Свинцовые аккумуляторы были изобретены еще в 1859 году, являясь своеобразным «классическим» решением в мире автономных источников питания. Несмотря на давность технологии, свинцовые аккумуляторы наиболее часто используются в современном обществе.

Особенности свинцовых аккумуляторов

В основе свинцовых аккумуляторов лежат химические реакции между диоксидом свинца и чистым свинцом. Электролитом в таком устройстве выступает раствор серной кислоты. Потому такие аккумуляторные батареи часто еще называют свинцово-кислотными.

Сама внутренняя структура аккумуляторов достаточно проста. Существует два типа электродов: положительные (диоксида свинца) и отрицательные (свинец). Кроме того, в электроды, кроме основных элементов, часто добавляют немного (1-2%) примесей для большей эффективности работы. Сами же электроды опущены в электролит.

Сфера применения свинцовых аккумуляторов

Условно, такой тип автономных источников питания можно поделить на 4 группы:

Стартерные аккумуляторы. Используются для запуска двигателей современных автомобилей и обеспечения электропитанием внутренних систем транспортного средства.

Стационарные свинцовые аккумуляторы. Широко используются в роли аварийных источников питания. Работа при этом, осуществляется в режиме непрерывного заряда.

Тяговые аккумуляторы. Большой ресурс, возможность глубокого разряда и небольшая стоимость позволяет их активно применять в электромобилях различного направления.

Портативные. Активно используются для питания небольшого инструмента, лампочек и обладают широкими рабочими температурами.

Преимущества и недостатки

Преимущества свинцовых аккумуляторов:

Широкий диапазон емкостей;

Невысокая цена;

Небольшой показатель саморазряда;

Стабильность работы и подаваемого напряжения;

Отработанная технология переработки свинцовых аккумуляторов позволяет снизить нагрузку на окружающую среду.

Вместе с явными преимуществами, свинцовым аккумулятором присущи такие недостатки:

Большой вес и габариты батареи;

Остро негативное влияние на цикл жизни батареи в случае глубокого разряда;

Большие (до 30%) потери электроэнергии при заряде;

Не герметичные (обслуживаемые) , необходимо регулярно подливать дистиллированную воду;

Сложно спрогнозировать момент выхода из строя батареи;

Нельзя оставлять сильно разряженный аккумулятор на морозе.

Благодаря своей стабильной работе и невысокой цене, свинцовые аккумуляторы не собираются сдавать свои позиции на рынке без боя. Впрочем, в ближайшее будущее возможен прорыв в создании кардинально более эффективных автономных источников питания.

Кислотные аккумуляторы характеризуются повышенным параметром стойкости. По конструкции устройства довольно сильно отличаются. Емкость кислотного аккумулятора всегда указана в инструкции. На рынке представлены модификации на 2 и 4 вывода. Показатель саморазряда у них может отличаться.

Электролит в устройствах чаще всего применяется серии КС. Выходное напряжение, как правило, не превышает 10 В. Для того чтобы более подробно разобраться в указанном вопросе, надо рассмотреть устройство кислотного аккумулятора.

Устройство аккумуляторной батареи

Стандартный аккумулятор средней емкости состоит из блока, герметичной оболочки, пластин, электролита, а также клемм. Крышки в устройствах производятся с выходным контактами. Пластины у моделей фиксируются на стойках. Некоторые модификации производятся с клапанами. Если рассматривать аккумуляторы с высокой емкостью, то у них имеется сепаратор. Указанный элемент устанавливается с перемычкой. Как правило, минусовые выводы соединяются с платинами напрямую. Непосредственно блок батареи обрабатывается каучуком.

Модификации с емкостью 8 Ач

Аккумуляторы кислотные (необслуживаемые) данного типа используются часто для компрессоров на 2 кВт. Частота в данном случае равняется минимум 30 Гц. Электролит в устройствах применяется разных серий. Проводимость напряжения у них отличается. Показатель перегрузки батарей в среднем равняется 40 А.

У некоторых модификаций установлена система защиты от перегрева. Если рассматривать устройства на две клеммы, то у них имеются проводные пластины. Сепаратор, как правило, устанавливается в нижней части блока. Камера у моделей обрабатывается смолой. Показатель герметичности в среднем колеблется в районе 85 %. Параметр саморазряда, как правило, не превышает 0.2 %.

Допустимый уровень температуры зависит от электролита. Для приводов указанные аккумуляторы подходят плохо. Также важно отметить, что современные устройства производятся с блоками рекомбинации. Процесс восстановления у них много времени не отнимает. Однако важно отметить, что стоят они на рынке довольно много.

Модели на 20 Ач

20 Ач производятся под приводные устройства. Также модели подходят для освещения местности. На рынке представлены модификации на 2 и 4 клеммы. Перемычки в устройствах используются с различной проводимостью. Электролит чаще сего применяется с маркировкой КС202. Заряд устройства осуществляется при напряжении в 10 В. Пластины в данном случае устанавливаются в вертикальном положении.

