Starterių akumuliatorių paskirtis
Cheminės energijos pavertimo elektros energija teoriniai pagrindai
Senka baterija
Akumuliatoriaus įkrovimas
Pagrindinių srovę formuojančių reagentų suvartojimas
Elektrovaros jėga
Vidinis pasipriešinimas
Įkrovimo ir iškrovimo įtampa
Baterijos talpa
Baterijos energija ir galia
Akumuliatoriaus savaiminis išsikrovimas
Starterių akumuliatorių paskirtis
Pagrindinė akumuliatoriaus funkcija – patikimas variklio užvedimas. Kita funkcija yra energijos buferis, kai variklis veikia. Iš tiesų, kartu su tradiciniais vartotojų tipais atsirado daug papildomų aptarnavimo įrenginių, kurie pagerina vairuotojo komfortą ir eismo saugumą. Akumuliatorius kompensuoja energijos deficitą važiuojant miesto ciklu dažnais ir ilgais sustojimais, kai generatorius ne visada gali suteikti galios, reikalingos pilnai aprūpinti visus įjungtus vartotojus. Trečioji veikimo funkcija yra maitinimo tiekimas, kai variklis išjungtas. Tačiau ilgai naudojant elektrinius prietaisus stovint varikliui neveikiant (arba varikliui veikiant tuščiąja eiga), akumuliatorius labai išsikrauna ir staigus nuosmukis jo starterio charakteristikos.
Baterija taip pat skirta avariniam maitinimo šaltiniui. Sugedus generatoriui, lygintuvui, įtampos reguliatoriui ar nutrūkus generatoriaus diržui, jis turi užtikrinti visų vartotojų darbą, reikalingą saugiam judėjimui iki artimiausios serviso.
Taigi, pradinukai baterijos turi atitikti šiuos pagrindinius reikalavimus:
Užtikrinti iškrovos srovę, reikalingą starterio veikimui, ty turėti mažą vidinę varžą, kad akumuliatoriaus viduje būtų minimalūs vidiniai įtampos nuostoliai;
Pateikite reikiamą skaičių bandymų užvesti variklį nustatyta trukmė, tai yra turėti reikalingos atsargos starterio iškrovos energija;
Turėti pakankamai didelę galią ir energiją, esant minimaliam galimam dydžiui ir svoriui;
Turėti energijos rezervą energijos vartotojams, kai variklis neveikia arba yra avarinėje situacijoje (rezervinė talpa);
Palaikykite starterio darbui reikalingą įtampą, kai temperatūra nukrenta į nurodytas ribas (šalta sukimo srovė);
Ilgą laiką išlaikyti darbingumą aukštesnėje (iki 70 °C) temperatūroje aplinką;
Gauti mokestį, kad atkurtumėte variklio užvedimui ir kitų vartotojų energijos tiekimą iš generatoriaus, kai variklis veikia (gauti mokestį);
Eksploatacijos metu nereikalauja specialaus naudotojo mokymo ar priežiūros;
Turi didelį mechaninį stiprumą, atitinkantį eksploatavimo sąlygas;
Eksploatacijos metu ilgą laiką išlaikyti nurodytas eksploatacines charakteristikas (tarnavimo laiką);
Turėti nereikšmingą savaiminį išsikrovimą;
Turėkite mažą kainą.
Cheminės energijos pavertimo elektros energija teoriniai pagrindai
Cheminis srovės šaltinis yra įrenginys, kuriame dėl erdviškai atskirtų redokso reakcijų srauto cheminės reakcijos jų laisva energija paverčiama elektros energija. Atsižvelgiant į jų darbo pobūdį, šie šaltiniai skirstomi į dvi grupes:
Pirminiai cheminiai srovės šaltiniai arba galvaniniai elementai;
Antriniai šaltiniai arba elektros baterijos.
Pirminiai šaltiniai leidžia naudoti tik vieną kartą, nes jų išmetimo metu susidariusios medžiagos negali paversti originaliomis veikliosiomis medžiagomis. Visiškai išsikrovęs galvaninis elementas, kaip taisyklė, tolesnis darbas netinkamas – tai negrįžtamas energijos šaltinis.
Antriniai cheminiai srovės šaltiniai yra grįžtamieji energijos šaltiniai – savavališkai giliai iškrovus jų funkcionalumą galima visiškai atkurti įkraunant. Norėdami tai padaryti, pakanka praleisti elektros srovę per antrinį šaltinį priešinga kryptimi nei ta, kuria ji tekėjo iškrovimo metu. Įkrovimo proceso metu iškrovimo metu susidariusios medžiagos virs originaliomis aktyviosiomis medžiagomis. Taip cheminės srovės šaltinio laisva energija pakartotinai paverčiama elektros energija (baterijos iškrova), o atvirkštinė elektros energija į nemokama energija cheminis srovės šaltinis (baterijos įkrovimas).
Srovės praėjimas per elektrochemines sistemas yra susijęs su vykstančiomis cheminėmis reakcijomis (transformacijomis). Todėl yra ryšys tarp medžiagos, kuri pateko į elektrocheminę reakciją ir patyrė transformacijų, kiekio ir sunaudotos arba išleistos elektros energijos kiekio, kurį nustatė Michaelas Faradėjus.
Pagal pirmąjį Faradėjaus dėsnį, medžiagos, kuri patenka į elektrodo reakciją arba atsiranda dėl jos atsiradimo, masė yra proporcinga elektros energijos kiekiui, praeinančiam per sistemą.
Pagal antrąjį Faradėjaus dėsnį, kai per sistemą praeina vienodas elektros energijos kiekis, sureagavusių medžiagų masės yra susijusios viena su kita. cheminiai ekvivalentai.
Praktiškai elektrochemiškai keičiasi mažesnis medžiagos kiekis nei pagal Faradėjaus dėsnius - praeinant srovei, be pagrindinių elektrocheminių reakcijų, taip pat vyksta lygiagrečios arba antrinės (šoninės) reakcijos, kurios keičia produktų masę. Siekiant atsižvelgti į tokių reakcijų įtaką, buvo įvesta srovės efektyvumo sąvoka.
Dabartinė išeiga yra ta elektros energijos, praeinančios per sistemą, dalis, kuri sudaro pagrindinę nagrinėjamą elektrocheminę reakciją.
Senka baterija
Veikliosios medžiagosįkrautos švino baterijos, kurios dalyvauja srovės generavimo procese, yra:
Teigiamame elektrode yra švino dioksido (tamsiai rudos spalvos);
Ant neigiamo elektrodo yra kempinės laidas ( pilka);
Elektrolitas yra vandeninis sieros rūgšties tirpalas.
Kai kurios rūgšties molekulės vandeniniame tirpale visada yra disocijuojamos į teigiamai įkrautus vandenilio jonus ir neigiamai įkrautus sulfato jonus.
Švinas, kuris yra neigiamo elektrodo aktyvioji masė, iš dalies ištirpsta elektrolite ir tirpale oksiduojasi, sudarydamas teigiamus jonus. Šiuo atveju išsiskiriantis elektronų perteklius suteikia elektrodui neigiamą krūvį ir pradeda judėti išilgai uždaros išorinės grandinės dalies iki teigiamo elektrodo.
Teigiamai įkrauti švino jonai reaguoja su neigiamai įkrautais sulfato jonais ir susidaro švino sulfatas, kuris mažai tirpsta ir todėl nusėda ant neigiamo elektrodo paviršiaus. Akumuliatoriaus išsikrovimo proceso metu aktyvioji neigiamo elektrodo masė iš kempinės švino paverčiama švino sulfatu, kurio spalva pasikeičia iš pilkos į šviesiai pilką.
Teigiamo elektrodo švino dioksidas ištirpsta elektrolite daug mažiau nei neigiamo elektrodo švinas. Sąveikaujant su vandeniu, jis disocijuoja (tirpoje skyla į įkrautas daleles – jonus), sudarydamas keturvalenčius švino jonus ir hidroksilo jonus.
