Особенности конструкции свинцово-кислотных батарей. Аккумуляторы свинцово кислотные

Свинцово-кислотный аккумулятор « Попаданцев.нет

Наш человек жизнь без электричества представляет плохо. А создать гальваническую батарею особой сложности не составляет (хотя и очень дорого по тем временам).

Но в то же время — создать простейший генератор тоже задача не космической сложности, вопрос только в открытии электромагнитной индукции, а эта задача чисто теоретическая. Но как только появится генератор, сразу возникает вопрос — а можно ли хранить электричество впрок?..

Устройство свинцово-кислотного аккумулятора примитивно. Есть две свинцовые пластины — электроды. На аноде чистый свинец, на катоде — диоксид свинца. И серная кислота (25—34% раствор) как электролит. При работе аккумулятора металлический свинец превращается в сульфат свинца, а при зарядке он восстанавливается. На этом, фактически, все. Хотя на самом деле внутри происходят десятки побочных химических реакций. Например, необратимое накопление сернокислого свинца в массе электродов, что со временем «убивает» аккумулятор.

На самом деле, конечно, не все. Современный свинцовый аккумулятор, как правило, намазный. У него остов электродов из свинца с кальцием (чтобы снизить вес) и сурьмой, а в пустотах каркаса — свинец в виде пасты. Для одного электрода чистый губчатый свинец, а для второго оксид свинца. Пасту изготавливают из порошка свинца (или оксида свинца), замешанного на серной кислоте. Причем эта технология была предложена в 1880-м году и с тех пор эти аккумуляторы изготавливаются промышленно.

На картинке — первый изобретенный аккум, автор Гастон Планте, 1859-й год.Он был очень примитивен, скрученные пластины из свинца, разделенные полотняным сепаратором опускались в слабый раствор серной кислоты (не более 10%). Плохо представляю сколько выдерживало это полотно. При этом оксида свинца там не было, поэтому аккум приходилось много раз «тренировать», пока оксид свинца не отложится. Емкость такого аккума была просто слезной.

Сейчас много чего для этих аккумуляторов придумали — гели вместо кислоты, да и современные автомобильные аккумуляторы, в большинстве случаев необслуживаемые. Сейчас в них используется серебро и куча всяких нанотехнологических покрытый. Но сути это не меняет, аккумуляторы в сути своей не изменились с 1880-го года, просто за зарядом и разрядом их следят микроконтроллеры, которые не позволяют так просто убить аккум.Вообще, контроллеры, которые следят за зарядом-разрядом это бешеное благо. При перезаряде свинцово-кислотного аккумулятора начинает идти электролиз воды и он выделяет даже не водород, а гремучий газ. На подводных лодках Первой Мировой были несчастные случаи из-за этого, взрыв в подводном положении это страшно.

А теперь смотрим на даты.Аккумуляторы потоком производятся с 1880-го, изобретены 1859-м. А электромагнитная индукция найдена очень недавно — в 1831-м. При этом более-менее мощные генераторы появились с 1851-го, когда постоянные магниты заменили на электромагниты (при этом для питания этих электромагнитов использовался маленький генератор на постоянных магнитах). То есть по факту имеем: как только появился запрос на накопление электрической энергии, то тут же появилось и решение. Единственно — задержка на подбор самой эффективной технологии с намазными аккумуляторами, именно это и есть смысл патентовать попаданцу.

Если же он будет строить генератор в древности, то постройка аккумуляторов обязательна. Но помним про перезаряд, по крайней мере зарядную станцию нужно хорошо проветривать.

www.popadancev.net

Восстановление свинцово кислотных аккумуляторов, правила эксплуатации

Как и любой аккумулятор, со временем свинцово-кислотная АКБ выходит из строя. Однако, при определённых условиях ее возможно вернуть к “жизни”. Делается это в несколько этапов.Прежде чем освещать тонкости восстановления нерабочих аккумуляторов, кратко пройдемся по общим положениям – устройство и параметры этого вида элементов питания.

Как всё устроено

Построение свинцово-кислотной АКБ различного предназначения и разных производителей имеет приблизительно следующий вид:

1. контейнер-корпус из инертного и стойкого материала;
2. корпус содержит несколько модулей-банок (обычно шесть), которые соединяются способом адекватным предназначению;
3. каждая модуль-банка содержит плотные пакеты, которые состоят из заряженных пластинок (свинцового катода, а также анода с диоксидом свинца). Каждая пара пластин дает ток. А их соединение увеличивает общее выдаваемое напряжение;
4. пакеты заливаются раствором серной кислоты, специально разбавленной нужным количеством дистиллированной воды для формирования определенной плотности.

Откуда берется энергия?

Аккумулятор, по сути, ёмкость с раствором кислоты, в которую погружены свинцовые электроды. При подаче на электроды нагрузки начинает происходить химический процесс – окисление свинца.  На аноде происходит восстановление, а на катоде – окисление. При разряде роли анода и катода меняются.

Параметры

Состояние АКБ определяет ее заряженность. Она зависит от многих факторов. Точно определить её можно только с помощью специальных приборов, отслеживающих как заряд, так и разряд батареи за несколько циклов. Также заряженность устройства можно определить менее точно путем проверки напряжения на контактных клеммах АКБ, что делается обычным цифровым вольтметром.Нормальным напряжением считается 12,5-12,7 В. Также подходит способ измерения заряженности батареи путем измерения плотности электролита. Такая процедура осуществляется ареометром.Напряжение является параметром, по которому происходит формирование характеристики о состоянии и степени заряженности. Оно измеряется на клеммах вольтметром. Важно чтобы перед проверкой напряжения, не имелось зарядных или разрядных токов в течение нескольких часов иначе показания вольтметра ничего не скажут о состоянии АКБ.

Особенности эксплуатации в северных широтах

Плохой новостью для полярников могло бы стать то, что характеристики аккумулятора при низких температурах стремятся к деградации. Однако хорошая новость заключается в том, что у свинцово-кислотных аккумуляторов, это ухудшение не так значительно, по сравнению с АКБ других типов.Для примерной оценки можно рассчитать насколько ухудшаться параметры при той или иной температуре окружающей среды. Первая засечка отсчета начинается на уровне +20 градусов. Далее при падении температуры на 1 градус, емкость аккумулятора снижается на 1%.Нетрудно подсчитать, что зимой, при 30 градусном морозе, аккумулятор может потерять до половины своей емкости.Самым плохим в этой ситуации является то, что после мороза АКБ повреждается. Пластины получают необратимые изменения из-за повышения вязкости раствора и образования в нем замерзших областей.Какие выводы можно сделать из этого факта? Хранить батарею на морозе – опасно!