По степени герметичности устройства довольно сильно отличаются. Блоки рекомбинации установлены не во всех модификациях. Для компрессоров малой мощности устройства подходят плохо. Параметр допустимой температуры у батарей в среднем равняется 40 градусов. Сепараторы чаще всего используются коммутируемого типа. У некоторых модификаций выходное напряжение достигает 15 В. Параметр порогового сопротивления находится в пределах 18 Ом. Срок службы устройств колеблется от 3 до 10 лет.

с емкостью 50 Ач

Аккумуляторные батареи указанной емкости используются для компрессоров на 6 кВт. В данном случае устройства выпускаются с пластинами из свинца. Многие модификации оснащаются проводными сепараторами. Положительный выход в устройствах устанавливается на крышке. Модификации с двумя клеммами обладают проводимостью на уровне 3 мк. Клапана у моделей, как правило, находятся в нижней части блока. Выходное напряжение у моделей составляет около 13 В.

Система защиты от перегрузок используется второй либо третей степени. Герметичность блоков в среднем составляет 90 %. осуществляется при напряжении в 4 В. Допустимый уровень температуры, как правило, не превышает 45 градусов. По плотности энергии модификации довольно сильно отличаются. Для приводных устройств модели не подходят. Диоксидные пластины в них устанавливаются редко.

Устройства на 100 Ач

Кислотные аккумуляторы на 100 Ач производятся для контрольных блоков. Для облуживания генераторов и котлов модификации подходят отлично. Допустимая температура устройств в среднем равняется 35 градусов. Современные батареи производятся с четырьмя пластинами. Система защиты от перегрузок имеется не во всех модификациях.

Уровень внутреннего сопротивления, как правило, не превышает 30 Ом. По герметичности устройства довольно сильно отличаются. колеблется от 5 до 10 лет. В среднем параметр проводимости у них равняется 3 мк. Выходное напряжение, в свою очередь, составляет не менее 15 В. Электролит в устройствах используется серии КС200. Для силового оборудования батареи применяются часто. Клапана, как правило, соединены с положительными выходами.

Модели с емкостью 120 Ач

Кислотные аккумуляторы на 120 Ач имеют высокую плотность энергии. В среднем проводимость у них равняется 3 мк. Показатель выходного напряжения зависит от размеров пластин. Многие модификации производятся с четырьмя клеммами. Для компрессоров на 5 кВт устройства подходят замечательно. Крышки у моделей используются герметичного типа. Допустимая температура батарей составляет около 40 градусов. Для приводов низкочастотного типа устройства подходят плохо.

Параметр герметичности, как правило, не превышает 80 %. Кислотные аккумуляторы для фонарей со свинцовыми пластинами встречаются не часто. По параметру саморазряда модели отличаются. В данном случае многое зависит от чувствительности сепаратора. Плюсовые выводы в устройствах, как правило, находятся на крышке. Плотность энергии аккумуляторных батарей - в пределах 3 %.

Аккумуляторные батареи на 150 Ач

Кислотные аккумуляторы на 150 Ач производятся с проводными сепараторами. Некоторые модификации оснащаются коммутируемыми клапанами. Пластины чаще всего изготовлены из свинца. В среднем показатель проводимости не превышает 3 мк. Выходное напряжение модификаций зависит от чувствительности сепаратора. Срок службы моделей колеблется от 3 до 10 лет.

Электролит в устройствах чаще всего применяется серии КС200. Плотность энергии - около 3 %. Блоки рекомбинации встречаются редко. Для компрессоров на 10 кВт устройства подходят замечательно. Однако важно отметить, что у некоторых моделей отсутствует выходной клапан. Показатель герметичности находится в пределах 90 %. Однако в данном случае многое зависит от торговой марки.

Восстановление устройств

Восстановление кислотных аккумуляторов осуществляется при помощи зарядных устройств. Указанные приборы выпускаются различной чувствительности. Параметр перегрузки в среднем равняется 20 А. Чтобы ускорить восстановление кислотных аккумуляторов используются триггеры с переходниками. Если рассматривать батареи малой емкости, то у них зарядка в среднем занимает 2 часа. Однако в данном случае важно учитывать параметры модели. Аккумуляторные батареи на 120 Ач восстанавливаются около 10 часов при среднем напряжении.

Зарядные устройства Pulso BC-15860

Зарядные устройства данной серии хорошо подходят для аккумуляторных батарей емкостью до 20 Ач. Расширитель у модели применяется аналогового типа. Параметр проводимости, как правило, не превышает 3 мк. В среднем рабочая частота составляет 35 Гц. Система защиты от импульсных скачков имеется. Восстановление батарей занимает не более двух часов. Обкладка у данного зарядного устройства отсутствует. Всего в комплекте имеется два зажима. Стабилитрон у зарядного устройства указанной серии отсутствует. Если работать с батареями на 15 Ач, то выходное напряжение следует выбирать 10 В.

Особенности зарядных устройств Pulso BC-15855

Зарядные устройства представленной серии производятся с двумя зажимами. Для аккумуляторных батарей на 50 Ач модель подходит хорошо. Параметр выходного напряжения у модификации регулируется контроллером. Расширитель в устройстве применяется лучевого типа. имеет высокую проводимость, и сбои в системе происходят не часто. Защита от импульсных скачков есть.