Jonai susisiekia su elektrodu teigiamas potencialas ir pridedant elektronus, kurie per išorinę grandinę atėjo iš neigiamo elektrodo, redukuojami į dvivalečius švino jonus
Jonai sąveikauja su jonais, sudarydami švino sulfatą, kuris dėl aukščiau nurodytos priežasties taip pat nusėda ant teigiamo elektrodo paviršiaus, kaip ir ant neigiamo. Vykstant iškrovimui, aktyvioji teigiamo elektrodo masė iš švino dioksido virsta švino sulfatu, keičiant jo spalvą iš tamsiai rudos į šviesiai rudą.
Akumuliatoriui išsikraunant, aktyvios medžiagos teigiamame ir neigiamame elektroduose virsta švino sulfatu. Tuo pačiu metu jis išleidžiamas švino sulfato susidarymui sieros rūgštis o iš išsiskyrusių jonų susidaro vanduo, dėl ko iškrovimo metu sumažėja elektrolito tankis.
Akumuliatoriaus įkrovimas
Elektrolite abiejuose elektroduose yra nedideli kiekiaišvino sulfato jonai ir vanduo. Veikiant nuolatinės srovės šaltinio, kurio grandinėje įkraunama baterija, įtampai, išorinėje grandinėje nustatomas kryptingas elektronų judėjimas link neigiamo akumuliatoriaus gnybto.
Dvivalenčiai švino jonai prie neigiamo elektrodo yra neutralizuojami (sumažinami) įeinančių dviejų elektronų, neigiamo elektrodo aktyviąją masę paverčiant metaliniu kempinės švinu. Likę laisvieji jonai sudaro sieros rūgštį
Prie teigiamo elektrodo, veikiami įkrovimo srovės, dvivalenčiai švino jonai atiduoda du elektronus, oksiduodami į keturiavalenčius. Pastarieji, per tarpines reakcijas jungdamiesi su dviem deguonies jonais, sudaro švino dioksidą, kuris išsiskiria prie elektrodo. Ir jonai, kaip ir neigiamo elektrodo, sudaro sieros rūgštį, dėl to įkrovimo metu padidėja elektrolito tankis.
Baigus medžiagų transformacijos procesus aktyviose teigiamų ir neigiamų elektrodų masėse, elektrolito tankis nustoja keistis, o tai yra akumuliatoriaus įkrovimo pabaigos ženklas. Toliau tęsiant įkrovą, vyksta vadinamasis antrinis procesas – elektrolitinis vandens skilimas į deguonį ir vandenilį. Iš elektrolito išmetami dujų burbuliukų pavidalu, jie sukuria intensyvaus virimo efektą, kuris taip pat yra įkrovimo proceso pabaigos ženklas.
Pagrindinių srovę formuojančių reagentų suvartojimas
Norint gauti vienos ampervalandės talpą, kai akumuliatorius išsikrovęs, reakcijoje turi dalyvauti:
4,463 g švino dioksido
3,886 g kempinės švino
3,660 g sieros rūgšties
Bendras teorinis medžiagų sunaudojimas 1 Ah (savitasis medžiagų suvartojimas) elektros energijos gamybai bus 11,989 g/Ah, o teorinė savitoji galia – 83,41 Ah/kg.
Esant 2 V vardinei akumuliatoriaus įtampai, teorinės savitosios medžiagos sąnaudos energijos vienetui yra 5,995 g/Wh, o akumuliatoriaus savitoji energija bus 166,82 Wh/kg.
Tačiau praktiškai to pasiekti neįmanoma pilnas naudojimas aktyviosios medžiagos, dalyvaujančios srovės generavimo procese. Maždaug pusė aktyviosios masės paviršiaus yra nepasiekiama elektrolitui, nes tai yra tūrinio porėto karkaso, užtikrinančio medžiagos mechaninį stiprumą, konstrukcija. Todėl tikrasis teigiamo elektrodo aktyviųjų masių panaudojimo koeficientas yra 45-55%, o neigiamo elektrodo - 50-65%. Be to, kaip elektrolitas naudojamas 35-38% sieros rūgšties tirpalas. Todėl realaus specifinio medžiagų suvartojimo vertė yra daug didesnė, o tikrosios specifinės talpos ir specifinės energijos vertės yra daug mažesnės nei teorinės.
Elektrovaros jėga
Akumuliatoriaus E elektrovaros jėga (EMF) yra skirtumas tarp jos elektrodų potencialai, matuojamas esant atvirai išorinei grandinei.
Akumuliatoriaus, sudaryto iš n nuosekliai sujungtų baterijų, EMF.
Būtina atskirti pusiausvyrinį akumuliatoriaus EML ir nepusiausvyrinį akumuliatoriaus EML per laikotarpį nuo grandinės atidarymo iki nustatymo. pusiausvyros būsena(pereinamojo proceso laikotarpis).
EMF matuojamas didelės varžos voltmetru (vidinė varža ne mažesnė kaip 300 omų/V). Norėdami tai padaryti, prie akumuliatoriaus arba akumuliatoriaus gnybtų prijungiamas voltmetras. Tokiu atveju per akumuliatorių (bateriją) neturėtų tekėti įkrovimo ar iškrovimo srovė.
Švino akumuliatoriaus, kaip ir bet kurio cheminio srovės šaltinio, pusiausvyros EML priklauso nuo cheminės ir fizines savybes medžiagos, dalyvaujančios srovės formavimo procese, ir visiškai nepriklauso nuo elektrodų dydžio ir formos, taip pat nuo aktyviųjų masių ir elektrolito kiekio. Tačiau švino rūgšties akumuliatoriuje elektrolitas pasiima tiesioginis dalyvavimas srovės generavimo procese ant akumuliatoriaus elektrodų ir keičia jos tankį priklausomai nuo baterijų įkrovimo laipsnio. Todėl pusiausvyros EMF, kuri savo ruožtu yra tankio funkcija
Akumuliatoriaus emf pokytis, kaip temperatūros funkcija, yra labai mažas ir gali būti nepaisomas veikimo metu.
Vidinis pasipriešinimas
Akumuliatoriaus teikiama varža joje tekančiai srovei (įkraunant ar iškraunant) paprastai vadinama vidine akumuliatoriaus varža.
Teigiamų ir neigiamų elektrodų aktyviųjų medžiagų varža, taip pat elektrolito varža kinta priklausomai nuo akumuliatoriaus įkrovos būsenos. Be to, elektrolito varža labai priklauso nuo temperatūros.
Todėl ominė varža taip pat priklauso nuo akumuliatoriaus įkrovos būsenos ir elektrolito temperatūros.
Atsparumas poliarizacijai priklauso nuo iškrovimo (įkrovimo) srovės stiprumo ir temperatūros ir nepaklūsta Ohmo dėsniui.
Vieno akumuliatoriaus ir net iš kelių nuosekliai sujungtų baterijų vidinė varža yra nereikšminga ir įkraunant siekia vos kelias tūkstantąsias omų. Tačiau iškrovimo proceso metu jis labai pasikeičia.
Aktyvių masių elektrinis laidumas teigiamam elektrodui sumažėja maždaug 20 kartų, o neigiamam elektrodui – 10 kartų. Elektrolito elektrinis laidumas taip pat kinta priklausomai nuo jo tankio. Kai elektrolito tankis padidėja nuo 1,00 iki 1,70 g/cm3, jo elektrinis laidumas pirmiausia padidėja iki jo maksimali vertė, o tada vėl mažėja.
Akumuliatoriui išsikraunant, elektrolito tankis sumažėja nuo 1,28 g/cm3 iki 1,09 g/cm3, todėl jo elektrinis laidumas sumažėja beveik 2,5 karto. Dėl to akumuliatoriaus ominis pasipriešinimas didėja jam išsikraunant. Išsikrovusioje būsenoje varža pasiekia vertę, daugiau nei 2 kartus didesnę nei jos vertė įkrautoje būsenoje.