Реанимация неработающей батареи

В первую очередь осуществляется очистка емкости АКБ от разного мусора, накопившегося на дне, так как мусор часто является непосредственной причиной замыкания. Электролит удаляется, а ёмкость батареи тщательно промывается. Удобно использовать узкий измеритель плотности – он способен всасывать оставшиеся крошки.После очистки от мусора можно приступать ко второму этапу. При формировании явного налета соли на пластинах, понадобится специальная десульфатирующая присадка. С её помощью убрать налет или нормализовать работу пластин не составит труда. Важно помнить, что разные присадки используются по-разному, поэтому нужно пользоваться инструкцией.Завершающим шагом является так называемая «раскачка батареи». Для этого применяется ЗУ, способное выдавать ток на уровне 0,1 А или меньше. В продаже есть много моделей, имеющих режим восстанавливающий батарею. Итак, требуется подключить устройство к аккумулятору и выбрать ток 0,1 А. При этом нужно наблюдать за реакцией — если электролит пузырится, то понижаем значение тока. Напряжение на уровне 14 В.Восстановление свинцовых аккумуляторов включает следующие этапы (резюмируя вышесказанное):

1. Удаление грязи, промывка;
2. Очистка пластин;
3. Раскачка.

Для качественной эксплуатации важно понимать причины, по которым элемент питания теряет свои качества. Для этого переходим к следующему разделу стати.

Сульфатация катодов– тихая смерть

Со временем на электродах формируются кристаллики сульфата свинца ( так называемая сульфатация электродов). Такое явление возникает при продолжительных разрядах, снижении уровня электролита, при наличии быстрого саморазряда. Так признаками сульфатации электродов являются:

• Снижение емкости батареи;
• Понижение уровня плотности электролита;
• Резкое падение напряжения в момент запуска двигателя;
• Сильное увеличение напряжения в процессе зарядки.

При сульфатации электродов АКБ быстро разряжается из-за снижения емкости. Происходит сильное падение напряжения даже при включении стартера. Но в большинстве случаев сульфатированые электроды можно восстанавливать.

Реанимация сульфированных катодов

С целью восстановления емкости электродов используются способы:

• Продолжительный заряд малыми токами;
• Зарядка с дистиллированной водой;
• Разрядка малыми токами;
• Кратковременно заряжать током, превышающим стандартный в 10 и больше раз.

Как правильно кипятить электролит?

На самом деле процесса кипения при зарядке следует избегать. При подключении нагрузки серная кислота восстанавливается, плотность электролита нарастает и при длительной зарядке начинает доминировать электролиз воды. Кислород и водород в виде газа начинают покидать раствор, что внешне напоминает кипение.  Вода при этом испаряется, жидкость увеличивает свою плотность и есть большая вероятность воспламенения водорода. Поэтому данное явление следует держать под контролем, воду – своевременно доливать, кипячение – останавливать.

Процесс ухода за батареей

Не всем автовладельцам известно, что новый аккумулятор также нуждается в подзарядке. Для нового устройства используются стандартные ЗУ.Перед самим процессом устройство заливается раствором кислоты и оставляется для осуществления пропитки на 3-4 часа. Дальше снимаются пробки с банок. Подсоединяются клеммы ЗУ к аккумулятору, и устройство включается. Заряжать новую батарею требуется малым током. Лучше это делать, поставив на регуляторе минимальное значение. Процесс длится около 2-3 часов, не дольше. По завершению процесса, надо проверить плотность электролита. Делается это ареометром.Также стоит отметить, что при зарядке аккумулятора импульсным током существенно уменьшается его ресурс. Поэтому не рекомендуется использовать его, особенно для новых батарей.

Правила эксплуатации

При использовании на автотранспорте происходит неизбежное протекание жидкости. Из под пробок просачивается небольшие лужицы, которые соединяясь создают электрический мост приводящий к саморазряду. Для того, чтобы этого избежать следует периодически протирать корпус особой жидкостью. Главный эффект должен быть в купировании возможности вытекшего электролита проводить ток, для этого и подбирают состав жидкости для протирания. Обычно это является раствор соды или густая смесь воды и хозяйственного мыла.В жаркую погоду жидкость испаряется, плотность жидкости увеличивается и ёмкость АКБ падает. Поэтому следует своевременно доливать дистиллированную воду, для устранения этого эффекта.

Both comments and trackbacks are currently closed.

xreco.ru

Свинцово-кислотный аккумулятор — Википедия РУ

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.

http-wikipediya.ru

Герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы

Герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы

Первый работоспособный свинцово-кислотный аккумулятор был изобретен в 1859 г. французским ученым Гастоном Планте. Конструкция аккумулятора представляла собой электроды из листового свинца, разделенные сепараторами из полотна, которые были свернуты в спираль и помещены в сосуд с 10 % раствором серной кислоты. Недостатком первых свинцово-кислотных аккумуляторов была их невысокая емкость. Поначалу для ее увеличения проводили большое число циклов заряда-разряда. Для достижения существенных результатов требовалось до двух лет таких тренировок. Причина недостатка была явной - конструкция пластин. Поэтому дальнейшее совершенствование конструкции свинцово-кислотных аккумуляторов было сосредоточено на совершенствование конструкции используемых в них пластин и сепараторов. В 1880 г. К. Фор предложил методику изготовления намазных электродов путем нанесения на пластины окислов свинца. Такая конструкция электродов позволила значительно повысить емкость аккумуляторов. А в 1881 г. Э. Фолькмар предложил применять в качестве электродов намазную решетку. В том же году ученому Селлону был выдан патент на технологию изготовления решеток из сплава свинца и сурьмы.

Первоначально практическое использование свинцово-кислотных аккумуляторов было затруднено из-за отсутствия зарядных устройств - для заряда применяли первичные элементы конструкции Бунзена. То есть химический источник тока заряжался от другого химического источника - батареи гальванических элементов. Положение кардинально поменялось с появлением недорогих генераторов постоянного тока.

