Marş akülerinin amacı
Kimyasal enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülmesinin teorik temelleri
Düşük pil
Pil şarjı
Akım oluşturan ana reaktiflerin tüketimi
Elektromotor kuvvet
İç direnç
Şarj ve deşarj voltajı
Pil kapasitesi
Pil enerjisi ve gücü
Pilin kendi kendine deşarj olması
Marş akülerinin amacı
Akünün ana işlevi güvenilir motor çalıştırmadır. Diğer bir işlev ise motor çalışırken enerji tamponudur. Gerçekten de geleneksel tüketici türlerinin yanı sıra sürücü konforunu ve trafik güvenliğini artıran birçok ek hizmet cihazı ortaya çıktı. Akü, şehir içi sürüş sırasında sık ve uzun duraklamalarla, jeneratörün tüm açık tüketicileri tam olarak beslemek için gerekli güç çıkışını her zaman sağlayamadığı durumlarda enerji açığını telafi eder. Üçüncü çalışma işlevi, motor kapalıyken güç beslemesidir. Bununla birlikte, motor çalışmıyorken (veya motor rölantideyken) park halindeyken elektrikli cihazların uzun süre kullanılması akünün derin deşarjına yol açar ve keskin düşüş başlangıç özellikleri.
Pil aynı zamanda acil durum güç kaynağı için de tasarlanmıştır. Jeneratör, redresör, voltaj regülatörünün arızalanması veya jeneratör kayışının kopması durumunda, gerekli tüm tüketicilerin en yakın servis istasyonuna güvenli bir şekilde hareket edebilmesi için çalışmasını sağlamalıdır.
Yani, yeni başlayanlar piller aşağıdaki temel gereksinimleri karşılamalıdır:
Marş motorunun çalışması için gerekli deşarj akımını sağlayın, yani akü içinde minimum dahili voltaj kaybı için düşük iç dirence sahip olun;
Motoru çalıştırmak için gereken sayıda denemeyi sağlayın. süreyi ayarla yani sahip olmak gerekli stok marş deşarj enerjisi;
Mümkün olan minimum boyut ve ağırlıkla yeterince yüksek güç ve enerjiye sahip olun;
Motor çalışmadığında veya acil bir durumda tüketicilere güç sağlamak için bir enerji rezervine sahip olun (yedek kapasite);
Sıcaklık belirtilen sınırlar dahilinde düştüğünde (soğuk marş akımı) marş motoru çalışması için gerekli voltajı koruyun;
Yüksek sıcaklıklarda (70 "C'ye kadar) uzun süre çalışabilirliği koruyun çevre;
Motor çalışırken motoru çalıştırmak ve diğer tüketicilere jeneratörden güç sağlamak için kullanılan kapasiteyi geri yüklemek için bir ücret alın (şarj alın);
Çalışma sırasında özel kullanıcı eğitimi veya bakım gerektirmez;
Çalışma koşullarına uygun olarak yüksek mekanik dayanıma sahiptir;
Belirtilen performans özelliklerini çalışma sırasında (hizmet ömrü) uzun süre koruyun;
Önemsiz kendi kendine deşarj var;
Düşük maliyete sahip olun.
Kimyasal enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülmesinin teorik temelleri
Kimyasal akım kaynağı, uzaysal olarak ayrılmış redoks reaksiyonlarının akışı nedeniyle, kimyasal reaksiyonlar serbest enerjileri elektrik enerjisine dönüştürülür. 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 aktif maddelere dönüştürülemediğinden yalnızca bir kerelik kullanıma izin verir. 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, bir 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 reaksiyonlar (dönüşümler) ile 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.
Faraday'ın birinci yasasına göre elektrot reaksiyonuna giren veya oluşması sonucu ortaya çıkan bir maddenin kütlesi, sistemden geçen elektrik miktarıyla orantılıdır.
Faraday'ın ikinci yasasına göre sistemden eşit miktarda elektrik geçmesiyle reaksiyona giren maddelerin kütleleri birbirleriyle ilişkilidir. kimyasal eşdeğerler.
Uygulamada, Faraday yasalarına göre daha az miktarda madde elektrokimyasal değişime tabidir - akım geçtiğinde, ana elektrokimyasal reaksiyonlara ek olarak, ürünlerin kütlesini değiştiren paralel veya ikincil (yan) reaksiyonlar da meydana gelir. Bu tür reaksiyonların etkisini hesaba katmak için akım verimliliği kavramı tanıtıldı.
Akım çıkışı, sistemden geçen elektrik miktarının, söz konusu ana elektrokimyasal reaksiyonu hesaba katan kısmıdır.
Düşük pil
Aktif maddeler Akım üretme sürecine katılan şarj edilmiş bir kurşun pilin özellikleri şunlardır:
Pozitif elektrot kurşun dioksit (koyu kahverengi) içerir;
Negatif elektrotta sünger kurşun ( gri);
Elektrolit, sulu bir sülfürik asit çözeltisidir.
Sulu bir çözeltideki bazı asit molekülleri her zaman pozitif yüklü hidrojen iyonlarına ve negatif yüklü sülfat iyonlarına ayrışır.
Negatif elektrotun aktif kütlesi olan kurşun, elektrolit içinde kısmen çözünür ve çözelti içinde pozitif iyonlar oluşturacak şekilde oksitlenir. Bu durumda açığa çıkan fazla elektronlar elektrota negatif yük verir ve dış devrenin kapalı bölümü boyunca pozitif elektrota doğru hareket etmeye başlar.
Pozitif yüklü kurşun iyonları, negatif yüklü sülfat iyonlarıyla reaksiyona girerek çok az çözünürlüğe sahip olan ve dolayısıyla negatif elektrotun yüzeyinde biriken kurşun sülfatı oluşturur. Akü deşarj işlemi sırasında, negatif elektrotun aktif kütlesi, griden açık griye doğru bir renk değişimiyle sünger kurşundan kurşun sülfata dönüştürülür.
