Принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора. Аккумулятор свинцово кислотный

Свинцово-кислотный аккумулятор: принцип работы, виды

Свинцово-кислотный аккумулятор — один из самых распространенных типов батарей, использующийся в качестве источника электроэнергии для автомобиля, мотоцикла, мопеда, или в случае необходимости создания запасных источников питания.

Первая модель свинцово-кислотного аккумулятора была создана в середине XIX века ученым Гастоном Планте. Тогда его конструкция подразумевала две свинцовых пластины, стеклянную колбу с серной кислотой и обычное полотно в роли сепаратора. Это устройство обладало малой емкостью заряда и не получило достаточного распространения. Но идею оценили другие ученые и стали экспериментировать с составом электродов. В итоге самой удачной оказалась решетчатая конструкция из сплава с добавлением сурьмы. Изобретение генераторов постоянного тока решило проблему с подходящим источником энергии, и свинцово-кислотные аккумуляторные батареи наконец-таки получили широкое распространение.

В конце ХХ века их конструкция усложнилась, появились необслуживаемые аккумуляторы, в электроды которых был добавлен кальций. Это нововведение позволило существенно сократить расход воды. В идеале, батареи такого типа способны работать без пополнения количества воды в электролите весь срок службы. Кстати, при необходимости утратившее работоспособность устройство можно попробовать восстановить, используя принцип действия кислотных аккумуляторов.

Кислотные аккумуляторы — вторичные источники тока, который образуется за счет реакций восстановления и окисления, проходящих между материалом электродов и электролитом. В качестве электролита используется водный раствор серной кислоты. Остановимся на подробнее на устройстве аккумуляторов этого типа.

По конструктивным особенностям современные батареи делятся на три типа:

1. С жидким электролитом. Могут быть как обслуживаемыми, так и необслуживаемыми. Электролит — смесь серной кислоты и воды, находящаяся в жидком виде. В версии, требующей обслуживания, пластины изготавливаются из свинца с добавлением сурьмы и мышьяка. В таких батареях высок расход воды, что делает обслуживание аккумулятора не очень простой задачей. После замены сурьмы на кальций в состав сплава отрицательной пластины появились так называемые гибридные аккумуляторы, более удобные в эксплуатации, чем их предшественники. И, наконец, с добавлением кальция в обе пластины началась эра устройств, не требующих восстановления количества воды весь срок службы. Несмотря на совершенство конструкции, у них есть один минус — плохо переносят почти полный разряд, особенно в условиях отрицательной температуры.
2. Гелевые АКБ. В этих конструкциях электролит находится в сгущенном состоянии благодаря добавлению кремния. Плюс такой конструкции в том, что батарея становится абсолютно герметичной. Газ, выделяющийся в процессе химических реакций, находит себе место в порах геля, а при обратных реакциях вновь присоединяется к раствору серной кислоты. Но это очень капризные батареи. Они требуют неукоснительного соблюдения условий эксплуатации, чувствительны к перепадам температур, справляются с высокой нагрузкой хуже, чем их жидкостные собратья. Но они хорошо справляются с сильной разрядкой, действительно не требуют дополнительного обслуживания. Гелевые АКБ чаще используются в качестве стационарно резервного источника питания и редко устанавливаются на транспорт.
3. AGM-аккумуляторы. Это самый современный вид батарей, сочетающий все достоинства предыдущих вариантов. Электролит остается жидким, но циркулирует в пористой конструкции из тончайших стеклянных волокон. Два вида пор — большие и маленькие — обеспечивают свободное перемещение газа до того, как запустится обратная реакция. Конструкция устройства такова, что аккумулятор может работать, даже если его оболочка незначительно повреждена. Не боятся они и холода, глубокой разрядки, вибраций. Единственная уязвимость такого устройства — чувствительность к перепадам напряжения. Эту проблему можно решить, контролируя работу генератора и пользуясь надежным ЗУ.

У любого вида аккумулятора есть два основных параметра: емкость и напряжение. Емкость определяет количество энергии, которое аккумулятор может отдать при рабочем напряжении, измеряется в Ампер-часах. Она зависит от площади свинцовых пластин, участвующих в химических реакциях. При износе аккумулятора его емкость уменьшается из-за естественных потерь в размере пластин.

Напряжение — количество электрического тока, отдаваемое батареей. Измеряется в вольтах, зависит от плотности электролита. Оба параметра необходимо контролировать, так как от них зависит работоспособность устройства.

Для измерения напряжения используется вольтмер, правильные показатели — от  11 до 13 вольт (раньше производились аккумуляторы с напряжением 6 вольт, теперь они считаются устаревшими).

Чтобы измерить емкость, существует несколько методов:

• «Нагрузочная вилка» — измерение напряжения при эталонной нагрузке. Аккумулятор должен быть полностью заряжен.
• Специальный индикатор, способный посылать сигнал, определяющий площадь свинцовых пластин, и преобразовывать его в цифры. Не требует особых условий использования.
• В домашних условиях можно подключить мощную автомобильную галогеновую лампу и замерить в это время напряжение. Ели в течение 2 минут оно держится на уровне ~11 вольт, а свет лампы ровный и сильный — все в порядке.

В зависимости от типа используемого аккумулятора, условия его эксплуатации будут сильно отличаться. Единственная общая черта — всех их необходимо вовремя заряжать. Так, обслуживаемая батарея требует долива воды в аккумулятор, что может представлять собой опасность — кислота нагревает воду, и кипяток может ощутимо обжечь автовладельца.

Конструкция необслуживаемых аккумуляторов не предполагает возможности пополнения запаса воды в них. Но, даже если произвести небольшие изменения в конструкции, обжечься кипятком все равно будет проблематично. Для батарей такого типа важно не допускать больших колебаний напряжения. Это справедливо и для автомобильного, и для мотоциклетного аккумулятора. Но герметичный корпус уменьшает варианты восстановления устройства.

Как восстановить батарею? Часто снижение емкости или напряжения аккумулятора происходит из-за того, что некоторые участки электролита слишком уплотнились. При многоразовой небольшой зарядке эти области разжижаются, и потенциал устройства восстанавливается. Существует несколько рецептов восстанавливающего раствора, который несколько улучшает состояние устройства. К сожалению, его использование несколько затруднено на батареях с герметизированным корпусом, так как слить из него этот раствор будет проблематично.

Какой бы аккумулятор ни был установлен на транспортном средстве, важно соблюдать инструкцию по его использованию, вовремя заряжать и, при необходимости, пополнять запас воды в электролите. Тогда срок службы батареи будет максимально долгим.

batteryk.com

Свинцовый аккумулятор Википедия

Свинцо́во-кисло́тный аккумуля́тор — тип аккумуляторов, изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте. Основные области применения: стартерные аккумуляторные батареи в транспортных средствах, аварийные источники электроэнергии, резервные источники энергии.

История

Свинцовый аккумулятор изобрёл в 1859—1860 годах Гастон Планте, сотрудник лаборатории Александра Беккереля[1]. В 1878 году Камилл Фор усовершенствовал его конструкцию, предложив покрывать пластины аккумулятора свинцовым суриком. Русский изобретатель Бенардос применил покрытие губчатым свинцом для увеличения мощности батарей, которые использовал в своих работах со сваркой.

Принцип действия

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 (в классическом варианте аккумулятора). Проведенные в СССР исследования показали, что при разряде аккумулятора протекает как минимум ~60 различных реакций, порядка 20 из которых протекают без участия кислоты электролита[2].

Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на катоде[2][3] и окисление свинца на аноде. При заряде протекают обратные реакции. При перезаряде аккумулятора, после исчерпания сульфата свинца, начинается электролиз воды, при этом на аноде (положительный электрод) выделяется кислород, а на катоде — водород.

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

PbO2+SO42−+4H++2e−⇆PbSO4+2h3O{\displaystyle PbO_{2}+SO_{4}^{2-}+4H^{+}+2e^{-}\leftrightarrows PbSO_{4}+2H_{2}O}Pb+SO42−−2e−⇆PbSO4{\displaystyle Pb+SO_{4}^{2-}-2e^{-}\leftrightarrows PbSO_{4}}

При разряде аккумулятора из электролита расходуется серная кислота и выделяется относительно более лёгкая вода, плотность электролита падает. При заряде происходит обратный процесс. В конце заряда, когда количество сульфата свинца на электродах снижается ниже некоторого критического значения, начинает преобладать процесс электролиза воды. Газообразные водород и кислород выделяются из электролита в виде пузырьков — так называемое «кипение» при перезаряде. Это нежелательное явление, при заряде его следует по возможности избегать, так как при этом вода необратимо расходуется, нарастает плотность электролита и есть риск взрыва образующихся газов. Потери воды в результате электролиза восполняют доливкой в банки аккумулятора дистиллированной воды.

Устройство

Элемент свинцово-кислотного аккумулятора состоит из электродов и разделительных пористых пластин, изготовленных из материала, не взаимодействующего с кислотой, препятствующих замыканию электродов (сепараторов), которые погружены в электролит. Электроды представляют собой плоские решётки из металлического свинца. В ячейки этих решёток запрессованы порошки диоксида свинца (PbO2) — в анодных пластинах и металлического свинца — в катодных пластинах. Применение порошков увеличивает поверхность раздела электролит — твердое вещество, тем самым увеличивает электрическую ёмкость аккумулятора.

Электроды вместе с сепараторами погружены в электролит, представляющий собой водный раствор серной кислоты. Для приготовления раствора кислоты применяют дистиллированную воду.

Электрическая проводимость электролита зависит от концентрации серной кислоты и при комнатной температуре максимальна при массовой доле кислоты 35%[4], что соответствует плотности электролита 1,26 г/см³[5]. Чем больше проводимость электролита, тем меньше внутреннее сопротивление аккумулятора, и, соответственно, ниже потери энергии на нём. Однако, на практике в районах с холодным климатом применяются и более высокие концентрации серной кислоты, до 1,29−1,31 г/см³, это связано с тем, что при снижении концентрации из-за разряда электролит может замёрзнуть, а при замерзании образуется лёд, который может разорвать банки аккумулятора и повреждает губчатый материал пластин.

Существуют экспериментальные разработки аккумуляторов, где свинцовые решетки заменяют пластинами из переплетённых нитей углеродного волокна, покрытых тонкой свинцовой пленкой. При этом используется меньшее количество свинца, распределённого по большой площади, что позволяет изготовить аккумулятор не только компактным и лёгким, при прочих равных параметрах, но и значительно более эффективным — помимо большего КПД, заряжается значительно быстрее традиционных аккумуляторов[6].

В аккумуляторах, применяемых в бытовых ИБП, систем охранной сигнализации и др. жидкий электролит загущают водным щелочным раствором силикатов натрия (Na2Si2O4) до пастообразного состояния.

Электрические и эксплуатационные параметры

• Удельная предельная теоретическая энергоёмкость (Вт·ч/кг): около 133.
• Удельная энергоёмкость (Вт·ч/кг): 30—40[7].
• Теоретическая удельная энергоплотность (Вт·ч/дм³): 1250[8].
• ЭДС одного элемента заряжённого аккумулятора = 2,11—2,17 В, рабочее напряжение 2 В (3 или 6 секций в итоге дают стандартные 6 В или 12 В соответственно)[2].
• Напряжение полностью разряженного аккумулятора = 1,75—1,8 В (на 1 элемент). Ниже разряжать их нельзя[2].
• Рабочая температура: от −40 °C до +40 °C.
• КПД: порядка 80—90 % (по току). КПД по энергии 70-80%[9].