Be įkrovimo būsenos, akumuliatoriaus atsparumui didelę įtaką turi temperatūra. Temperatūrai nukritus varža elektrolito padaugėja ir esant -40 °C temperatūrai jis tampa maždaug 8 kartus didesnis nei esant +30 °C. Separatorių varža taip pat smarkiai didėja mažėjant temperatūrai ir tame pačiame temperatūros diapazone padidėja beveik 4 kartus. Tai yra lemiamas veiksnys didinant baterijų vidinę varžą, kai žemos temperatūros.
Įkrovimo ir iškrovimo įtampa
Potencialų skirtumas akumuliatoriaus (baterijos) polių gnybtuose įkrovimo ar iškrovimo metu, esant srovei išorinėje grandinėje, paprastai vadinamas akumuliatoriaus (baterijos) įtampa. Akumuliatoriaus vidinis pasipriešinimas lemia tai, kad jo įtampa iškrovimo metu visada yra mažesnė nei EMF, o įkraunant ji visada yra didesnė nei EMF.
Įkraunant akumuliatorių, jo gnybtų įtampa turi būti didesnė už jo emf vidinių nuostolių dydžiu.
Įkrovimo pradžioje įvyksta įtampos šuolis dėl ominių nuostolių akumuliatoriaus viduje, o po to smarkiai padidėja įtampa dėl poliarizacijos potencialo, kurį daugiausia sukelia greitas elektrolito tankio padidėjimas porose. aktyvioji masė. Tada lėtas įtampa didėja, daugiausia dėl padidėjusio akumuliatoriaus emf dėl padidėjusio elektrolito tankio.
Po to, kai pagrindinis švino sulfato kiekis paverčiamas į PbO2 ir Pb, energijos sąnaudos vis dažniau sukelia vandens skaidymą (elektrolizę) Perteklinis vandenilio ir deguonies jonų kiekis, atsirandantis elektrolite, dar labiau padidina potencialų skirtumą tarp priešingų elektrodų. Dėl to sparčiai didėja įkrovimo įtampa, o tai pagreitina vandens skilimo procesą. Susidarę vandenilio ir deguonies jonai nesąveikauja su aktyviosiomis medžiagomis. Jie rekombinuojasi į neutralias molekules ir išsiskiria iš elektrolito dujų burbuliukų pavidalu (deguonis išsiskiria ant teigiamo elektrodo, vandenilis – ant neigiamo elektrodo), todėl elektrolitas „užverda“.
Jei tęsite įkrovimo procesą, pamatysite, kad elektrolito tankio ir įkrovimo įtampos padidėjimas praktiškai sustoja, nes beveik visas švino sulfatas jau sureagavo, o visa į akumuliatorių tiekiama energija dabar išleidžiama tik šalutinio proceso atsiradimas – elektrolitinis vandens skilimas. Tai paaiškina įkrovimo įtampos pastovumą, kuri yra vienas iš įkrovimo proceso pabaigos ženklų.
Po to, kai įkrovimas sustoja, tai yra, išsijungia išorinis šaltinis, įtampa akumuliatoriaus gnybtuose smarkiai sumažėja iki jos pusiausvyros EMF vertės arba ominių vidinių nuostolių dydžiu. Tada palaipsniui mažėja EML (dėl elektrolito tankio sumažėjimo aktyviosios masės porose), kuris tęsiasi tol, kol elektrolito koncentracija akumuliatoriaus tūryje ir aktyviosios masės porose visiškai išsilygins. , o tai atitinka pusiausvyros EML nustatymą.
Kai baterija išsikrauna, įtampa jos gnybtuose yra mažesnė už emf vidinės įtampos kritimo dydžiu.
Iškrovimo pradžioje akumuliatoriaus įtampa smarkiai sumažėja dėl ominių nuostolių ir poliarizacijos, kurią sukelia elektrolito koncentracijos sumažėjimas aktyviosios masės porose, tai yra koncentracijos poliarizacija. Be to, esant pastovios būsenos (stacionaraus) iškrovimo procesui, elektrolito tankis akumuliatoriaus tūryje mažėja, todėl laipsniškai mažėja iškrovos įtampa. Tuo pačiu metu keičiasi švino sulfato kiekio santykis aktyvioje masėje, o tai taip pat padidina ominius nuostolius. Šiuo atveju švino sulfato dalelės (kurių tūris yra maždaug tris kartus didesnis, palyginti su švino ir jo dioksido dalelėmis, iš kurių jos susidarė) uždaro aktyviosios masės poras, taip neleisdamos elektrolitui patekti į gelmes. elektrodus.
Dėl to padidėja koncentracijos poliarizacija, todėl iškrovos įtampa greičiau mažėja.
Kai iškrovimas sustoja, įtampa akumuliatoriaus gnybtuose greitai padidėja omų nuostolių dydžiu ir pasiekia nepusiausvyros EML vertę. Tolesnis EML pokytis dėl elektrolitų koncentracijos išlyginimo aktyviųjų masių porose ir akumuliatoriaus tūryje lemia laipsnišką EML pusiausvyros vertės nustatymą.
Akumuliatoriaus įtampą iškrovimo metu daugiausia lemia elektrolito temperatūra ir iškrovos srovės stiprumas. Kaip minėta aukščiau, švino akumuliatoriaus (baterijos) varža yra nereikšminga ir įkrautoje būsenoje yra tik keli miliohm. Tačiau esant starterio iškrovos srovėms, kurių stiprumas yra 4-7 kartus didesnis už vardinę talpą, vidinis įtampos kritimas turi didelę įtaką iškrovos įtampai. Ominių nuostolių padidėjimas mažėjant temperatūrai yra susijęs su elektrolito varžos padidėjimu. Be to, smarkiai padidėja elektrolito klampumas, o tai apsunkina jo difuzijos į aktyviosios masės poras procesą ir padidina koncentracijos poliarizaciją (ty padidina įtampos nuostolius akumuliatoriaus viduje, sumažindamas elektrolito koncentraciją elektrodų poras).
Esant didesnei nei 60 A srovei, iškrovos įtampos priklausomybė nuo srovės stiprio yra beveik tiesinė esant visoms temperatūroms.
Vidutinė akumuliatoriaus įtampos vertė įkrovimo ir iškrovimo metu nustatoma kaip vidutinė aritmetinės reikšmėsįtampa matuojama reguliariais intervalais.
Baterijos talpa
Akumuliatoriaus talpa – tai elektros energijos kiekis, gaunamas iš akumuliatoriaus, kai jis išsikrauna iki nurodytos galutinės įtampos. Praktiniuose skaičiavimuose akumuliatoriaus talpa dažniausiai išreiškiama ampervalandomis (Ah). Iškrovos pajėgumą galima apskaičiuoti iškrovos srovę padauginus iš iškrovos trukmės.
Iškrovimo talpa, kuriai suprojektuota ir nurodyta gamintojo, vadinama vardine talpa.
Be to, svarbus rodiklis taip pat yra akumuliatoriaus talpa kraunant.
Iškrovimo talpa priklauso nuo daugelio akumuliatoriaus konstrukcijos ir technologinių parametrų, taip pat nuo jo veikimo sąlygų. Svarbiausi projektiniai parametrai yra aktyviosios masės ir elektrolito kiekis, akumuliatoriaus elektrodų storis ir geometriniai matmenys. Pagrindiniai technologiniai parametrai, turintys įtakos akumuliatoriaus talpai, yra aktyviųjų medžiagų sudėtis ir jų poringumas. Darbiniai parametrai – elektrolito temperatūra ir iškrovos srovė – taip pat turi didelės įtakos iškrovos pajėgumui. Bendras akumuliatoriaus efektyvumą apibūdinantis rodiklis yra aktyvių medžiagų panaudojimo rodiklis.