Pozitif elektrotun kurşun dioksiti, elektrolit içinde negatif elektrotun kurşunundan çok daha az miktarda çözünür. Su ile etkileşime girdiğinde ayrışır (çözelti içinde yüklü parçacıklara - iyonlara ayrılır), dört değerlikli kurşun iyonları ve hidroksil iyonları oluşturur.
İyonlar elektrotla iletişim kurar pozitif potansiyel ve negatif elektrottan dış devre yoluyla gelen elektronların eklenmesiyle iki değerlikli kurşun iyonlarına indirgenir.
İyonlar iyonlarla etkileşime girerek, yukarıda belirtilen nedenden dolayı, negatif elektrotta olduğu gibi pozitif elektrotun yüzeyinde de biriken kurşun sülfat oluşturur. Deşarj ilerledikçe pozitif elektrotun aktif kütlesi kurşun dioksitten kurşun sülfata dönüşür ve rengi koyu kahverengiden açık kahverengiye değişir.
Pil boşaldıkça hem pozitif hem de negatif elektrotlardaki aktif maddeler kurşun sülfata dönüştürülür. Aynı zamanda kurşun sülfat oluşumuna da harcanır. sülfürik asit ve salınan iyonlardan su oluşur, bu da deşarj sırasında elektrolitin yoğunluğunun azalmasına yol açar.
Pil şarjı
Elektrolitte her iki elektrot da şunları içerir: küçük miktarlar kurşun sülfat iyonları ve su. Şarj edilmekte olan pilin bağlı olduğu devrede doğru akım kaynağının voltajının etkisi altında, dış devrede pilin negatif terminaline doğru elektronların yönsel bir hareketi kurulur.
Negatif elektrottaki iki değerlikli kurşun iyonları, gelen iki elektron tarafından nötralize edilir (indirgenir), negatif elektrotun aktif kütlesi metalik sünger kurşuna dönüştürülür. Geriye kalan serbest iyonlar sülfürik asit oluşturur
Pozitif elektrotta, şarj akımının etkisi altında, iki değerlikli kurşun iyonları iki elektron vererek dört değerlikli olanlara oksitlenir. İkincisi, iki oksijen iyonu ile ara reaksiyonlar yoluyla birleşerek elektrotta salınan kurşun dioksiti oluşturur. Negatif elektrottakiler gibi ve iyonları da sülfürik asit oluşturur, bunun sonucunda şarj sırasında elektrolitin yoğunluğu artar.
Pozitif ve negatif elektrotların aktif kütlelerindeki maddelerin dönüşüm işlemleri tamamlandığında, elektrolitin yoğunluğu değişmeyi bırakır ve bu, pil şarjının sona erdiğinin bir işareti olarak hizmet eder. Yükün daha da devam etmesiyle, ikincil işlem adı verilen süreç meydana gelir - suyun elektrolitik olarak oksijen ve hidrojene ayrışması. Elektrolitten gaz kabarcıkları şeklinde yayılan yoğun kaynama etkisi yaratırlar ve bu aynı zamanda şarj işleminin sona erdiğinin bir işareti olarak da hizmet eder.
Akım oluşturan ana reaktiflerin tüketimi
Akü boşaldığında bir ampersaat kapasite elde etmek için aşağıdakilerin reaksiyonda yer alması gerekir:
4.463 gr kurşun dioksit
3.886 g sünger kurşun
3.660 gr sülfürik asit
1 Ah (malzemelerin özgül tüketimi) elektrik üretmek için toplam teorik malzeme tüketimi 11.989 g/Ah, teorik özgül kapasite ise 83.41 Ah/kg olacaktır.
2 V nominal akü voltajıyla, enerji birimi başına malzemelerin teorik özgül tüketimi 5,995 g/Wh, pilin özgül enerjisi ise 166,82 Wh/kg olacaktır.
Ancak pratikte bunu başarmak imkansızdır tam kullanım Akım oluşturma sürecinde yer alan aktif maddeler. Aktif kütlenin yüzeyinin yaklaşık yarısına elektrolit erişemez, çünkü malzemenin mekanik mukavemetini sağlayan hacimli gözenekli bir çerçevenin inşası için temel görevi görür. Bu nedenle, pozitif elektrotun aktif kütlelerinin gerçek kullanım oranı %45-55, negatif elektrotun ise %50-65'idir. Ayrıca elektrolit olarak% 35-38'lik bir sülfürik asit çözeltisi kullanılır. Bu nedenle, malzemelerin gerçek spesifik tüketiminin değeri çok daha yüksektir ve spesifik kapasite ve spesifik enerjinin gerçek değerleri teorik olanlardan çok daha düşüktür.
Elektromotor kuvvet
Bir pil E'nin elektromotor kuvveti (EMF), onunla arasındaki farktır. elektrot potansiyelleri, harici devre açıkken ölçülmüştür.
Seri bağlı n adet pilden oluşan bir pilin EMF'si.
Devrenin açılmasından kurulmasına kadar geçen süre boyunca pilin denge EMF'si ile pilin dengesiz EMF'si arasında ayrım yapmak gerekir. denge durumu(geçiş süreci dönemi).
EMF, yüksek dirençli bir voltmetreyle ölçülür (iç direnç en az 300 Ohm/V). Bunu yapmak için akünün veya akünün terminallerine bir voltmetre bağlanır. Bu durumda akümülatörden (batarya) herhangi bir şarj veya deşarj akımı geçmemelidir.