Именно свинцово-кислотные батареи первыми в мире из аккумуляторных батарей нашли коммерческое применение. К 1890 году во многих промышленно развитых странах был освоен их серийный выпуск. В 1900 году немецкая фирма Varta произвела первые стартерные аккумуляторы для автомобилей.

В 70-х годах XX века были созданы необслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, способные работать в любом положении. Жидкий электролит в них сменили гелиевым или адсорбированным (впитанным) сепараторами электролитом, батареи герметизировали, а для отвода газов, выделяющихся при заряде или разряде, установили клапаны. Строго говоря, абсолютная герметизация свинцово-кислотных аккумуляторов не может быть достигнута, так как нельзя обеспечить полную рекомбинацию кислорода и водорода, которые выделяются в них при заряде и хранении. Но специальными мерами выделение газов и потери воды в процессе эксплуатации удается свести к минимуму.

Были разработаны новые конструкции пластин на базе медно-кальциевых сплавов, покрытых оксидом свинца, а также на основе титановых, алюминиевых и медных решеток.

Свинцовые аккумуляторы являются наиболее распространенными среди всех существующих в настоящее время химических источников тока. Их масштабное производство определяется как относительно низкой ценой, обусловленной сравнительной не дефицитностью исходных материалов, так и разработкой разных вариантов этих аккумуляторов, отвечающих требованиям широкого круга потребителей.

Ключевые электрохимические процессы в свинцово-кислотном аккумуляторе

Активные вещества аккумулятора сосредоточены в электролите и положительных и отрицательных электродах, а совокупность этих веществ называется электрохимической системой. В свинцово-кислотных аккумуляторных батареях электролитом является раствор серной кислоты (h3SO4), активным веществом положительных пластин - двуокись свинца (PbO2), отрицательных пластин - свинец (Pb).

Основные процессы, проходящие на электродах, описывают реакции:

На отрицательном электроде:

Pb + HSO4- → PbSO4 + H+ + 2e- (разряд)

PbSO4 + H+ + 2e- → Pb + HSO4- (заряд)

На положительном электроде:

PbO2 + HSO4- + 3H+ + 2e- → PbSO4 + 2h3O (разряд)

PbSO4 + 2h3O → PbO2 + HSO4- + 3H+ + 2e- (заряд)

Суммарная реакция в свинцовом аккумуляторе имеет вид:

PbO2 + Pb + 2h3SO4 → 2PbSO4 + 2h3O (разряд)

2PbSO4 + 2h3O → PbO2 + Pb + 2h3SO4 (заряд)

Таким образом, при разряде свинцового аккумулятора на обоих электродах формируется малорастворимый сульфат свинца (двойная сульфатация) и происходит сильное разбавление серной кислоты.

Напряжение разомкнутой цепи заряженного аккумулятора равно 2,05-2,15 В, в зависимости от концентрации серной кислоты. При разряде по мере разбавления электролита напряжение разомкнутой цепи аккумулятора понижается и после полного разряда становится равным 1,95-2,03 В.

При заряде свинцово-кислотного аккумулятора, как и в других аккумуляторах с водным электролитом, имеют место побочные реакции выделения газов. Выделение водорода начинается при полном заряжении отрицательного электрода. Кислород начинает выделяться гораздо раньше: в обычных условиях заряда при 50-80% заряженности (в зависимости от тока заряда), а при температуре 0 °С уже после заряда на 30-40 %. Вследствие этого отдача положительного электрода по емкости составляет 85-90 %. Для получения полной разрядной емкости при заряде аккумулятору должен быть обеспечен перезаряд на 10-20 %. Этот перезаряд сопровождается существенным выделением водорода на отрицательном электроде и кислорода - на положительном.

Выделение водорода имеет место и при хранении заряженного свинцово-кислотного аккумулятора. Саморазряд его определяется преимущественно скоростью растворения свинца согласно реакции:

Pb + h3SO4 → PbSO4 + h3

Скорость этого процесса зависит от температуры, объема электролита и его концентрации, но более всего от чистоты компонентов. В отсутствие примесей реакция протекает медленно из-за большого перенапряжения выделения водорода на свинце. Но на практике, на поверхности свинцового электрода всегда много примесей, среди которых наибольшее влияние оказывает сурьма, количество которой в сплаве для решеток и токоведущих деталей доходит до 6 %.

На положительном электроде может также самопроизвольно проходить реакция восстановления диоксида свинца:

PbO2 + h3SO4 → PbSO4 + 1/2O2 + h3O

в результате которой выделяется кислород, но скорость ее незначительна.

В процессе эксплуатации саморазряд аккумулятора может увеличиваться из-за образования дендритных мостиков из металлического свинца. Потери емкости свежеизготовленного аккумулятора за счет саморазряда как правило не превышают 2-3 % в месяц. Но при эксплуатации они быстро увеличиваются.

Особенности герметизированного свинцово-кислотного аккумулятора

Главные проблемы при создании герметичного варианта свинцово-кислотного аккумулятора связаны с необходимостью обеспечения условий для уменьшения газовыделения и содействия рекомбинации выделяющегося газа. При создании герметизированного аккумулятора, который в обычных условиях эксплуатации не требовал бы доливки воды в электролит в течение всего срока службы и не выделял бы газов, был предпринят ряд мер:

1. В аккумуляторе применяется иммобилизированный (обездвиженный) электролит, который сохраняет высокую электропроводность серной кислоты. Небольшое его количество позволяет обеспечить лучший транспорт кислорода от положительного электрода к отрицательному и высокий уровень его рекомбинации.

При одном методе иммобилизации электролита для его загущивания применяется силикагель (SiO2), который обладает высокой пластичностью и заполняет и электроды, и сепаратор. Благодаря своей вязкости он хорошо удерживается в порах и способствует эффективному использованию активных веществ электродов. Транспортировка кислорода обеспечивается по трещинам, которые появляются при усадке твердеющего электролита.

При другом методе иммобилизации применяется сепаратор из стекловолокна с высокой объемной пористостью и хорошей смачиваемостью в растворе серной кислоты. Такой сепаратор не только осуществляет функцию разделения электродов, но и благодаря тонкой структуре волокон обеспечивает удержание электролита в порах и высокую скорость переноса кислорода. Применение стекловолокнистого сепаратора и плотная сборка блока электродов способствуют также уменьшению оплывания активной массы положительного электрода и разбухания губчатого свинца на отрицательном.

