Pillere başka şekilde ikincil hücreler veya ikincil kaynaklar denir. elektrik enerjisi. Üretimden hemen sonra enerjiyi serbest bırakamamaları nedeniyle galvanik hücrelerden farklıdırlar; ilk önce şarj edilmeleri gerekir.
Bir aküyü şarj ederken elektroliz meydana gelir (elektrolit moleküllerinin pozitif ve negatif iyonlar katyonlar ve anyonlar olarak adlandırılır), elektrik enerjisinin kimyasal enerjiye dönüştürülmesiyle birlikte gerçekleşir. Bu işlem sonucunda akü terminallerinde bir emk oluşur. Şarj edildikten sonra pil bir akım kaynağı olarak hizmet edebilir. Akü deşarj işlemi sırasında depolanan kimyasal enerji, elektrik enerjisine dönüştürülür. Böylece pil, şarj edildiğinde elektrik enerjisini depolar (biriktirir), boşaldığında ise serbest bırakır.
Asit piller
Asit piller, hem radyo ve telefon ekipmanlarına hem de araçların elektrikli ekipmanlarına güç sağlamak için yaygın olarak kullanılmaktadır.
Asit akü hücresi, içinde birbirinden ayrılmış pozitif ve negatif elektrotların (plakalar halinde) bulunduğu, elektrolitle dolu bir kaptan oluşur. Bireysel öğeler Bankalar olarak adlandırılan , birbirine bağlanır piller kısaca pil olarak adlandırılan pillerdir. Asit bataryanın yapısı Şekil 2'de gösterilmektedir. 28. Asit aküsünün gövdesi elektriksel olarak yalıtkan ve aside dayanıklı malzemeden (cam, sert kauçuk ve özel plastik türleri) yapılmıştır.
Asit akülerin pozitif plakaları, kurşun ızgaraya preslenmiş kırmızı kurşundan (biraz daha yüksek oksijen içeriğine sahip kurşun oksit) yapılır. Negatif plakalar, kurşun ızgaraya preslenen kurşun taştan (kurşun oksit) yapılır.
Kısa devreleri önlemek için plakalar, gözenekli bir yalıtım contası (bir ayırıcı) ile birbirinden ayrılır. Ayırıcıların yapımında ahşap (kızılağaç, çam, sedir), mikroskobik gözenekli sert kauçuk (mipor adı verilir), mikro gözenekli plastik (miplast) vb. kullanılır.
Elektrolit, damıtılmış sudaki sülfürik asit çözeltisidir. bağlı olarak ortam sıcaklığı Pilin çalışması sırasında elektrolit yoğunluğu farklı olmalıdır.
Elektrolitin yoğunluğu, aşağıya doğru genişleyen küçük bir tüp olan hidrometre ile ölçülür. Hidrometrenin alt kısmında kesin olarak tanımlanmış bir ağırlık miktarı vardır ve üst kısım bölümleri yoğunluğu gösteren bir ölçeğe sahiptir. Hidrometre elektrolite indirildiğinde elektrolitin yoğunluğuna karşılık gelen bölüme daldırılır.
Yeni fabrika pilleri şarj edilmeden satılmaktadır ve çalışma süreleri ilk şarjın doğru olmasına bağlıdır. Yeni bir akü, +20°C sıcaklıkta 1,12 yoğunluklu elektrolitle doldurulmalı ve plakaların aktif kütlesinin elektrolite doyması için beş ila altı saat bekletilmelidir. Doldurma huni aracılığıyla özel bir doldurma deliğine yapılır. Elektrolit seviyesi plakaların üst kenarının 10-15 mm üzerinde olmalıdır.
Elektroliti hazırlamak için endüstriyel kullanın sülfürik asit damıtılmış su ile seyreltilmiş yoğunluk 1.83-1.84. Konsantre sülfürik asit çok zehirlidir ve büyük bir dikkatle kullanılmalıdır. Elektrolit aşağıdaki sırayla hazırlanır. Gerekli miktarda damıtılmış su bir cam kaba dökülür ve ardından şişeden ince bir akış halinde ve küçük porsiyonlar halinde sülfürik asit suya dökülür ve çözelti bir cam çubukla karıştırılır.
Sülfürik asit içine su dökmek kesinlikle yasaktır çünkü bu, asidin hızlı kaynamasına ve her yöne sıçramasına neden olacaktır. Ellerinize ve yüzünüze asit damlaması ciddi yanıklara neden olabilir.
Pil, şebekeden gelen doğru akım kullanılarak şarj edilir DC veya özel bir doğrultucu.
Doğrultucu, şarj akımı miktarını değiştirmenize izin veren bir reostat veya ototransformatör ile donatılmalıdır. Akü şarj devresine şu şekilde bağlanır: akünün pozitif terminali (+) redresörün pozitif terminaline (şebeke) ve negatif terminali (-) redresörün negatif terminaline (şebeke) bağlanır. . Pil şarj şeması Şekil 2'de gösterilmektedir. 29.
Akım değerini izlemek için şarj devresine bir ampermetre dahildir.
Piller, değeri üretici tarafından teknik veri sayfasında belirtilen bir akımla şarj edilir (sabit piller için şarj akımı, pil kapasitesinin on beşte birine eşittir).