Kurşun pilin denge EMF'si, herhangi bir kimyasal akım kaynağı gibi, kimyasal ve fiziksel özellikler akım oluşturma sürecinde yer alan maddeler ve elektrotların boyutu ve şeklinin yanı sıra aktif kütleler ve elektrolit miktarından tamamen bağımsızdır. Aynı zamanda kurşun-asit aküde elektrolit de alınır. doğrudan katılım akü elektrotları üzerinde akım üretme sürecinde ve akülerin şarj derecesine bağlı olarak yoğunluğunu değiştirir. Bu nedenle yoğunluğun bir fonksiyonu olan denge EMF'si
Sıcaklığın bir fonksiyonu olarak akü emk'sindeki değişim çok küçüktür ve çalışma sırasında ihmal edilebilir.
İç direnç
Pilin içinde akan akıma (şarj veya deşarj) karşı sağladığı dirence genellikle pilin iç direnci denir.
Pozitif ve negatif elektrotların aktif malzemelerinin direnci ve elektrolitin direnci akünün şarj durumuna bağlı olarak değişir. Ayrıca elektrolit direnci büyük ölçüde sıcaklığa bağlıdır.
Bu nedenle ohmik direnç aynı zamanda akünün şarj durumuna ve elektrolitin sıcaklığına da bağlıdır.
Polarizasyon direnci deşarj (şarj) akımının gücüne ve sıcaklığına bağlıdır ve Ohm kanununa uymaz.
Tek bir pilin ve hatta seri bağlı birkaç pilden oluşan bir pilin iç direnci önemsizdir ve şarj edildiğinde yalnızca birkaç bin ohm'a ulaşır. Ancak deşarj işlemi sırasında önemli ölçüde değişir.
Aktif kütlelerin elektriksel iletkenliği pozitif elektrot için yaklaşık 20 kat, negatif elektrot için ise 10 kat azalır. Elektrolitin elektriksel iletkenliği de yoğunluğuna bağlı olarak değişir. Elektrolit yoğunluğu 1,00 g/cm3'ten 1,70 g/cm3'e çıktığında elektrik iletkenliği ilk önce 1,00 g/cm3'e yükselir. maksimum değer sonra tekrar azalır.
Pil boşaldıkça elektrolitin yoğunluğu 1,28 g/cm3'ten 1,09 g/cm3'e düşer, bu da elektrik iletkenliğinin neredeyse 2,5 kat azalmasına neden olur. Sonuç olarak pilin ohmik direnci boşaldıkça artar. Deşarj durumunda direnç, şarjlı durumdaki değerinden 2 kat daha yüksek bir değere ulaşır.
Pillerin direnci üzerinde şarj durumunun yanı sıra sıcaklığın da önemli etkisi vardır. Sıcaklık düştükçe direnç elektrolit artar ve -40 °C sıcaklıkta +30 °C'ye göre yaklaşık 8 kat daha fazla olur. Ayırıcıların direnci de azalan sıcaklıkla birlikte keskin bir şekilde artar ve aynı sıcaklık aralığında neredeyse 4 kat artar. Pillerin iç direncinin arttırılmasında belirleyici faktör budur. düşük sıcaklıklar.
Şarj ve deşarj voltajı
Harici devrede akım varlığında şarj veya deşarj sırasında akümülatörün (pil) kutup terminallerindeki potansiyel farkına genellikle akümülatörün (pil) voltajı denir. Pilin iç direncinin varlığı, deşarj sırasındaki voltajının her zaman EMF'den daha düşük olmasına ve şarj olurken her zaman EMF'den daha büyük olmasına yol açar.
Bir aküyü şarj ederken, terminallerindeki voltajın, dahili kayıp miktarına göre emk'sinden daha büyük olması gerekir.
Şarjın başlangıcında, pilin içindeki ohmik kayıpların miktarı nedeniyle bir voltaj sıçraması meydana gelir ve ardından esas olarak pilin gözeneklerindeki elektrolit yoğunluğunun hızlı bir şekilde artmasından kaynaklanan polarizasyon potansiyeli nedeniyle voltajda keskin bir artış meydana gelir. aktif kütle. Daha sonra, esas olarak elektrolit yoğunluğunun artması nedeniyle pilin emk'sindeki artışa bağlı olarak voltajda yavaş bir artış meydana gelir.
Kurşun sülfatın büyük bir kısmı PbO2 ve Pb'ye dönüştürüldükten sonra, enerji harcaması giderek suyun ayrışmasına (elektroliz) neden olur. Elektrolitte ortaya çıkan fazla miktardaki hidrojen ve oksijen iyonları, karşıt elektrotlar arasındaki potansiyel farkını daha da artırır. Bu, şarj voltajında hızlı bir artışa yol açarak suyun ayrışma sürecinin hızlanmasına neden olur. Ortaya çıkan hidrojen ve oksijen iyonları aktif maddelerle etkileşime girmez. Nötr moleküller halinde yeniden birleşirler ve elektrolitten gaz kabarcıkları şeklinde salınırlar (pozitif elektrotta oksijen salınır, negatif elektrotta hidrojen salınır), elektrolitin "kaynamasına" neden olur.
Şarj işlemine devam ederseniz, kurşun sülfatın neredeyse tamamı zaten reaksiyona girdiğinden ve aküye sağlanan tüm enerji artık yalnızca şarj için harcandığından, elektrolit yoğunluğundaki ve şarj voltajındaki artışın pratik olarak durduğunu görebilirsiniz. bir yan sürecin ortaya çıkması - suyun elektrolitik ayrışması. Bu, şarj işleminin sonunun işaretlerinden biri olan şarj voltajının sabitliğini açıklar.
Şarj durduktan sonra, yani kapandıktan sonra harici kaynak akü terminallerindeki voltaj, dengesiz EMF değerine veya ohmik dahili kayıpların miktarına kadar keskin bir şekilde azalır. Daha sonra EMF'de kademeli bir azalma olur (aktif kütlenin gözeneklerindeki elektrolit yoğunluğunun azalması nedeniyle), bu pilin hacmindeki elektrolit konsantrasyonu ve aktif kütlenin gözenekleri tamamen eşitlenene kadar devam eder. Bu, denge EMF'sinin kurulmasına karşılık gelir.