Преобразователь в данном случае отсутствует. Для аккумуляторных батарей на100 Ач устройство не подходит однозначно. Демпфер у модификации применяется переменного типа. Параметр чувствительности в среднем составляет 4 мВ. В свою очередь показатель перегрузки не превышает 50 А. С моделями на две клеммы зарядное устройство для кислотных аккумуляторов работать может.

Параметры зарядных моделей Lavita 192204

Зарядное устройство представленной серии состоит и проводного расширителя. Триггер в данном случае используется электродного типа. Также важно отметить, что у модели имеется преобразователь. Зажимы установлены с фиксаторами и соединены в устройстве с выпрямителем.

Параметр проводимости модификации равняется не менее 4 мк. Перегрузка системы в среднем составляет 30 А. Для аккумуляторных батарей на 100 Ач устройство подходит замечательно. Процесс зарядки в среднем времени занимает не более 5 часов. Стабилизатор используется с фильтром. Система защиты от импульсных скачков отсутствует.

Зарядные устройства Lavita 192212

Зарядное устройство указанной серии имеет массу преимуществ. В первую очередь важно отметить, что у модификации используется два фильтра. Расширитель стандартно установлен проводного типа. Преобразователь у зарядного устройства производителем не предусмотрен. Параметр перегрузки системы, как правило, составляет 33 А. Выпрямитель применяется с обкладкой. Для аккумуляторных батарей на 150 Ач устройство подходит хорошо. Импульсные скачки в системе наблюдаются редко. Стабилитрон применяется регулируемого типа.

Особенности зарядных устройств TESLA ЗУ-10642

Зарядные устройства указанной серии производятся с двумя расширителями. Преобразователь у них используется коммутируемого типа. В среднем проводимость модели составляет 3 мк. Для аккумуляторных батарей на 10 Ач устройство подходит замечательно. Параметр пороговой чувствительности в устройстве невысокий. Проблемы с перегрузками наблюдаются очень редко. Система защиты от скачков есть. Фильтр у зарядки используется на 12 В.

Для аккумуляторных батарей на две клеммы устройство подходит. В данном случае выходное напряжение можно регулировать. Держатели в устройствах применяются довольно широкие. Непосредственно ручка в комплекте есть. Регулятор у зарядки применяется поворотного типа. Зажимы используются без фиксаторов. Для аккумуляторов на 100 Ач устройство не подходит. Показатель перегрузки в среднем составляет 33 А. Для моделей на четыре клеммы модификация не подходит.

Параметры зарядных моделей Deltran

Указанное зарядное для кислотных аккумуляторов производится с выпрямителем. Триггер применяется с фильтрами. Для аккумуляторных батарей на 10 Ач устройство подходит хорошо. Проводимость в данном случае составляет не менее 4 мк. Допустимый уровень перегрузки равняется 30 А. Система защиты от импульсов есть. Преобразователь у зарядки отсутствует.

С аккумуляторами на 20 Ач модель используется часто. Всего у модификации есть один держатель. Фиксаторы установлены на выходных контактах. Показатель напряжения максимум равняется 20 В. Компаратор в представленной зарядке отсутствует. Зажимы используются довольно широкие. Регулятор у зарядки установлен с поворотным механиком. По габаритам модель является компактной и весит крайне мало. Селектор в устройстве применяется открытого типа.

Зарядные устройства Tenex

Зарядка данной серии подходит для аккумуляторов на 100 Ач. В данном случае расширитель используется переходного типа. Показатель выходной проводимости у модели невысокий. Проблемы с диодным мостом наблюдаются редко. Зарядка кислотных аккумуляторов на 20 Ач примерно происходит за один час. Система защиты от импульсов имеется.

Динистор у модификации используется с двумя фильтрами. Показатель предельного напряжения находится на отметке 30 В. Регулятор тока у модели есть. При необходимости можно включать циклический режим. Зарядить кислотный аккумулятор на 500 Ач можно в среднем за три часа. Проблемы с кроткими замыканиями наблюдаются не слишком часто.



Принцип работы свинцового аккумулятора

Источником электроэнергии на автомобиле при неработающем или работающем с малой частотой вращения коленчатого вала двигателе является аккумуляторная батарея. В настоящее время на автомобилях наиболее широко применяются свинцовые аккумуляторные батареи, состоящие из нескольких последовательно соединенных аккумуляторов. Применение кислотных аккумуляторов объясняется тем, что они обладают небольшим внутренним сопротивлением и способны в течение короткого промежутка времени (несколько секунд) отдавать ток силой в несколько сотен ампер, что необходимо для питания стартера при пуске двигателя.

Свинцовый аккумулятор электрической энергии был изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте . В последующие годы конструкция аккумулятора, особенно – химический состав его электродов (пластин) постоянно совершенствовалась. В настоящее время свинцовые аккумуляторы и аккумуляторные батареи широко применяются в разных областях техники в качестве накопителей электроэнергии (стартерные батареи, аварийные и резервные источники энергии и т. п.).