2. Для снижения вероятности выделения водорода свинцово-сурьмяные сплавы токоведущих решеток заменяются другими, обеспечивающими более высокое перенапряжение выделения водорода. Применяются сплавы свинца с кальцием (до 0,1 % Ca), иногда легированного алюминием, сплавы свинца с оловом (0,5-2,5 % Sn), которые имеют неплохие литейные характеристики, и другие.

3. В отрицательный электрод закладывается емкость больше, чем в положительный. В данном случае при полном заряде положительного электрода оставшаяся недозаряженной часть активной массы отрицательного электрода практически исключает вероятность разряда ионов водорода. Кислород, выделяющийся на диоксиде свинца, достигает отрицательного электрода и окисляет губчатый свинец до оксида свинца, который в кислотном электролите переходит в сульфат свинца PbSO4 и воду. Следовательно, условия для герметизации аккумулятора улучшаются: газы не выделяются и вода не испаряется.

Снижению газовыделения способствуют и рекомендуемые для герметизированных аккумуляторов режимы заряда, при которых ток понижается по мере их заряжения.

И все-таки все реализованные варианты безуходного свинцово-кислотного аккумулятора оснащены клапаном, который время от времени открывается для сброса излишнего количества газа, главным образом водорода. Именно поэтому аккумулятор называется не герметичным, а герметизированным.

Успехи исследователей и технологов, достигнутые за прошедшие два десятилетия, тщательный контроль процесса изготовления и сотрудничество с потребителями, которые научились понимать, что безуходность этих батарей не означает полной свободы от контроля за их работой, позволяют в настоящее время выпускать на рынок продукцию, которая в ряде случаев может конкурировать с более дорогими герметичными щелочными аккумуляторами.

Герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи емкостью до 10-20 Ач применяются как источники питания для разнообразной портативной аппаратуры и инструментов в тех случаях, когда масса не является определяющим критерием для выбора источника тока, а также в системах бесперебойного питания, телекоммуникаций, информационных системах, для аварийного оборудования и т.д., где они работают в буферном режиме.

Конструкция герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов

Портативные герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы выпускаются в виде батарей, которые собраны в едином призматическом контейнере из пластмассы или резины (моноблочная конструкция). Положительные и отрицательные электроды аккумуляторов делаются обычно намазкой на решетку сотовой структуры. Контейнер и крышка загерметизированы. Межэлементные соединения утапливаются в углублениях крышки и залиты мастикой. Выводы аккумуляторной батареи (в виде ушка или борна) также загерметизированы. Клапанное приспособление для сброса газа при излишнем давлении состоит из резинового клапана и отражателя, служащего для улавливания капель электролита. Воздух в аккумулятор через него не поступает.

На электрических и эксплуатационных характеристиках герметизированных свинцовых аккумуляторных батарей большой емкости значительно сказываются различия в конструкции электродов (поверхностного типа, панцирные или стержневые), а также различия в сплавах, используемых для изготовления токоведущих основ.

При выборе герметизированной свинцовой аккумуляторной батареи большой емкости следует внимательно отнестись к использованному в ней способу иммобилизации электролита, поскольку известно, что в высоких аккумуляторах со стекловолокнистым сепаратором (технология AGM) со временем отмечается расслоение электролита. Такие аккумуляторы стараются проектировать высотой не более 35 см.

Электрические и эксплуатационные характеристики герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов

Напряжение разомкнутой цепи свинцово-кислотных аккумуляторов линейно возрастает с ростом степени заряженности аккумулятора (рисунок 1). По значению напряжения разомкнутой цепи можно судить о степени разряда свинцового аккумулятора.

Рис.1. Зависимость напряжения разомкнутой цепи свинцово-кислотного аккумулятора от уровня заряженности

Номинальной емкостью свинцово-кислотного аккумулятора считается емкость, полученная при разряде в течение 20 ч, т.е. током 0,05С. Отдаваемая аккумулятором емкость значительно зависит от тока разряда, который может достигать нескольких С. Типичные разрядные характеристики при различных токах нагрузки показаны на рисунке 2. Из рисунка видно, что от тока разряда зависит также и конечное разрядное напряжение свинцового аккумулятора.

Рис.2. Разрядные характеристики герметизированной свинцово-кислотной аккумуляторной батареи

Герметизированные свинцовые аккумуляторные батареи работоспособны в интервале температур от -30 до +50 °С, чаще гарантируется работоспособность при температуре не ниже -15 °С. При более низких температурах возможности разряда мешает замерзание электролита. Работоспособность аккумуляторов при низких температурах может быть обеспечена увеличением концентрации электролита, как это и делается в специальных аккумуляторах.

Заряд свинцово-кислотного аккумулятора.

Заряд батарей, как было сказано ранее, должен осуществляться в режиме, при котором ток должен сильно понижаться к концу заряда. Используется несколько стратегий заряда, которые требуют оборудования различной сложности и стоимости. Наиболее простое и дешевое оборудование осуществляет заряд при постоянном напряжении 2,4-2,45В/ак (потенциостагический режим). Заряд считается законченным если ток заряда остается неизменным в течении 3-х часов.

Но чаще применяют комбинированный режим, при котором начальный ток ограничивают, а по достижении заданного напряжения, заряд проводится при стабилизации напряжения (рисунок 3). Заряд проводится при постоянном токе 0,1С на первом этапе и при постоянном напряжении источника тока на втором. Большинство производителей советуют проводить заряд циклируемых батарей при постоянном напряжении 2,4В на аккумулятор.

Рис.3. Зарядные кривые герметизированной свинцово-кислотной аккумуляторной батареи при комбинированном режиме заряда нормированным током 0,1С и нормированным напряжением 2,45В/ак:

1-напрядение, 2-зарядная емкость, 3-ток заряда

Ускорение процесса заряда достигается при повышении тока на первой стадии заряда, но в соответствии с советами производителей не более чем до 0,3С. В конце заряда для большей безопасности может быть применена еще одна ступень заряда: при снижении напряжения источника питания до напряжения подзаряда аккумулятора 2,30-2,35 В.

Заряд аккумуляторных батарей, используемых, для работы в буферном режиме, проводится как правило при более низком напряжении (2,23-2,275 В).