Bir pil boşaldığında, terminallerindeki voltaj, dahili voltaj düşüşünün miktarı kadar emf'den daha azdır.
Deşarjın başlangıcında, aktif kütlenin gözeneklerindeki elektrolit konsantrasyonundaki azalmanın, yani konsantrasyon polarizasyonunun neden olduğu ohmik kayıplar ve polarizasyon miktarı nedeniyle akü voltajı keskin bir şekilde düşer. Ayrıca, kararlı durum (sabit) deşarj işlemi sırasında akü hacmindeki elektrolitin yoğunluğu azalır, bu da deşarj voltajında kademeli bir düşüşe neden olur. Aynı zamanda aktif kütledeki kurşun sülfat içeriğinin oranı da değişir ve bu da ohmik kayıpların artmasına neden olur. Bu durumda, kurşun sülfat parçacıkları (kurşun parçacıkları ve oluşturuldukları dioksit parçacıklarıyla karşılaştırıldığında yaklaşık üç kat daha fazla hacme sahip olan) aktif kütlenin gözeneklerini kapatır, böylece elektrolitin derinliklere geçişini engeller. elektrotlar.
Bu, konsantrasyon polarizasyonunda bir artışa neden olarak deşarj voltajında \u200b\u200bdaha hızlı bir düşüşe yol açar.
Deşarj durduğunda, akü terminallerindeki voltaj omik kayıp miktarı kadar hızlı bir şekilde artar ve dengesiz EMF değerine ulaşır. Aktif kütlelerin gözeneklerindeki ve pilin hacmindeki elektrolit konsantrasyonunun eşitlenmesi nedeniyle EMF'de daha fazla değişiklik olması, denge EMF değerinin kademeli olarak kurulmasına yol açar.
Deşarj sırasında akü voltajı esas olarak elektrolitin sıcaklığına ve deşarj akımının gücüne göre belirlenir. Yukarıda belirtildiği gibi, kurşun akümülatörün (pil) direnci önemsizdir ve şarjlı durumda yalnızca birkaç miliOhm'dur. Ancak gücü nominal kapasitenin 4-7 katı olan starter deşarj akımlarında, dahili gerilim düşüşünün deşarj gerilimi üzerinde önemli bir etkisi vardır. Azalan sıcaklıkla birlikte ohmik kayıpların artması, elektrolit direncindeki artışla ilişkilidir. Ek olarak, elektrolitin viskozitesi keskin bir şekilde artar, bu da aktif kütlenin gözeneklerine yayılma sürecini zorlaştırır ve konsantrasyon polarizasyonunu arttırır (yani, elektrolit konsantrasyonunu azaltarak pil içindeki voltaj kaybını arttırır. elektrotların gözenekleri).
60 A'nın üzerindeki bir akımda, deşarj voltajının akım gücüne bağımlılığı tüm sıcaklıklarda neredeyse doğrusaldır.
Akü voltajının şarj ve deşarj sırasındaki ortalama değeri ortalama olarak belirlenir. aritmetik değerler düzenli aralıklarla ölçülen voltaj.
Pil kapasitesi
Pil kapasitesi, pilin belirlenen son gerilime kadar deşarj olması durumunda aldığı elektrik miktarıdır. Pratik hesaplamalarda pil kapasitesi genellikle amper-saat (Ah) cinsinden ifade edilir. Deşarj kapasitesi, deşarj akımının deşarj süresiyle çarpılmasıyla hesaplanabilir.
Akünün tasarlandığı ve imalatçı tarafından belirtilen deşarj kapasitesine nominal kapasite denir.
Buna ek olarak önemli bir gösterge de şarj sırasında aküye verilen kapasitedir.
Deşarj kapasitesi, pilin bir takım tasarım ve teknolojik parametrelerinin yanı sıra çalışma koşullarına da bağlıdır. En önemli tasarım parametreleri aktif kütle ve elektrolit miktarı, akü elektrotlarının kalınlığı ve geometrik boyutlarıdır. Pil kapasitesini etkileyen temel teknolojik parametreler aktif malzemelerin formülasyonu ve gözenekliliğidir. Çalışma parametreleri (elektrolit sıcaklığı ve deşarj akımı) da deşarj kapasitesi üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Bir pilin verimliliğini karakterize eden genel bir gösterge, aktif malzemelerin kullanım oranıdır.
Yukarıda belirtildiği gibi 1 Ah kapasite elde etmek için teorik olarak 4.463 g kurşun dioksit, 3.886 g sünger kurşun ve 3.66 g sülfürik asit gereklidir. Elektrotların aktif kütlelerinin teorik özgül tüketimi 8,32 g/Ah'dir. Gerçek pillerde, 20 saatlik deşarj modunda ve 25 °C elektrolit sıcaklığında aktif malzemelerin spesifik tüketimi 15,0 ila 18,5 g/Ah arasında değişir ve bu, aktif kütlelerin %45-55'lik bir kullanım oranına karşılık gelir. Sonuç olarak, aktif kütlenin pratik tüketimi teorik değerleri 2 veya daha fazla kat aşmaktadır.
Aktif kütlenin kullanım derecesi ve dolayısıyla boşaltma kapasitesinin değeri aşağıdaki ana faktörlerden etkilenir.