Эксплуатационные характеристики

• Номинальная ёмкость, показывает количество электричества, которое может отдать данный аккумулятор. Обычно указывается в ампер-часах, и измеряется при разряде малым током (1/20 номинальной ёмкости, выраженной в А·ч)[10].
• Стартерный ток (для автомобильных аккумуляторов). Характеризует способности отдавать сильные токи при низких температурах. В большинстве случаев измеряется при −18 °C (0 °F) в течение 30 секунд. Различные методики замера отличаются (главным образом, допускаемым конечным напряжением) поэтому дают различные результаты[11].
• Резервная ёмкость (для автомобильных аккумуляторов) — характеризует время, в течение которого аккумулятор может отдавать ток 25 А до конечного напряжения 10,5 В согласно ГОСТ Р 53165-2008[12].

Эксплуатация

Ареометр может быть использован для проверки плотности электролита в каждом отдельном элементе

При эксплуатации «обслуживаемых» аккумуляторов (с открываемыми пробками на банках) на автомобиле при движении по неровной дороге неизбежно происходит просачивание электролита из-под пробок на корпус аккумулятора. Через электропроводную не высыхающую, из-за гигроскопичности, пленку электролита происходит постепенный саморазряд аккумулятора. Во избежание глубокого саморазряда необходимо периодически нейтрализовать электролит протиранием корпуса аккумулятора, например, слабым раствором пищевой соды или разведенным в воде до консистенции жидкой сметаны хозяйственным мылом. Кроме того, особенно в жаркую погоду, происходит испарение воды из электролита; также количество воды в электролите уменьшается при перезаряде аккумулятора за счёт её электролиза. Потеря воды увеличивает плотность электролита, увеличивая напряжение на аккумуляторе. При существенной потере воды уровень электролита в банках может упасть ниже верха электродов, что снижает ёмкость. Поэтому необходимо следить за уровнем электролита и при необходимости доливать дистиллированную воду.

Эти меры вместе с проверкой автомобиля на паразитную утечку тока в его электрооборудовании и периодической подзарядкой аккумулятора могут существенно продлить срок эксплуатации аккумуляторной батареи.

Работа свинцово-кислотного аккумулятора при низких температурах

По мере снижения окружающей температуры параметры аккумулятора ухудшаются, однако, в отличие от прочих типов аккумуляторов, у свинцово-кислотных аккумуляторов это снижение относительно мало, что и обуславливает их широкое применение на транспорте. Эмпирически считается, что свинцово-кислотный аккумулятор теряет ~1 % ёмкости при снижении температуры на каждый градус от +20 °C. То есть, при температуре −30 °C свинцово-кислотный аккумулятор будет иметь 50 % ёмкости.

Снижение ёмкости и токоотдачи при низких температурах обусловлено, в первую очередь, ростом вязкости электролита. При этом ухудшается омывание электродов свежими порциями электролита, и концентрация серной кислоты в непосредственной близости от них снижается.

Разряженный аккумулятор в мороз может раздуться из-за замерзания электролита низкой плотности (близкой к 1,10 г/см3) и образования кристаллов льда, что приводит к необратимому повреждению свинцовых пластин внутри аккумулятора.

Низкие температуры электролита негативно влияют на работоспособность и зарядно-разрядные характеристики аккумулятора[13]:

• при температуре от 0 °C до −10 °C снижение зарядных и разрядных характеристик несущественно влияют на работоспособность аккумулятора;
• при температуре от −10 °C до −20 °C происходит снижение тока в стартерном режиме и ухудшение заряда;
• при температуре ниже −20 °C аккумуляторные батареи не обеспечивают надежного пуска двигателя и не способны принимать заряд от генератора.

Из-за большего внутреннего сопротивления, присущего современным аккумуляторам закрытого типа (т. н. «необслуживаемым», герметичным, герметизированным) при низких температурах по сравнению с обычными аккумуляторами (открытого типа), для них эти вопросы ещё более актуальны[14].

Для эксплуатации транспортных средств при очень низких температурах предназначены конструкции аккумулятора с внутренним электроподогревом[15].

Хранение

Свинцово-кислотные аккумуляторы следует хранить только в заряженном состоянии. При температуре ниже −20 °C подзаряд аккумуляторов должен проводиться постоянным напряжением 2,45 В/элемент 1 раз в год в течение 48 часов. При комнатной температуре — 1 раз в 8 месяцев постоянным напряжением 2,35 В/элемент в течение 6—12 часов. Хранение аккумуляторов при температуре выше 30 °C не рекомендуется.

Слой грязи, солей и плёнки электролита на поверхности корпуса аккумулятора создаёт проводник для тока между электродами и приводит к саморазряду аккумулятора, при глубоком разряде начинается преждевременная сульфатация пластин, и поэтому поверхность аккумулятора необходимо поддерживать в чистоте. Хранение свинцово-кислотных аккумуляторов в разряженном состоянии приводит к быстрой потере их работоспособности.

При длительном хранении аккумуляторов и разряде их большими токами (в стартерном режиме), или при уменьшении ёмкости аккумуляторов, нужно проводить контрольно-тренировочные циклы, то есть разряд-заряд токами номинальной величины.

При подготовке аккумуляторной батареи к зимнему хранению, что актуально для автомобилей не эксплуатируемых в холодное время года специалисты старейшей лаборатории НИИАЭ рекомендуют следующие действия:

1. Правильно и до конца зарядите аккумуляторную батарею. 2. Нанесите на положительный вывод АКБ пластичную смазку (литол, солидол и т. п.), так как плёнка электролита способна абсорбировать влагу из атмосферы, что может приводить к повышенному саморазряду. 3. Хранить аккумуляторы на холоде, так как при низких температурах саморазряд намного ниже. Электролит полностью заряженного аккумулятора начинает замерзать при температуре ниже −55 С.

В случае необходимости поездки в морозы следует перенести аккумулятор в отапливаемое помещение и в течение 7—9 часов (например, за ночь) он придёт в пригодное для пуска двигателя состояние.

Износ свинцово-кислотных аккумуляторов

При использовании технической серной кислоты и недистиллированной воды ускоряются саморазряд, сульфатация, разрушение пластин и уменьшение ёмкости аккумуляторной батареи[16].

При химических реакциях в аккумуляторе образуется плохо растворимое вещество — сульфит свинца PbSO3, осаждающийся на пластинах и который образует диэлектрический слой между электролитом и активной массой. Это один из факторов, снижающих срок службы свинцово-кислотной аккумуляторной батареи.

Основными процессами износа свинцово-кислотных аккумуляторов являются:

• сульфатация пластин[2], заключающаяся в образовании крупных кристаллов сульфата свинца, который препятствует протеканию обратимых токообразующих процессов;
• коррозия электродов, то есть электрохимические процессы окисления и растворения материала электродов в электролите, что вызывает осыпание материала электродов;
• слабая механическая прочность или плохое сцепление активной массы с электродными решётками, что приводит к опаданию активной массы[2][17];
• оползание и осыпание активной массы положительных электродов, связанное с разрыхлением, нарушением однородности[2].

Хотя батарею, вышедшую из строя по причине физического разрушения пластин, в домашних условиях восстановить нельзя, в литературе описаны химические растворы и прочие способы, позволяющие «десульфатировать» пластины. Простой, но чреватый полным отказом аккумулятора способ предполагает использование раствора сульфата магния[2]. Раствор сульфата магния заливается в секции, после чего батарею разряжают и заряжают несколько раз. Сульфат свинца и прочие остатки химической реакции осыпаются при этом на дно банок, это может привести к замыканию элемента, поэтому обработанные банки желательно промыть и заполнить новым электролитом номинальной плотности. Это позволяет несколько продлить срок использования устройства.

Вторичная переработка

Кодовый символ, указывающий на то, что свинцовые батареи могут быть вторично переработаны

Вторичная переработка для этого вида аккумуляторов играет важную роль, так как свинец, содержащийся в аккумуляторах, является токсичным тяжёлым металлом и наносит серьёзный вред при попадании в окружающую среду. Свинец и его соли должны быть переработаны для возможности его вторичного использования.

Свинец из изношенных аккумуляторов используется для кустарной переплавки, например, при изготовлении грузил рыболовных снастей, охотничьей дроби или гирь. Для безопасности из аккумулятора следует слить электролит, для нейтрализации его остатков банки заливаются раствором пищевой соды, после чего корпус батареи разрушают и извлекают свинцовые электроды, клеммы и перемычки банок. У электродов в переплавку годится только их каркас в виде решётки, прессованная в них рассыпчатая масса - смесь соединений Pb, а не металл. Перемычки и клеммы аккумулятора могут быть переплавлены целиком.[источник не указан 541 день] Кустарное извлечение свинца из аккумуляторов серьезно вредит как окружающей среде, так и здоровью плавильщиков, поскольку свинец и его соединения с парами и дымом разносятся по всей округе[18][19].

См. также

Примечания

1. ↑ Bertrand Gille Histoire des techniques. — Gallimard, coll. «La Pléiade», 1978, ISBN 978-2070108817.
2. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Свинцовые аккумуляторы. Эксплуатация: Правда и вымыслы.
3. ↑ Н. Ламтев. Самодельные аккумуляторы. Москва: Государственное издательство по вопросам радио, 1936 год.
4. ↑ Удельная электропроводность х водных растворов серной кислоты и температурный коэффициент аt. chemport.ru. Проверено 1 июля 2018.
5. ↑ Концентрация и плотность серной кислоты. Зависимость плотности серной кислоты от концентрации в аккумуляторе автомобиля (рус.), FB.ru. Проверено 1 июля 2018.
6. ↑ http://auto.lenta.ru/news/2006/12/19/battery/ Американцы облегчили и уменьшили аккумуляторы
7. ↑ Свинцовый кислотный аккумулятор. Устройство и принцип действия аккумулятора. (рус.). www.eti.su. Проверено 1 июля 2018.
8. ↑ Расчет идеального свинцового аккумулятора.
9. ↑ Свинцовый кислотный аккумулятор. Устройство и принцип действия аккумулятора. (рус.). www.eti.su. Проверено 1 июля 2018.
10. ↑ ГОСТ 26881-86 Методика проверки свинцовых аккумуляторов
11. ↑ Краткий аналитический обзор существующих способов оценки ёмкости ХИТ и приборов, реализующих эти способы
12. ↑ ГОСТ Р 53165-2008: Батареи аккумуляторные свинцовые стартерные для автотракторной техники. Общие технические условия
13. ↑ Руководство, 1983, с. 70.
14. ↑ Железнодорожный транспорт. — 2011. № 12. — c.35.
15. ↑ Руководство, 1983, с. 21-23.
16. ↑ Вредные добавки к электролиту свинцовых аккумуляторов
17. ↑ О противоречиях в теории работы свинцового кислотного аккумулятора к. т. н., проф. Кочуров А. А. Рязанский военный автомобильный институт Архивировано 20 сентября 2011 года.
18. ↑ Отравление свинцом | ProfMedik Медицинский Портал (рус.). profmedik.ru (22 февраля 2016). Проверено 4 февраля 2017.
19. ↑ Кочуров. http://echemistry.ru/assets/files/books/hit/statya-o-protivorechiyah-v-teorii-raboty-svincovogo-kislotnogo-akkumulyatora.pdf (рус.). Новости. Первоуральск.Ru (17 июля 2014). Проверено 4 февраля 2017.

Ссылки

Литература

• Каштанов В. П., Титов В. В., Усков А. Ф. и др. Свинцовые стартерные аккумуляторные батареи. Руководство.. — М.: Воениздат, 1983. — 148 с.

wikiredia.ru

Свинцово-кислотный аккумулятор - это... Что такое Свинцово-кислотный аккумулятор?