Указанные напряжения заряда не требуют изменения при заряде в некотором интервале температуры (обычно от 5 до 35 °С). За пределами указанного температурного интервала, требуется компенсация влияния температуры: повышение напряжения при пониженных температурах и снижение при более высоких.

Рис.4. Рекомендуемое напряжение заряда при разных температурах для герметизированного свинцово-кислотного аккумулятора

Саморазряд свинцово-кислотной аккумуляторной батареи.

Саморазряд в герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторах значительно уменьшен по сравнению с вентилируемыми аккумуляторами и составляет 40% в год при 20 °С и 15% при 5 °С. При более высоких температурах хранения саморазряд увеличивается: при 40 °С батареи лишаются 40 % емкости за 4-5 месяцев.

Рис.5. Действие температуры на остаточную емкость герметизированного свинцово-кислотного аккумулятора: 1-40°С, 2-20°С, 3-10°С, 4-0°С

При продолжительном хранении в заряженном состоянии батареи рекомендуют периодически подзаряжать. Если они хранились при температуре ниже -20 °С, то подзаряд должен проводиться 1 раз в год в течение 48 ч при постоянном напряжении 2,275 В/ак. При хранении при комнатной температуре - 1 раз в 8 месяцев в течение 6-12 ч при постоянном напряжении 2,4 В/ак. Хранение при температуре выше 30 °С не желателен.

Продолжительное хранение батареи в разряженном состоянии приводит к быстрой потере ее работоспособности.

Изменения характеристик свинцово-кислотных аккумуляторов при эксплуатации

Срок службы герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, как и вентилируемых, в большинстве случаев определяется деградацией положительного электрода, которая определяется коррозией его решетки и изменениями в активной массе.

Скорость коррозии решеток зависит как от состава сплава, конструкции и условий отливки, так и от температуры, при которой работают батареи. Коррозия решетки из сплава без сурьмы или с низким ее содержанием существенно медленнее по сравнению с коррозией традиционных решеток вентилируемых аккумуляторов. В качественно отлитых решетках из сплавов Pb-Ca-Sn скорость коррозии маленькая, но в плохо отлитых - отдельные участки подвергаются глубокой коррозии, что вызывает локальный ее рост и деформацию. Деформация решеток может привести к короткому замыканию разнополярных пластин. Коррозия решеток положительных пластин - самый частый дефект батарей, эксплуатируемых в буферном режиме.

При эксплуатации в режиме циклирования происходит также разрыхление активных масс положительного электрода, которое приводит к потере контакта между частицами PbO2. Емкость источника тока при этом уменьшается. Процесс разрыхления ускоряется при разряде большими импульсами тока.

В герметизированных аккумуляторах могут протекать и специфические коррозионные процессы на токоведущих деталях отрицательных пластин, которые находятся выше уровня электролита, и на борне. Так как продукты коррозии имеют больший объем, чем свинец, в результате может иметь место выдавливание компаунда, герметизирующего вывод, и повреждение борна, крышки и даже бака. Дефекты такого рода часто отмечались в аккумуляторах разных производителей на ранних этапах разработок и производства. Сейчас большая часть производителей решила эту проблему подбором сплавов для всех компонентов аккумулятора и контролем за металлургическим процессом их изготовления.

В течении эксплуатации герметизированных аккумуляторов из-за неизбежных потерь воды при открывании клапана для сброса излишнего давления газа происходит некоторое осушение сепаратора и повышение внутреннего сопротивления аккумулятора. При эксплуатации в буферном режиме количество отказов, спровоцированных высыханием аккумулятора, становится соизмеримым с отказами из-за коррозии решеток положительных электродов. В аккумуляторах с гелиевым электролитом снижение количества электролита менее критично, чем в аккумуляторах с сепаратором из стекловолокна.

Факторы, влияющие на срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов

Самое большое влияние на срок службы герметизированного свинцово-кислотного аккумулятора оказывают: рабочая температура, глубина разряда и величина перезаряда, а также периодичность срабатывания клапана для сброса газа.

На рисунках 6 и 7 изображено изменение срока службы в зависимости от глубины разряда и температуры окружающей среды..

Рис.6. Зависимость срока службы герметизированной свинцово-кислотной батареи от глубины разряда

Рис.7. Зависимость срока службы герметизированной свинцово-кислотной батареи от температуры при работе в буферном режиме

Герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы очень чувствительны к перезаряду. На рисунке 8 изображено, как быстро уменьшается срок их службы при работе в режиме постоянного подзаряда при повышении напряжения (и тем самым - тока подзаряда) источника питания подключенного к аккумулятору.

Рис.8. Воздействие режима заряда на срок службы герметизированной свинцово-кислотной аккумуляторной батареи при работе в буферном режиме

Следует помнить, что при заряде герметизированных аккумуляторов их температура может быть значительно выше температуры окружающей среды. Это связано как с разогревом аккумуляторов из-за реакции рекомбинации кислорода, так и с неудовлетворительным отводом тепла от плотноупакованной батареи. Разница температур особенно ощутима при ускоренном режиме заряда. Если нельзя избежать существенного увеличения температуры, то при заряде следует вводить корректировку напряжения источника питания.

Переразряд также вреден для свинцово-кислотных батарей, как и перезаряд. При многократных переразрядах уменьшается разрядная емкость и понижается срок службы аккумулятора. Такие же изменения могут происходить и при продолжительном хранении батарей в разряженном состоянии.

В связи с расширением сферы применения герметизированных свинцовых аккумуляторов до обитаемых комплексов специального назначения, где должны применяться мощные источники тока с большим напряжением, стало необходимым исследование последствий возникновения аварийных ситуаций в эксплуатации. Такие ситуации могут происходить как при разбалансировании характеристик аккумуляторов, составляющих батарею, так и в результате ошибочного обслуживания батарей или отказе управляющего оборудования. В этом случае при перезаряде или переразряде батарей, приводящем к переполюсованию наиболее слабых аккумуляторов, может произойти разгерметизация аккумуляторов или даже разрушение их баков. Было показано, что повреждение корпуса приводит к снижению отдаваемой емкости, но более серьезных проблем не возникает. Даже при полном разрушении контейнера аккумулятора емкость его стала меньше только на 14 %, так как электролит не вытекает, а задерживается в порах электродов и сепаратора. При вскрытии 5 % площади контейнера, аккумуляторы оставались годными для циклирования при снижении разрядной емкости на 15-20 %.