İlk şarj genellikle sürekli olarak 36 saat sürer. Bundan sonra 3 saat ara verin ve 12 saat daha aynı akımla şarj etmeye devam edin. Şarjın sonuna doğru, elektrolit “kaynar” (bol miktarda gaz kabarcıkları salınımı - hidrojen ve oksijen) meydana gelir ve elektrolit seviyesi önemli ölçüde artabilir. Fazla elektrolit lastik bir ampulle emilmelidir.
Bir kavanozun terminallerindeki voltaj 2,3-2,5 V'a yükseldiğinde elektrolitin yoğunluğunu ölçmeli ve 1,285'e getirmelisiniz.
Şarj işlemi tamamlandıktan sonra, yeni akü, her bir sıradaki voltaj 1,8 e'ye eşit olana kadar akü kapasitesinin yirmide birine eşit bir akımla boşaltılmalıdır. Daha sonra akü 10-12 saat şarj edilir ve bundan sonra kullanılabilir. devreye almak. Yeni şarj edilmiş bir akünün her bir bankındaki voltaj 2,6-2,86 V'tur. Bankadaki voltaj, akü probu adı verilen yük direnciyle donatılmış özel bir voltmetre ile ölçülmelidir. Suyun elektrolizi sonucu şarj sırasında oluşan patlayıcı gazın patlamasını önlemek için prob, şarjdan en geç iki ila üç saat sonra kullanılabilir.
Akü voltajı, akü Vio'nun kapasitesine eşit bir akımla yüklendiğinde geleneksel bir DC voltmetre ile ölçülebilir.
Amaca bağlı olarak birkaç çeşit asit (kurşun) akü vardır. Sabit cihazlara güç sağlamak için, mahfazası genellikle bir kurşun tabakasıyla kaplı cam veya ahşaptan yapılmış sabit piller kullanılır.
Elektrik enerjisi pil çeşitleri
Piller, elde etmeye odaklanan herhangi bir sistemin ayrılmaz bir parçasıdır. alternatif türleri enerji.
Bugüne kadar en yaygın olanı, pil boşaldığında kimyasal enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülmesinin kimyasal bir reaksiyon yoluyla gerçekleştiği elektrokimyasal elektrik enerjisi pilleridir. Pil şarj edilirken kimyasal reaksiyon ters yönde meydana gelir.
Elektrokimyasal pillere ek olarak elektrik, kapasitörlerde ve solenoidlerde (endüktörler) depolanabilir.
Yüklü bir kapasitörde enerji, enerji formunda depolanır. elektrik alanı dielektrik. Çünkü özgül enerji Kapasitör tarafından depolanan enerji çok küçüktür (pratik olarak 10 ila 400 J/kg) ve sızıntı nedeniyle olası enerji depolama süresi kısadır; bu tür enerji akümülatörleri yalnızca elektrik verilmesinin gerekli olduğu durumlarda kullanılır. tüketiciye çok kısa zaman en kısa vadeli onun depolanması.
Solenoidde elektrik enerjisi manyetik alan enerjisi şeklinde birikir. Bu nedenle bu tür depolama aygıtlarına elektromanyetik denir. Ancak elektromanyetik pillerin enerji çıkış süresi genellikle saniyelerle bile değil, saniyenin kesirleriyle ölçülür.
Pili şarj etmek için ihtiyacınız olan harici kaynakşarj sırasında enerji ve enerji kayıpları meydana gelebilir. Şarj edildikten sonra pil hazır durumda (şarjlı durumda) kalabilir, ancak bu durumda bile rastgele dağılma, sızıntı, kendi kendine deşarj veya diğer benzer olaylar nedeniyle bir miktar enerji kaybolabilir. Aküden enerji çıktığında enerji kayıpları da meydana gelebilir; Ayrıca bazen biriken enerjinin tamamını geri almak mümkün olmayabilir. Bazı piller, kalan enerjinin bir kısmını tutacak şekilde tasarlanmıştır.
Pil özellikleri
Pilin temel özelliği, elektriksel kapasite. Bu kapasitenin ölçüm birimi, elektrik yükünün sistem dışı bir ölçüm birimi olan amper saattir (Ah).
dayalı fiziksel anlam, 1 amper saat elektrik yükü içinden geçen enine kesitİçinde 1 amperlik akım varsa bir saat boyunca iletken. Teorik olarak, belirtilen kapasitesi 1 Ah olan şarj edilmiş bir pil, bir saat boyunca 1 amperlik (veya örneğin 10 saat için 0,1 A veya 0,1 saat için 10 A) akım sağlama kapasitesine sahiptir.
Uygulamada akü kapasitesi, araba aküleri için 10,8 V olan son gerilime kadar 20 saatlik bir deşarj döngüsüne göre hesaplanır. Örneğin, akü etiketi üzerindeki "55 Ah" yazısı, akülerin 20 saat boyunca 2,75 amper akım ve terminallerdeki voltaj 10,8 V'un altına düşmüyor.
Çok fazla akü deşarj akımı, daha az verimli güç dağıtımına neden olur; bu da, o akımda pilin çalışma süresini doğrusal olmayan bir şekilde azaltır ve aşırı ısınmaya neden olabilir.