Свинцово-кислотный аккумулятор — наиболее распространенный на сегодняшний день тип аккумуляторов, изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте. Основные области применения: аккумуляторные батареи в автомобильном транспорте, аварийные источники электроэнергии.

История

Свинцовый аккумулятор разработал в 1859—1860 годах Гастон Планте, сотрудник лаборатории Александра Беккереля. В 1878 году Камилл Фор усовершенствовал его конструкцию, покрыв пластины аккумулятора свинцовым суриком.

Принцип действия

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в сернокислотной среде.

Энергия возникает в результате взаимодействия оксида свинца и серной кислоты до сульфата (классическая версия). Проведенные в СССР исследования показали, что внутри свинцового аккумулятора протекает как минимум ~60 реакций, порядка 20 из которых протекают без участия кислоты электролита (нехимические)[1]

Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на катоде[2][1] и окисление свинца на аноде. При заряде протекают обратные реакции, к которым в конце заряда добавляется реакция электролиза воды, сопровождающаяся выделением кислорода на положительном электроде и водорода — на отрицательном.

Химическая реакция (слева направо — разряд, справа налево — заряд):

В итоге получается, что при разряде аккумулятора расходуется серная кислота из электролита (и плотность электролита падает, а при заряде, серная кислота выделяется в раствор электролита из сульфатов, плотность электролита растёт). В конце заряда, при некоторых критических значениях концентрации сульфата свинца у электродов, начинает преобладать процесс электролиза воды. При этом на катоде выделяется водород, на аноде — кислород. При заряде не стоит допускать электролиза воды, в противном случае необходимо её долить для восполнения потерянного в ходе электролиза количества.

Устройство

Элемент свинцово-кислотного аккумулятора состоит из электродов (положительных и отрицательных) и разделительных изоляторов (сепараторов), которые погружены в электролит. Электроды представляют собой свинцовые решётки. У положительных активным веществом является перекись свинца (PbO2), у отрицательных активным веществом является губчатый свинец.

На самом деле электроды выполнены не из чистого свинца, а из сплава с добавлением сурьмы в количестве 1-2 % для повышения прочности и примесей. Иногда в качестве легирующего компонента используются соли кальция, в обеих пластинах, или только в положительных. Применение солей кальция вносит не только положительные но и много отрицательных моментов в эксплуатацию свинцового аккумулятора, например, у такого аккумулятора при глубоких разрядах существенно и необратимо снижается емкость.

Электроды погружены в электролит, состоящий из разбавленной дистиллированной водой серной кислоты (h3SO4). Наибольшая проводимость этого раствора наблюдается при комнатной температуре (что означает наименьшее внутреннее сопротивление и наименьшие внутренние потери) и при его плотности 1,23 г/см³

Однако на практике, часто в районах с холодным климатом применяются и более высокие концентрации серной кислоты, до 1,29 −1,31 г/см³.

Существуют экспериментальные разработки аккумуляторов где свинцовые решетки заменяют вспененным карбоном, покрытым тонкой свинцовой пленкой. Используя меньшее количество свинца и распределив его по большой площади, батарею удалось сделать не только компактной и легкой, но и значительно более эффективной — помимо большего КПД, она заряжается значительно быстрее традиционных аккумуляторов.[3]

В батареях для бытовых ИБП жидкий электролит сгущают водным щелочным раствором силикатов натрия (Na2Si2O4)жидкое стекло до пастообразного состояния.

Физические характеристики

Аккумулятор электромобиля

• Теоретическая энергоёмкость (Вт·ч/кг): около 133.
• Удельная энергоёмкость (Вт·ч/кг): 30-60.
• Теоретическая удельная энергоплотность (Вт·ч/дм³): 1250.[4]
• ЭДС заряжённого аккумулятора = 2,11 — 2,17 В, рабочее напряжение = 2 В (3 или 6 секций в итоге дают стандартные 6 В или 12 В (12 В)).[1]
• Напряжение полностью разряженного аккумулятора = 1,75 — 1,8 В (из расчета на 1 секцию). Ниже разряжать их нельзя.[1]
• Рабочая температура: от −40 °C до +40 °C.
• КПД: порядка 80-90 %

Эксплуатационные характеристики

• Номинальная ёмкость, показывает количество электричества, которое может отдать данный аккумулятор. Обычно указывается в ампер-часах, и измеряется при разряде[5] малым током (1/20 номинальной емкости, выраженной в А*ч).
• Стартерный ток (для автомобильных аккумуляторов). Характеризует способности отдавать сильные токи при низких температурах. В большинстве случаев замеряется при −18 °C (0 °F) в течение 30 секунд. Различные методики[6] замера отличаются, главным образом, допускаемым конечным напряжением.
• Резервная емкость (для автомобильных аккумуляторов). Характеризует время, в течение которого аккумулятор может отдавать ток 25А до конечного напряжения 10,5В согласно ГОСТ Р 53165-2008[7].

Эксплуатация

Ареометр может быть использован для проверки удельного веса электролита каждой секции

При эксплуатации «обслуживаемых» аккумуляторов (с открываемыми крышками над банками) на автомобиле при движении по неровностям неизбежно происходит просачивание проводящего электролита на корпус аккумулятора. Во избежание сильного саморазряда необходимо периодически нейтрализовывать электролит протиранием корпуса, например слабым раствором пищевой соды или разведенным в воде до состояния консистенции жидкой сметаны хозяйственным мылом. Кроме того, особенно в жаркую погоду, происходит испарение воды из электролита, что увеличивает его плотность, увеличивая напряжение на аккумуляторе, и может оголить свинцовые пластины. Поэтому необходимо следить за уровнем электролита и своевременно доливать дистиллированную воду.

Такие нехитрые операции вместе с проверкой автомобиля на утечку тока и периодической подзарядкой аккумулятора могут на несколько лет продлить срок эксплуатации батареи.

Свинцово-кислотный аккумулятор при низких температурах

По мере снижения окружающей температуры, параметры аккумулятора ухудшаются, однако в отличие от прочих типов аккумуляторов, свинцово-кислотные снижают их относительно медленно, что не в последнюю очередь обусловило их широкое применение на транспорте. Считается что свинцово-кислотный аккумулятор теряет ~1% ёмкости на каждый градус от +20°C. Т.е. в -30°C свинцово-кислотный аккумулятор будет иметь 50% ёмкости.

Снижение ёмкости и токоотдачи при низких температурах обусловлено, в первую очередь, ростом вязкости электролита, который уже не может в полном объёме поступать к электродам, и вступает в реакцию лишь в непосредственной близости от них, быстро истощаясь.

Не полностью заряженный аккумулятор в мороз может раздуться из-за замерзания электролита низкой плотности (близкой к 1.10)

Хранение

Свинцово-кислотные аккумуляторы необходимо хранить только в заряжённом состоянии. При температуре ниже −20 °C заряд аккумуляторов должен проводиться постоянным напряжением 2,45 В/секцию 1 раз в год в течение 48 часов. При комнатной температуре — 1 раз в 8 месяцев постоянным напряжением 2,35 В/секцию в течение 6-12 часов. Хранение аккумуляторов при температуре выше 30 °C не рекомендуется.

Слой грязи и накипи на поверхности аккумулятора создаёт проводник для тока от одного контакта к другому и приводит к саморазряду аккумулятора,после чего начинается преждевременная сульфатизация пластин и поэтому поверхность аккумулятора необходимо поддерживать в чистоте. Хранение свинцово-кислотных аккумуляторов в разряженном состоянии приводит к быстрой потере их работоспособности.

При длительном хранении аккумуляторов и разряде их большими токами (в стартерном режиме), или при уменьшении ёмкости аккумуляторов, нужно проводить контрольно-тренировочные циклы, то есть разряд-заряд токами номинальной величины.

Износ свинцово-кислотных аккумуляторов

При использовании технической серной кислоты и не дистиллированной воды, ускоряются саморазряд, сульфатация, разрушение пластин и уменьшение ёмкости аккумуляторной батареи.[8]

В результате каждой реакции образуется нерастворимое вещество — сернокислый свинец PbSO4, осаждающийся на пластинах, который образует диэлектрический слой между токоотводами и активной массой. Это один из факторов, влияющий на срок службы свинцово-кислотной аккумуляторной батареи.

Основными процессами износа свинцово-кислотных аккумуляторов являются:

• сульфатация пластин[1], заключающаяся в образовании крупных кристаллитов сульфата свинца, который препятствует протеканию обратимых токообразующих процессов;
• коррозия электродов, то есть электрохимические процессы окисления и растворения в электролите, что вызывает осыпание материала электродов;
• слабая механическая прочность или плохое сцепление активной массы с токоотводами, что приводит к опаданию активной массы;[9][1]
• оползание и осыпание активной массы положительных электродов, связанное с разрыхлением, нарушением однородности.[1]

Хотя батарею, вышедшую из строя по причине физического разрушения пластин, самому починить нельзя, некоторые источники описывают химические растворы и прочие способы способные «десульфатировать» пластины. Простой но вредный для жизни аккумулятора способ предполагает использование раствора сульфата магния.[1] Раствор заливается в секции после чего батарею разряжают и заряжают несколько раз. Сульфат свинца и прочие остатки химической реакции осыпаются при этом на дно батареи, что может привести к замыканию секции поэтому обработанные секции желательно промыть и заполнить новым электролитом номинальной плотности. Это позволяет несколько продлить срок использования устройства. Если батарея имеет одну или несколько секций которые не работают (то есть не дают 2.17 вольта — например если корпус имеет трещины) возможно соединить две (или больше) батареи последовательно: к плюсовому контакту первой батареи подключаем плюсовой провод потребителя, к минусовому контакту второй батареи — минусовой провод потребителя, а две оставшихся контакта батареи соединяются кабелем. Такая батарея имеет суммарное напряжение работающих секций и поэтому количество работающих секций должно быть не более шести — то есть необходимо слить электролит из излишних секций. Такой вариант подходит для транспортных средств с большим моторным отсеком.

Вторичная переработка

Кодовый символ указывающий, что свинцовые батареи могут быть вторично переработаны

Вторичная переработка для этого вида аккумуляторов играет важную роль, так как свинец, содержащийся в аккумуляторах является тяжелым металлом и наносит серьёзный вред при попадании в окружающую среду. Свинец и его соли должны быть переработаны на специальных предприятиях для возможности его вторичного использования.

Выброшенные аккумуляторы часто используются как источник свинца для кустарной переплавки, например, в рыболовные грузила, дробь или гири. Для этого из аккумулятора сливается электролит, остатки нейтрализуются промыванием каким-либо безвредным основанием (например, гидрокарбонатом натрия), после чего корпус батареи разбивается и извлекается металлический свинец.

См. также

Примечания

Ссылки

dic.academic.ru

Как заряжать герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы

При использовании герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы со временем тратят свой заряд, и его необходимо периодически восстанавливать. Аспекты этого процесса и будут рассмотрены в рамках статьи.

Что называют зарядкой

Так называют процесс, который является обратным разрядке. Во время зарядки свинцово-кислотных герметичных аккумуляторов они запасаются энергией, питаясь при этом от внешнего источника тока. В конечном результате накапливается заряд, что равен емкости. А как выглядят зарядные устройства для герметичных свинцовых кислотных аккумуляторов? Они представляют собой преобразователь энергии и два вывода, каждый из которых подключается к аноду и катоду. Герметичный необслуживаемый свинцово-кислотный аккумулятор при подключении в сеть начнёт процесс восстановления и превращения электрической энергии (подаваемой из сети) в химическую. Чтобы в последующем, как только возникнет необходимость, он мог проводить обратный процесс и обеспечивать энергоснабжение различных устройств и приборов.