При продолжительном перезаряде (током 0,25 Сн) как свежих аккумуляторов, так и после полтора года эксплуатации в режиме постоянного подзаряда, а также при заряде аккумуляторов при завышенном напряжении (2,6В), чрезвычайного разогрева аккумуляторов не происходило. Температура стабилизируется спустя 4-6 ч на уровне 50-70 °С или затем медленно понижается. Но из-за выброса газов через аварийный клапан происходит осушение аккумуляторов и быстрая их деградация. Современные герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи обладают достаточно высокими удельными энергетическими характеристиками (до 40 Втч/кг и 100 Втч/л). Они работоспособны в буферном режиме при нормальной температуре в течение продолжительного периода (более 10 лет), а при циклировании обеспечивают несколько сотен циклов до потери 20 % емкости.

Литература

• Абакумова Ю.П. Химические источники тока. - СПб: СПбГУПС, 2004. - 26с.

• Андреев И.Н. Электрохимические устройства - ХИТ. - Казань: Изд-во КГТУ, 1999. - 84с.

• Антонов В.Ф. Биофизика. - М.: Владос, 2000. - 288с.

• Арзуманян Н., Микаэлян А., Данелян А. Топливные элементы - вчера, сегодня, завтра. //Альтернативная энергетика и экология. - 2005. - №10. - с.65-68

• Афанасьев К. Топливные элементы - батарейки будущего. // Радиолюбитель. - 2005. - №2. - с.26-29

• Багоцкий В.С. Скундин А.М. Химические источники тока. - М.: Энергоатомиздат, 1981. - 360с.

• Бурков А.Ф История электротехники до конца 19 века. - Владивосток: Морской Гос. Ун-т, 2006. - 153с.

• Варыпаев В.Н., Дасоян М.А., Никольский В.А. Химические источники тока. - М.: Высшая Школа, 1990. - 240с.

• Ветровая энергия: Учеб. пособие. - Волгоград : Книга, 1995. - 30с.

• Ветроэнергетика / под редакцией Д. Рензо, Я.И. Шефтера. - М.: Энергоатомиздат, 1982. - 271с.

• Воронков Г.Я. Электричество в мире химии. - М.: Знание, 1987. - 144с.

• Дасоян М.А. Химические источники тока. Справочное пособие. - Л.: Энергия, 1969. - 587с.

• Карабанов С. Кухмистров Ю. Фотоэлектрические системы. // Электронные компоненты. - 2000. - №5. - с.52-58.

• Ковалев В.З. Химические источники энергии. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. - 66с.

• Колтун М.М. Солнечные элементы. - М.: Наука, 1987. - 192с.

• Коровин Н. Никель-Металлгидридные аккумуляторы. // Электронные компоненты. - 2002. - №4.

• Коровин Н. Свинцовые герметизированные аккумуляторы. // Электронные компоненты. - 2003. - №2.

• Кромптон Т. Вторичные источники тока. - М.: Мир, 1985. - 301с.

• Кромптон Т. Первичные источники тока. - М.: Мир, 1986. - 326с.

• Кубасов В.Л., Зарецкий С.А. Основы электрохимии. - М.: Химия, 1985. - 168с.

• Кукушкин Ю.Н. Химия вокруг нас. - М.: Высная школа, 1992. - 192с.

• Курзуков Н.И. Ягнятинсий В.М. Аккумуляторные батареи. Краткий справочник. - М.: За рулем, 2006. - 88с.

• Кучеров. Д.П. Источники питания ПК и периферии. - СПб.: Наука и Техника, 2005. - 429с.

• Лазаров Д. Электрон и химические процессы: Пер. с болг. - Л.: Химия, 1987. - 128с.

• Лебедев О.А. Химические источники тока. - СПб.: ЛЭТИ, 2002. - 55с.

• Марочек В.И. Пасынки энергетики. - М.: Знание, 1981. - 64 с.

• Машурян Э. Оправдают ли ожидания новые источники питания. // Электронные компоненты. - 2006. - №6. - с.20-24.

• Орлов В.А. Малогабаритные источники тока. - М.: Воениздат, 1970. - 224с

• Солнечная энергия : Учеб. пособие. - Волгоград: Книга, 1995. - 30с.

• Таганова А.А, Бубнов Ю.И., Орлов С.Б. Герметичные химические источника тока: Элементы и аккумуляторы. Оборудование для испытаний и эксплуатации: Справочник. - СПб.: Химиздат, 2005. - 264с.

• Томилин А.Н. Мир электричества. - М.: Дрофа, 2004. - 304с.

• Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. - М.: Инергоатомиздат, 1991. - 208с.

• Химические источники тока: Справочник / Под редакцией Н.В. Коровина и А.М. Скундина. - М.: Издательство МЭИ, 2003. - 740с.

• Хрусталев Д.А. Аккумуляторы. - М.: Изумруд, 2003. - 224с.

• Шпак И.Г. Химические источники тока. - Саратов: СГТУ, 2003. - 95с.

• Энциклопедия для детей. Том 17. Химия. / гл. ред. В.А. Володин. - М.: Авонта+, 2000. - 640с.

• Эрдей-Груз Т. Химические источники электроэнергии. - М.: Мир, 1974. – 304с

auto-dnevnik.com

Особенности конструкции свинцово-кислотных батарей

Первый работоспособный свинцово-кислотный аккумулятор был изобретен в 1859 г. французским ученым Гастоном Планте. Его конструкция представляла собой электроды из листового свинца, разделенные сепараторами из полотна, которые были свернуты в спираль и помещены в сосуд с 10 % раствором серной кислоты. 

Недостатком первых свинцово-кислотных аккумуляторов была их низкая емкость. Первоначально для ее увеличения проводили большое число циклов заряда-разряда. Для достижения существенных результатов требовалось до двух лет таких тренировок. Причина недостатка была явной - конструкция пластин. Поэтому дальнейшее совершенствование конструкции свинцово-кислотных аккумуляторов было направлено на совершенствование конструкции используемых в них пластин и сепараторов. 