Конструктивно аккумулятор представляет собой емкость, наполненную электролитом, в которой размещены свинцовые электроды. В качестве электролита используется раствор серной кислоты и дистиллированной воды. Электроды выполнены в виде пластин, одна из которых изготовлена из губчатого свинца Pb , а вторая – из диоксида свинца PbO 2 . При взаимодействии электродов с электролитом между ними возникает разность потенциалов.

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в водном растворе серной кислоты.

При подключении к электродам аккумулятора внешней нагрузки начинается электрохимическая реакция взаимодействия оксида свинца и серной кислоты, при этом металлический свинец окисляется до сульфата свинца.

Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на положительном электроде (аноде) и окисление свинца на отрицательном электроде (катоде). При пропускании через электроды аккумулятора зарядного тока в нем протекают обратные реакции. При перезаряде аккумулятора, после исчерпания сульфата свинца начинается электролиз воды, при этом на аноде выделяется кислород, а на катоде - водород.

Электрохимические реакции (слева направо - при разряде, справа налево - при заряде):

Реакции на аноде:

PbO 2 + SO 4 2- + 4H + + 2e - ↔ PbSO 4 + 2H 2 O ;

Реакции на катоде:

Pb + SO 4 2- - 2e - ↔ PbSO 4 .

Физические процессы, происходящие в аккумуляторе, объясняются свойством электролитического растворения металлов, которое заключается в переходе положительно заряженных ионов металла в раствор. Легкоокисляющиеся металлы (например, свинец) обладают этим свойством в большей степени, чем инертные металлы.
При погружении свинцового электрода в раствор электролита от него начнут отделяться положительно заряженные ионы свинца и переходить в раствор, при этом сам электрод будет заряжаться отрицательно.

По мере протекания процесса растет разность потенциалов раствора и электрода, и переход положительных ионов в раствор будет замедляться.
При какой-то определенной разности потенциалов электрода и раствора наступит равновесие между силой электролитической упругости растворения свинца, с одной стороны, и силами электростатического поля и осмотического давления - с другой.
В результате переход ионов свинца в электролит прекратится.

При погружении электрода, изготовленного из двуокиси свинца, в раствор серной кислоты наблюдается такой же процесс, но результат получается иной. Двуокись свинца в ограниченном количестве переходит в раствор, где при соединении с водой ионизируется на четырехвалентные ионы свинца Рв4+ и одновалентные ионы гидроксила ОН .
Четырехвалентные ионы свинца, осаждаясь на электроде, создают положительный потенциал относительно раствора. Серная кислота образует в воде практически только на ионы НO + и HSO 4 .
Таким образом, при разряде аккумулятора расходуется серная кислота, образуется вода, а на обоих электродах - сульфат свинца. При заряде процессы протекают в обратном направлении.

При подключении потребителей в аккумуляторе возникает разрядный ток. При этом ионы сернокислотного остатка SO 4 соединяются со свинцом электродов и образуют на них сернокислый свинец PbSO 4 , а ионы водорода соединяются с кислородом, выделяясь на положительной пластине в виде воды.
В результате электроды покрываются сернокислым свинцом, а серная кислота разбавляется водой, т. е. при разряде аккумулятора плотность электролита уменьшается. Поэтому по плотности электролита можно судить о степени заряженности аккумуляторной батареи.

При прохождении электрического (зарядного) тока через аккумуляторную батарею протекают обратные электрохимические процессы. Ионы водорода, образующиеся в результате распада воды, взаимодействуют с сернокислым свинцом электродов.
Водород, соединяясь с сернистым осадком, образует серную кислоту, а на электродах восстанавливается губчатый свинец. Выделяющийся из воды кислород, соединяется со свинцом положительной пластины, образуя перекись свинца.
В результате этих процессов содержание воды в электролите уменьшается, а содержание кислоты увеличивается, что приводит к повышению плотности электролита.



По завершению процессов восстановления свинца на электродах заряд аккумулятора прекращается. При дальнейшем прохождении электрического тока через электролит начинается процесс электролиза (разложения) воды, при этом аккумулятор «закипает», и выделяющиеся пузырьки образуют смесь водорода и кислорода. Смесь этих газов является взрывоопасной, поэтому следует избегать перезаряда до появления электролизных явлений по разложению воды.

Кроме того, длительный перезаряд приводит к потере электролитом воды (испарению), в результате чего его плотность повышается и для корректировки требуется доливка дистиллированной воды.
При доливке воды необходимо помнить, что вода, попадающая в концентрированную серную кислоту, закипает и сильно разбрызгивает кислотные капли, что при попадании на открытое тело или одежду может привести к ожогам кожи, слизистых оболочек, прожигу одежды и другим неприятным последствиям.

При постоянном напряжении источника зарядного тока по мере увеличения степени заряженности аккумулятора повышается его ЭДС и, следовательно, уменьшается сила зарядного тока. Когда напряжение на клеммах источника тока будет равно ЭДС полностью заряженного аккумулятора плюс ЭДС поляризации, зарядный ток прекратится.

Среднее значение напряжения аккумулятора – 2 В . Поскольку электрооборудование современных автомобилей рассчитано для работы при напряжении в бортовой сети 12 или 24 В , аккумуляторы соединяют в батареи (по 6 или 12 шт .).