Aktif kütlenin gözenekliliği. Gözenekliliğin artmasıyla birlikte, elektrolitin elektrotun aktif kütlesinin derinliğine difüzyon koşulları iyileşir ve akım üreten reaksiyonun meydana geldiği gerçek yüzey artar. Gözeneklilik arttıkça boşaltma kapasitesi artar. Gözeneklilik miktarı, kurşun tozunun parçacık boyutuna ve aktif kütlelerin hazırlanmasına yönelik reçetenin yanı sıra kullanılan katkı maddelerine bağlıdır. Ayrıca gözenekliliğin artması, yüksek gözenekli aktif kütlelerin yok olma sürecinin hızlanmasından dolayı dayanıklılıkta bir azalmaya yol açmaktadır. Bu nedenle gözeneklilik değeri, üreticiler tarafından yalnızca yüksek kapasitif özellikler dikkate alınarak değil, aynı zamanda pilin çalışma sırasında gerekli dayanıklılığının sağlanması dikkate alınarak seçilir. Şu anda pilin amacına bağlı olarak %46-60 aralığındaki gözeneklilik optimal kabul edilmektedir.
Elektrot kalınlığı. Kalınlık azaldıkça dış ve dış yüzeyin eşit olmayan yüklenmesi iç katmanlar Deşarj kapasitesinin artmasına yardımcı olan elektrotun aktif kütlesi. Daha kalın elektrotlar için aktif kütlenin iç katmanları, özellikle yüksek akımlarla deşarj edilirken çok az kullanılır. Bu nedenle deşarj akımı arttıkça farklı kalınlıktaki elektrotlara sahip pillerin kapasitesindeki farklılıklar keskin bir şekilde azalır.
Ayırıcı malzeme tasarımının gözenekliliği ve rasyonelliği. Ayırıcının gözenekliliğinin ve kaburgalarının yüksekliğinin artmasıyla, elektrotlar arası boşluktaki elektrolit beslemesi artar ve difüzyon koşulları iyileşir.
Elektrolit yoğunluğu. Pil kapasitesini ve servis ömrünü etkiler. Elektrolitin yoğunluğu arttıkça pozitif elektrotların kapasitesi artar ve elektrot yüzeyinin pasifleşmesinin hızlanması nedeniyle özellikle negatif sıcaklıklarda negatif elektrotların kapasitesi azalır. Artan yoğunluk, pozitif elektrot üzerindeki korozyon işlemlerinin hızlanması nedeniyle akünün servis ömrünü de olumsuz etkiler. Bu nedenle, optimum elektrolit yoğunluğu, pilin çalıştırıldığı koşullar ve gereksinimlerin toplamına göre belirlenir. Yani örneğin marş aküleri Ilıman bir iklimde çalışırken, önerilen çalışma elektrolit yoğunluğu 1,26-1,28 g/cm3'tür ve sıcak (tropikal) iklime sahip alanlar için 1,22-1,24 g/cm3'tür.
Pilin belirli bir süre boyunca sürekli olarak deşarj edilmesi gereken deşarj akımının gücü (deşarj modunu karakterize eder). Deşarj modları geleneksel olarak uzun ve kısa olarak ayrılır. Uzun süreli modlarda deşarj birkaç saat boyunca düşük akımlarda gerçekleşir. Örneğin 5, 10 ve 20 saatlik deşarjlar. Kısa veya marş deşarjlarında akım, akünün nominal kapasitesinden birkaç kat daha fazladır ve deşarj birkaç dakika veya saniye sürer. Deşarj akımı arttıkça aktif kütlenin yüzey katmanlarının deşarj hızı da artar. daha büyük ölçüde derin olanlardan daha. Sonuç olarak, gözeneklerin ağızlarında kurşun sülfatın büyümesi, derinliklere göre daha hızlı gerçekleşir ve gözenek, reaksiyona girmeye zaman bulamadan sülfatla tıkanır. iç yüzey. Elektrolitin gözenek içine difüzyonunun durması nedeniyle içindeki reaksiyon durur. Bu nedenle, deşarj akımı ne kadar yüksek olursa, akü kapasitesi o kadar düşük olur ve dolayısıyla aktif kütle kullanım faktörü de o kadar düşük olur.
Akülerin çalıştırma niteliklerini değerlendirmek için, kapasiteleri aynı zamanda aralıklı marş motoru deşarjlarının sayısıyla da karakterize edilir (örneğin, 10-15 saniye süren ve aralarında 60 saniyelik molalar bulunan). Akünün aralıklı deşarjlar sırasında sağladığı kapasite, özellikle marş motoru deşarj modunda, aynı akımla sürekli deşarj sırasındaki kapasiteyi aşıyor.
Şu anda uluslararası uygulamada kapasitans özelliklerinin değerlendirilmesi marş aküleri"Yedek" kapasite kavramı kullanılmaktadır. Nominal akü kapasitesinden bağımsız olarak, 25 A deşarj akımında akünün boşalma süresini (dakika cinsinden) karakterize eder. Üreticinin takdirine bağlı olarak, nominal kapasitenin değerinin 20 saatlik deşarj modunda amper-saat cinsinden veya yedek kapasiteye göre dakika cinsinden ayarlanmasına izin verilir.
Elektrolit sıcaklığı. Azaldıkça akülerin deşarj kapasitesi azalır. Bunun nedeni elektrolitin viskozitesindeki artış ve elektrik direnci elektrolitin aktif kütlenin gözeneklerine yayılma hızını yavaşlatır. Ayrıca sıcaklık düştükçe negatif elektrotun pasifleşme süreçleri hızlanır.
Sıcaklık katsayısı kapasitans a, 1 °C sıcaklık değişimiyle kapasitanstaki yüzde değişimi gösterir.
Test sırasında, uzun süreli deşarj modunda elde edilen deşarj kapasitesi, +25 °C elektrolit sıcaklığında belirlenen nominal kapasite değeriyle karşılaştırılır.
Uzun süreli deşarj modunda kapasiteyi standartların gerekliliklerine uygun olarak belirlerken elektrolit sıcaklığı +18 °C ila +27 °C aralığında olmalıdır.
Marş motoru deşarjının parametreleri, deşarjın dakika cinsinden süresine ve deşarjın başlangıcındaki gerilime göre değerlendirilir. Bu parametreler ilk döngüde +25 °C'de (kuru şarjlı piller için test) ve sonraki döngülerde -18 °C veya -30 °C sıcaklıklarda belirlenir.