Pil üreticileri bazen kapasiteyi şu şekilde belirtir: teknik özellikler Wh cinsinden depolanan enerji. 1 W = 1 A * 1 V olduğundan, depolanan enerji 720 Wh ise, bu değeri voltaj değerine bölebiliriz (örneğin 12 V) ve kapasiteyi amper saat cinsinden bulabiliriz (örneğimizde 720 Wh / 12 V = 60) Ah).
Kurşun asitli aküler
Yüklü durumda, böyle bir pilin anodu (negatif elektrot) kurşundan oluşur ve katot (pozitif elektrot) kurşun dioksit PbO2'den yapılır. Her iki elektrot da, elektrolitle temas alanlarının mümkün olduğu kadar geniş olması için gözenekli hale getirilmiştir. Elektrotların tasarımı pilin amacına ve kapasitesine bağlıdır ve çok çeşitli olabilir.
Pilin şarj edilmesi ve boşaltılması sırasındaki kimyasal reaksiyonlar aşağıdaki formülle temsil edilir:
РbO2 + Рb + 2Н2SO4<—>2РbSO4 + Н2О
Pili şarj etmek için teorik olarak 167 W/kg'lık spesifik bir enerjiye ihtiyaç vardır. Dolayısıyla aynı sayı, spesifik depolama kapasitesinin teorik sınırını ifade eder. Ancak gerçek depolama kapasitesi çok daha azdır, dolayısıyla pil boşaldığında tipik olarak yaklaşık 30 W/kg elektrik enerjisi üretir. Depolama kapasitesinin azalmasına neden olan faktörler Şekil 2'de açıkça sunulmaktadır. 1. Pil verimliliği (deşarj sırasında alınan enerjinin, şarj sırasında tüketilen enerjiye oranı) genellikle %70 ila %80 aralığındadır.
Şekil 1. Kurşun asitli bir akünün teorik ve gerçek spesifik depolama kapasitesi
Çeşitli özel önlemler (asit konsantrasyonunun %39'a çıkarılması, plastik yapı parçaları ve bakır bağlantı parçalarının kullanılması vb.) son zamanlarda spesifik depolama kapasitesini 40 W h/kg'a ve hatta biraz daha yükseğe çıkarmak mümkün oldu.
Yukarıdaki verilerden, bir kurşun pilin (ve ayrıca daha sonra gösterileceği gibi diğer pil türlerinin) spesifik depolama kapasitesinin, birincil galvanik hücrelerinkinden önemli ölçüde daha düşük olduğu anlaşılmaktadır. Ancak bu dezavantaj genellikle telafi edilmektedir.
- çoklu şarj imkanı ve bunun sonucunda bataryadan elde edilen elektriğin maliyetinde yaklaşık on kat azalma,
- çok yüksek enerji yoğunluğuna sahip piller oluşturma yeteneği (gerekirse, örneğin 100 MWh'ye kadar).
Her şarj-deşarj döngüsüne, elektrotların kütlesinde indirgenemeyen kurşun sülfatın yavaş yavaş birikmesi de dahil olmak üzere, elektrotlar üzerinde bazı geri dönüşü olmayan işlemler eşlik eder. Bu sebeple aracılığıyla belirli sayı(genellikle yaklaşık 1000) döngüden sonra pil normal şekilde şarj olma özelliğini kaybeder. Bu durum, pilin uzun süre kullanılmaması durumunda da meydana gelebilir; çünkü pil, harici bir cihaza bağlı olmadığında bile elektrokimyasal deşarj süreci (yavaş kendi kendine deşarj) meydana gelir. elektrik devresi. Kurşun-asit akü, kendi kendine deşarj nedeniyle genellikle günde şarjının %0,5 ila %1'ini kaybeder. Bu işlemi telafi etmek için, elektrik tesisatları oldukça sabit bir voltajda (batarya tipine bağlı olarak 2,15 V ila 2,20 V voltajda) sürekli şarj kullanır.
Başkalarına geri dönüşü olmayan süreçşarj işleminin sonunda meydana gelen suyun elektrolizidir (bataryanın “kaynaması”). Su kaybı, ilave edilerek kolayca telafi edilebilir, ancak açığa çıkan hidrojen, havayla birlikte akü odasında veya bölmesinde patlayıcı bir karışım oluşmasına yol açabilir. Patlama riskini önlemek için yeterli ve yeterli havalandırma sağlanmalıdır.
Diğer pil türleri
Son 20 yılda, sıvı yerine jöle benzeri bir elektrolit kullanan, hava geçirmez şekilde kapatılmış kurşun-asit piller ortaya çıktı. Bu tür piller herhangi bir konuma yerleştirilebildiği gibi ayrıca şarj sırasında hidrojen yaymamaları koşuluyla herhangi bir odaya da yerleştirilebilirler.
Kurşun akülerin yanı sıra çeşitli elektrokimyasal sistemlere dayalı 50'den fazla akü çeşidi de üretilmektedir. Enerji santrallerinde, emf'si 1,35 V ila 1,45 V aralığında olan alkalin (potasyum hidroksit KOH çözeltisi formunda bir elektrolit ile) nikel-demir ve nikel-kadmiyum piller sıklıkla kullanılır ve spesifik depolama kapasitesi 15 W h/kg ila 45 W h/kg aralığındadır. Sıcaklık dalgalanmalarına karşı daha az duyarlıdırlar çevre ve çalışma koşulları açısından daha az talepkardır. Ayrıca uzun bir servis ömrüne sahiptirler (genellikle 1000 ila 4000 şarj-deşarj döngüsü), ancak deşarj sırasında voltajları kurşun asitli akülere göre daha geniş bir aralıkta değişir ve verimlilikleri biraz daha düşüktür (%50'den %70'e).