Заряжаем просто и безопасно

Для этого необходимо воспользоваться методом «ток-напряжение». В чем он заключается? Первоначально аккумулятор заряжается постоянным током. Когда необходимые показатели достигаются, начинает идти поддержка постоянного напряжения. Чтобы узнать начальный ток зарядки, обычно достаточно внимательно осмотреть корпус – там указывается данный параметр. Обычно эта величина составляет до 0,3 емкости аккумулятора. Чтобы было более понятно, представим, что у нас есть устройство с параметром в 100 А/час. Тогда ток заряда не должен превышать 30А. Но это безопасный максимум, многие производители в своих зарядных устройствах используют правило десяти процентов. Это позволяет заряжать аккумуляторы без наименьшей боязни сделать что-то не так и вывести его из строя. А сколько же нужно заряжать? Если начальный ток равен 20% емкости, то резерв аккумулятора будет восстановлен на 90% примерно за 5-6 часов. На оставшиеся 10% понадобится примерно сутки. Вот такие особенности своего функционирования имеет зарядное для герметичных свинцово-кислотных аккумуляторов. Можно ли как-то ускорить этот процесс? Да, и мы сейчас рассмотрим, как.

Быстрая зарядка свинцово-кислотных герметичных аккумуляторов

Нормой считается зарядка постоянным током при напряжении в 13,8. Больше этого не рекомендуется из-за возможных негативных последствий. Но если они вас не страшат, то можете повысить напряжение к 14,5 В (это для аккумуляторов на 12 В). В результате аккумулятор при 20% показателе зарядится за 6 часов. Применяется такой способ исключительно при работе в циклическом режиме.

Влияние температуры

Всё, что было написано выше, относится только к случаю, когда температура составляет 20 градусов Цельсия. При других показателях необходимо вводить компенсацию зарядного напряжения. Заряжать свинцово-кислотные аккумуляторы можно в диапазоне от -15 до 40 градусов. Чем большая температура, тем меньшим должно быть напряжение для избегания перезарядки. В противоположном случае данный показатель, наоборот, следует увеличить, чтобы избежать недозарядки. Герметичный необслуживаемый свинцово-кислотный аккумулятор из-за этого желательно заряжать именно в условиях 20 градусов Цельсия плюс-минус несколько. Конечно, можно и высчитывать каждый раз, но это не всегда удобно. В качестве идеального места по температурному параметру часто выбирают свои жилища, но тогда необходимо позаботиться о качественном проветривании места зарядки как во время этого процесса, так и через несколько часов после его окончания.

Последствия при несоблюдении техники безопасности

Описанные выше способы нацелены на быструю и безопасную зарядку. При этом ставится задача максимального сохранения ресурса свинцово-кислотного аккумулятора путём минимизации факторов его старения. А теперь давайте осмотрим отклонения. Что будет, если использовать ток больший, чем максимально допустимый? Первоначально следует отметить, что герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы не смогут полностью зарядиться. Также из-за уменьшения эффективности механизма рекомбинации газов электролит будет терять воду. Поэтому даже разовой зарядки хватит, чтобы сократить ресурс работы.

А что будет, если уменьшить ток к 0,5 проценту от емкости? Герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы зарядятся и в таком случае, но продолжаться данный процесс будет несколько недель. К тому же устройство будет находиться в состоянии, что эквивалентно разряженному. А это приводит к сульфатации и ускоренному старению. Конечно, одной зарядки с малым током недостаточно для серьезных повреждений, но ими лучше не пользоваться. Также необходимо следить и за конечным напряжением, чтобы не произошло недозаряда устройства и уменьшения его ресурса.

А почему свинцово-кислотные аккумуляторы имеют такой диапазон температур для зарядки? Дело в том, что при выходе из них прекращается работа механизма рекомбинации газов, и электролит теряет свою воду.

Всё ли хорошо было сделано

Чтобы получить хороший результат, необходимо соблюдать требуемые параметры в необходимых рамках. Главное место в этом вопросе должны занимать ток и напряжение (учитывайте температуру). Тогда герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы будут заряжаться успешно и смогут прослужить длительное время. Если же вокруг предохранительных клапанов есть электролит, белый налёт или пузырьки, то восстановление характеристик устройства было совершено неправильно. Для определения состояния можно использовать тестер. Восстановление герметичных свинцово-кислотных аккумуляторов осуществляется с помощью специальных зарядных устройств (которым может потребоваться несколько суток) или дополнительных механических действий (как-то подлить электролит).

Заключение

Как видите, процесс зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов нельзя назвать сложным. При соблюдении техники безопасности непросто будет получить что-то не то. Но напоследок хочется порекомендовать заряжать их в отдельных помещениях, а если устройства восстанавливают в условиях жилого дома, то необходимо позаботиться о качественном проветривании во время процесса, а также нескольких часов после него. Эти меры безопасности необходимы из-за того, что, пускай и в микроскопических дозах, но свинец может попадать в воздух, а через него и в организм, откуда он очень медленно выводится и постоянно оказывает отравляющее воздействие.

fb.ru

Свинцово-кислотный аккумулятор — WiKi

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 (в классическом варианте аккумулятора). Проведенные в СССР исследования показали, что при разряде аккумулятора протекает как минимум ~60 различных реакций, порядка 20 из которых протекают без участия кислоты электролита[2].

Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на катоде[2][3] и окисление свинца на аноде. При заряде протекают обратные реакции. При перезаряде аккумулятора, после исчерпания сульфата свинца начинается электролиз воды, при этом на аноде (положительный электрод) выделяется кислород, а на катоде — водород.

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

PbO2+SO42−+4H++2e−⇆PbSO4+2h3O{\displaystyle PbO_{2}+SO_{4}^{2-}+4H^{+}+2e^{-}\leftrightarrows PbSO_{4}+2H_{2}O} Pb+SO42−−2e−⇆PbSO4{\displaystyle Pb+SO_{4}^{2-}-2e^{-}\leftrightarrows PbSO_{4}} 

При разряде аккумулятора из электролита расходуется серная кислота и выделяется относительно более лёгкая вода, плотность электролита падает. При заряде происходит обратный процесс. В конце заряда, когда количество сульфата свинца на электродах снижается ниже некоторого критического значения, начинает преобладать процесс электролиза воды. Газообразные водород и кислород выделяются из электролита в виде пузырьков — так называемое «кипение» при перезаряде. Это нежелательное явление, при заряде его следует по возможности избегать, так как при этом вода необратимо расходуется, нарастает плотность электролита и есть риск взрыва образующихся газов. Потери воды в результате электролиза восполняют доливкой в банки аккумулятора дистиллированной воды.

Элемент свинцово-кислотного аккумулятора состоит из электродов и разделительных пористых пластин, изготовленных из материала, не взаимодействующего с кислотой, препятствующих замыканию электродов (сепараторов), которые погружены в электролит. Электроды представляют собой плоские решётки из металлического свинца. В ячейки этих решёток запрессованы порошки диоксида свинца (PbO2) — в анодных пластинах и металлического свинца — в катодных пластинах. Применение порошков увеличивает поверхность раздела электролит — твердое вещество, тем самым увеличивает электрическую ёмкость аккумулятора.

Электроды вместе с сепараторами погружены в электролит, представляющий собой водный раствор серной кислоты. Для приготовления раствора кислоты применяют дистиллированную воду.

Электрическая проводимость электролита зависит от концентрации серной кислоты и при комнатной температуре максимальна при массовой доле кислоты 35%[4], что соответствует плотности электролита 1,26 г/см³[5]. Чем больше проводимость электролита, тем меньше внутреннее сопротивление аккумулятора, и, соответственно, ниже потери энергии на нём. Однако, на практике в районах с холодным климатом применяются и более высокие концентрации серной кислоты, до 1,29−1,31 г/см³, это связано с тем, что при снижении концентрации из-за разряда электролит может замёрзнуть, а при замерзании образуется лёд, который может разорвать банки аккумулятора и повреждает губчатый материал пластин.

Существуют экспериментальные разработки аккумуляторов, где свинцовые решетки заменяют пластинами из переплетённых нитей углеродного волокна, покрытых тонкой свинцовой пленкой. При этом используется меньшее количество свинца, распределённого по большой площади, что позволяет изготовить аккумулятор не только компактным и лёгким, при прочих равных параметрах, но и значительно более эффективным — помимо большего КПД, заряжается значительно быстрее традиционных аккумуляторов[6].

В аккумуляторах, применяемых в бытовых ИБП, систем охранной сигнализации и др. жидкий электролит загущают водным щелочным раствором силикатов натрия (Na2Si2O4) до пастообразного состояния.

  Ареометр может быть использован для проверки плотности электролита в каждом отдельном элементе

При эксплуатации «обслуживаемых» аккумуляторов (с открываемыми пробками на банках) на автомобиле при движении по неровной дороге неизбежно происходит просачивание электролита из-под пробок на корпус аккумулятора. Через электропроводную не высыхающую, из-за гигроскопичности, пленку электролита происходит постепенный саморазряд аккумулятора. Во избежание глубокого саморазряда необходимо периодически нейтрализовать электролит протиранием корпуса аккумулятора, например, слабым раствором пищевой соды или разведенным в воде до консистенции жидкой сметаны хозяйственным мылом. Кроме того, особенно в жаркую погоду, происходит испарение воды из электролита; также количество воды в электролите уменьшается при перезаряде аккумулятора за счёт её электролиза. Потеря воды увеличивает плотность электролита, увеличивая напряжение на аккумуляторе. При существенной потере воды уровень электролита в банках может упасть ниже верха электродов, что снижает ёмкость. Поэтому необходимо следить за уровнем электролита и при необходимости доливать дистиллированную воду.

Эти меры вместе с проверкой автомобиля на паразитную утечку тока в его электрооборудовании и периодической подзарядкой аккумулятора могут существенно продлить срок эксплуатации аккумуляторной батареи.

Работа свинцово-кислотного аккумулятора при низких температурах

По мере снижения окружающей температуры параметры аккумулятора ухудшаются, однако, в отличие от прочих типов аккумуляторов, у свинцово-кислотных аккумуляторов это снижение относительно мало, что и обуславливает их широкое применение на транспорте. Эмпирически считается, что свинцово-кислотный аккумулятор теряет ~1 % ёмкости при снижении температуры на каждый градус от +20 °C. То есть, при температуре −30 °C свинцово-кислотный аккумулятор будет иметь 50 % ёмкости.

Снижение ёмкости и токоотдачи при низких температурах обусловлено, в первую очередь, ростом вязкости электролита. При этом ухудшается омывание электродов свежими порциями электролита, и концентрация серной кислоты в непосредственной близости от них снижается.

Разряженный аккумулятор в мороз может раздуться из-за замерзания электролита низкой плотности (близкой к 1,10 г/см3) и образования кристаллов льда, что приводит к необратимому повреждению свинцовых пластин внутри аккумулятора.

Низкие температуры электролита негативно влияют на работоспособность и зарядно-разрядные характеристики аккумулятора[13]:

• при температуре от 0 °C до −10 °C снижение зарядных и разрядных характеристик несущественно влияют на работоспособность аккумулятора;
• при температуре от −10 °C до −20 °C происходит снижение тока в стартерном режиме и ухудшение заряда;
• при температуре ниже −20 °C аккумуляторные батареи не обеспечивают надежного пуска двигателя и не способны принимать заряд от генератора.