Norint gauti 1 Ah talpą, kaip nurodyta aukščiau, teoriškai reikia 4,463 g švino dioksido, 3,886 g kempinės švino ir 3,66 g sieros rūgšties. Teorinis savitasis aktyviųjų elektrodų masių suvartojimas yra 8,32 g/Ah. Realiuose akumuliatoriuose specifinis aktyviųjų medžiagų suvartojimas 20 valandų iškrovos režimu ir 25 °C elektrolito temperatūra svyruoja nuo 15,0 iki 18,5 g/Ah, o tai atitinka 45–55% aktyviųjų masių panaudojimo koeficientą. Vadinasi, praktinis aktyviosios masės suvartojimas 2 ar daugiau kartų viršija teorines vertes.
Aktyvios masės panaudojimo laipsniui, taigi ir iškrovos pajėgumo vertei, įtakos turi šie pagrindiniai veiksniai.
Aktyvios masės poringumas. Didėjant poringumui, gerėja sąlygos elektrolitui difuzuoti į elektrodo aktyviosios masės gylį ir didėja tikrasis paviršius, ant kurio vyksta srovės generavimo reakcija. Didėjant poringumui, didėja iškrovimo pajėgumas. Akytumo kiekis priklauso nuo švino miltelių dalelių dydžio ir aktyviųjų masių paruošimo receptūros bei nuo naudojamų priedų. Be to, padidėjus akytumui, sumažėja patvarumas, nes pagreitėja labai poringų aktyviųjų masių sunaikinimo procesas. Todėl akytumo vertę gamintojai parenka atsižvelgdami ne tik į aukštas talpines charakteristikas, bet ir užtikrindami reikiamą akumuliatoriaus ilgaamžiškumą. Šiuo metu optimalus yra 46–60% poringumas, priklausomai nuo akumuliatoriaus paskirties.
Elektrodo storis. Mažėjant storiui, netolygiai apkraunama išorinė ir vidinius sluoksnius aktyvioji elektrodo masė, kuri padeda padidinti iškrovos pajėgumą. Storesniems elektrodams vidiniai aktyviosios masės sluoksniai naudojami labai mažai, ypač iškraunant didelėmis srovėmis. Todėl, didėjant iškrovos srovei, baterijų su skirtingo storio elektrodais talpos skirtumai smarkiai sumažėja.
Separatoriaus medžiagos projektavimo poringumas ir racionalumas. Didėjant separatoriaus poringumui ir jo briaunų aukščiui, padidėja elektrolito padavimas tarpelektrodiniame tarpelyje ir pagerėja jo difuzijos sąlygos.
Elektrolitų tankis. Įtakoja akumuliatoriaus talpą ir jo tarnavimo laiką. Didėjant elektrolito tankiui, didėja teigiamų elektrodų talpa, o neigiamų, ypač esant neigiamai temperatūrai, mažėja dėl elektrodo paviršiaus pasyvavimo pagreitėjimo. Padidėjęs tankis taip pat neigiamai veikia akumuliatoriaus tarnavimo laiką dėl teigiamo elektrodo korozijos procesų pagreitėjimo. Todėl optimalus elektrolito tankis nustatomas atsižvelgiant į reikalavimų ir sąlygų, kuriomis baterija veikia, visumą. Taigi, pavyzdžiui, už starterio akumuliatoriai, dirbant vidutinio klimato sąlygomis, rekomenduojamas darbinio elektrolito tankis yra 1,26-1,28 g/cm3, o karšto (tropinio) klimato vietovėse 1,22-1,24 g/cm3.
Iškrovos srovės stiprumas, kuriuo akumuliatorius turi būti nuolat išsikrovęs tam tikrą laiką (apibūdina iškrovimo režimą). Iškrovimo režimai sutartinai skirstomi į ilgus ir trumpus. Ilgalaikiais režimais iškrova kelias valandas vyksta esant mažoms srovėms. Pavyzdžiui, 5, 10 ir 20 valandų iškrovos. Esant trumpam arba starterio iškrovimui, srovė kelis kartus viršija nominalią akumuliatoriaus talpą, o išsikrovimas trunka kelias minutes ar sekundes. Didėjant iškrovos srovei, aktyviosios masės paviršinių sluoksnių iškrovos greitis padidėja didesniu mastu nei gilios. Dėl to švino sulfato augimas porų žiotyse vyksta greičiau nei gelmėse, o poras dar nespėjus sureaguoti užsikemša sulfatas. vidinis paviršius. Nutrūkus elektrolito difuzijai į poras, reakcija joje sustoja. Taigi, kuo didesnė iškrovos srovė, tuo mažesnė akumuliatoriaus talpa, taigi ir aktyviosios masės panaudojimo koeficientas.
Norint įvertinti akumuliatorių paleidimo savybes, jų talpa taip pat apibūdinama nutrūkstančių starterio iškrovimų skaičiumi (pvz., trunkančių 10-15 s, o pertraukos tarp jų 60 s). Akumuliatoriaus talpa, kurią užtikrina pertraukiamo iškrovimo metu, viršija talpą nuolat iškraunant ta pačia srove, ypač starterio iškrovimo režimu.
Šiuo metu tarptautinėje praktikoje vertinant talpos charakteristikas starterio akumuliatoriai Naudojama „rezervinio“ pajėgumo sąvoka. Jis apibūdina akumuliatoriaus išsikrovimo laiką (minutėmis) esant 25 A iškrovos srovei, nepriklausomai nuo nominalios akumuliatoriaus talpos. Gamintojo nuožiūra leidžiama nustatyti vardinės talpos vertę 20 valandų iškrovos režimu ampervalandomis arba rezervine galia minutėmis.
Elektrolito temperatūra. Jai mažėjant, mažėja baterijų iškrovimo talpa. To priežastis – padidėjęs elektrolito klampumas ir jo elektrinė varža, kuris sulėtina elektrolito difuzijos greitį į aktyviosios masės poras. Be to, mažėjant temperatūrai, neigiamo elektrodo pasyvavimo procesai pagreitėja.
Temperatūros koeficientas talpa a rodo procentinį talpos pokytį, kai temperatūra keičiasi 1 °C.
Bandymo metu ilgalaikio iškrovimo režimu gautas iškrovos pajėgumas lyginamas su vardinės talpos dydžiu, nustatyta esant +25 °C elektrolito temperatūrai.
Elektrolito temperatūra nustatant talpą ilgalaikio iškrovimo režimu pagal standartų reikalavimus turi būti nuo +18 °C iki +27 °C.
Starterio iškrovos parametrai vertinami pagal iškrovos trukmę minutėmis ir įtampą iškrovos pradžioje. Šie parametrai nustatomi per pirmąjį ciklą esant +25 °C (sausai įkrautų baterijų bandymas), o vėlesniais ciklais -18 °C arba -30 °C temperatūroje.
Įkrovimo laipsnis. Didėjant įkrovimo laipsniui, esant kitoms sąlygoms, talpa didėja ir pasiekia maksimalią vertę, kai akumuliatoriai yra visiškai įkrauti. Taip yra dėl to, kad kai įkrovimas yra nepilnas, aktyvių medžiagų kiekis ant abiejų elektrodų, taip pat elektrolito tankis nepasiekia maksimalių verčių.
Baterijos energija ir galia
Akumuliatoriaus energija W išreiškiama vatvalandėmis ir nustatoma pagal jos iškrovimo (įkrovimo) talpos ir vidutinės iškrovimo (įkrovimo) įtampos sandaugą.
Kadangi keičiantis temperatūrai ir iškrovos režimui keičiasi akumuliatoriaus talpa ir jo iškrovos įtampa, tai, kai temperatūra mažėja ir iškrovos srovė didėja, akumuliatoriaus energija sumažėja dar labiau nei jo talpa.
Lyginant cheminius srovės šaltinius, kurie skiriasi talpa, konstrukcija ir net elektrochemine sistema, taip pat nustatant jų tobulinimo kryptis, naudojamas specifinės energijos rodiklis - energija, tenkanti akumuliatoriaus masės vienetui arba jo tūriui. Šiuolaikinių priežiūros nereikalaujančių švino starterių akumuliatorių savitoji energija 20 valandų iškrovos režimu yra 40–47 W h/kg.