Şarj derecesi. Şarj derecesinin artmasıyla diğer koşullar eşit olmak üzere kapasite artar ve piller tam şarj olduğunda maksimum değerine ulaşır. Bunun nedeni, şarjın eksik olması durumunda her iki elektrottaki aktif madde miktarının ve elektrolitin yoğunluğunun maksimum değerlerine ulaşmamasıdır.
Pil enerjisi ve gücü
Pil enerjisi W, Watt-saat cinsinden ifade edilir ve deşarj (şarj) kapasitesi ile ortalama deşarj (şarj) voltajının çarpımı ile belirlenir.
Akü kapasitesi ve deşarj gerilimi sıcaklık ve deşarj modundaki değişikliklerle değiştiğinden, sıcaklık düştüğünde ve deşarj akımı arttığında akü enerjisi kapasitesinden çok daha fazla azalır.
Kapasite, tasarım ve hatta elektrokimyasal sistem açısından farklılık gösteren kimyasal akım kaynaklarını karşılaştırırken ve bunların iyileştirilmesine yönelik yönleri belirlerken, spesifik enerji göstergesi kullanılır - pilin birim kütlesi veya hacmi başına enerji. Modern bakım gerektirmeyen kurşun marş aküleri için 20 saatlik deşarj modundaki spesifik enerji 40-47 W h/kg'dır.
Bir pilin birim zamanda sağladığı enerji miktarına güç denir. Deşarj akımının ve ortalama deşarj voltajının ürünü olarak tanımlanabilir.
Pilin kendi kendine deşarj olması
Kendi kendine deşarj, harici devre açıkken, yani hareketsizlik sırasında akü kapasitesinin azalmasıdır. Bu olaya hem negatif hem de pozitif elektrotlarda kendiliğinden meydana gelen redoks işlemleri neden olur.
Negatif elektrot, kurşunun (negatif aktif kütle) sülfürik asit çözeltisi içinde kendiliğinden çözünmesi nedeniyle kendi kendine deşarj olmaya karşı özellikle hassastır.
Negatif elektrotun kendi kendine deşarjına hidrojen gazının salınması eşlik eder. Elektrolit konsantrasyonunun artmasıyla kurşunun kendiliğinden çözünme hızı önemli ölçüde artar. Elektrolit yoğunluğunun 1,27'den 1,32 g/cm3'e arttırılması, negatif elektrotun kendi kendine deşarj oranında %40 oranında bir artışa yol açar.
Negatif elektrotun yüzeyinde çeşitli metallerin safsızlıklarının varlığı, kurşunun kendi kendine çözünme oranının arttırılması üzerinde çok önemli bir etkiye (katalitik) sahiptir (hidrojen oluşumunun aşırı voltajındaki azalmaya bağlı olarak). Pil hammaddelerinde, elektrolitte ve ayırıcılarda yabancı madde olarak bulunan veya özel katkı maddeleri olarak kullanılan metallerin neredeyse tamamı, kendi kendine deşarjın artmasına katkıda bulunur. Negatif elektrotun yüzeyine çıkarak hidrojen salınımı koşullarını kolaylaştırırlar.
Bazı safsızlıklar (değişken valansa sahip metal tuzları) bir elektrottan diğerine yük taşıyıcı olarak görev yapar. Bu durumda, metal iyonları negatif elektrotta indirgenir ve pozitif elektrotta oksitlenir (bu kendi kendine deşarj mekanizması demir iyonlarına atfedilir).
Kendi kendine deşarj pozitif aktif madde reaksiyondan kaynaklanmaktadır.
2PbO2 + 2H2SO4 -> PbSCU + 2H2O + O2 T.
Bu reaksiyonun hızı, elektrolit konsantrasyonunun artmasıyla da artar.
Reaksiyon oksijenin salınmasıyla ilerlediğinden hızı büyük ölçüde oksijenin aşırı voltajı tarafından belirlenir. Bu nedenle, oksijen oluşumu potansiyelini azaltan katkı maddeleri (örneğin antimon, kobalt, gümüş), kurşun dioksitin kendi kendine çözünme reaksiyonunun hızını artıracaktır. Pozitif aktif malzemenin kendi kendine deşarj oranı, negatif aktif malzemenin kendi kendine deşarj oranından birkaç kat daha düşüktür.
Pozitif elektrotun kendi kendine deşarj olmasının bir başka nedeni, akım iletkeninin malzemesi ile bu elektrotun aktif kütlesi arasındaki potansiyel farktır. Bu potansiyel farkı sonucu ortaya çıkan galvanik mikro hücre, akım geçtiğinde iniş iletkeninin kurşununu ve pozitif aktif kütlenin kurşun dioksitini kurşun sülfata dönüştürür.
Kendi kendine deşarj, akünün dış kısmı kirli olduğunda veya akü terminalleri veya atlama telleri arasında bulunan elektriği ileten film yoluyla deşarj olasılığı yaratan elektrolit, su veya diğer sıvılarla doldurulduğunda da meydana gelebilir. Bu tür kendi kendine deşarj, harici devre kapatıldığında çok düşük akımlara sahip geleneksel deşarjdan farklı değildir ve kolayca ortadan kaldırılabilir. Bunu yapmak için pillerin yüzeyini temiz tutmanız gerekir.
Pillerin kendi kendine deşarj olması büyük ölçüde elektrolitin sıcaklığına bağlıdır. Sıcaklık düştükçe kendi kendine deşarj azalır. Yeni piller için 0 °C'nin altındaki sıcaklıklarda pratik olarak durur. Bu nedenle pillerin şarjlı halde düşük sıcaklıklarda (-30 ° C'ye kadar) saklanması önerilir.
Çalışma sırasında kendi kendine deşarj sabit kalmaz ve hizmet ömrünün sonuna doğru keskin bir şekilde artar.