Lityum iyon pillerde anot, şarjlı durumda karbon içeren lityum karbür Li x C6'dan oluşur ve katot, lityum ve kobalt oksit Li 1-x CoO2'den yapılır. Elektrolit olarak sıvı bir organik çözücü (örneğin eter) içinde çözünmüş katı lityum tuzları (LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4 veya diğerleri) kullanılır. Elektrolite genellikle jöle benzeri bir görünüm veren bir koyulaştırıcı (örneğin organosilikon bileşikleri) eklenir. Deşarj ve şarj sırasındaki elektrokimyasal reaksiyonlar, lityum iyonlarının bir elektrottan diğerine geçişinden ve formüle göre ilerlemesinden oluşur.
Li x C 6 + Li 1-x CoO 2<—>C6 + LiCoO2
Lityum-iyon pil hücrelerinin dış şekli düz (dörtgen plakalara benzer) veya silindirik (yuvarlanmış elektrotlu) olabilir. Piller ayrıca diğer anot ve katot malzemelerini kullanan piller de üretilmektedir. Bir tanesi önemli alanlar gelişme, hızlı şarj olan pillerin geliştirilmesidir.
Başka birçok pil türü vardır (toplamda yaklaşık 100 adet). Örneğin, ekipman ağırlığının mümkün olduğu kadar küçük olması gereken uçak güç kaynağı sistemlerinde, ortalama 100 Wh/kg spesifik depolama kapasitesine sahip gümüş-çinko piller kullanılmaktadır. En yüksek EMF (6,1 V) ve en yüksek spesifik depolama kapasitesi (6270 Wh/kg), lityum florin pillerde bulunur, ancak bunlar henüz seri üretime geçmemiştir.
Birincil galvanik hücreler uzun süreli çalışmaya çok uygundur ve piller her ikisi için de kullanılabilir. uzun çalışma ve kısa vadeli ve şok yükleri karşılamak için. Kondansatörler ve indüktörler öncelikle darbeli yükleri karşılamak ve hızlı yük değişimleri sırasında gücü eşitlemek için kullanılır. Rüzgarla elektrik şebekesine sağlanan gücü eşitlemek ve güneş enerjisi santralleri, pillerin ultrakapasitörlerle kombinasyonları kullanılabilir.
Bazı depolama cihazlarının yük süresi ve çıkış gücü açısından uygulama kapsamı Şekil 1'de gösterilmektedir. 2.
Kimyasal akım kaynağı, uzaysal olarak ayrılmış redoks kimyasal reaksiyonlarının ortaya çıkması nedeniyle serbest enerjilerinin elektrik enerjisine dönüştürüldüğü bir cihazdır. Bu kaynaklar, çalışmalarının niteliğine göre iki gruba ayrılır:
Birincil kimyasal akım kaynakları veya galvanik hücreler;
İkincil kaynaklar veya elektrik pilleri.
Birincil kaynaklar, deşarjları sırasında oluşan maddeler orijinal haline dönüştürülemediğinden yalnızca bir kerelik kullanıma izin verir. aktif malzemeler. Tamamen boşalmış bir galvanik hücre, kural olarak, daha fazla çalışma uygun değil - geri dönüşü olmayan bir enerji kaynağıdır.
İkincil kimyasal akım kaynakları tersinir enerji kaynaklarıdır - isteğe bağlı olarak derin bir deşarjdan sonra, işlevleri şarj edilerek tamamen geri yüklenebilir. Bunu yapmak için, ikincil kaynaktan, deşarj sırasında aktığı yönün tersi yönde bir elektrik akımının geçmesi yeterlidir. Şarj işlemi sırasında deşarj sırasında oluşan maddeler orijinal aktif maddelere dönüşecektir. Bu, kimyasal akım kaynağının serbest enerjisinin tekrar tekrar elektrik enerjisine (pil deşarjı) dönüştürülmesi ve elektrik enerjisinin ters çevrilmesinin yolu budur. serbest enerji kimyasal akım kaynağı (pil şarjı).
Akımın elektrokimyasal sistemlerden geçişi, meydana gelen kimyasal reaksiyonlarla (dönüşümlerle) ilişkilidir. Dolayısıyla elektrokimyasal reaksiyona giren ve dönüşüme uğrayan madde miktarı ile harcanan veya açığa çıkan elektrik miktarı arasında Michael Faraday tarafından kurulan bir ilişki vardır.
Potansiyel bir farkın ortaya çıkması, elektrot maddesinin kimyasal kuvvetlerin (örneğin, sülfürik asit çözeltisindeki çinko) etkisi altında elektrolit içinde çözünmesi ve pozitif iyonlar elektrolite aktarılır. Eşit metallerden oluşan iki elektrotu bir elektrolite yerleştirerek aralarındaki farkı elde ederiz. elektrot potansiyelleri- üçüncü taraf EMF E = φ1-φ2- Sonuç olarak, bir elektrolite yerleştirilmiş iki farklı elektrottan oluşan bir cihaz, bir güç kaynağıdır - (geri döndürülemez) kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürme işleminin meydana geldiği galvanik veya birincil eleman.