Из-за большего внутреннего сопротивления, присущего современным аккумуляторам закрытого типа (т. н. «необслуживаемым», герметичным, герметизированным) при низких температурах по сравнению с обычными аккумуляторами (открытого типа), для них эти вопросы ещё более актуальны[14].

Для эксплуатации транспортных средств при очень низких температурах предназначены конструкции аккумулятора с внутренним электроподогревом[15].

Хранение

Свинцово-кислотные аккумуляторы следует хранить только в заряженном состоянии. При температуре ниже −20 °C подзаряд аккумуляторов должен проводиться постоянным напряжением 2,45 В/элемент 1 раз в год в течение 48 часов. При комнатной температуре — 1 раз в 8 месяцев постоянным напряжением 2,35 В/элемент в течение 6—12 часов. Хранение аккумуляторов при температуре выше 30 °C не рекомендуется.

Слой грязи, солей и плёнки электролита на поверхности корпуса аккумулятора создаёт проводник для тока между электродами и приводит к саморазряду аккумулятора, при глубоком разряде начинается преждевременная сульфатация пластин, и поэтому поверхность аккумулятора необходимо поддерживать в чистоте. Хранение свинцово-кислотных аккумуляторов в разряженном состоянии приводит к быстрой потере их работоспособности.

При длительном хранении аккумуляторов и разряде их большими токами (в стартерном режиме), или при уменьшении ёмкости аккумуляторов, нужно проводить контрольно-тренировочные циклы, то есть разряд-заряд токами номинальной величины.

При подготовке аккумуляторной батареи к зимнему хранению, что актуально для автомобилей не эксплуатируемых в холодное время года специалисты старейшей лаборатории НИИАЭ рекомендуют следующие действия:

1. Правильно и до конца зарядите аккумуляторную батарею. 2. Нанесите на положительный вывод АКБ пластичную смазку (литол, солидол и т. п.), так как плёнка электролита способна абсорбировать влагу из атмосферы, что может приводить к повышенному саморазряду. 3. Хранить аккумуляторы на холоде, так как при низких температурах саморазряд намного ниже. Электролит полностью заряженного аккумулятора начинает замерзать при температуре ниже −55 С.

В случае необходимости поездки в морозы следует перенести аккумулятор в отапливаемое помещение и в течение 7—9 часов (например, за ночь) он придёт в пригодное для пуска двигателя состояние.

Износ свинцово-кислотных аккумуляторов

При использовании технической серной кислоты и недистиллированной воды ускоряются саморазряд, сульфатация, разрушение пластин и уменьшение ёмкости аккумуляторной батареи[16].

При химических реакциях в аккумуляторе образуется плохо растворимое вещество — сульфит свинца PbSO3, осаждающийся на пластинах и который образует диэлектрический слой между электролитом и активной массой. Это один из факторов, снижающих срок службы свинцово-кислотной аккумуляторной батареи.

Основными процессами износа свинцово-кислотных аккумуляторов являются:

• сульфатация пластин[2], заключающаяся в образовании крупных кристаллов сульфата свинца, который препятствует протеканию обратимых токообразующих процессов;
• коррозия электродов, то есть электрохимические процессы окисления и растворения материала электродов в электролите, что вызывает осыпание материала электродов;
• слабая механическая прочность или плохое сцепление активной массы с электродными решётками, что приводит к опаданию активной массы[2][17];
• оползание и осыпание активной массы положительных электродов, связанное с разрыхлением, нарушением однородности[2].

Хотя батарею, вышедшую из строя по причине физического разрушения пластин, в домашних условиях восстановить нельзя, в литературе описаны химические растворы и прочие способы, позволяющие «десульфатировать» пластины. Простой, но чреватый полным отказом аккумулятора способ предполагает использование раствора сульфата магния[2]. Раствор сульфата магния заливается в секции, после чего батарею разряжают и заряжают несколько раз. Сульфат свинца и прочие остатки химической реакции осыпаются при этом на дно банок, это может привести к замыканию элемента, поэтому обработанные банки желательно промыть и заполнить новым электролитом номинальной плотности. Это позволяет несколько продлить срок использования устройства.

ru-wiki.org

Cвинцово-кислотные аккумуляторные батареи

Строительные машины и оборудование, справочник

Категория:

   Электрооборудование автомобилей

Cвинцово-кислотные аккумуляторные батареи

Принцип действия свинцово-кислотного аккумулятора

Аккумулятором называется электрический прибор, который при зарядке от источников постоянного тока накапливает электрическую энергию, а при разрядке отдает ее потребителям, являясь в этом случае источником тока.

На автомобилях основное применение имеют свинцово-кислотные аккумуляторы. Кроме них, могут иметь применение также щелочные железо-никелевые аккумуляторы.

Свинцово-кислотный простейший аккумулятор (элемент) представляет собой стеклянную или пластмассовую банку с опущенными в нее двумя свинцовыми пластинками и залитую электролитом— раствором из химически чистой крепкой серной кислоты и дистиллированной воды. Серная кислота, действуя на свинцовые пластины, окисляет их, и поверхность пластин покрывается налетом сернокислого свинца. Плотность раствора при этом уменьшается, и в электролите остается почти чистая вода.

Для того чтобы аккумулятор мог давать ток, его необходимо предварительно зарядить, т. е. пропустить через него постоянный электрический ток. Вследствие прохождения электрического тока через электролит от положительной пластины к отрицательной в аккумуляторе происходит химическая реакция. При этом сернокислый свинец на положительной пластине преобразовывается в перекись свинца, а на отрицательной — в чистый губчатый свинец, в электролите снова появляется серная кислота, и плотность раствора возрастает.

Когда химическое преобразование состава пластин полностью закончится, аккумулятор будет заряжен. Если продолжать пропускать через аккумулятор электрический ток, вода электролита начнет разлагаться на составные части — водород и кислород, которые в виде пузырьков будут выделяться из электролита. Бурное выделение пузырьков (кипение электролита) указывает на конец зарядки аккумулятора.

При замыкании полюсов заряженного аккумулятора внешней цепью в нем будет происходить обратная химическая реакция, при которой пластины по своему составу будут возвращаться в первоначальное состояние. Вследствие этого аккумулятор будет разряжаться и отдавать запасенную электрическую энергию для питания включенных потребителей. При разрядке электрический ток во внешней цепи потечет от положительной пластины к отрицательной, т. е. в направлении, обратном направлению при зарядке. При этом положительная и отрицательная пластины аккумулятора опять будут покрываться налетом сернокислого свинца, а плотность электролита понизится, и он превратится в почти чистую воду. Когда химическая реакция полностью закончится, аккумулятор разрядится и больше электрического тока давать не сможет. Для дальнейшей работы аккумулятор необходимо вновь зарядить.

Устройство аккумуляторной батареи

Аккумуляторная батарея собирается из отдельных элементов — аккумуляторов в общем баке-моноблоке.

Моноблок автомобильной аккумуляторной батареи разделен перегородками на отдельные камеры аккумуляторов. Каждая камера закрыта сверху эбонитовой крышкой с заливочным отверстием, завернутым пробкой. В камере установлен набор пластин (положительных и отрицательных), разделенных сепараторами.

Моноблок изготовлен из асфальто-пековой массы или эбонита. В камеры асфальто-пекового моноблока обычно запрессовывают тонкостенные кислотостойкие вставки из пластмассы (полихлорвинил или винипласт), которые хорошо предохраняют стенки моноблока от разъедания кислотой, что значительно увеличивает сроки его службы.

Для увеличения емкости аккумуляторной батареи, т. е. способности ее поглощать при зарядке большее количество электрической энергии, в каждую камеру устанавливают по нескольку положительных и отрицательных пластин специальной конструкции, в результате чего увеличивается общая рабочая поверхность пластин.

Рис. 1. Схема действия свинцово-кислотного аккумулятора

Основой каждой пластины является решетка, отлитая из чистого свинца с небольшой примесью (6—8%) сурьмы для увеличения механической прочности. В решетку впрессовывают активную массу, затем ее сушат. Эту массу приготовляют из порошкообразных окислов свинца — свинцового сурика и свинцового глета, размешанных на крепкой химически чистой серной кислоте. В активную массу положительных пластин обычно входит до 75% свинцового сурика, и пластины имеют поэтому красноватый оттенок. Активная масса отрицательных пластин содержит больше свинцового глета, пластины имеют серый или синеватый цвет.

Рис. 2. Свинцово-кпслотная аккумуляторная батарея: а — трехэлементная; б — шестиэлементная

Кроме указанных окислов свинца, в качестве набивки для пластин применяют также порошкообразный свинец, окисляющийся при размоле, размешиваемый на серной кислоте.

После изготовления и сборки пластины подвергают формовке, т. е. многократным процессам зарядки электрическим током и разрядки.

Все одноименные пластины соединяют путем сварки в блок общей перемычкой — бареткой с выводным штырем. В каждой камере положительные пластины расположены меяеду отрицательными. Блоки пластин имеют два выводных штыря (борна) — положительный (плюсовой) и отрицательный (минусовый). Отрицательных пластин в каждом блоке установлено на одну больше, чем положительных. Поэтому каждая положительная пластина закрыта с обеих сторон отрицательными пластинами, вследствие чего используется вся ее поверхность и устраняется возможность ее коробления при большом разрядном токе.

Для устранения непосредственного соприкосновения одной пластины с другой или замыкания их выпадающей активной массой между ними установлены кислотоупорные прокладки — сепараторы. Сепараторы изготовляют двух типов: 1) из древесины или комбинированные составные — из древесины и хлорвинила, или из древесины и стекловойлока; 2) из микропористого эбонита (мипора) и микропористой пластмассы (мипласта) или комбинированные из мипласта и хлорвинила, или мипласта и стекло-войлока.

Пластины с сепараторами установлены в отдельных камерах моноблока и опираются внизу на ребра днища, что предохраняет от замыкания нижние части пластины выпадающей с течением времени активной массой и накапливающейся между ребрами в шламовой камере. Сверху каждая камера плотно закрыта пластмассовой крышкой. Края камер моноблока в местах соединения с крышкой залиты кислотоупорной мастикой. На поверхность крышки каждой камеры выходят отрицательный и положительный штыри блоков (борны) пластин. Штыри уплотнены ребристыми свинцовыми втулками, заделанными в крышках. Бтулки припаяны к штырям вместе с междуэлементными перемычками. В некоторых типах батарей штыри с крышками уплотнены кислотостойкой массой. Крайние два штыря в батарее — плюсовый и минусовый — снабжены полюсными наконечниками, к которым с помощью зажимов и стяжных болтов присоединяются кабели внешней сети. В каждой камере над пластинами установлены предохранительные щитки из хлорвинила или другого кислотоупорного материала, служащие для защиты кромок сепараторов и пластин от механических повреждений. В крышке каждой камеры имеется наливное отверстие, закрываемое на уплотняющей прокладке пробкой 9 с вентиляционным отверстием, служащим для выхода газов. В пробке под отверстием установлена пластинка-отражатель, устраняющая выбрызгивание электролита. В новых аккумуляторах под пробкой ставится герметизирующий диск, который при эксплуатации батареи удаляется. В аккумуляторах некоторых типов отверстие в крышке для заливки электролита закрывают на прокладке глухой пробкой с уплотнительной резиновой втулкой внутри, а для выхода газов имеется специальный вентиляционный штуцер с отражателем внутри. Такое устройство заливного отверстия позволяет более удобно доливать электролит до необходимого уровня.