Важным параметром аккумулятора является его емкость, т. е. количество электрической энергии, которую способен отдать аккумулятор. Емкость – это произведение силы разрядного тока на продолжительность разрядки до предельно допустимого разряженного состояния. Измеряется емкость аккумулятора в ампер-часах (А×ч ). Емкость аккумулятора зависит, в первую очередь, от активной площади его электродов.
Поэтому повышения емкости можно достичь увеличением поверхности электродов, что достигается использованием нескольких параллельно соединенных между собой пластин, а также применением пористого материала для их изготовления, что позволяет использовать в качестве активной массы не только поверхность, но и внутренний объем пластин.

Емкость аккумулятора не постоянна, она зависит от силы разрядного тока, температуры электролита и состояния активной поверхности пластин. При увеличении разрядного тока и понижении температуры электролита емкость аккумулятора уменьшается, что объясняется неполным протеканием электрохимических реакций разрядки в этих условиях, вследствие сокращения времени разрядки и повышения вязкости электролита при низких температурах.



Добавить сайт в закладки

Механизм работы аккумулятора

Аккумуляторы - это химические источники тока с обрати­мым процессом: они могут отдавать энергию, преобразуя хими­ческую энергию в электрическую, или накапливать энергию, преобразуя электрическую энергию в химическую. Та­ким образом, аккумулятор попеременно то разряжается, отдавая электрическую энергию, то заряжается от какого-либо соответствующего источника постоянного тока.

Аккумуляторы, в зависимости от применяемого в них электро­лита, подразделяются на кислотные и щелочные. Кроме того, аккумуляторы различаются, в зависимости от материала электродов. Широкое применение имеют лишь свинцовые, кадмиево-никелевые, железо-никелевые и серебряно-цинковые акку­муляторы.

Емкость аккумулятора определяется количеством электри­чества q p , которое он может отдать при разряде в питаемую цепь.

Это количество электричества измеряется не в кулонах, а в более крупных единицах - ампер-часах (а-ч). 1 а-ч = 3600 кл. Но для заряда аккумулятора требуется большее количество электричества q 3 , чем отдаваемое при разряде. Отношение q p: q 3 =n e называется отдачей аккумулятора по емкости.

Напряжение, необходимое для заряда аккумулятора, значи­тельно выше того напряжения на зажимах аккумулятора, при котором он отдает длительно разрядный ток.

Важной характеристикой аккумулятора являются его средние зарядное и разрядное напряжения.

Ясно, что из-за ряда потерь энергии аккумулятор отдает при разряде значительно меньшее количество энергии W p , чем полу­чает при заряде. Отношение W p: W 3 = n есть коэффициент полезного действия или отдача по энергии аккумулятора.

Наконец, весьма важной для характеристики аккумулятора величиной является его удельная э н е р г и я, т. е. количество энергии, отдаваемой при разряде, приходящееся на 1 кг веса аккумулятора. Особенно существенно, чтобы удельная энергия была возможно больше у нестационарных аккумуляторов, уста­навливаемых, например, на самолетах. В подобных случаях обычно она важнее, чем коэффициент полезного действия и от­дача по емкости.

Следует иметь в виду, что при медленном разряде процесс в аккумуляторе протекает равномерно во всей массе пластин, бла­годаря чему при длительном разряде малым током емкость акку­мулятора больше, чем при кратковременном разряде большим током. При быстром разряде процесс в массе пластин отстает от процесса на их поверхности, что вызывает внутренние токи и уменьшение отдачи.

Напряжение аккумулятора существенно изменяется во время разряда. Желательно, чтобы оно было возможно более постоян­ным. В расчетах обычно указывается среднее разрядное напря­жение U p . Но для заряда аккумулятора нужен источник тока, дающий значительно большее зарядное напряжение U з (на 25- 40%). В противном случае невозможно зарядить аккумулятор полностью.

Если напряжение одного аккумуляторного элемента недоста­точно для данной установки, то необходимое число аккумулятор­ных элементов соединяется последовательно. Конечно, последо­вательно соединять можно только аккумуляторы, рассчитанные на одну и ту же разрядную силу тока.

Если разрядный ток одного элемента недостаточен, то приме­няется параллельное соединение нескольких одинаковых элемен­тов.

Из числа кислотных аккумуляторов практическое значение имеют лишь свинцовые аккумуляторы. В них на положительном электроде активным веществом служит двуокись свинца РЬ0 2 , на отрицательном электроде - губчатый свинец РЬ. Положительные пластины имеют бурый цвет, отрицатель­ные- серый, в качестве электролита применяется раствор сер­ной кислоты H 2 S0 4 с с удельным весом 1,18-1,29.

Химический процесс разряда и заряда свинцового аккумуля­тора относительно сложен. В основном он сводится к восстановлению свинца на положительном электроде и окислению губча­того свинца на отрицательном электроде в закисную соль серной кислоты. При этом образуется вода и, следовательно, плотность электролита уменьшается. При разря­де сначала напряжение аккумулятора быстро падает до 1,95 В, а затем медленно понижается до 1,8 В. После чего необходимо прекратить разряд.