Kuru ve dökme manganez-çinko elementleri yaygınlaştı. Tasarımlarına göre fincan ve bisküvi olarak ikiye ayrılırlar. Kap tasarımının bir elemanında çinko elektrot, içinde pozitif bir elektrotun (bir karbon çubuk) bulunduğu bir kap şeklindedir. Karbon elektrot, manganez dioksit, grafit ve karbon siyahından oluşan bir depolarizatör ile çevrelenmiştir. Bir çinko camı, koyulaştırıcı olarak nişasta ilavesi ile sulu bir amonyum klorür (amonyak) çözeltisi olan bir elektrolit ile doldurulur. Elemanın elektromotor kuvveti E = 1,5 V. Elemanın nominal deşarj akımı, çalışması sırasında izin verilen en yüksek sürekli akımdır. Bir elemanın kapasitesi, çalışma süresi boyunca o elemandan elde edilebilecek, amper-saat (Ah) cinsinden ifade edilen elektrik miktarıdır. Bunlardan bir araya getirilen hem bireysel elemanlar hem de piller, radyo mühendisliğinde, kablolu iletişim ekipmanlarında, el fenerlerinde, işitme cihazlarında vb. yaygın olarak kullanılmaktadır.
Piller (ikincil unsurlar). Boşaldıktan sonra elektrik enerjisinin kimyasal enerjiye dönüştürülmesiyle ters şarj işleminin mümkün olduğu galvanik hücrelere pil veya ikincil hücre adı verilir.
Alkalin pil, adını elektrolit olan alkaliden, yani %21 sulu kostik potasyum çözeltisinden almıştır. Eksileri veya sodyum hidroksit NaOH. Pil, elektrolit içeren çelik bir kapta bulunan iki bloktan oluşur - plakalar. Plakalar, içlerine aktif kütle ile doldurulmuş çelik kutular yerleştirilmiş çelik çerçevelerdir. Kadmiyum-nikel elementlerinin negatif plakalarının aktif kütlesi sünger kadmiyumdan, demir-nikel elementlerinin aktif kütlesi ise sünger demirden oluşur. Her iki akünün pozitif plakalarının aktif kütlesi nikel oksit hidrattan oluşur Ni(OH)3.
Deşarj sırasında nikel oksit hidrat nikel oksit hidrata, süngerimsi kadmiyum (demir) ise oksit hidratına dönüşür. Deşarj sırasındaki kimyasal reaksiyon aşağıdaki denklemle ifade edilir:
2Ni(OH)3 + 2KOH + Cd ->- 3Ni(OH)2 + 2KOH + Cd(OH)2.
Şarj ederken tepki sürüyor ters yönde ve sonuç olarak elektrotların aktif kütlesi geri yüklenir. Deşarj ve şarj sırasında elektrolit konsantrasyonu değişmeden kalır. Boşalırken, 1,4 V'den gelen voltaj önce hızlı bir şekilde 1,3 V'a, ardından yavaş yavaş 1,15 V'a düşer; Bu voltajda deşarjın durdurulması gerekir. Şarj ederken voltaj hızla 1,15 V'tan 1,75 V'a yükselir ve ardından hafif bir düşüşten sonra yavaş yavaş 1,85 V'a yükselir. Alkalin pillerin yanı sıra asit/kurşun piller de yaygın olarak kullanılmaktadır.
Makalenin başlığını nasıl formüle ederseniz edin, yine de doğru olacaktır. Pil tasarımında kimya ve enerji birbirine bağlıdır.
Kurşun-asit aküler, şarj-deşarj modlarında birkaç yıl çalışabilir. Hızlı bir şekilde yeniden şarj olurlar ve depolanan enerjiyi hızla serbest bırakırlar. Bu metamorfozların sırrı kimyada yatıyor çünkü elektriğin dönüştürülmesine yardımcı oluyor ama nasıl?
Bir pildeki enerji dönüşümünün "kutsallığı", bir elektrolit aracılığıyla etkileşime giren, bir oksitleyici madde ve bir indirgeyici madde de dahil olmak üzere bir dizi reaktif tarafından sağlanır. İndirgeyici madde (sünger kurşun Pb) negatif yüke sahiptir. Kimyasal bir reaksiyon sırasında oksitlenir ve elektronları, pozitif yüklü olan oksitleyici maddeye doğru hareket eder. Oksitleyici madde (kurşun dioksit PbO2) azaltılır ve sonuç bir elektrik akımıdır.
Elektrolit, akımı iyi iletmeyen ancak iyonlar için iyi bir iletken olan bir sıvıdır. Bu, sulu bir sülfürik asit (H2S04) çözeltisidir. Kimyasal bir reaksiyonda okuldan herkesin bildiği bir süreç meydana gelir. elektrolitik ayrışma.
Reaksiyon sırasında pozitif yüklü iyonlar (H+) pozitif elektroda, negatif yüklü iyonlar (SO42-) negatif elektroda yönlendirilir. Akü boşaldığında iyonlar indirgeyici maddeden (sünger kurşun) elektrolit yoluyla pozitif elektroda gönderilir. pozitif yük Pb2+.