Kendi kendine deşarjın azaltılması, akü elektrotlarındaki oksijen ve hidrojen emisyonlarının aşırı gerilimini artırarak mümkündür.
Bunu yapmak için öncelikle pil üretimi için mümkün olan en saf malzemeleri kullanmak, pil alaşımlarındaki alaşım elementlerinin niceliksel içeriğini azaltmak, yalnızca pilleri kullanmak gerekir.
hem üretim hem de işletme sırasında tüm elektrolitlerin hazırlanması için saf sülfürik asit ve damıtılmış (veya diğer saflaştırma yöntemleriyle saflıkta buna yakın) su. Örneğin, akım kurşun alaşımındaki antimon içeriği %5'ten %2'ye düşürülerek ve tüm proses elektrolitleri için damıtılmış su kullanılarak, ortalama günlük kendi kendine deşarj 4 kat azaltılır. Antimonu kalsiyum ile değiştirmek, kendi kendine deşarj oranını daha da azaltmanıza olanak tanır.
Takviyeler aynı zamanda kendi kendine deşarjın azaltılmasına da yardımcı olabilir organik madde- kendi kendine deşarj inhibitörleri.
Ortak bir kapağın ve gizli elemanlar arası bağlantıların kullanılması, geniş aralıklı kutup terminalleri arasında galvanik bağlantı olasılığı önemli ölçüde azaldığından, kaçak akımlardan kaynaklanan kendi kendine deşarj oranını önemli ölçüde azaltır.
Bazen kendi kendine deşarj denir hızlı kayıp nedeniyle kapasite kısa devre pilin içinde. Bu fenomen, zıt elektrotlar arasında oluşturulan iletken köprüler yoluyla doğrudan deşarjla açıklanmaktadır.
Bakım gerektirmeyen akülerde zarf ayırıcıların kullanımı
çalışma sırasında zıt elektrotlar arasında kısa devre olasılığını ortadan kaldırır. Ancak seri üretim sırasında olası ekipman arızaları nedeniyle bu olasılık devam etmektedir. Genellikle böyle bir kusur, çalışmanın ilk aylarında tespit edilir ve pilin garanti kapsamında değiştirilmesi gerekir.
Tipik olarak kendi kendine deşarj derecesi, belirli bir süre boyunca kapasite kaybının yüzdesi olarak ifade edilir.
Mevcut kendi kendine deşarj standartları aynı zamanda test sonrasında -18 °C'deki marş motoru deşarj voltajıyla da karakterize edilir: +40 °C sıcaklıkta 21 gün boyunca hareketsizlik.
İLE kategori:
Arabaların elektrik donanımı
-
Aküdeki kimyasal işlemler
Şarj edilmiş bir aküde, pozitif plakaların aktif kütlesi koyu kahverengi kurşun peroksit Pb02'den oluşur ve negatif plakaların aktif kütlesi gri sünger kurşun Pb'den oluşur. Aynı zamanda elektrolitin yoğunluğu yılın zamanına ve çalışma alanına bağlı olarak 1,25 ila 1,31 g/cm3 arasında değişmektedir.
Akü boşaldığında, negatif plakaların aktif kütlesi, griden açık griye bir renk değişimiyle süngerimsi kurşun Pb'den kurşun sülfat PbS04'e dönüştürülür.
Akünün pozitif plakalarının aktif kütlesi, koyu kahverengiden kahverengiye renk değişimiyle kurşun peroksit PbO2'den kurşun sülfat PbS04'e dönüştürülür.
-
Kurşun sülfat PbS04'e genellikle kurşun sülfat denir.
Pratikte, kabul edilebilir bir pil deşarjı ile, aktif kütlenin derin katmanlarındaki elektrolit, yetersiz gözenekliliği nedeniyle, plakaların aktif kütlesinin% 40 - 50'sinden fazlası kimyasal reaksiyonlara katılmaz. gerekli miktar gelmiyor. Gözenek duvarlarının yüzeyinde PbS04 kristallerinin birikmesi aktif kütlenin gözeneklerini daraltır ve hatta tıkar, bu da elektrolitin iç, daha derin katmanlara nüfuz etmesini zorlaştırır. Buna göre, aktif kütlenin iç katmanlarında PbO2 ve Pb formunda depolanan kimyasal enerjinin bir kısmı elektrolit ile temas etmeyecek ve bu da her bir pil hücresinin kapasitesini azaltacaktır.
Boşaltma işlemi sırasında, su H20'nin eşzamanlı salınımıyla birlikte kurşun sülfat PbS04'ü oluşturmak için sülfürik asit kullanıldığından, elektrolitin yoğunluğu buna göre 1,25 - 1,31'den 1,09 - 1,15 g/cm3'e düşer.
Böylece %100 deşarjda elektrolitin yoğunluğu 0,16 g/cm3 azalır, dolayısıyla akü deşarjı döneminde elektrolitin yoğunluğunun 0,01 g/cm3 azalması akü kapasitesinde 6 puanlık bir azalmaya karşılık gelir %.
Elektrolit yoğunluğundaki değişiklik, akünün deşarj derecesinin ana göstergelerinden biridir.
Aküyü şarj etmek için akü, gerilimi örn. d.s. şarj edilebilir pil.
Şarj sırasında, negatif plakaların aktif kütlesi kademeli olarak kurşun sülfat PbS04'ten süngerimsi kurşun Pb'ye (gri) dönüşür ve pozitif plakaların aktif kütlesi PbS04'ten kurşun peroksit PbO2'ye (koyu kahverengi) dönüşür. Bu durumda H20'nun eş zamanlı azalmasıyla birlikte H2S04 oluşumu nedeniyle elektrolitin yoğunluğu 1,09 - 1,15'ten 1,25 - 1,31 g/cm3'e çıkar.
