные /свинцовые) аккумуляторы.
Как не формулируй название статьи, - оно всё равно будет правильным. Химия и энергия - связаны воедино в конструкции аккумулятора.
Свинцово-кислотные аккумуляторы могут работать несколько лет в режимах заряда-разряда. Они быстро подзаряжаются и быстро отдают запасённую энергию. Секрет этих метаморфоз кроется в химии, ведь именно она помогает преобразовывать электричество, но как?
«Таинство» преобразования энергии в аккумуляторе обеспечивает совокупность реагентов, среди которых есть окислитель и восстановитель, взаимодействующие через электролит. Восстановитель (губчатый свинец РЬ) имеет отрицательный заряд. Во время химической реакции он окисляется, и его электроны странствуют к окислителю, у которого положительный заряд. Окислитель (диоксид свинца РЬО2) восстанавливается, а результатом этого является электрический ток.
В качестве электролита используют жидкость, которая плохо проводит ток, но является хорошим проводником для ионов. Это водный раствор серной кислоты (H2S04). В химической реакции происходит процесс, всем известный со школьной скамьи - электролитическая диссоциация.
В процессе реакции, - положительно заряженные ионы (Н+) направляются к положительному электроду, а отрицательно заряженные ионы (SO42-) к отрицательному. Когда аккумулятор разряжается, то из восстановителя (губчатый свинец), через электролит к положительному электроду, - направляются ионы с положительным зарядом РЬ2+.
Четырехвалентные ионы свинца (РЬ4+) превращаются в двухвалентные (РЬ4+). Однако, это еще не все химические реакции. Когда ионы кислотных остатков с отрицательным зарядом (SO42-) соединяются с положительно заряженными ионами свинца (РЬ2+), то на обоих электродах образуется сульфат свинца (РЬSО4). А вот это уже плохо для аккумулятора. Сульфатация сокращает срок службы аккумулятора и постепенно накапливаясь, может привести к его разрушению. Побочным эффектом химических реакций в обычных свинцово-кислотных аккумуляторах, являются газы.
Что же происходят, когда аккумулятор подзаряжают?
Электроны направляются к электроду с отрицательным зарядом, где выполняют свою функцию - нейтрализуют ионы свинца (РЬ2+). Химические реакции, происходящие в аккумуляторных батареях можно описать такой формулой:
Плотность электролита, и его уровень в аккумуляторе, зависит от того, - заряжен, или разряжен аккумулятор. Изменения плотности электролита можно описать следующей формулой:
Где показатель разрядки аккумулятора, который измеряется в процентах, - Cp. Плотность электролита при полной зарядке - Рз. Плотность электролита при полной разрядке - Pр.
Стандартная температура, при которой делают измерения + 25°С, Плотность электролита в соответствии с температурой + 25°С, г/см3 - Р25.
Во время химической реакции положительные электроды используют в 1,6 раза больше кислоты, чем отрицательные. Когда аккумулятор разряжается, то объем электролита растет, а когда заряжается, наоборот - уменьшается.
Таким вот образом, с помощью химических реакций, аккумулятор принимает, а потом отдаёт электрическую энергию.
Принцип действия. Аккумулятором называется химический источник тока, который способен накапливать (аккумулировать) в себе электрическую энергию и по мере необходимости отдавать ее во внешнюю цепь. Накапливание в аккумуляторе электрической энергии происходит при пропускании по нему тока от
постороннего источника (рис. 158,а). Этот процесс, называемый зарядом аккумулятора , сопровождается превращением электрической энергии в химическую, в результате чего аккумулятор сам становится источником тока. При разряде аккумулятора (рис. 158, б) происходит обратное превращение химической энергии в электрическую. Аккумулятор обладает большим преимуществом по сравнению с гальваническим элементом. Если элемент разрядился, то он приходит в полную негодность; аккумулятор же. после разряда может быть вновь заряжен и будет служить источником электрической энергии. В зависимости от рода электролита аккумуляторы разделяют на кислотные и щелочные.
На локомотивах и электропоездах наибольшее распространение получили щелочные аккумуляторы, которые имеют значительно больший срок службы, чем кислотные. Кислотные аккумуляторы ТН-450 применяют только на тепловозах, они имеют емкость 450 А*ч, номинальное напряжение - 2,2 В. Аккумуляторная батарея 32 ТН-450 состоит из 32 последовательно соединенных аккумуляторов; буква Т означает, что батарея установлена на тепловозе, буква Н - тип положительных пластин (намазные).
Устройство. В кислотном аккумуляторе электродами являются свинцовые пластины, покрытые так называемыми активными массами, которые взаимодействуют с электролитом при электрохимических реакциях в процессе заряда и разряда. Активной массой положительного электрода (анода) служит перекись свинца PbO 2 , а активной массой отрицательного электрода (катода) - чистый (губчатый) свинец Pb. Электролитом является 25-34 %-ный водный раствор серной кислоты.