Dört değerlikli kurşun iyonları (Pb4+), iki değerlikli kurşun iyonlarına (Pb4+) dönüştürülür. Ancak bunların hepsi kimyasal reaksiyonlar değildir. Asit kalıntılarının iyonları ile negatif yük(SO42-) pozitif yüklü kurşun iyonlarıyla (Pb2+) birleşir, ardından her iki elektrotta da kurşun sülfat (PbSO4) oluşur. Ancak bu zaten pil için kötü. Sülfatlaşma pilin ömrünü kısaltır ve yavaş yavaş birikerek pilin tahrip olmasına neden olabilir. Yan etki Geleneksel kurşun-asit akülerdeki kimyasal reaksiyonlar gazlardır.
Pil yeniden şarj edildiğinde ne olur?
Elektronlar, negatif yüklü bir elektroda yönlendirilir ve burada işlevlerini yerine getirirler - kurşun iyonlarını (Pb2+) nötralize eder. Pillerde meydana gelen kimyasal reaksiyonlar aşağıdaki formülle açıklanabilir:
Aküdeki elektrolitin yoğunluğu ve seviyesi akünün şarjlı veya deşarj olmasına bağlıdır. Elektrolit yoğunluğundaki değişiklikler aşağıdaki formülle açıklanabilir:
Yüzde olarak ölçülen akü deşarj göstergesi nerede - Cp. Tamamen şarj edildiğinde elektrolitin yoğunluğu Rz'dir. Tam deşarjda elektrolit yoğunluğu - Pr.
Ölçümlerin yapıldığı standart sıcaklık +25°C'dir. Elektrolitin sıcaklığa göre yoğunluğu +25°C, g/cm3 - P25'tir.
Kimyasal reaksiyon sırasında pozitif elektrotlar, negatif elektrotlara göre 1,6 kat daha fazla asit kullanır. Akü boşaldığında elektrolit hacmi artar, şarj edildiğinde ise tam tersine azalır.
Bu sayede kimyasal reaksiyonlar yardımıyla pil elektrik enerjisini alır ve ardından serbest bırakır.
Çalışma prensibi. Pil elektrik enerjisini kendi içinde biriktirebilen (biriktirebilen) ve gerektiğinde onu harici bir devreye verebilen kimyasal akım kaynağına denir. Bir aküden akım geçtiğinde elektrik enerjisi aküde birikir.
harici kaynak (Şekil 158,a). Bu süreç adı verilir pil şarjı, elektrik enerjisinin kimyasal enerjiye dönüştürülmesiyle birlikte gerçekleşir ve bunun sonucunda pilin kendisi bir akım kaynağı haline gelir. Pil boşaldığında (Şekil 158, b), kimyasal enerjinin elektrik enerjisine ters dönüşümü meydana gelir. Pil var büyük avantaj nazaran galvanik hücre. Eleman deşarj edilirse tamamen kullanılamaz hale gelir; pil aynı. deşarj olduktan sonra yeniden şarj edilebilir ve elektrik enerjisi kaynağı olarak görev yapar. Elektrolitin türüne bağlı olarak piller asit ve alkali olarak ikiye ayrılır.
Lokomotiflerde ve elektrikli trenlerde en büyük dağıtım asit pillerden önemli ölçüde daha uzun hizmet ömrüne sahip olan alkalin piller aldı. TN-450 asit aküleri yalnızca dizel lokomotiflerde kullanılır, 450 Ah kapasiteye sahiptirler, anma gerilimi - 2,2 V. 32 TN-450 aküsü seri bağlı 32 aküden oluşur; T harfi, akünün lokomotif üzerine takılı olduğu anlamına gelir, H harfi ise pozitif plakaların (yayılabilir) tipi anlamına gelir.
Cihaz. Bir asit aküsünde elektrotlar, şarj ve deşarj işlemi sırasında elektrokimyasal reaksiyonlar sırasında elektrolit ile etkileşime giren, aktif kütleler adı verilen maddelerle kaplanmış kurşun plakalardır. Pozitif elektrotun (anot) aktif kütlesi kurşun peroksit PbO2'dir ve negatif elektrotun (katot) aktif kütlesi saf (sünger) kurşun Pb'dir. Elektrolit %25-34 sulu sülfürik asit çözeltisidir.
Akü plakaları yüzeysel veya yayılmış tipte tasarıma sahip olabilir. Yüzey tipi plakalar kurşundan dökülmüştür; Üzerinde nervür, oluk vb. bulunması nedeniyle elektrokimyasal reaksiyonların meydana geldiği yüzeyleri arttırılmıştır. Sabit akülerde ve bazı binek araç akülerinde kullanılırlar.
Dizel lokomotif akülerinde yayma tipi plakalar kullanılır (Şekil 159, a). Bu tür plakalar, kurşun ve antimon alaşımından yapılmış, içine macunla doldurulmuş çok sayıda hücrenin yerleştirildiği bir çekirdeğe sahiptir.
Plaka hücreleri macunla doldurulduktan sonra kurşun levhalarla kaplanır. çok sayıda delikler. Bu levhalar aktif kütlenin levhalardan düşmesini engeller ve aynı zamanda elektrolite erişimi engellemez.