Akumuliatoriaus tiekiamas energijos kiekis per laiko vienetą vadinamas jo galia. Jį galima apibrėžti kaip iškrovos srovės ir vidutinės iškrovos įtampos sandaugą.
Akumuliatoriaus savaiminis išsikrovimas
Savaiminis išsikrovimas yra akumuliatoriaus talpos sumažėjimas, kai išorinė grandinė yra atvira, tai yra neaktyvumo metu. Šį reiškinį sukelia redokso procesai, kurie spontaniškai vyksta tiek ant neigiamo, tiek ant teigiamo elektrodo.
Neigiamas elektrodas yra ypač jautrus savaiminiam išsikrovimui dėl savaiminio švino (neigiamos aktyviosios masės) ištirpimo sieros rūgšties tirpale.
Savaiminį neigiamo elektrodo išsikrovimą lydi vandenilio dujų išsiskyrimas. Spontaniško švino tirpimo greitis žymiai padidėja didėjant elektrolito koncentracijai. Padidinus elektrolito tankį nuo 1,27 iki 1,32 g/cm3, neigiamo elektrodo savaiminio išsikrovimo greitis padidėja 40%.
Įvairių metalų priemaišų buvimas neigiamo elektrodo paviršiuje turi labai reikšmingą (katalizinį) poveikį didinant savaiminio švino tirpimo greitį (dėl vandenilio išsiskyrimo viršįtampio sumažėjimo). Beveik visi metalai, randami kaip priemaišos akumuliatorių žaliavose, elektrolituose ir separatoriuose, arba naudojami kaip specialūs priedai, prisideda prie padidėjusio savaiminio išsikrovimo. Patekę ant neigiamo elektrodo paviršiaus, jie palengvina vandenilio išsiskyrimo sąlygas.
Kai kurios priemaišos (kintamo valentingumo metalų druskos) veikia kaip krūvininkai nuo vieno elektrodo į kitą. Šiuo atveju metalo jonai redukuojami prie neigiamo elektrodo ir oksiduojami prie teigiamo elektrodo (šis savaiminio išsikrovimo mechanizmas priskiriamas geležies jonams).
Savaiminio išsikrovimo teigiamas aktyvioji medžiaga sukeltas reakcijos.
2PbO2 + 2H2SO4 -> PbSCU + 2H2O + O2 T.
Šios reakcijos greitis taip pat didėja didėjant elektrolitų koncentracijai.
Kadangi reakcija vyksta išskiriant deguonį, jos greitį daugiausia lemia deguonies viršįtampis. Todėl deguonies išsiskyrimo galimybę mažinantys priedai (pavyzdžiui, stibis, kobaltas, sidabras) padidins švino dioksido savaiminio tirpimo reakcijos greitį. Teigiamos aktyviosios medžiagos savaiminio išsikrovimo greitis yra kelis kartus mažesnis nei neigiamos aktyvios medžiagos savaiminio išsikrovimo greitis.
Kita teigiamo elektrodo savaiminio išsikrovimo priežastis yra potencialų skirtumas tarp srovės laidininko medžiagos ir šio elektrodo aktyviosios masės. Galvaninis mikroelementas, atsirandantis dėl šio potencialų skirtumo, tekant srovei paverčia žemyn esančio laidininko šviną ir teigiamos aktyviosios masės švino dioksidą į švino sulfatą.
Savaiminis išsikrovimas gali atsirasti ir tada, kai akumuliatoriaus išorė yra nešvari arba pripildyta elektrolito, vandens ar kitų skysčių, kurie sukuria galimybę išsikrauti per elektrai laidžią plėvelę, esančią tarp akumuliatoriaus gnybtų arba jo trumpiklių. Šis savaiminio iškrovimo tipas nesiskiria nuo įprasto iškrovimo su labai mažomis srovėmis, kai išorinė grandinė yra uždaryta ir gali būti lengvai pašalinta. Norėdami tai padaryti, baterijų paviršius turi būti švarus.
Akumuliatorių savaiminis išsikrovimas labai priklauso nuo elektrolito temperatūros. Kai temperatūra mažėja, savaiminis išsikrovimas mažėja. Esant žemesnei nei 0 °C temperatūrai naujiems akumuliatoriams jis praktiškai sustoja. Todėl rekomenduojama baterijas laikyti įkrautas žemoje temperatūroje (iki -30 °C).
Eksploatacijos metu savaiminis išsikrovimas nelieka pastovus ir staigiai didėja pasibaigus eksploatavimo laikui.
Sumažinti savaiminį išsikrovimą galima padidinus deguonies ir vandenilio emisijos viršįtampą prie akumuliatoriaus elektrodų.
Norėdami tai padaryti, pirmiausia reikia naudoti kuo grynesnes medžiagas akumuliatorių gamybai, sumažinti kiekybinį legiruojančių elementų kiekį akumuliatorių lydiniuose, naudoti tik
gryna sieros rūgštis ir distiliuotas (arba jai artimas grynumo kitais būdais) vanduo, skirtas visų elektrolitų paruošimui tiek gamybos, tiek eksploatacijos metu. Pavyzdžiui, sumažinus stibio kiekį srovės laidų lydinyje nuo 5% iki 2% ir naudojant distiliuotą vandenį visiems proceso elektrolitams, vidutinė dienos savaiminė iškrova sumažėja 4 kartus. Stibio pakeitimas kalciu leidžia dar labiau sumažinti savaiminio išsikrovimo greitį.
Papildai taip pat gali padėti sumažinti savaiminį išsikrovimą organinės medžiagos- savaiminio išsikrovimo inhibitoriai.
Naudojant bendrą dangtelį ir paslėptas tarpelementų jungtis, žymiai sumažėja savaiminio išsikrovimo nuo nuotėkio srovių greitis, nes žymiai sumažėja galvaninio sujungimo tarp plačiai išdėstytų polių gnybtų tikimybė.
Kartais vadinamas savaiminiu išsikrovimu greitas praradimas pajėgumas dėl trumpasis jungimas akumuliatoriaus viduje. Šis reiškinys paaiškinamas tiesioginiu iškrovimu per laidžius tiltelius, susidariusius tarp priešingų elektrodų.
Vokų separatorių naudojimas priežiūros nereikalaujančiose baterijose
pašalina trumpojo jungimo galimybę tarp priešingų elektrodų veikimo metu. Tačiau tokia galimybė išlieka dėl galimų įrangos gedimų masinės gamybos metu. Paprastai toks defektas aptinkamas pirmaisiais eksploatacijos mėnesiais ir akumuliatorius turi būti pakeistas pagal garantiją.
Paprastai savaiminio išsikrovimo laipsnis išreiškiamas talpos praradimo procentais per tam tikrą laikotarpį.
Dabartiniai savaiminio išsikrovimo standartai taip pat pasižymi starterio iškrovos įtampa prie -18 °C po bandymo: neveiklumas 21 dieną esant +40 °C temperatūrai.
KAM kategorija:
Automobilių elektros įranga
-
Cheminiai procesai akumuliatoriuje
Įkrautame akumuliatoriuje teigiamų plokščių aktyviąją masę sudaro tamsiai rudas švino peroksidas Pb02, o neigiamų plokščių aktyviąją masę – pilkas kempinės švinas Pb. Tuo pačiu metu elektrolito tankis, priklausomai nuo metų laiko ir veikimo zonos, svyruoja nuo 1,25 iki 1,31 g/cm3.
Išsikrovus akumuliatoriui, aktyvioji neigiamų plokščių masė iš kempinės švino Pb paverčiama švino sulfatu PbS04, kurio spalva pasikeičia iš pilkos į šviesiai pilką.