Пластины аккумулятора могут иметь конструкцию поверхностного или намазного типа. Пластины поверхностного типа отливают из свинца; поверхность их, на которой происходят электрохимические реакции, увеличена благодаря наличию ребер, борозд и т. п. Их применяют в стационарных аккумуляторных батареях и некоторых батареях пассажирских вагонов.
В аккумуляторных батареях тепловозов применяют пластины намазного типа (рис. 159, а). Такие пластины имеют остов из сплава свинца с сурьмой, в котором устроен ряд ячеек, заполняемых пастой.
Ячейки пластин после заполнения пастой закрывают свинцовыми листами с большим количеством отверстий. Эти листы предотвращают возможность выпадания из пластин активной массы и не препятствуют в то же время доступу к ней электролита.
Исходным материалом для изготовления пасты для положительных пластин служит порошок свинца Pb, а для отрицательных- порошок, перекиси свинца PbO 2 , которые замешиваются на водном растворе серной кислоты. Строение активных масс в таких пластинах пористое; благодаря этому в электрохимических реакциях участвуют не только поверхностные, но и глубоколежащие слои электродов аккумулятора.
Для повышения пористости и уменьшения усадки активной массы в пасту добавляют графит, сажу, кремний, стеклянный порошок, сернокислый барий и другие инертные материалы, называемые расширителями . Они не принимают участия в электрохимических реакциях, но затрудняют слипание (спекание) частиц свинца и его окислов и предотвращают этим уменьшение пористости.
Намазные пластины имеют большую поверхность соприкосновения с электролитом и хорошо им пропитываются, что способствует уменьшению массы и размеров аккумулятора и позволяет получать при разряде большие токи.
При изготовлении аккумуляторов пластины подвергают специальным зарядно-разрядным циклам. Этот процесс носит название формовки аккумулятора . В результате формовки паста положительных пластин электрохимическим путем превращается в перекись (двуокись) свинца PbO 2 и приобретает коричневый цвет. Паста отрицательных пластин при формовке переходит в чистый свинец Pb, имеющий пористую структуру и называемый поэтому губчатым; отрицательные пластины приобретают серый цвет.
В некоторых аккумуляторах применены положительные пластины панцирного типа. В них каждая положительная пластина заключена в специальный панцирь (чехол) из эбонита или стеклоткани. Панцирь надежно удерживает активную массу пластины от осыпания при тряске и толчках; для сообщения же активной массы пластин с электролитом в панцире делают горизонтальные прорези шириной около 0725 мм.
Для предотвращения замыкания пластин посторонними предметами (щупом для измерения уровня электролита, устройством для заливки электролита и др.) пластины в некоторых аккумуляторах покрывают полихлорвиниловой сеткой.
Для увеличения емкости в каждый аккумулятор устанавливают несколько положительных и отрицательных пластин; одноименные пластины соединяют параллельно в общие блоки, к которым приваривают выводные штыри. Блоки положительных и отрицательных пластин обычно устанавливают в эбонитовом аккумуляторном сосуде (рис. 159,б) так, чтобы между каждыми двумя
пластинами одной полярности располагались пластины другой полярности. По краям аккумулятора ставят отрицательные пластины, так как положительные пластины при установке по краям склонны к короблению. Пластины отделяют одну от другой сепараторами, выполненными из микропористого эбонита, полихлорвинила, стекловойлока или другого изоляционного материала. Сепараторы предотвращают возможность короткого замыкания между пластинами при их короблении.
Пластины устанавливают в аккумуляторном сосуде так, чтобы между их нижней частью и дном сосуда имелось некоторое свободное пространство. В этом пространстве скапливается свинцовый осадок (шлам), образующийся вследствие отпадания отработавшей активной массы пластин в процессе эксплуатации.
Разряд и заряд.
При разряде аккумулятора (рис. 160, а) положительные ионы H 2 + и отрицательные ионы кислотного остатка
S0 4 -, на которые распадаются молекулы серной кислоты H 2 S0 4 электролита 3, направляются соответственно к положительному
1 и отрицательному 2 электродам и вступают в электрохимические реакции с их активными массами. Между электродами возникает
разность потенциалов около 2 В, обеспечивающая прохождение электрического тока при замыкании внешней цепи. В результате
электрохимических реакций, возникающих при взаимодействии ионов водорода с перекисью свинца PbO 2 положительного
электрода и ионов сернокислого остатка S0 4 — со свинцом Pb отрицательного электрода, образуется сернокислый свинец PbS0 4 (сульфат свинца), в который превращаются поверхностные слои активной массы обоих электродов. Одновременно при этих реакциях образуется некоторое количество воды, поэтому концентрация серной кислоты понижается, т. е. плотность электролита уменьшается.