Pozitif plakalar için macun yapmak için başlangıç malzemesi kurşun tozu Pb'dir ve negatif plakalar için toz, üzerine karıştırılmış kurşun peroksit PbO2'dir. sulu çözelti sülfürik asit. Bu tür plakalardaki aktif kütlelerin yapısı gözeneklidir; bu nedenle akü elektrotlarının yalnızca yüzeyi değil, derin katmanları da elektrokimyasal reaksiyonlara katılır.
Gözenekliliği arttırmak ve aktif kütlenin büzülmesini azaltmak için, grafit, karbon siyahı, silikon, cam tozu, baryum sülfat ve diğer inert malzemeler denir. genişleticiler. Elektrokimyasal reaksiyonlara katılmazlar ancak kurşun parçacıklarının ve oksitlerinin birbirine yapışmasını (sinterleşme) zorlaştırarak gözenekliliğin azalmasını önlerler.
Ayırma plakaları elektrolitle geniş bir temas yüzeyine sahiptir ve elektrolitle iyice doyurulur, bu da akünün ağırlığını ve boyutunu azaltmaya yardımcı olur ve deşarj sırasında yüksek akım elde edilmesini mümkün kılar.
Aküler üretilirken plakalar özel şarj-deşarj döngülerine tabi tutulur. Bu süreç denir pil kalıplama. Kalıplamanın bir sonucu olarak, pozitif plakaların macunu elektrokimyasal olarak kurşun peroksit (dioksit) PbO2'ye dönüştürülür ve elde edilir kahverengi. Negatif plaka macunu kalıplandığında gözenekli bir yapıya sahip olan ve bu nedenle süngerimsi olarak adlandırılan saf Pb kurşununa dönüşür; negatif plakalar griye döner.
Bazı piller kabuk tipi pozitif plakalar kullanır. İçlerinde her pozitif plaka, ebonit veya cam elyafından yapılmış özel bir kabuk (kutu) içine alınır. Kabuk, plakanın aktif kütlesini sallama ve şoklar sırasında dökülmeye karşı güvenilir bir şekilde tutar; Plakaların aktif kütlesini elektrolite iletmek için kabukta yaklaşık 0725 mm genişliğinde yatay yarıklar açılır.
Plakaların yabancı cisimler tarafından kısa devre yapmasını önlemek için (elektrolit seviyesini ölçmek için bir sonda, elektroliti doldurmak için bir cihaz vb.), bazı pillerdeki plakalar bir polivinil klorür ağ ile kaplanmıştır.
Kapasiteyi artırmak için her aküye birkaç pozitif ve negatif plaka yerleştirilmiştir; aynı adı taşıyan plakalar, çıkış pimlerinin kaynaklandığı ortak bloklara paralel olarak bağlanır. Pozitif ve negatif plaka blokları genellikle bir ebonit batarya kabına (Şekil 159,b) yerleştirilir, böylece her iki plaka arasında
bir polaritedeki plakalar diğer polaritedeki plakalarla yerleştirildi. Pozitif plakalar kenarlara takıldığında bükülmeye eğilimli olduğundan, negatif plakalar akünün kenarlarına yerleştirilir. Plakalar, mikro gözenekli ebonit, polivinil klorür, cam keçe veya diğer yalıtım malzemesinden yapılmış ayırıcılar ile birbirinden ayrılır. Ayırıcılar bu olasılığı önler kısa devreÇözüldüklerinde plakalar arasında.
Plakalar, alt kısımları ile kabın tabanı arasında bir miktar boş alan kalacak şekilde akü kabına yerleştirilir. Operasyon sırasında plakaların harcanan aktif kütlesinin düşmesi sonucu kurşun tortusu (çamur) bu alanda birikir.
Deşarj edin ve şarj edin. Pil boşaldığında (Şekil 160, a) pozitif iyonlar H2 + ve asit kalıntısının negatif iyonları
Sülfürik asit H2S04 elektrolit 3 moleküllerinin parçalandığı S0 4 - buna göre pozitife yönlendirilir
1 ve negatif 2 elektrotlar aktif kütleleri ile elektrokimyasal reaksiyonlara girerler. Elektrotlar arasında
geçişi sağlayan yaklaşık 2 V'luk potansiyel fark elektrik akımı harici devre kapatıldığında. Sonuç olarak
hidrojen iyonlarının kurşun peroksit PbO2 pozitif ile etkileşimi sırasında meydana gelen elektrokimyasal reaksiyonlar
elektrot ve sülfat kalıntısı S0 4 iyonları - negatif elektrotun kurşun Pb'si ile, her iki elektrotun aktif kütlesinin yüzey katmanlarının dönüştürüldüğü kurşun sülfat PbS0 4 (kurşun sülfat) oluşturulur. Aynı zamanda bu reaksiyonlar sırasında belli miktarda su oluştuğundan sülfürik asit konsantrasyonu azalır, yani elektrolitin yoğunluğu azalır.