Akumuliatoriaus teigiamų plokščių aktyvioji masė iš švino peroksido PbO2 paverčiama švino sulfatu PbS04, spalva pasikeičia iš tamsiai rudos į rudą.
-
Švino sulfatas PbS04 paprastai vadinamas švino sulfatu.
Praktiškai esant priimtinam akumuliatoriaus iškrovimui, cheminėse reakcijose dalyvauja ne daugiau kaip 40 - 50% aktyviosios plokščių masės, nes elektrolitas giliuose aktyviosios masės sluoksniuose dėl jo nepakankamo poringumo. reikalingas kiekis neatvyksta. PbS04 kristalų nusėdimas ant porų sienelių paviršiaus siaurina ir net užkemša aktyviosios masės poras, todėl elektrolitui sunku prasiskverbti į vidinius, gilesnius jo sluoksnius. Atsižvelgiant į tai, dalis cheminės energijos, saugomos PbO2 ir Pb pavidalu vidiniuose aktyviosios masės sluoksniuose, nesusilies su elektrolitu, todėl sumažės kiekvieno akumuliatoriaus elemento talpa.
Kadangi išleidimo proceso metu sieros rūgštis patenka į švino sulfato PbS04 susidarymą kartu išleidžiant vandenį H20, elektrolito tankis atitinkamai sumažėja nuo 1,25 - 1,31 iki 1,09 - 1,15 g/cm3.
Taigi, elektrolito tankis esant 100% iškrovai sumažėja 0,16 g/cm3, todėl akumuliatoriaus išsikrovimo laikotarpiu elektrolito tankio sumažėjimas 0,01 g/cm3 atitinka akumuliatoriaus talpos sumažėjimą 6 %.
Elektrolito tankio pokytis yra vienas iš pagrindinių akumuliatoriaus išsikrovimo laipsnio rodiklių.
Norėdami įkrauti, akumuliatorius jungiamas į grandinę, lygiagrečią nuolatinės srovės šaltiniui (generatoriui, lygintuvui), kurios įtampa turi viršyti pvz. d.s. įkraunama baterija.
Įkraunant neigiamų plokštelių aktyvioji masė iš švino sulfato PbS04 palaipsniui virsta kempinėliu švino Pb (pilka), o teigiamų plokštelių aktyvi masė iš PbS04 virsta švino peroksidu PbO2 (tamsiai ruda). Šiuo atveju dėl H2S04 susidarymo kartu su H20 mažėjimu elektrolito tankis padidėja nuo 1,09 - 1,15 iki 1,25 - 1,31 g/cm3.
Įjungta oksidacinės savybės keturvalentinis švinas ir jo perėjimas į stabilesnę dvivalenę būseną yra praktiškai plačiai naudojamų švino baterijų projektavimo ir veikimo pagrindas.
Elektrinės baterijos yra įrenginiai, leidžiantys kaupti elektros energiją, kad vėliau ją būtų galima panaudoti tinkamas momentas. Šis energijos kaupimas atliekamas praleidžiant akumuliatorių elektros srovė, dėl kurio jame vyksta cheminis procesas, lydimas elektros energijos pavertimo chemine energija; Teigiama, kad baterija kraunasi. Įkrauta baterija gali būti naudojama kaip galvaninis elementas, o ta pati reakcija, kuri įvyko įkraunant akumuliatorių, vyksta priešinga kryptimi ir akumuliatoriuje susikaupusi cheminė energija paverčiama elektros energija; Kai akumuliatorius išnaudojamas, jis išsikrauna.
Paprasčiausiu atveju švino-rūgšties akumuliatorius yra sudarytas iš dviejų grotelių švino plokščių, kurių elementai užpildyti švino oksido ir vandens mišiniu, panašiu į tešlą. Plokštelės panardinamos į stačiakampį stiklinį indelį, pripildytą praskiestos sieros rūgšties. masė 1,15-1,20 (22-28 % H 2 SO 4).
Dėl reakcijos
PbO + H 2 SO 4 = PbSO 4 + H 2 O
Švino oksidas po kurio laiko virsta sulfatu. Jei dabar per prietaisą paleisime nuolatinę srovę, vieną plokštę prijungdami prie neigiamo, o kitą prie teigiamo srovės šaltinio poliaus, baterija bus įkraunama, o prie elektrodų vyks šie procesai:
Sudėjus šias lygtis, gauname bendroji lygtis reakcijos, atsirandančios įkraunant akumuliatorių:
2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 + 4H + 2SO4"
Taigi, praeinant srovei, sulfatas prie katodo virsta biria metalinio švino mase, o anode – į tamsiai rudą švino dioksidą.
Kai šis procesas bus baigtas, baterija įkraunama. Įkrovimo pabaigą rodo energingo vandens irimo pradžia: jis išleidžiamas prie katodo ir prie anodo (akumuliatorius „užverda“).
Įkrauto akumuliatoriaus plokštes sujungus laidininku, pastarajame atsiranda srovė, ir iš švinu padengtos plokštės į švino dioksidu padengtą plokštę juda elektronai. Srovės atsiradimas paaiškinamas taip. Iš plokštelės, padengtos švinu, dalis Pb ++ jonų pereina į tirpalą, ko pasekoje plokštelė įkraunama neigiamai. Švino plokštelėje išsilaisvinę elektronai pereina į PbO 2 ir keturvalentinį redukuoja į dvivalentį. Dėl to prie abiejų plokštelių susidaro Pb jonai, kurie tirpale susijungia su SO 4 jonais ir susidaro netirpus švino sulfatas, o baterija išsikrauna.
Procesai, vykstantys išsikrovus akumuliatoriui, pateikiami šioje diagramoje:
Sudėjus parašytas lygtis, nesunku patikrinti, ar reakcija, kuri įvyksta išsikrovus akumuliatoriui, yra priešinga tai, kuri įvyko ją įkrovus. Todėl abu procesus galima išreikšti viena lygtimi:
įkroviklis
2PbSO4 + 2H2O ⇄Pb + Pb02 + 4H + 2SO4"
iškrovimas
Išsikrovus akumuliatoriui sieros rūgšties koncentracija mažėja, nes sunaudojami ir susidaro H ir SO 4 jonai. Todėl akumuliatoriaus išsikrovimo laipsnį galima spręsti pagal savitasis svoris rūgšties, matuojant ją hidrometru.
Švino akumuliatoriaus įtampa yra 2 voltai ir atįprastinė apkrova jo veikimo metu išlieka beveik nepakitusi. Jei įtampa pradeda kristi, akumuliatorių reikia vėl įkrauti.
Skaitote straipsnį Švino rūgšties akumuliatorius
Kad ir kaip suformuluosite straipsnio pavadinimą, jis vis tiek bus teisingas. Akumuliatoriaus konstrukcijoje chemija ir energija yra susietos.
Švino rūgšties akumuliatoriai gali veikti keletą metų įkrovimo-iškrovimo režimais. Jie greitai pasikrauna ir greitai išleidžia sukauptą energiją. Šių metamorfozių paslaptis slypi chemijoje, nes būtent ji padeda transformuoti elektrą, bet kaip?
Energijos konvertavimo baterijoje „sakramentą“ suteikia reagentų rinkinys, įskaitant oksidatorių ir reduktorius, sąveikaujantis per elektrolitą. Reduktorius (kempinės švinas Pb) turi neigiamą krūvį. Vykstant cheminei reakcijai jis oksiduojamas ir jo elektronai nukeliauja į oksidatorių, kuris turi teigiamą krūvį. Oksidatorius (švino dioksidas PbO2) redukuojamas, todėl susidaro elektros srovė.
Elektrolitas yra skystis, kuris prastai praleidžia srovę, bet yra geras jonų laidininkas. Tai vandeninis sieros rūgšties (H2S04) tirpalas. Cheminėje reakcijoje vyksta procesas, kuris yra žinomas visiems iš mokyklos - elektrolitinė disociacija.