Açık oksidatif özellikler dört değerlikli kurşun ve bunun daha kararlı iki değerlikli duruma geçişi, pratikte yaygın olarak kullanılan kurşun pillerin tasarımı ve çalışmasının temelini oluşturur.
Elektrik pilleri, elektrik enerjisini daha sonra kullanmak üzere biriktirmenizi sağlayan cihazlardır. doğru an. Bu enerji depolaması bataryadan geçerek gerçekleştirilir. elektrik akımı elektrik enerjisinin kimyasal enerjiye dönüştürülmesiyle birlikte içinde kimyasal bir işlem meydana geldiği için; Pilin şarj olduğu söyleniyor. Şarj edilmiş bir pil şu şekilde kullanılabilir: galvanik hücre ve pili şarj ederken meydana gelen reaksiyonun tersi yönde ilerlemesi ve pilde biriken kimyasal enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülmesi; Pil tükendikçe deşarj olur.
En basit durumda, bir kurşun-asit aküsü, hücreleri hamur benzeri bir kurşun oksit ve su karışımı ile doldurulmuş iki kafes kurşun plakadan oluşur. Plakalar, seyreltik sülfürik asitle doldurulmuş dikdörtgen bir cam kavanoza daldırılır. ağırlık 1,15-1,20 (%22-28 H2S04).
Tepki nedeniyle
PbO + H2S04 = PbS04 + H20
Kurşun oksit bir süre sonra sülfata dönüşür. Şimdi cihazdan doğru akımı geçirirsek, bir plakayı akım kaynağının negatif kutbuna, diğerini pozitif kutbuna bağlarsak, pil şarj edilecek ve elektrotlarda aşağıdaki işlemler gerçekleşecektir:
Bu denklemleri topladığımızda şunu elde ederiz: genel denklem Pili şarj ederken meydana gelen reaksiyonlar:
2PbS04 + 2H20 = Pb + PbO2 + 4H + 2S04 "
Böylece, akım geçtikçe sülfat katotta gevşek bir metalik kurşun kütlesine, anotta ise koyu kahverengi kurşun dioksite dönüşür.
Bu işlem tamamlandığında pil şarj edilir. Şarjın sonu, suyun şiddetli ayrışmasının başlamasıyla gösterilir: katotta serbest bırakılır, anotta - (pil "kaynar").
Şarj edilmiş bir pilin plakaları bir iletken ile bağlandığında, ikincisinde bir akım belirir ve elektronlar kurşunla kaplı plakadan kurşun dioksitle kaplı plakaya doğru hareket eder. Akımın oluşumu şu şekilde açıklanmaktadır. Kurşunla kaplı bir plakadan Pb ++ iyonlarının bir kısmı çözeltiye geçer ve bunun sonucunda plaka negatif yüklü hale gelir. Kurşun plakada salınan elektronlar PbO 2'ye geçer ve dört değerlikli olanı iki değerlikli hale getirir. Sonuç olarak her iki plakada da Pb iyonları oluşur ve bu iyonlar çözeltideki SO4 iyonlarıyla birleşerek çözünmeyen kurşun sülfat oluşturur ve akü boşalır.
Pil boşaldığında meydana gelen işlemler aşağıdaki diyagramda aktarılmaktadır:
Yazılı denklemleri toplayarak pil boşaldığında meydana gelen reaksiyonun, şarj edildiğinde meydana gelen reaksiyonun tersi olduğunu doğrulamak zor değildir. Bu nedenle her iki süreç de tek bir denklemle ifade edilebilir:
şarj cihazı
2PbS04 + 2H20 ⇄Pb + Pb0 2 + 4H + 2SO 4 "
deşarj
Akü boşaldığında H ve SO4 iyonları tüketilip oluştukça sülfürik asit konsantrasyonu azalır. Bu nedenle, pilin deşarj derecesi şu şekilde değerlendirilebilir: özgül ağırlık asit, bir hidrometre ile ölçülür.
Kurşun akünün voltajı 2 volttur venormal yük, çalışması sırasında neredeyse değişmeden kalır. Voltaj düşmeye başlarsa akünün tekrar şarj edilmesi gerekir.
Kurşun-asit batarya konusuyla ilgili bir makale okuyorsunuz
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 zayıf şekilde ileten ancak iyonlar için iyi bir iletken olan bir sıvıdır. Bu, sulu bir sülfürik asit (H2S04) çözeltisidir. Kimyasal 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 isminde kimyasal kaynak elektrik enerjisini kendi içinde biriktirebilen (biriktirebilen) ve gerektiğinde onu harici bir devreye bırakabilen akım. 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 galvanik hücreyle karşılaştırıldığında. 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 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-antimon alaşımından yapılmış, içinde macunla doldurulmuş çok sayıda hücrenin düzenlendiği 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 sulu bir sülfürik asit çözeltisi ile karıştırılan kurşun peroksit tozu PbO2'dir. 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 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, eğrildiklerinde plakalar arasında kısa devre oluşması olasılığını önler.
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 (Şek. 160, a) pozitif iyonlar H2+ ve negatif iyonlar asit kalıntısı
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
harici devre kapatıldığında elektrik akımının geçişini sağlayan yaklaşık 2 V'luk bir potansiyel fark. 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 yavaş yavaş 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. suyu hidrojen ve oksijene dönüştürür. 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.
Oksidasyonu 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, uygun olmayan şarj, şarj edilmemiş pilin uzun süre saklanması, elektrolit seviyesinin azalması, elektrolit yoğunluğunun aşırı olması), plakalarında hasar meydana gelir. sülfatlaşma. Bu olay, deşarj sırasında plakaları kaplayan ince kristalli kurşun sülfatın, çözünmeyen iri kristalli kurşun sülfata geçişinden oluşur. kimyasal bileşiklerşarj edildiğinde kurşun peroksit PbO2 ve kurşun Pb'ye dönüşmez. Bu durumda pil kullanılamaz hale gelir.