Pil teorik olarak elektrotların aktif kütleleri tamamen kurşun sülfata dönüşene ve elektrolit tükenene kadar deşarj edilebilir. Ancak pratikte deşarj çok daha erken durdurulur. Deşarj sırasında oluşan kurşun sülfat bir tuzdur beyaz elektrolitte az çözünür ve düşük elektrik iletkenliğine sahiptir. Bu nedenle boşaltma sonuna kadar değil, yalnızca aktif kütlenin yaklaşık% 35'inin kurşun sülfata geçtiği ana kadar gerçekleştirilir. Bu durumda ortaya çıkan kurşun sülfat formda eşit olarak dağıtılır. minik kristaller kalan aktif kütlede, elektrotlar arasında 1,7-1,8 V'luk bir voltaj sağlamak için hala yeterli elektrik iletkenliğini koruyan.
Boşalmış bir akü şarj edilir, yani akü voltajından daha yüksek bir gerilime sahip bir akım kaynağına bağlanır. Şarj ederken (Şekil 160, b), pozitif hidrojen iyonları negatif elektrot 2'ye hareket eder ve S0 4 sülfat kalıntısının negatif iyonları - pozitif elektrot 1'e girer ve girer kimyasal reaksiyon kurşun sülfat PbS0 4 ile her iki elektrotu da kaplar. Meydana gelen elektrokimyasal reaksiyonlar sırasında, kurşun sülfat PbS0 4 çözülür ve elektrotlar üzerinde tekrar aktif kütleler oluşur: pozitif elektrotta kurşun peroksit PbO2 ve negatifte sünger kurşun Pb. Aynı zamanda sülfürik asit konsantrasyonu artar, yani elektrolitin yoğunluğu artar.
Pilin deşarjı ve şarjı sırasındaki elektrokimyasal reaksiyonlar aşağıdaki denklemle ifade edilebilir:
PbO2 + Pb + 2H2S04 ? 2PbS04 + 2H20
Bu denklemi soldan sağa okuyarak deşarj işlemini, sağdan sola ise şarj işlemini elde ederiz.
Nominal deşarj akımı sayısal olarak 0,1 C NOM'a eşittir, dizel motoru çalıştırırken (marş motoru modu) maksimum değer yaklaşık 3 C NOM'dur, şarj akımı 0,2 C NOM'dur, burada C NOM nominal kapasitedir.
Tamamen şarj edilmiş bir pilin e. d.s. yaklaşık 2,2 V. Pilin iç direnci çok küçük olduğundan terminallerindeki voltaj yaklaşık olarak aynıdır. Boşalırken akü voltajı oldukça hızlı bir şekilde 2 V'a düşer ve ardından yavaş yavaş 1,8-1,7 V'a düşer (Şek. 161), bu voltajda aküye zarar vermemek için deşarj durdurulur. Boşalmış bir pil bir süre hareketsiz bırakılırsa voltajı ortalama 2 V değerine geri döner. Bu olaya pilin "dinlenmesi" denir. Böyle "dinlenmiş" bir pili yüklerken voltaj hızla düşer, bu nedenle Akü voltajının yüksüz olarak ölçülmesi, deşarj derecesi hakkında doğru bir karar vermez..
Şarj ederken, akü voltajı hızla 2,2 V'a yükselir ve ardından yavaşça 2,3 V'a yükselir ve son olarak oldukça hızlı bir şekilde tekrar 2,6-2,7 V'a yükselir. 2,4 V'de, ayrışma sonucu oluşan gaz kabarcıkları görünmeye başlar. suyun hidrojen ve oksijene dönüşmesi. 2,5 V'ta her iki elektrot da güçlü bir gaz akışı yayar ve 2,6-2,7 V'de pil kaynamaya başlar, bu da şarjın sona erdiğinin bir işareti olarak hizmet eder. Pilin şarj akımı kaynağıyla bağlantısı kesildiğinde voltajı hızla 2,2 V'a düşer.
Pil bakımı. Asit piller hızla kapasitelerini kaybederler ve hatta tamamen kullanılamaz hale gelirler.
uygunsuz kullanım. İçlerinde kendi kendine deşarj meydana gelir ve bunun sonucunda kapasitelerini kaybederler (günde yaklaşık% 0,5-0,7). Kendi kendine deşarjı telafi etmek için boşta kalan pillerin periyodik olarak yeniden şarj edilmesi gerekir. Elektrolit, akü kapakları, terminalleri ve elemanlar arası bağlantılar kirlendiğinde, kendi kendine deşarj artar ve akü hızla tükenir.
Oksitlenmeyi önlemek için pil her zaman temiz olmalı ve terminalleri kapatılmalıdır. ince tabaka teknik Vazelin. Periyodik olarak elektrolit seviyesini ve pillerin şarj durumunu kontrol etmeniz gerekir. Pillerin periyodik olarak şarj edilmesi gerekir. Şarj edilmemiş pillerin saklanması yasaktır. Piller yanlış kullanılırsa (1,8-1,7 V'un altında deşarj, sistematik yetersiz şarj, uygunsuz şarj, şarj edilmemiş pilin uzun süre saklanması, elektrolit seviyesinin azalması, elektrolit yoğunluğunun aşırı olması), plakalarında hasar meydana gelir. sülfatlaşma. Bu fenomen, deşarj sırasında plakaları kaplayan ince kristalli kurşun sülfatın çözünmeyen kaba kristalli sülfata geçişinden oluşur. kimyasal bileşiklerşarj edildiğinde kurşun peroksit PbO2 ve kurşun Pb'ye dönüşmeyen. Bu durumda pil kullanılamaz hale gelir.