Аккумуляторные батареи выпускаются с отформованными пластинами, но обычно в сухом виде без электролита. Поэтому новые батареи нужно заполнить электролитом и зарядить.

Аккумуляторные батареи выпускаются с тремя или шестью элементами в одном блоке; в последнем случае выпускаются с поперечным или продольным расположением элементов. Батареи, предназначенные для грузовых автомобилей, обычно устанавливают в деревянном корпусе с крышкой. Батареи, используемые на автомобилях высокой проходимости, снабжаются герметизированными (гидростатическими) пробками, которые устраняют возможность проникновения воды в аккумулятор при преодолении автомобилем бродов.

Основные показатели аккумуляторной батареи

Основными показателями, определяющими работу аккумулятора и аккумуляторной батареи, являются ее напряжение и емкость.

Один аккумулятор (элемент) аккумуляторной батареи, независимо от количества пластин в нем и их размера, в исправном и заряженном состоянии дает напряжение, равное в среднем 2 в. При полной разрядке напряжение в нем уменьшается до 1,7 в.

Емкостью аккумулятора называется способность его при зарядке поглощать, а затем отдавать то или иное количество электрической энергии при разрядке током постоянной величины до предельно допустимого падения напряжения.

Емкость зависит от числа пластин в банке (камере) и их размера и измеряется в ампер-часах (а •ч). Емкость определяется умножением разрядного тока в амперах на время в часах, в течение которого аккумулятор может разряжаться при данном токе. Например, если аккумулятор в определенных условиях может отдавать при разрядке ток 4 а в течение 5 ч, то его емкость равна 20 а •ч.

Напряжения одного аккумулятора недостаточно для питания приборов электрооборудования автомобиля. Для получения большего напряжения несколько аккумуляторов объединяют в одном моноблоке в батарею и соединяют один с другим последовательно при помощи свинцовых перемычек. При этом положительный вывод одного элемента соединяют с отрицательным выводом другого элемента и т. д.

При последовательном соединении аккумуляторов напряжение на крайних выводных клеммах батареи увеличивается пропорционально числу аккумуляторов, а емкость всей батареи остается равной емкости одного аккумулятора.

Емкость, указываемая в марке батареи, называется номинальной емкостью и обеспечивается при вполне определенных условиях разрядки: при 10-часовом режиме и средней температуре электролита 30° (ГОСТ 959—51).

Емкость батареи не является постоянной величиной. При увеличении разрядного тока и понижении температуры электролита емкость батареи значительно уменьшается. Это необходимо учитывать при эксплуатации батареи.

На автомобилях с напряжением в сети электрооборудования 12 в ставят батареи того же напряжения, состоящие из шести аккумуляторов или двух батарей с напряжением 6 в, соединенных последовательно. На автомобилях, имеющих напряжение в сети, равное 24 в, ставят две батареи с напряжением 12 в, соединенные последовательно (МАЗ-500, КрАЗ-257). В том случае, когда напряжение 24 в используется только в момент включения стартера, применяют две батареи с напряжением 12 в, включенные параллельно, с автоматическим переключением их на последовательное соединение в момент пуска двигателя (МАЗ-200, КрАЗ-214). На легковых автомобилях батарея обычно расположена под капотом двигателя. У грузовых автомобилей батарея часто устанавливается или под сиденьем водителя, или на подножке кузова.

В электрооборудовании автомобилей применяют однопроводную систему проводки, при которой одним из проводов служат металлические части автомобиля, его масса, поэтому одну клемму батареи (обычно минусовую) замыкают на массу, а другую (плюсовую) соединяют с сетью,

У некоторых моделей автомобилей соединение минусовой клеммы батареи на массу осуществлено через специальный выключатель. Это позволяет отключать батарею от сети в нерабочем состоянии, что предохраняет батарею от возможной утечки тока.

В корпусе (рис. 3) выключателя типа ВБ-318 установлен шток с кнопкой. На нижнем конце штока установлены основные подвижные контакты с пружинами и вспомогательный контакт. Подвижные контакты расположены над неподвижными контактами, закрепленными в корпусе. Контакт соединен с массой, а изолированный контакт соединен с клеммой, к которой крепится провод от минусовой клеммы батареи. Шток с контактами отжимается кверху пружинами. Вверху на корпусе установлена стопорная пластина с пружиной и малой кнопкой.

Рис. 3. Выключатель батареи

Включение батареи в сеть производится нажатием на основную кнопку. При этом неподвижные контакты замыкаются сначала вспомогательным подвижным контактом, а затем основными контактами, и батарея соединяется на массу. При этом шток 6 во включенном положении фиксируется стопорной пластиной 8, заходящей под действием пружины в выточку на штоке.

Выключение батареи производится нажатием на боковую кнопку, которая сдвигает стопорную пластину и освобождает основной шток 6. Шток, поднимаясь вместе с контактами, размыкает цепь батареи. Некоторая неодновременность последовательного замыкания и размыкания вспомогательного и основных контактов снижает подгорание контактов.

Аккумуляторные батареи имеют определенную маркировку (в соответствии с ГОСТом 959—51). Например, на автомобиле ГАЗ-51А установлена батарея марки 3-СТ-70-ВД. Первое число обозначает количество аккумуляторов (элементов) в батарее, а следовательно, и общее напряжение, считая, что каждый элемент имеет напряжение 2 в. Второе число обозначает номинальную емкость батареи в а •ч. Буквы СТ означают, что батарея — чартерного типа. Материал бака обозначают буквами: Э — эбонит, П — асфаль-то-пековая масса с кислотоупорными вставками, В — асфальто-пековая масса без кислотоупорных вставок. Материал сепараторов обозначают буквами: Д — дерево, ДС — дерево и стекловойлок, М — мипласт, МС — мипласт и стекловойлок, Р — мипор. Буква 3 означает, что батарея сухо-заряженная.

Подготовка батареи к эксплуатации

Новые сухие батареи нужно заполнить электролитом и зарядить.

Электролит готовится из аккумуляторной кислоты и дистиллированной воды. Для приготовления электролита применяется стойкая против действия серной кислоты посуда — керамическая, эбонитовая, стеклянная. В посуду сначала заливают дистиллированную воду, а затем осторожно и постепенно — кислоту.

Электролит для заливки батареи применяют определенной плотности (1,27—1,34), зависящей от типа батареи, климатических условий и времени года.

Необходимая плотность электролита устанавливается в соответствии с заводской инструкцией.

Плотность электролита измеряют специальным ареометром с пипеткой.

Электролит в элементы батареи ^необходимо заливать до уровня на 10—15 мм выше предохранительного щитка, установленного над сепараторами. Уровень проверяют стеклянной трубкой, которую опускают до упора в щиток, и, закрыв верхнее отверстие, вынимают. По высоте столбика электролита, находящегося в трубке, определяют его уровень.

В батареях с автоматической регулировкой уровня нужно вывернуть пробки и надеть их плотно резиновыми втулками на предварительно вытертые вентиляционные штуцеры, после чего залить электролит в элементы до уровня на 15—20 мм ниже верхнего края горловины заливного отверстия. При снятии пробок со штуцеров электролит в элементах установится на нормальном уровне.

Через 3—6 ч (в зависимости от типа батареи) после заливки электролита батарею ставят на зарядку, соединяя положительную клемму батареи с положительным полюсом источника тока, а отрицательную — с отрицательным.

Зарядку ведут при нормальном для каждого типа батареи токе, указанном в заводской инструкции. Зарядку продолжают до тех пор, пока во всех аккумуляторах (элементах) батареи не наступит обильное газовыделение (кипение), а напряжение и плотность электролита не останутся постоянными в течение 3 ч.

При зарядке следует следить, чтобы температура электролита не повышалась выше 45 °С.

К концу первой зарядки проверяют плотность электролита, и в случае необходимости доводят ее во всех элементах до нормальной, для чего отсасывают часть электролита из элемента резиновой грушей и доливают дистиллированную воду или электролит повышенной плотности.

После первой зарядки новые батареи могут быть пущены в эксплуатацию. В целях удлинения срока службы батареи при эксплуатации полезно провести несколько зарядных циклов, разряжая после зарядки батарею номинальным разрядным током до падения напряжения одного элемента до 1,7 в.

Уход за батареей и ее неисправности

К основным элементам ухода относятся:1) проверка креплений и очистка батареи;2) очистка и затяжка клемм;3) проверка уровня электролита и доливка его;4) проверка степени заряженности батареи;5) проверка зарядного тока;6) предохранение батареи от быстрой разрядки и коротких замыканий.

Проверка креплений батареи необходима для избежания поломок батареи

от тряски при ослабевших креплениях. Крепление батареи в гнезде должно быть плотным. На грузовых автомобилях под батарею следует установить резиновые прокладки. Периодически необходимо проверять, нет ли трещин в моноблоке и утечки из него электролита. Также следует проверять целость заливочной мастики на крышке.

Очистка батареи нужна для устранения замыкания аккумуляторов (элементов) по загрязненной поверхности батареи, обычно смачиваемой расплескивающимся электролитом. Поверхность батареи следует очищать чистой тряпкой. Электролит, пролитый на поверхность батареи, надо вытереть чистой ветошью, смоченной в растворе нашатырного спирта или кальцинированной соды (10%-ный раствор). Следует также прочищать вентиляционные отверстия во избежание повреждения банок от скапливающихся в них газов.

Очистка и затяжка клемм необходимы для обеспечения надеяшого контакта в клеммах. Клеммы надо хорошо зачищать, плотно затягивать и снаружи смазывать тонким слоем технического вазелина или солидола для предотвращения их окисления. Также необходимо подтягивать крепление провода к массе. Нельзя допускать сильного натяжения проводов, так как это может привести к повреждению выводных клемм и образованию трещин в мастике.

Проверка уровня электролита необходима вследствие того, что уровень электролита может понижаться в результате испарения и выкипания электролита. При уменьшении уровня электролита в банки батареи доливают дистиллированную воду, так как выкипает только вода.

Периодически следует проверять плотность электролита при полностью заряженной батарее и следить за тем, чтобы она была одинакова во всех банках, доводя плотность электролита в случае необходимости до нормы.

Степень разряженности батареи можно проверять по плотности электролита или с помощью вольтметра с нагрузочной вилкой.

Батарея всегда должна быть в заряженном состоянии. Если при проверке батарея окажется неполностью заряженной, необходимо принять меры к ее зарядке, установив причины, нарушающие нормальную работу батареи.

Батарею, разряженную более чем на 25% зимой и более чем на 50% летом, необходимо снять и подзарядить.

Если батарея находится длительное время в неполностью заряженном состоянии, то это приводит к порче ее пластин. В зимнее время электролит в разряженной батарее может замерзнуть и разрушить батарею.

Контроль величины зарядного тока и режима зарядки батареи можно ориентировочно проводить по показаниям амперметра, имеющегося в системе электрооборудования автомобиля.

Если батарея заряжена, стрелка амперметра почти не отклоняется от среднего положения даже при повышенном числе оборотов коленчатого вала двигателя. При разряженном состоянии батареи, в случае повышения числа оборотов вала двигателя, стрелка амперметра значительно отклоняется в сторону зарядного тока вследствие возрастания тока, идущего на зарядку батареи. Отклонение стрелки амперметра при работе автомобиля в обратную сторону или включение сигнальной лампы указывает на разряд батареи.

Предохранение батареи от быстрой разрядки и коротких замыканий необходимо для избежания коробления пластин и выкрашивания активной массы. Поэтому нельзя на продолжительное время и несколько раз подряд включать стартер, который потребляет очень сильный ток. Не рекомендуется пускать стартером сильно охлажденный двигатель в зимнее время при низкой температуре. Необходимо двигатель предварительно прогреть и вручную несколько раз провернуть коленчатый вал.