В 1880 г. К. Фор предложил технологию изготовления намаз-ных электродов путем нанесения на пластины окислов свинца. Такая конструкция электродов позволила значительно увеличить емкость аккумуляторов. А в 1881 г. Э. Фолькмар предложил использовать в качестве электродов намазную решетку. В том же году ученому Селлону был выдан патент на технологию изготовления решеток из сплава свинца и сурьмы. 

Первоначально практическое применение свинцово-кислотных аккумуляторов было затруднено из-за отсутствия зарядных устройств - для заряда использовали первичные элементы конструкции Бунзена. То есть химический источник тока заряжался от другого химического источника - батареи гальванических элементов. Положение кардинально изменилось с появлением недорогих генераторов постоянного тока.

Именно свинцово-кислотные батареи первыми в мире из аккумуляторных батарей нашли коммерческое применение. К 1890 году во многих промышленно развитых странах был освоен их серийный выпуск. В 1900 году немецкая фирма Varta выпустила первые стартерные аккумуляторы для автомобилей. 

В 70-х годах прошлого, XX века были созданы необслуживаемые свинцово-кислотные батареи, способные работать в любом положении. Жидкий электролит в них заменили гелевым или абсорбированным (впитанным) сепараторами электролитом, батареи герметизировали, а для отвода газов, выделяющихся при заряде или разряде, установили безопасные клапаны. Были разработаны новые конструкции пластин на основе медно-кальциевых сплавов, покрытых оксидом свинца, на основе титановых, алюминиевых и медных решеток. 

Активные вещества аккумулятора сосредоточены в электролите и положительных и отрицательных электродах, а совокупность этих веществ называется электрохимической системой.! В свинцово-кислотных аккумуляторных батареях электролитом является раствор серной кислоты, активным веществом положительных пластин - двуокись свинца РЬО2, отрицательных платин - свинец РЬ. 

Для того чтобы было легче разобраться в многообразии, свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, следует знать об их делении на группы по режиму их эксплуатации и по технологии изготовления. Это поможет понять, как правильно подобрать аккумуляторную батарею для решения конкретных задач, как правильно выбрать режимы заряда и разряда, какие внешние факторы и как будут влиять на ее работу в процессе эксплуатации. 

По режиму эксплуатации аккумуляторные батареи делятся на три группы: 

1. Батареи для работы в буферном режиме, когда батарея работает в буфере с основным источником напряжения, например, сетевым блоком питания. При этом основное ее назначение - резервный источник питания. Периоды разряда батареи по сравнению с периодами заряда непродолжительны. Большую часть времени она постоянно подзаряжается. В буферном режиме работают батареи резервного питания базовых станций мобильной связи, АТС, сетевые коммутаторы провайдеров Интернет, источники бесперебойного питания персональных компьютеров и серверов (UPS) и т. д. 

2. Батареи для работы в циклическом режиме, который характерен их разрядом в течение какого-то времени и последующим зарядом. Циклический режим работы аккумуляторных батарей используется гораздо реже, чем буферный. Примером такого режима можно назвать работу электротранспорта и устройств с автономным питанием: в течение рабочего дня происходит разряд тяговых батарей или батарей питания, а после его окончания эти батареи ставят на заряд. 

3. Батареи для работы в смешанном режиме, например автомобильные батареи. 

По конструкции свинцово-кислотные аккумуляторные батареи можно разделить на:- батареи с жидким электролитом - обслуживаемые и необслуживаемые - батареи с регулируемыми клапанами (VRLA - Valve Regulated Lead Acid batteries) - с увлажненными сепараторами и с гелевым электролитом. 

В различной технической литературе можно встретить такие названия батарей, как SLA - Sealed Lead Acid batteries - герметичные свинцово-кислотные батареи, относящиеся к VRLA батареям. Хотя это не вполне соответствует истине: абсолютно герметичных батарей не существует по той причине, что во всех них используются клапаны для снижения внутрикорпусного давления. Очень часто, подчеркивая это, вместо термина "герметичные батареи" употребляют термин "герметизированные батареи". Встречается также название Gelcell - торговая марка гелевых батарей. Стартерные батареи иногда сокращенно называют SLI, что расшифровывается как Start, Light, Ignition - пуск, освещение, зажигание. 

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи до сих пор остаются самыми надежными, долговечными и не требующими высоких эксплуатационных затрат химическими источниками тока. В настоящее время производятся и активно эксплуатируются аккумуляторные батареи трех поколений: 

1. Батареи первого поколения - батареи с жидким электролитом открытого или закрытого типа, имеющие емкость от 36 до 5328 Ач и срок службы от 10 до 20 и более лет. Батареи открытого типа не имеют крышек, и электролит непосредственно соприкасается с открытым воздухом. Основные затраты при их эксплуатации - это затраты на обслуживание, связанные с необходимостью частой доливки дистиллированной воды, и расходы на содержание хорошо вентилируемых помещений, в которых их устанавливают. Батареи закрытого типа имеют специальные пробки, обеспечивающие задержку аэрозоли серной кислоты. Пробки для заливки электролита и добавления воды при эксплуатации вывинчиваются. Батареи закрытого типа могут быть и необслуживаемыми: от производителя они поставляются залитыми и заряженными, и в течение срока службы нет необходимости доливки воды, т. к. конструкция пробок таких батарей обеспечивает удержание ее паров в виде конденсата. Кроме использования в качестве стационарных, батареи закрытого типа являются основным типом батарей, используемых в автотракторной технике в качестве стартерных и тяговых. 

2. Батареи второго поколения, которыми являются герметизированные гелевые батареи. В них вместо жидкого электролита используется гелеобразный, представляющий собой желе, полученное в результате смешивания раствора серной кислоты с загустителем (обычно это двуокись кремния SiO2 - силикагель). Технология производства гелевых батарей получила название GEL. Гелевые батареи в течение всего срока эксплуатации не нуждаются в обслуживании, их нельзя вскрывать. Для их подзаряда необходимо использовать зарядные устройства, обеспечивающие нестабильность напряжения заряда не хуже ±1 % для предотвращения обильного газовыделения. Такие аккумуляторные батареи критичны к температуре окружающей среды. 