Аккумулятор может разряжаться теоретически до полного превращения активных масс электродов в сернокислый свинец и истощения электролита. Однако практически разряд прекращают гораздо раньше. Образующийся при разряде сернокислый свинец представляет собой соль белого цвета, плохо растворяющуюся в электролите и обладающую низкой электропроводностью. Поэтому разряд ведут не до конца, а только до того момента, когда в сернокислый свинец перейдет около 35 % активной массы. В этом случае образовавшийся сернокислый свинец равномерно распределяется в виде мельчайших кристалликов в оставшейся активной массе, которая сохраняет еще достаточную электропроводность, чтобы обеспечить напряжение между электродами 1,7-1,8 В.
Разряженный аккумулятор подвергают заряду, т. е. присоединяют к источнику тока с напряжением, большим напряжения аккумулятора. При заряде (рис. 160,б) положительные ионы водорода перемещаются к отрицательному электроду 2, а отрицательные ионы сернокислого остатка S0 4 — - положительному электроду 1 и вступают в химическое взаимодействие с сульфатом свинца PbS0 4 , покрывающим оба электрода. В процессе возникающих электрохимических реакций сульфат свинца PbS0 4 растворяется и на электродах вновь образуются активные массы: перекись свинца PbO 2 на положительном электроде и губчатый свинец Pb - на отрицательном. Концентрация серной кислоты при этом возрастает, т. е. плотность электролита увеличивается.
Электрохимические реакции при разряде и заряде аккумулятора могут быть выражены уравнением
PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4 ? 2PbSO 4 + 2H 2 O
Читая это уравнение слева направо, получаем процесс разряда, справа налево - процесс заряда.
Номинальный разрядный ток численно равен 0,1С НОМ, максимальный при запуске дизеля (стартерный режим) - примерно 3С НОМ, зарядный ток - 0,2 С НОМ, где С НОМ - номинальная емкость.
Полностью заряженный аккумулятор имеет э. д. с. около 2,2 В. Таково же приблизительно и напряжение на его зажимах, так как внутреннее сопротивление аккумулятора весьма мало. При разряде напряжение аккумулятора довольно быстро падает до 2 В, а затем медленно понижается до 1,8-1,7 В (рис. 161), при этом напряжении разряд прекращают во избежание повреждения аккумулятора. Если разряженный аккумулятор оставить на некоторое время в бездействии, то напряжение его снова восстанавливается до среднего значения 2 В. Это явление носит название «отдыха» аккумулятора. При нагрузке подобного «отдохнувшего» аккумулятора напряжение быстро понижается, поэтому измерение напряжения аккумулятора без нагрузки не дает правильного суждения о степени разряда .
При заряде напряжение аккумулятора быстро поднимается до 2,2 В, а затем медленно повышается до 2,3 В и, наконец, снова довольно быстро возрастает до 2,6-2,7 В. При 2,4 В начинают выделяться пузырьки газа, образующегося в результате разложения воды на водород и кислород. При 2,5 В оба электрода выделяют сильную струю газа, а при 2,6-2,7 В аккумулятор начинает как бы кипеть, что служит признаком окончания заряда. При отключении аккумулятора от источника зарядного тока напряжение его быстро снижается до 2,2 В.
Уход за аккумуляторами. Кислотные аккумуляторы быстро теряют емкость или даже приходят в полную негодность при
неправильной эксплуатации. В них происходит саморазряд, в результате которого они теряют свою емкость (примерно 0,5- 0,7 % в сутки). Для компенсации саморазряда неработающие аккумуляторные батареи необходимо периодически подзаряжать. При загрязнении электролита, а также крышек аккумуляторов, их выводов и междуэлементных соединений происходит повышенный саморазряд, быстро истощающий батарею.
Батарея аккумулятора должна быть всегда чистой, а выводы для предохранения от окисления покрыты тонким слоем технического вазелина. Периодически нужно проверять уровень электролита и степень заряженности аккумуляторов. Аккумуляторы должны периодически заряжаться. Хранение незаряженных аккумуляторов недопустимо. При неправильной эксплуатации аккумуляторов (разряде ниже 1,8-1,7 В, систематическом недозаряде, неправильном проведении заряда, длительном хранении незаряженного аккумулятора, понижении уровня электролита, чрезмерной плотности электролита) происходит повреждение их пластин, называемое сульфатацией . Это явление заключается в переходе мелкокристаллического сульфата свинца, покрывающего пластины при разряде, в нерастворимые крупнокристаллические химические соединения, которые при заряде не переходят в перекись свинца РbO 2 и свинец РЬ. При этом аккумулятор становится непригодным для эксплуатации.