При осмотре батареи нельзя подносить к ней открытый огонь, так как может произойти вспышка газов над электролитом.

При переходе с летней эксплуатации на зимнюю или обратно необходимо доводить плотность электролита до рекомендуемого значения.

В зимнее время открытые батареи следут утеплять.

Для увеличения срока службы батареи рекомендуется периодически ставить ее на контрольно-тренировочный зарядный цикл на зарядной станции, заключающийся в неоднократной разрядке и зарядке батареи.

При установке батареи на автомобиль надо правильно соединить ее клеммы с массой и цепью. Правильность соединения можно проверить по амперметру. При разрядке батареи стрелка должна отклоняться в соответствующую сторону (к знаку плюс). Полярность клемм батареи можно определить по знакам плюс и минус на клеммах, а при их отсутствии — путем опускания проводов от клемм в подкисленную воду или с помощью сырой картофелины. В подкисленной воде на отрицательном (минусовом) проводе происходит бурное выделение пузырьков газа, а вокруг положительного (плюсового) провода, воткнутого в картофель, появится зеленое пятно.

Хранение аккумуляторной батареи. Если батарея снята с автомобиля и поставлена на сравнительно непродолжительное хранение, ее необходимо предварительно полностью зарядить, проверить уровень электролита,, довести плотность электролита до нормального значения (не выше 1,280 при 15 °С), тщательно очистить, протерев снаружи моноблок и крышки, зачистить клеммы и поставить в чистое вентилируемое помещение с постоянной температурой.

В целях избежания внутреннего саморазряда и устранения усиленной коррозии положительных пластин хранение батарей с электролитом предпочтительнее производить в холодном помещении при постоянной температуре не ниже —25 °С и не выше 0 °С. При хранении батарей в таких условиях необходимо ежемесячно проверять плотность электролита, подзаряжая батареи только в случае падения плотности ниже допустимого значения (ниже 1,230 при 15 °С). При нормальном состоянии батарей при этом способе хранения заряжать их необходимо только перед пуском в эксплуатацию.

При хранении батарей при температуре выше 0 °С их необходимо ежемесячно заряжать для восстановления емкости, теряемой в результате саморазряда.

При указанных способах хранения батареи всегда подготовлены к работе.

При длительном хранении, например более полугода, а также при невозможности производить частую подзарядку батареи, необходимую при первом способе хранения, практикуют способ хранения батарей без электролита. В этом случае батарею следует полностью разрядить током, соответствующим 1/20 емкости, до падения напряжения на один аккумулятор до 1,7 в, затем, сняв батарею, вылить из нее электролит и тщательно промыть банки дистиллированной водой. Промывку надо производить до тех пор, пока вода не перестанет окисляться. После промывки и тщательной просушки батареи надо закупорить плотно отверстия ее банок и очистить снаружи и в таком виде ставить батарею на длительное хранение.

Неисправности аккумуляторной батареи. Основными неисправностями аккумуляторной батареи являются: недостаточная заряженность, перезарядка, сульфатация пластин, уменьшение емкости, внутренний саморазряд, коробление пластин, подтекание батареи.

Недостаточная заряженность батареи получается вследствие малого зарядного тока, плохого крепления проводов и окисления клемм, утечки или большого расхода тока при неработающем двигателе, неумелого пользования стартером. Недостаточный зарядный ток может иметь место при неправильной регулировке реле-регулятора или плохой работе генератора. Признаками недостаточной заряженности батареи являются малая плотность электролита в ней и недостаточное напряжение батареи.

Перезарядка батареи происходит при чрезмерно сильном зарядном токе вследствие неправильной регулировки реле-регулятора. Признаком перезарядки являются частое кипение электролита и быстрое понижение его уровня.

Сульфатация пластин заключается в том, что пластины покрываются белым кристаллическим налетом, который затрудняет прохождение электрического тока и проникновение электролита к активной массе пластин. Вследствие этого замедляются химические процессы и уменьшается емкость батареи.

Внешним признаком сульфатации является сильное падение напряжения батареи при увеличении нагрузки. Например, при включении стартера или даже сигнала электрические лампочки, горевшие достаточно ярко, почти гаснут. При проверке нагрузочной вилкой элементов батареи, подвергшихся сульфатации, напряжение на полюсах элементов быстро снижается.

Сульфатация происходит в результате сильной разрядки батареи или длительной ее работы в неполностью заряженном состоянии. Чтобы предохранить батареи от сульфатации, необходимо систематически контролировать и поддерживать их в заряженном состоянии, а также периодически проводить контрольно-тренировочные циклы на зарядной станции. Вследствие сильной сульфатации пластины батареи выходят из строя и не поддаются ремонту и восстановлению.

Уменьшение емкости происходит из-за уменьшения рабочей поверхности пластин, вызванного выкрашиванием активной массы пластин или понижением уровня электролита. Признаком уменьшения емкости является быстрое закипание электролита во время зарядки при незначительном повышении его плотности, а также быстрая разрядка батареи при ее работе. Выкрашивание активной массы получается в результате сильной перезарядки батареи или при разрядке батареи большим током, например при длительном пользовании стартером.

Внутренний саморазряд батареи происходит в случае применения для электролита недистиллированной воды. Признаком неисправности является быстрая разрядка даже неработающей батареи. Для устранения этой неисправности батарею разряжают и тщательно промывают дистиллированной водой с последующим заполнением ее электролитом надлежащего качества и плотности и зарядкой.

Короткое замыкание внутри банок батареи возникает из-за разрушения деревянных сепараторов вследствие применения электролита слишком большой плотности. При этом выпадающая активная масса замыкает пластины. При внутреннем замыкании батареи быстро снижается ее напряжение, уменьшаются плотность электролита и емкость батареи.

Коробление пластин получается при чрезмерном разрядном токе в случае пользования стартером длительное время и при коротких замыканиях в цепи. В этом случае батарея выходит из строя.

Читать далее: Щелочные железо-никелевые аккумуляторные батареи

Категория: - Электрооборудование автомобилей

Главная → Справочник → Статьи → Форум

stroy-technics.ru

Свинцово-кислотный аккумулятор Википедия

Свинцо́во-кисло́тный аккумуля́тор — тип аккумуляторов, изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте. Основные области применения: стартерные аккумуляторные батареи в транспортных средствах, аварийные источники электроэнергии, резервные источники энергии.

История

Свинцовый аккумулятор изобрёл в 1859—1860 годах Гастон Планте, сотрудник лаборатории Александра Беккереля[1]. В 1878 году Камилл Фор усовершенствовал его конструкцию, предложив покрывать пластины аккумулятора свинцовым суриком. Русский изобретатель Бенардос применил покрытие губчатым свинцом для увеличения мощности батарей, которые использовал в своих работах со сваркой.

Принцип действия

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 (в классическом варианте аккумулятора). Проведенные в СССР исследования показали, что при разряде аккумулятора протекает как минимум ~60 различных реакций, порядка 20 из которых протекают без участия кислоты электролита[2].

Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на катоде[2][3] и окисление свинца на аноде. При заряде протекают обратные реакции. При перезаряде аккумулятора, после исчерпания сульфата свинца, начинается электролиз воды, при этом на аноде (положительный электрод) выделяется кислород, а на катоде — водород.

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

PbO2+SO42−+4H++2e−⇆PbSO4+2h3O{\displaystyle PbO_{2}+SO_{4}^{2-}+4H^{+}+2e^{-}\leftrightarrows PbSO_{4}+2H_{2}O}Pb+SO42−−2e−⇆PbSO4{\displaystyle Pb+SO_{4}^{2-}-2e^{-}\leftrightarrows PbSO_{4}}

При разряде аккумулятора из электролита расходуется серная кислота и выделяется относительно более лёгкая вода, плотность электролита падает. При заряде происходит обратный процесс. В конце заряда, когда количество сульфата свинца на электродах снижается ниже некоторого критического значения, начинает преобладать процесс электролиза воды. Газообразные водород и кислород выделяются из электролита в виде пузырьков — так называемое «кипение» при перезаряде. Это нежелательное явление, при заряде его следует по возможности избегать, так как при этом вода необратимо расходуется, нарастает плотность электролита и есть риск взрыва образующихся газов. Потери воды в результате электролиза восполняют доливкой в банки аккумулятора дистиллированной воды.

Устройство

Элемент свинцово-кислотного аккумулятора состоит из электродов и разделительных пористых пластин, изготовленных из материала, не взаимодействующего с кислотой, препятствующих замыканию электродов (сепараторов), которые погружены в электролит. Электроды представляют собой плоские решётки из металлического свинца. В ячейки этих решёток запрессованы порошки диоксида свинца (PbO2) — в анодных пластинах и металлического свинца — в катодных пластинах. Применение порошков увеличивает поверхность раздела электролит — твердое вещество, тем самым увеличивает электрическую ёмкость аккумулятора.

Электроды вместе с сепараторами погружены в электролит, представляющий собой водный раствор серной кислоты. Для приготовления раствора кислоты применяют дистиллированную воду.

Электрическая проводимость электролита зависит от концентрации серной кислоты и при комнатной температуре максимальна при массовой доле кислоты 35%[4], что соответствует плотности электролита 1,26 г/см³[5]. Чем больше проводимость электролита, тем меньше внутреннее сопротивление аккумулятора, и, соответственно, ниже потери энергии на нём. Однако, на практике в районах с холодным климатом применяются и более высокие концентрации серной кислоты, до 1,29−1,31 г/см³, это связано с тем, что при снижении концентрации из-за разряда электролит может замёрзнуть, а при замерзании образуется лёд, который может разорвать банки аккумулятора и повреждает губчатый материал пластин.

Существуют экспериментальные разработки аккумуляторов, где свинцовые решетки заменяют пластинами из переплетённых нитей углеродного волокна, покрытых тонкой свинцовой пленкой. При этом используется меньшее количество свинца, распределённого по большой площади, что позволяет изготовить аккумулятор не только компактным и лёгким, при прочих равных параметрах, но и значительно более эффективным — помимо большего КПД, заряжается значительно быстрее традиционных аккумуляторов[6].

В аккумуляторах, применяемых в бытовых ИБП, систем охранной сигнализации и др. жидкий электролит загущают водным щелочным раствором силикатов натрия (Na2Si2O4) до пастообразного состояния.

Электрические и эксплуатационные параметры

• Удельная предельная теоретическая энергоёмкость (Вт·ч/кг): около 133.
• Удельная энергоёмкость (Вт·ч/кг): 30—40[7].
• Теоретическая удельная энергоплотность (Вт·ч/дм³): 1250[8].
• ЭДС одного элемента заряжённого аккумулятора = 2,11—2,17 В, рабочее напряжение 2 В (3 или 6 секций в итоге дают стандартные 6 В или 12 В соответственно)[2].
• Напряжение полностью разряженного аккумулятора = 1,75—1,8 В (на 1 элемент). Ниже разряжать их нельзя[2].
• Рабочая температура: от −40 °C до +40 °C.
• КПД: порядка 80—90 % (по току). КПД по энергии 70-80%[9].