3. Батареи третьего поколения - это герметизированные батареи с абсорбированным сепараторами электролитом. Часто их называют батареями, собранными по AGM-технологии. AGM - Absorbed in Glass Mat, т. е. технология, при которой электролит абсорбирован в сепараторах из стекловолокна, размещенных между электродами. Такой сепаратор представляет собой пористую систему, в которой капиллярные силы удерживают электролит. При этом количество электролита дозируется так, чтобы мелкие поры были заполнены, а крупные оставались свободными для свободной циркуляции выделяющихся газов. По своим свойствам AGM батареи подобны гелевым, за исключением того, что газообразование в них существенно меньше, и меньшее влияние на их работу оказывает температура окружающей среды. Как и для гелевых аккумуляторных батарей, для них требуются зарядные устройства, обеспечивающие нестабильность напряжения заряда не хуже ±1 %. 

К сожалению, в России герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы не производятся. 

Конструкция батарей различных фирм, их выпускающих, может иметь свои особенности, например, особую конструкцию сепараторов или решеток или применение специфических добавок при изготовлении пластин. Часто при обозначении типа аккумуляторной батареи указывают ее маркировку, которая определяется конструкцией положительных пластин. 

При изготовлении свинцово-кислотных аккумуляторных батарей применяют химические добавки. Например, к свинцу добавляют сурьму (доля в сплаве 1...10 %), которая обеспечивает более прочный электрический контакт активного материала с решеткой, предотвращает его осыпание, что позволяет увеличить срок службы аккумуляторных батарей. Кроме свинцово-сурьмяных, используют также свинцово-кальциевые сплавы, позволяющие сделать пластины более легкими и прочными при сохранении высоких электрических и механических характеристик. 

Правильный подбор металлов, химикатов и добавок помогает достичь компромисса и баланса между высокой энергетической плотностью, длительностью срока хранения, увеличением срока службы и безопасностью при эксплуатации. Высокой энергетической плотности можно достичь сравнительно легко, например, добавив вместо кобальта никель. Емкость батареи при этом возрастет, снизится ее стоимость, но при этом ухудшится и безопасность ее эксплуатации. Начинающие свой бизнес компании могут во главу угла поставить максимально возможную емкость выпускаемых батарей, пренебрегая всем остальным. Но производители с высокой репутацией на рынке, такие, как EXIDE, FIAMM, HOPPECKE, Panasonic, Varta и другие, на первое место всегда ставят безопасность своей продукции и продают только безопасные и надежные аккумуляторные батареи. 

Большинство типов свинцово-кислотных аккумуляторных батарей имеют элементы призматической формы. Поэтому прямоугольные корпуса для них изготавливаются из пластмасс. Хотя некоторые типы батарей VRLA производятся на основе цилиндрических элементов, сохраняя все преимущества последних. Они обеспечивают более высокую стабильность работы элементов, больший ток разряда, лучшую температурную стабильность по сравнению с батареями, собранными из призматических элементов. 

Напряжение на элементе свинцово-кислотной батареи составляет 2,12 В. Среди всех типов аккумуляторов свинцово-кислотные отличаются наименьшей энергетической плотностью. В них отсутствует "эффект памяти". Их продолжительный заряд не станет причиной выхода батареи из строя. 

Способность сохранять заряд у этих батарей наилучшая из всех типов аккумуляторных батарей. Если никель-кадмиевые батареи в течение трех месяцев теряют 40 % сохраненной энергии, то свинцово-кислотные батареи теряют 40 % энергии только за год. Они недороги, но эксплуатационные расходы на них выше, чем на те же никель-кадмиевые батареи. 

Время заряда свинцово-кислотных батарей составляет 8... 16 часов, но может увеличен с возростом аккумулятора. Они всегда должны храниться в заряженном состоянии, так как хранение в незаряженном состоянии приведет к сульфатации пластин - причине потери емкости, а в перспективе и к тому, что батарею впоследствии зарядить не удастся вообще. 

В отличие от никель-кадмиевых свинцово-кислотные батареи не любят глубоких циклов заряд/разряд. Полный разряд может стать причиной деформации пластин, и каждый цикл заряда/разряда батареи впоследствии ведет к снижению ее емкости. Такие потери относительно невелики, пока батарея работает в нормальных условиях, но даже единственный случай ее перегрузки и, как результат, глубокого разряда приведет к потере ее емкости примерно на 80 %. Для предупреждения таких случаев рекомендуется использовать батареи повышенной емкости. 

В зависимости от глубины разряда и рабочей температуры ресурс или срок службы свинцово-кислотной батареи может составлять от 1 года до 20 и более лет. Кроме того, в значительной мере срок службы определяется конструкцией элементов батареи. 

Существует несколько способов увеличения емкости и срока службы свинцово-кислотных батарей. Оптимальная рабочая температура для таких батарей составляет 25 °С, и ее увеличение на каждые 10 °С сокращает срок службы батареи наполовину. Например, VRLA батарея при температуре 25 °С может работать 10 лет, а при температуре 33 °С - только 5 лет, ну а при температуре 42 °С - всего лишь 1 год. 

Преимущества свинцово-кислотных батарей: 

• дешевизна и простота производства - по стоимости 1 Вт * ч энергии эти батареи являются самыми дешевыми; 

• отработанная, надежная и хорошо понятная технология обслуживания; 

• малый саморазряд - самый низкий по сравнению с аккумуляторными батареями других типов; 

• низкие требования по обслуживанию - отсутствует "эффект памяти", не требуется доливки электролита; 

• допустимы высокие токи разряда. Недостатки свинцово-кислотных батарей: 

• не допускается хранение в разряженном состоянии; 

• низкая энергетическая плотность - большой вес аккумуляторных батарей ограничивает их применение в стационарных и подвижных объектах; 

• допустимо лишь ограниченное количество циклов полного разряда; 

• кислотный электролит и свинец оказывают вредное воздействие на окружающую среду; 

• при неправильном заряде возможен перегрев. Свинцово-кислотные батареи имеют настолько низкую энергетическую плотность по сравнению с другими типами батарей, что это делает нецелесообразным использование их в качестве источников питания переносных устройств. Хотя примеры их применения в портативной электронной технике есть. Кроме того, при низких температурах их емкость существенно снижается.

avtomarketkar-go.ru

---

• 
  Строповка грузов
• 
  Установка зажигания ямз 238
• 
  Дз 42 бульдозер
• 
  Мерседес спринтер фургон
• 
  Шаровые мельницы
• 
  Погрузчик ковшовый
• 
  К 700а
• 
  Свойства резины
• 
  Габариты фиат дукато
• 
  Кшм что такое
• 
  Хендай 120