При дальнейшем разряде имеет место необратимый процесс образования кристаллического сернокислого свинца PbS 4 . По­следний покрывает пластины белым налетом. Он обладает боль­шим удельным сопротивлением и почти не растворим в электро­лите. Слой сернокислого свинца увеличивает внутреннее сопро­тивление активной массы пластин. Такой процесс называется сульфатацией пластин.

При заряде аккумулятора процесс идет в обратном направ­лении: на отрицательном электроде восстанавливается металли­ческий свинец, а на положительном электроде свинец окисляется до двуокиси РЬ0 2 . Ион S0 4 переходит в электролит, поэтому плотность серной кислоты при заряде увеличивается, следова­тельно, возрастает и удельный вес электролита. Для измерения удельного веса электролита применяется специальный арео­метр. По его показаниям можно ориентировочно судить, в какой мере аккумулятор заряжен. Среднее разрядное напряжение свинцового аккумулятора 1,98 В, а среднее зарядное напряжение 2,4 В.

Внутреннее сопротивление r B н свинцовых аккумуляторов, бла­годаря малому расстоянию между пластинами и большой пло­щади их соприкосновения с электролитом, весьма мало: порядка тысячных долей ома у стационарных аккумуляторов и сотых до­лей у небольших переносных аккумуляторов.

Вследствие малого внутреннего сопротивления и относительно большого напряжения КПД этих аккумуляторов достигает 70- 80 %, а отдача - 0,85-0,95 %.

Однако из-за малого внутреннего сопротивления в свинцовых аккумуляторах при коротких замыканиях возникают токи очень большой силы, что приводит к короблению и распаду пластин.

Из числа щелочных аккумуляторов широкое при­менение в настоящее время имеют кадмиево-никелевые, железо- никелевые и серебряно-цинковые. Во всех этих аккумуляторах электролитом служит щелочь - примерно двухпроцентный ра­створ едкого калия КОН или едкого натра NaOH. При заряде и разряде этот электролит почти не претерпевает изменений. Сле­довательно, от его количества емкость аккумулятора не зависит. Это дает возможность свести к минимуму количество электроли­та во всех щелочных аккумуляторах и таким путем существенно их облегчить.

Остовы положительной и отрицательной пластин этих акку­муляторов делаются из стальных никелированных рамок с пакетами для активной массы. Благодаря такой конструкции активная масса прочно удерживается в пластинах и не выпадает при толчках.

В кадмиево-никелевом КН аккумуляторе ак­тивным веществом положительного электрода служат окислы никеля, смешанные для увеличения электропроводности с графи­том; активным веществом отрицательного электрода является губчатый металлический кадмий Cd. При разряде на положи­тельном электроде расходуется часть активного кислорода, со­держащегося в окислах никеля, а на отрицательном электроде окисляется металлический кадмий. При заряде обратно обога­щается кислородом положительный электрод: гидрат закиси никеля Ni(OH) 2 переходит в гидрат окиси никеля Ni(OH) 3. На отрицательном электроде гидрат закиси кадмия восстанавли­вается в чистый кадмий. Приближенно процесс в этом аккумуля­торе может быть выражен химической формулой:

2Ni (ОН) 3 + 2КОН + Cd ? ? 2Ni (ОН) 2 + 2КОН + Cd (ОН) 2 .

Как показывает формула, из электролита при разряде выде­ляется частица (ОН) 2 на отрицательной пластине и такая же частица переходит в электролит на положительной пластине. При заряде процесс идет в обратном направлении, но в обоих случаях электролит не изменяется.

Устройство железо-никелевого аккумулятора отличается лишь тем, что в нем в отрицательных пластинах кадмий заменен мелким порошком железа (Fe). Химический процесс этого аккумулятора можно просле­дить по вышеприведенному для кадмиево-никелевого аккумуля­тора уравнению путем замены Cd на Fe.

Применение железа вместо кадмия удешевляет аккумуля­тор, делает его более прочным механически и увеличивает срок его службы. Но с другой сторо­ны, у железо-никелевого акку­мулятора при том же примерно разрядном напряжении зарядное напряжение на 0,2 В выше, вследствие чего КПД этого аккумулятора ни­же, чем кадмиево-никелевого. Затем очень важным недостат­ком железо-никелевого аккуму­лятора является относительно быстрый саморазряд. У кадмиево-никелевого аккумулятора саморазряд мал, и поэтому ему отдается предпочтение в тех случаях, когда аккумулятор должен длительно находиться в заряженном со­стоянии, например для питания радиоустановок. Среднее разрядное напряже­ние обоих этих аккумуляторов равно 1,2 В.

Герметически закрытые сосуды вышеописанных щелочных аккумуляторов выполняются из листовой никелированной стали. Болты, через которые пласти­ны аккумуляторов соединяются с внешней целью, пропускаются через отвер­стия в крышке сосуда, причем болт, с которым соединены отрицательные пла­стины, тщательно изолирован от стального корпуса; но болт, соединенный с положительными пластинами, от корпуса не изолируется.