Эксплуатационные характеристики

• Номинальная ёмкость, показывает количество электричества, которое может отдать данный аккумулятор. Обычно указывается в ампер-часах, и измеряется при разряде малым током (1/20 номинальной ёмкости, выраженной в А·ч)[10].
• Стартерный ток (для автомобильных аккумуляторов). Характеризует способности отдавать сильные токи при низких температурах. В большинстве случаев измеряется при −18 °C (0 °F) в течение 30 секунд. Различные методики замера отличаются (главным образом, допускаемым конечным напряжением) поэтому дают различные результаты[11].
• Резервная ёмкость (для автомобильных аккумуляторов) — характеризует время, в течение которого аккумулятор может отдавать ток 25 А до конечного напряжения 10,5 В согласно ГОСТ Р 53165-2008[12].

Эксплуатация

Ареометр может быть использован для проверки плотности электролита в каждом отдельном элементе

При эксплуатации «обслуживаемых» аккумуляторов (с открываемыми пробками на банках) на автомобиле при движении по неровной дороге неизбежно происходит просачивание электролита из-под пробок на корпус аккумулятора. Через электропроводную не высыхающую, из-за гигроскопичности, пленку электролита происходит постепенный саморазряд аккумулятора. Во избежание глубокого саморазряда необходимо периодически нейтрализовать электролит протиранием корпуса аккумулятора, например, слабым раствором пищевой соды или разведенным в воде до консистенции жидкой сметаны хозяйственным мылом. Кроме того, особенно в жаркую погоду, происходит испарение воды из электролита; также количество воды в электролите уменьшается при перезаряде аккумулятора за счёт её электролиза. Потеря воды увеличивает плотность электролита, увеличивая напряжение на аккумуляторе. При существенной потере воды уровень электролита в банках может упасть ниже верха электродов, что снижает ёмкость. Поэтому необходимо следить за уровнем электролита и при необходимости доливать дистиллированную воду.

Эти меры вместе с проверкой автомобиля на паразитную утечку тока в его электрооборудовании и периодической подзарядкой аккумулятора могут существенно продлить срок эксплуатации аккумуляторной батареи.

Работа свинцово-кислотного аккумулятора при низких температурах

По мере снижения окружающей температуры параметры аккумулятора ухудшаются, однако, в отличие от прочих типов аккумуляторов, у свинцово-кислотных аккумуляторов это снижение относительно мало, что и обуславливает их широкое применение на транспорте. Эмпирически считается, что свинцово-кислотный аккумулятор теряет ~1 % ёмкости при снижении температуры на каждый градус от +20 °C. То есть, при температуре −30 °C свинцово-кислотный аккумулятор будет иметь 50 % ёмкости.

Снижение ёмкости и токоотдачи при низких температурах обусловлено, в первую очередь, ростом вязкости электролита. При этом ухудшается омывание электродов свежими порциями электролита, и концентрация серной кислоты в непосредственной близости от них снижается.

Разряженный аккумулятор в мороз может раздуться из-за замерзания электролита низкой плотности (близкой к 1,10 г/см3) и образования кристаллов льда, что приводит к необратимому повреждению свинцовых пластин внутри аккумулятора.

Низкие температуры электролита негативно влияют на работоспособность и зарядно-разрядные характеристики аккумулятора[13]:

• при температуре от 0 °C до −10 °C снижение зарядных и разрядных характеристик несущественно влияют на работоспособность аккумулятора;
• при температуре от −10 °C до −20 °C происходит снижение тока в стартерном режиме и ухудшение заряда;
• при температуре ниже −20 °C аккумуляторные батареи не обеспечивают надежного пуска двигателя и не способны принимать заряд от генератора.

Из-за большего внутреннего сопротивления, присущего современным аккумуляторам закрытого типа (т. н. «необслуживаемым», герметичным, герметизированным) при низких температурах по сравнению с обычными аккумуляторами (открытого типа), для них эти вопросы ещё более актуальны[14].

Для эксплуатации транспортных средств при очень низких температурах предназначены конструкции аккумулятора с внутренним электроподогревом[15].

Хранение

Свинцово-кислотные аккумуляторы следует хранить только в заряженном состоянии. При температуре ниже −20 °C подзаряд аккумуляторов должен проводиться постоянным напряжением 2,45 В/элемент 1 раз в год в течение 48 часов. При комнатной температуре — 1 раз в 8 месяцев постоянным напряжением 2,35 В/элемент в течение 6—12 часов. Хранение аккумуляторов при температуре выше 30 °C не рекомендуется.

Слой грязи, солей и плёнки электролита на поверхности корпуса аккумулятора создаёт проводник для тока между электродами и приводит к саморазряду аккумулятора, при глубоком разряде начинается преждевременная сульфатация пластин, и поэтому поверхность аккумулятора необходимо поддерживать в чистоте. Хранение свинцово-кислотных аккумуляторов в разряженном состоянии приводит к быстрой потере их работоспособности.

При длительном хранении аккумуляторов и разряде их большими токами (в стартерном режиме), или при уменьшении ёмкости аккумуляторов, нужно проводить контрольно-тренировочные циклы, то есть разряд-заряд токами номинальной величины.

При подготовке аккумуляторной батареи к зимнему хранению, что актуально для автомобилей не эксплуатируемых в холодное время года специалисты старейшей лаборатории НИИАЭ рекомендуют следующие действия:

1. Правильно и до конца зарядите аккумуляторную батарею. 2. Нанесите на положительный вывод АКБ пластичную смазку (литол, солидол и т. п.), так как плёнка электролита способна абсорбировать влагу из атмосферы, что может приводить к повышенному саморазряду. 3. Хранить аккумуляторы на холоде, так как при низких температурах саморазряд намного ниже. Электролит полностью заряженного аккумулятора начинает замерзать при температуре ниже −55 С.

В случае необходимости поездки в морозы следует перенести аккумулятор в отапливаемое помещение и в течение 7—9 часов (например, за ночь) он придёт в пригодное для пуска двигателя состояние.

Износ свинцово-кислотных аккумуляторов

При использовании технической серной кислоты и недистиллированной воды ускоряются саморазряд, сульфатация, разрушение пластин и уменьшение ёмкости аккумуляторной батареи[16].

При химических реакциях в аккумуляторе образуется плохо растворимое вещество — сульфит свинца PbSO3, осаждающийся на пластинах и который образует диэлектрический слой между электролитом и активной массой. Это один из факторов, снижающих срок службы свинцово-кислотной аккумуляторной батареи.

Основными процессами износа свинцово-кислотных аккумуляторов являются:

• сульфатация пластин[2], заключающаяся в образовании крупных кристаллов сульфата свинца, который препятствует протеканию обратимых токообразующих процессов;
• коррозия электродов, то есть электрохимические процессы окисления и растворения материала электродов в электролите, что вызывает осыпание материала электродов;
• слабая механическая прочность или плохое сцепление активной массы с электродными решётками, что приводит к опаданию активной массы[2][17];
• оползание и осыпание активной массы положительных электродов, связанное с разрыхлением, нарушением однородности[2].

Хотя батарею, вышедшую из строя по причине физического разрушения пластин, в домашних условиях восстановить нельзя, в литературе описаны химические растворы и прочие способы, позволяющие «десульфатировать» пластины. Простой, но чреватый полным отказом аккумулятора способ предполагает использование раствора сульфата магния[2]. Раствор сульфата магния заливается в секции, после чего батарею разряжают и заряжают несколько раз. Сульфат свинца и прочие остатки химической реакции осыпаются при этом на дно банок, это может привести к замыканию элемента, поэтому обработанные банки желательно промыть и заполнить новым электролитом номинальной плотности. Это позволяет несколько продлить срок использования устройства.

Вторичная переработка

Кодовый символ, указывающий на то, что свинцовые батареи могут быть вторично переработаны

Вторичная переработка для этого вида аккумуляторов играет важную роль, так как свинец, содержащийся в аккумуляторах, является токсичным тяжёлым металлом и наносит серьёзный вред при попадании в окружающую среду. Свинец и его соли должны быть переработаны для возможности его вторичного использования.

Свинец из изношенных аккумуляторов используется для кустарной переплавки, например, при изготовлении грузил рыболовных снастей, охотничьей дроби или гирь. Для безопасности из аккумулятора следует слить электролит, для нейтрализации его остатков банки заливаются раствором пищевой соды, после чего корпус батареи разрушают и извлекают свинцовые электроды, клеммы и перемычки банок. У электродов в переплавку годится только их каркас в виде решётки, прессованная в них рассыпчатая масса - смесь соединений Pb, а не металл. Перемычки и клеммы аккумулятора могут быть переплавлены целиком.[источник не указан 541 день] Кустарное извлечение свинца из аккумуляторов серьезно вредит как окружающей среде, так и здоровью плавильщиков, поскольку свинец и его соединения с парами и дымом разносятся по всей округе[18][19].

См. также

Примечания

1. ↑ Bertrand Gille Histoire des techniques. — Gallimard, coll. «La Pléiade», 1978, ISBN 978-2070108817.
2. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Свинцовые аккумуляторы. Эксплуатация: Правда и вымыслы.
3. ↑ Н. Ламтев. Самодельные аккумуляторы. Москва: Государственное издательство по вопросам радио, 1936 год.
4. ↑ Удельная электропроводность х водных растворов серной кислоты и температурный коэффициент аt. chemport.ru. Проверено 1 июля 2018.
5. ↑ Концентрация и плотность серной кислоты. Зависимость плотности серной кислоты от концентрации в аккумуляторе автомобиля (рус.), FB.ru. Проверено 1 июля 2018.
6. ↑ http://auto.lenta.ru/news/2006/12/19/battery/ Американцы облегчили и уменьшили аккумуляторы
7. ↑ Свинцовый кислотный аккумулятор. Устройство и принцип действия аккумулятора. (рус.). www.eti.su. Проверено 1 июля 2018.
8. ↑ Расчет идеального свинцового аккумулятора.
9. ↑ Свинцовый кислотный аккумулятор. Устройство и принцип действия аккумулятора. (рус.). www.eti.su. Проверено 1 июля 2018.
10. ↑ ГОСТ 26881-86 Методика проверки свинцовых аккумуляторов
11. ↑ Краткий аналитический обзор существующих способов оценки ёмкости ХИТ и приборов, реализующих эти способы
12. ↑ ГОСТ Р 53165-2008: Батареи аккумуляторные свинцовые стартерные для автотракторной техники. Общие технические условия
13. ↑ Руководство, 1983, с. 70.
14. ↑ Железнодорожный транспорт. — 2011. № 12. — c.35.
15. ↑ Руководство, 1983, с. 21-23.
16. ↑ Вредные добавки к электролиту свинцовых аккумуляторов
17. ↑ О противоречиях в теории работы свинцового кислотного аккумулятора к. т. н., проф. Кочуров А. А. Рязанский военный автомобильный институт Архивировано 20 сентября 2011 года.
18. ↑ Отравление свинцом | ProfMedik Медицинский Портал (рус.). profmedik.ru (22 февраля 2016). Проверено 4 февраля 2017.
19. ↑ Кочуров. http://echemistry.ru/assets/files/books/hit/statya-o-protivorechiyah-v-teorii-raboty-svincovogo-kislotnogo-akkumulyatora.pdf (рус.). Новости. Первоуральск.Ru (17 июля 2014). Проверено 4 февраля 2017.

Ссылки

Литература

• Каштанов В. П., Титов В. В., Усков А. Ф. и др. Свинцовые стартерные аккумуляторные батареи. Руководство.. — М.: Воениздат, 1983. — 148 с.

wikiredia.ru

---

• 
  Двигатель д 240
• 
  Д 240 двигатель
• 
  Шаровая мельница
• 
  Машина грузовая
• 
  Стальные канаты
• 
  Карданная передача
• 
  Регулировка клапанов ямз 236
• 
  Дорожная фреза
• 
  Путь определение
• 
  Подвижной состав
• 
  Цементация стали