Reakcijos metu teigiamai įkrauti jonai (H+) nukreipiami į teigiamą elektrodą, o neigiamo krūvio jonai (SO42-) į neigiamą elektrodą. Išsikrovus akumuliatoriui, jonai siunčiami iš reduktoriaus (švino kempinės) per elektrolitą į teigiamą elektrodą. teigiamas krūvis Pb2+.
Keturvalenčiai švino jonai (Pb4+) paverčiami dvivalenčiais švino jonais (Pb4+). Tačiau tai ne visos cheminės reakcijos. Kai rūgščių likučių jonai su neigiamas krūvis(SO42-) susijungia su teigiamai įkrautais švino jonais (Pb2+), tada ant abiejų elektrodų susidaro švino sulfatas (PbSO4). Bet tai jau kenkia baterijai. Sulfatacija sutrumpina akumuliatoriaus tarnavimo laiką, palaipsniui kaupiasi ir gali sugadinti. Šalutinis poveikis cheminės reakcijos įprastuose švino rūgšties akumuliatoriuose yra dujos.
Kas nutinka, kai baterija įkraunama?
Elektronai nukreipiami į neigiamo krūvio elektrodą, kur atlieka savo funkciją – neutralizuoja švino jonus (Pb2+). Baterijose vykstančias chemines reakcijas galima apibūdinti tokia formule:
Elektrolito tankis ir jo lygis akumuliatoriuje priklauso nuo to, ar akumuliatorius įkrautas, ar išsikrovęs. Elektrolito tankio pokyčius galima apibūdinti tokia formule:
Kur yra akumuliatoriaus išsikrovimo indikatorius, kuris matuojamas procentais, - Cp. Visiškai įkrauto elektrolito tankis yra Rz. Elektrolito tankis esant pilnai iškrovai - Pr.
Standartinė temperatūra, kurioje atliekami matavimai, yra + 25°C. Elektrolito tankis pagal temperatūrą yra + 25°C, g/cm3 - P25.
Vykstant cheminei reakcijai teigiami elektrodai naudoja 1,6 karto daugiau rūgšties nei neigiami elektrodai. Išsikrovus akumuliatoriui elektrolito tūris didėja, o įkraunant – priešingai – mažėja.
Tokiu būdu, cheminių reakcijų pagalba, baterija gauna, o paskui išleidžia elektros energiją.
Veikimo principas. Baterija paskambino cheminis šaltinis srovė, galinti sukaupti (akumuliuoti) elektros energiją savyje ir, esant reikalui, išleisti ją į išorinę grandinę. Elektros energija kaupiasi akumuliatoriuje, kai iš jo teka srovė
išorinis šaltinis (158 pav.,a). Šis procesas, vadinamas akumuliatoriaus įkrova, lydi elektros energijos pavertimas chemine energija, ko pasekoje pati baterija tampa srovės šaltiniu. Išsikrovus akumuliatoriui (158 pav., b), vyksta atvirkštinis cheminės energijos pavertimas elektros energija. Akumuliatorius turi didelis privalumas palyginti su galvaniniu elementu. Jei elementas išsikrauna, jis tampa visiškai netinkamas naudoti; baterija ta pati. po iškrovimo jis gali būti įkrautas ir bus elektros energijos šaltinis. Priklausomai nuo elektrolito tipo, baterijos skirstomos į rūgštines ir šarmines.
Lokomotyvuose ir elektriniuose traukiniuose didžiausias paskirstymas gautos šarminės baterijos, kurių tarnavimo laikas žymiai ilgesnis nei rūgštinės. Rūgšties akumuliatoriai TN-450 naudojami tik dyzeliniuose lokomotyvuose, jų talpa 450 Ah, vardinė įtampa - 2,2 V. Akumuliatorius 32 TN-450 susideda iš 32 nuosekliai sujungtų akumuliatorių; raidė T reiškia, kad lokomotyve sumontuota baterija, raidė H – teigiamų plokštelių tipą (plečiamos).
Įrenginys. Rūgšties akumuliatoriuje elektrodai yra švino plokštės, padengtos vadinamosiomis aktyviosiomis masėmis, kurios sąveikauja su elektrolitu elektrocheminių reakcijų metu įkrovimo ir iškrovimo proceso metu. Teigiamo elektrodo (anodo) aktyvioji masė yra švino peroksidas PbO 2, o neigiamo elektrodo (katodo) aktyvioji masė yra grynas (kempinė) švinas Pb. Elektrolitas yra 25-34% vandeninis sieros rūgšties tirpalas.
Akumuliatoriaus plokštės gali būti paviršinio arba pasklidimo tipo. Paviršiaus tipo plokštės liejamos iš švino; jų paviršius, kuriame vyksta elektrocheminės reakcijos, padidėja dėl briaunų, griovelių ir kt. Jie naudojami stacionariuose akumuliatoriuose ir kai kuriuose lengvųjų automobilių akumuliatoriuose.
Dyzelinių lokomotyvų akumuliatoriuose naudojamos barstymo tipo plokštės (159 pav., a). Tokios plokštės turi šerdį, pagamintą iš švino ir stibio lydinio, kurioje yra išdėstytos kelios ląstelės, užpildytos pasta.
Užpildžius plokštelės ląsteles pasta, jos padengiamos švino lakštais su didelis skaičius skyles. Šie lakštai neleidžia aktyviajai masei iškristi iš plokštelių ir tuo pačiu netrukdo patekti į elektrolitą.
Pradinė medžiaga teigiamų plokštelių pastos gamybai yra švino milteliai Pb, o neigiamų - švino peroksido milteliai PbO 2, sumaišomi su vandeniniu sieros rūgšties tirpalu. Aktyvių masių struktūra tokiose plokštelėse yra porėta; dėl to elektrocheminėse reakcijose dalyvauja ne tik paviršius, bet ir gilieji akumuliatoriaus elektrodų sluoksniai.
Akytumui padidinti ir aktyviosios masės susitraukimui sumažinti naudojamas grafitas, suodžiai, silicis, stiklo milteliai, bario sulfatas ir kitos inertinės medžiagos, vadinamos. plėstuvai. Jie nedalyvauja elektrocheminėse reakcijose, tačiau apsunkina švino ir jo oksidų dalelių sulipimą (sukepinimą) ir taip apsaugo nuo poringumo sumažėjimo.
Ištepamos plokštės turi didelį kontaktinį paviršių su elektrolitu ir yra gerai juo prisotintos, o tai padeda sumažinti akumuliatoriaus svorį ir dydį bei leidžia gauti dideles sroves iškrovimo metu.
Gaminant baterijas, plokštėms taikomi specialūs įkrovimo-iškrovimo ciklai. Šis procesas vadinamas akumuliatoriaus liejimas. Dėl formavimo teigiamų plokščių pasta elektrochemiškai paverčiama švino peroksidu (dioksidu) PbO 2 ir įgauna rudas. Neigiama plokštelinė pasta formuojant virsta grynu Pb švinu, kuris turi porėtą struktūrą ir todėl vadinamas kempinėle; neigiamos plokštelės papilkėja.
Kai kurios baterijos naudoja apvalkalo tipo teigiamas plokšteles. Juose kiekviena teigiama plokštelė yra įdėta į specialų apvalkalą (dėklą), pagamintą iš ebonito arba stiklo pluošto. Korpusas patikimai išlaiko aktyvią plokštės masę nuo išsiliejimo drebėjimo ir smūgių metu; Norint perduoti aktyviąją plokščių masę su elektrolitu, korpuse daromi horizontalūs apie 0725 mm pločio plyšiai.
Kad pašaliniai objektai (zondas elektrolito lygiui matuoti, prietaisas elektrolitui pripildyti ir kt.) neužtrumpintų plokštelių, kai kurių akumuliatorių plokštės yra padengtos polivinilchlorido tinkleliu.