Внутреннее сопротивление щелочных аккумуляторов значи­тельно больше, чем кислотных, благодаря этому они лучше пере­носят короткие замыкания. Но по той же причине КПД щелоч­ных аккумуляторов (порядка 45%) значительно ниже, чем кис­лотных, также существенно меньше их удельная энергия и отда­ча по емкости (0,65). Так как состояние электролита у щелочных аккумуляторов при работе не изменяется, то определить их степень заряженности по внешним признакам нельзя. Вследствие чего за зарядом приходится следить на основании их емкости и напряжения. При заряде нужно сообщить аккумулятору количество электричества It=q значительно большее, чем его емкость, примерно в 1,5 раза. Например, аккумулятор емкостью 100 а-ч желательно заряжать током силой в 10 а в течение 15 час.

Серебряно-цинковые аккумуляторы являются новей­шими из числа современных аккумуляторов. Электролитом в них служит вод­ный раствор едкого калия КОН с удельным весом 1,4, с активным веществом положительного электрода (окисью серебра Ag 2 0) и отрицательного электро­да (цинком Zn). Электроды изготавливаются в виде пористых пластин и отделяют­ся друг от друга пленочной перегородкой.

При разряде аккумулятора окись серебра восстанавливается до металли­ческого серебра, а металлический цинк окисляется до окиси цинка ZnO. Об­ратный процесс происходит при заряде аккумулятора. Основная химическая реакция выражается формулой

Ag s O + КОН + Zn ? ? 2Ag + КОН + ZnO.

http://сайт/www.youtube.com/watch?v=0jbnDTRtywE
Устойчивое разрядное напряжение составляет около 1,5 В. При небольших токах разряда это напряжение почти не изменяется в течение примерно 75- 80% времени работы аккумулятора. Затем оно довольно быстро падает, и при напряжении 1 в разряд следует прекращать.

Внутреннее сопротивление серебряно-цинковых аккумуляторов сущест­венно меньше, чем остальных щелочных аккумуляторов. При равной емкости первые значительно легче. Они удовлетворительно работают как при пониженной (-50° С), так и при повышенной (+ 75° С) температурах. Наконец, они допускают большие разрядные токи. Например, некоторые типы таких акку­муляторов можно разогреть током короткого замыкания в течение одной минуты.

Выше изложены только основные сведения по аккумуляторам. При практической работе с аккумуляторами, в особенности со свинцовыми, необходимо тщательно выполнять соответствующие заводские инструкции. Нарушение их вызывает быстрое разрушение аккумуляторов.

Аккумулятор после разряда может повторно заряжаться от нескольких десятков до нескольких тысяч раз, в зависимости от конкретного типа. Наиболее распространенным является свинцовый кислотный аккумулятор , принцип устройства которого представлен на рис. 1.

Рис. 1. Принцип устройства свинцового аккумулятора и электрохимическая схема разрядного процесса

В заряженном состоянии анод (отрицательный электрод) такого аккумулятора состоит из свинца, а катод (положительный электрод) – из двуокиси свинца PbO2 . Оба электрода изготовлены пористыми, чтобы площадь их соприкосновения с электролитом была как можно больше. Конструктивное исполнение электродов зависит от назначения и емкости аккумулятора и может быть весьма разнообразным.

Химические реакции при заряде и разряде аккумулятора представляются формулой

Для заряда аккумулятора теоретически требуется удельная энергия 167 Wh/kg. Этим же числом выражается, следовательно, и теоретический его предел удельной аккумулирующей способности. Однако фактическая аккумулирующая способность намного меньше, вследствие чего из аккумулятора при разряде обычно получается электрическая энергия приблизительно 30 Wh/kg. Факторы, обусловливающие снижение аккумулирующей способности, наглядно представлены на рис. 2. Кпд аккумулятора (отношение энергии, получаемой при разряде, к энергии, расходуемой при заряде) обычно находится в пределах от 70 % до 80 %.

Рис. 2. Теоретическая и фактическая удельная аккумулирующая способность свинцового аккумулятора

Различными специальными мерами (повышением концентрации кислоты до 39 %, использованием пластмассовых конструкционных частей и медных соединительных частей и др.) в последнее время удалось повысить удельную аккумулирующую способность до 40 Wh/kg и даже немногим выше.

Следует отметить, что еще в 1980-е годы примененялись открытые стационарные аккумуляторные батареи, удельная аккумулирующая способность которых находилась в пределах от 5 Wh/kg до 10 Wh/kg.

Из вышеприведенных данных вытекает, что удельная аккумулирующая способность свинцового аккумулятора (а также, как будет показано в дальнейшем, и других типов аккумуляторов) существенно ниже, чем первичных гальванических элементов. Однако этот недостаток обычно компенсируется возможностью многократного заряда и, как результат, приблизительно десятикратным снижением стоимости получаемой из аккумулятора электроэнергии, возможностью составлять аккумуляторные батареи с очень большой энергоемкостью (при необходимости, например, до 100 MWh).

Зависит от плотности электролита и может определяться экспериментальной формулой

Согласно этой формуле, начальная ЭДС аккумулятора, в зависимости от конкретного типа, находится в пределах от 2,05 V до 2,10 V. Напряжение на зажимах аккумулятора может в конце разряда снизиться до 1,7 V, а в конце заряда повыситься до 2,6 V (рис. 3).

Рис. 3. Изменение напряжения свинцового аккумулятора в некоторых возможных процессах заряда и разряда

Каждый цикл заряда-разряда сопровождается некоторыми необратимыми процессами на электродах, в том числе медленным накапливанием невосстанавливающегося сернокислого свинца в массе электродов. По этой причине через определенное число (обычно приблизительно 1000) циклов аккумулятор теряет способность нормально заряжаться. Это может случиться и при длительном неиспользовании аккумулятора, так как электрохимический разрядный процесс (медленный саморазряд) протекает в аккумуляторе и тогда, когда он не соединен с внешней электрической цепью. Свинцовый аккумулятор теряет из-за саморазряда обычно от 0,5 % до 1 % своего заряда в сутки. Для компенсации этого процесса в электроустановках используется постоянный подзаряд при достаточно стабильном напряжении (в зависимости от типа аккумулятора, при напряжении от 2,15 V до 2,20 V).

Другим необратимым процессом является электролиз воды («закипание» аккумулятора), возникающий в конце зарядного процесса. Потерю воды легко компенсировать путем доливки, но выделяющийся водород может вместе с воздухом привести к образованию взрывоопасной смеси в аккумуляторном помещении или отсеке. Во избежание опасности врыва должна предусматриваться соответствующая надежная вентиляция.

В последние 20 лет появились герметически закрытые свинцовые аккумуляторы, в которых применяется не жидкий, а желеобразный электролит. Такие аккумуляторы могут устанавливаться в любом положении, а кроме того, учитывая, что во время заряда они не выделяют водорода, могут размещаться в любых помещениях.

Кроме свинцовых выпускается более 50 видов аккумуляторов, основанных на различных электрохимических системах. В энергоустановках довольно часто находят применение щелочные (с электролитом в виде раствора гидроокиси калия KOH) никель-железные и никель-кадмиевые аккумуляторы, ЭДС которых находится в пределах от 1,35 V до 1,45 V, а удельная аккумулирующая способность – в пределах от 15 Wh/kg до 45 Wh/kg. Они менее чувствительны к колебаниям температуры окружающей среды и менее требовательны к условиям эксплуатации. Они обладают также бoльшим сроком службы (обычно от 1000 до 4000 циклов заряда-разряда), но их напряжение изменяется во время разряда в более широких пределах, чем у свинцовых аккумуляторов, и кпд у них несколько ниже (от 50 % до 70 %).

В энергосистемах встречаются весьма мощные свинцовые и никель-кадмиевые аккумуляторные батареи, используемые в качестве резервных источников электропитания или для выравнивания электрических нагрузок. Самая крупная такая батарея была принята в эксплуатацию в 2003 году в Фэрбенксе (Fairbanks, Аляска, США); она состоит из 13 760 никель-кадмиевых элементов и присоединена через инвертор и трансформатор к сети напряжением 138 kV. Номинальное напряжение батареи составляет 5230 V и энергоемкость 9 MWh; срок службы элементов – от 20 до 30 лет. 99 % времени она работает в качестве компенсатора реактивной мощности, но может при необходимости в течение трех минут отдавать в сеть мощность в 46 MW (или в течение 15 min мощность 27 MW). Общая масса батареи составляет 1500 t, а ее изготовление обошлось в 35 млн. долларов. Имеются аккумуляторные батареи даже большей аккумулирующей способности; одна такая батарея (энергоемкостью 60 MWh) установлена в качестве резервного источника питания в Калифорнии (California, США) и может отдавать в сеть в течение 6 часов мощность 6 MW. =Аккумуляторные батареи с самого начала (со второй половины 19-го века) пытались использовать в средствах передвижения, так как питаемый от аккумулятора электропривод обладает, по сравнению с двигателями внутреннего сгорания, многими преимуществами. К ним относятся, например, намного более простая и компактная конструкция тягового двигателя (или двигателей), возможность использовать многодвигательные приводы (снабжая, например, каждое колесо отдельным двигателем), высокий кпд привода (от 80 % до 90 %), плавное регулирование скорости во всем требуемом диапазоне регулирования без применения редуктора (коробки скоростей), отсутствие специальной пусковой системы (аккумулятора и стартера), возможность аккумулировать энергию, освобождающуюся при торможении, более простые возможности использования автоматических систем управления и регулирования (в том числе беспроводных систем), более высокая надежность привода, меньшая потребность в обслуживании и больший срок службы, более безопасная эксплуатация (благодаря отсутствию огне- и взрывоопасного моторного топлива), отсутвие выхлопных газов и других выбросов, вредно действующих на окружающую среду, отсутствие дополнительных источников энергии (например, генераторов), малошумность.

Применение свинцовых аккумуляторов в средствах передвижения (в автомобилях, на лодках, на поездах и др.) затруднено из-за их относительно большой массы, превышаюшей обычно массу двигателей внутреннего сгорания, а в случае приемлемой массы – слишком малым пробегом после заряда (обычно приблизительно 100 km). Поэтому для электромобилей и для других электрических средств передвижения предложены различные аккумуляторы с большей удельной аккумулирующей способностью.