Norint padidinti talpą, kiekvienoje baterijoje yra sumontuotos kelios teigiamos ir neigiamos plokštės; to paties pavadinimo plokštės lygiagrečiai sujungiamos į bendrus blokus, prie kurių privirinami išvesties kaiščiai. Teigiamų ir neigiamų plokščių blokai dažniausiai montuojami į ebonito akumuliatoriaus indą (159 pav.,b) taip, kad tarp dviejų
vieno poliškumo plokštės buvo dedamos su kito poliškumo plokštėmis. Neigiamos plokštės dedamos prie akumuliatoriaus kraštų, nes teigiamos plokštės gali deformuotis, kai jos yra sumontuotos kraštuose. Plokštės viena nuo kitos atskiriamos separatoriais iš mikroporingo ebonito, polivinilchlorido, stiklo veltinio ar kitos izoliacinės medžiagos. Atskyrikliai apsaugo nuo trumpojo jungimo tarp plokščių, kai jos deformuojasi.
Plokštės sumontuotos akumuliatoriaus inde taip, kad tarp jų apatinės dalies ir indo dugno liktų šiek tiek laisvos vietos. Šioje erdvėje kaupiasi švino nuosėdos (dumblas), susidarančios eksploatacijos metu nukritus panaudotai plokščių aktyviajai masei.
Iškrovimas ir įkrovimas. Kai akumuliatorius išsikrovęs (160 pav., a) teigiami jonai H2+ ir neigiamų jonų rūgšties likutis
S0 4 -, į kurią skyla sieros rūgšties H 2 S0 4 elektrolito 3 molekulės, atitinkamai nukreiptos į teigiamą
1 ir neigiamas 2 elektrodus ir pradeda elektrochemines reakcijas su jų aktyviosiomis masėmis. Tarp elektrodų yra
potencialų skirtumas apie 2 V, užtikrinantis elektros srovės praėjimą, kai išorinė grandinė yra uždaryta. Dėl to
elektrocheminės reakcijos, vykstančios vandenilio jonų sąveikos su švino peroksidu PbO 2 teigiamu metu
elektrodas ir sulfato liekanos S0 4 jonai - su neigiamo elektrodo švinu Pb susidaro švino sulfatas PbS0 4 (švino sulfatas), į kurį paverčia abiejų elektrodų aktyviosios masės paviršiniai sluoksniai. Tuo pačiu metu šių reakcijų metu susidaro tam tikras vandens kiekis, todėl sieros rūgšties koncentracija mažėja, t.y., mažėja elektrolito tankis.
Akumuliatorius teoriškai gali išsikrauti tol, kol aktyviosios elektrodų masės visiškai virsta švino sulfatu ir išeikvotas elektrolitas. Tačiau praktiškai iškrovimas sustabdomas daug anksčiau. Išleidimo metu susidaręs švino sulfatas yra druska baltas, blogai tirpsta elektrolituose ir turi mažą elektrinį laidumą. Todėl išleidimas atliekamas ne iki galo, o tik iki to momento, kai apie 35% aktyviosios masės pereina į švino sulfatą. Tokiu atveju gautas švino sulfatas tolygiai pasiskirsto formoje smulkūs kristalai likusioje aktyviojoje masėje, kuri vis dar išlaiko pakankamą elektros laidumą, kad tarp elektrodų būtų 1,7–1,8 V įtampa.
Išsikrovęs akumuliatorius įkraunamas, t. y. prijungiamas prie srovės šaltinio, kurio įtampa yra didesnė už akumuliatoriaus įtampą. Įkraunant (160 pav., b) teigiami vandenilio jonai pereina į neigiamą elektrodą 2, o neigiami sulfato liekanos S0 4 - - teigiamo elektrodo 1 jonai ir patenka į cheminė reakcija su švino sulfatu PbS0 4, dengiančiu abu elektrodus. Vykstant elektrocheminėms reakcijoms švino sulfatas PbS0 4 ištirpsta ir ant elektrodų vėl susidaro aktyvios masės: švino peroksidas PbO 2 ant teigiamo elektrodo ir kempinės švinas Pb ant neigiamo. Tuo pačiu metu didėja sieros rūgšties koncentracija, t.y. didėja elektrolito tankis.
Elektrocheminės reakcijos akumuliatoriaus išsikrovimo ir įkrovimo metu gali būti išreikštos lygtimi
PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4 ? 2PbSO4 + 2H2O
Skaitydami šią lygtį iš kairės į dešinę, gauname iškrovimo procesą, iš dešinės į kairę - įkrovimo procesą.
Nominali iškrovimo srovė skaitine prasme lygi 0,1 C NOM, didžiausia užvedant dyzelinį variklį (starterio režimu) yra maždaug 3 C NOM, įkrovimo srovė yra 0,2 C NOM, kur C NOM yra vardinė talpa.
Pilnai įkrauta baterija turi el. d.s. apie 2,2 V. Jo gnybtų įtampa yra maždaug tokia pati, nes akumuliatoriaus vidinė varža yra labai maža. Išsikrovus akumuliatoriaus įtampa gana greitai nukrenta iki 2 V, o po to lėtai sumažėja iki 1,8-1,7 V (161 pav.), esant tokiai įtampai, iškrovimas sustabdomas, kad nebūtų pažeista baterija. Jei išsikrovęs akumuliatorius kurį laiką paliekamas neaktyvus, jo įtampa atkuriama iki vidutinės 2 V vertės. Šis reiškinys vadinamas „baterijos poilsiu“. Įkraunant tokį „pailsėjusį“ akumuliatorių, įtampa greitai sumažėja, todėl Akumuliatoriaus įtampos matavimas be apkrovos neduoda teisingo sprendimo apie išsikrovimo laipsnį.
Įkraunant akumuliatoriaus įtampa greitai pakyla iki 2,2 V, o po to lėtai pakyla iki 2,3 V, o galiausiai vėl gana greitai pakyla iki 2,6–2,7 V. Esant 2,4 V, pradeda atsirasti dujų burbuliukai, kurie susidaro dėl skilimo vandenį į vandenilį ir deguonį. Esant 2,5 V įtampai, abu elektrodai skleidžia stiprų dujų srautą, o esant 2,6–2,7 V, baterija pradeda virti, o tai yra įkrovimo pabaigos ženklas. Atjungus akumuliatorių nuo įkrovimo srovės šaltinio, jo įtampa greitai nukrenta iki 2,2 V.
Akumuliatoriaus priežiūra. Rūgštinės baterijos greitai praranda talpą arba net tampa visiškai netinkamos naudoti
netinkamas naudojimas. Juose įvyksta savaiminis išsikrovimas, dėl to jie praranda pajėgumą (maždaug 0,5-0,7 proc. per dieną). Norint kompensuoti savaiminį išsikrovimą, tuščiosios eigos akumuliatorius reikia periodiškai įkrauti. Užteršus elektrolitą, taip pat akumuliatoriaus dangčius, jų gnybtus ir tarpelementų jungtis, padidėja savaiminis išsikrovimas, greitai išeikvojantis akumuliatorių.
Akumuliatorius visada turi būti švarus, o gnybtai uždengti, kad būtų išvengta oksidacijos. plonu sluoksniu techninis vazelinas. Periodiškai reikia tikrinti elektrolito lygį ir akumuliatorių įkrovimo būseną. Baterijos turi būti periodiškai įkraunamos. Draudžiama laikyti neįkrautas baterijas. Neteisingai naudojant akumuliatorius (iškrova žemiau 1,8-1,7 V, sistemingas per mažas įkrovimas, netinkamas įkrovimas, ilgalaikis neįkrauto akumuliatoriaus laikymas, sumažėjęs elektrolitų lygis, per didelis elektrolitų tankis), pažeidžiamos jų plokštės, vadinamos sulfatavimas. Šis reiškinys susideda iš smulkaus kristalinio švino sulfato, kuris padengia plokštes iškrovimo metu, virtimo netirpiu stambiu kristaliniu. cheminiai junginiai, kurie įkraunami nevirsta švino peroksidu PbO 2 ir švino Pb. Tokiu atveju baterija tampa netinkama naudoti.
