История развития аккумуляторов

История развития свинцово-кислотных батарей

История развития аккумуляторов

Первым источником тока, после изобретения электрофорной машины, был элемент Вольта,
названный так в честь своего создателя. Итальянский физик А. Вольта объяснил причину
гальванического эффекта, открытого его соотечественником Л. Гальвани. В марте 1800
года он сообщил о создании устройства, названного в последствии «Вольтов столб».
Так началась эра электричества.

1859 г Гастон Планте изобрел свинцово-кислотный аккумулятор
1880 г Гастон Планте (Gaston Planté) впервые на практике применил свинцово-кислотную систему со своей свинцовой пластиной
1880 г Faure (К. Фор) начал изготавливать намазные электроды нанесением на поверхность пластин окислов свинца. Это позволило увеличить емкость пластины
1881 г Э. Фолькмар предложил намазную решетку в качестве электродов
1881 г Начало разработки российских аккумуляторов в Кронштадте
1882 г Gladstone и Tribe’s разработали теорию двойной сульфатации
1883 г Tudor разработал плетёную свинцовую пластину
1890 г Впервые применена решётка в свинцово-кислотной батарее; впервые использование пасты без примесей
1890 г Использование деревянного сепаратора
1900 г Использование свинцового порошка и оксида свинца; структура пластины с железным армированием (жёсткая резина и асбест)
1914 г Резиновый сепаратор; впервые определено влияние расстояния между пластинами на ёмкость
1927 г Использование в качестве сепаратора пористого эбонита и микропористой резины
1935 г Использование свинцово-кальциевой решётки позволило уменьшить величину саморазряда
1948 г Сепаратор из целлюлозы и связывающего волокна; использование активной массы низкой плотности
1965 г Компания Yuasa разработала необслуживаемые батареи для портативных приборов технологии с адсорбированным электролитом (AGM)
1960-е гг Легковесная конструкция, пластиковый корпус батареи, высокая автоматизация процесса сборки батарей; эффективный дизайн
1970 г Использование необслуживаемых батарей для автомобилей
1990-е гг Начало производства аккумуляторов с гелеобразным электролитом
2000-е гг начало производства аккумуляторов с фронтальным расположением полюсных борнов

Принцип действия

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в сернокислотной среде. Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на катоде 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 с одновременным образованием воды (и плотность электролита падает), а при заряде, наоборот, вода «расходуется» на образование серной кислоты (плотность электролита растет). 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 ее долить

Физические характеристики

• Теоретическая энергоемкость (Вт·ч/кг): около 133 Вт·ч/кг.
• Удельная энергоемкость (Вт·ч/кг): 30-60 Вт·ч/кг .
• Удельная энергоплотность (Вт·ч/дм³): около 1250 Вт·ч/дм³.
• ЭДС заряженного аккумулятора = 2,11 В, рабочее напряжение = 2,1 В (3 или 6 секций в итоге дают стандартные 6,3 В или 12,6 В).(12,9 В)
• Напряжение полностью разряженного аккумулятора = 1,75— 1,8 В (из расчета на 1 секцию). Ниже разряжать их нельзя.
• Рабочая температура: от минус 40 до плюс 40
• КПД: порядка 80-90%

разновидности аккумуляторной батареи, характеристики и принцип работы

Ни один автомобиль не может работать без аккумулятора. Кислотные аккумуляторные батареи подают электроэнергию для работы генератора и двигателя автомобиля. Первые аккумуляторные системы появились в XIX веке после проведения модернизации существующих тогда АКБ. Были созданы самые известные и популярные свинцово-кислотные батареи. Сегодня такие устройства установлены на большинстве всех существующих в мире автомобилей.

Содержание

1. Несколько исторических данных
2. Устройство свинцово-кислотной батареи
3. Различные модели АКБ
4. Принцип работы системы

Несколько исторических данных

Первым создателем свинцово-кислотной АКБ считается француз Г. Планте. Он был заинтересован в создании такой батареи, которая подавала бы нужный ток и при этом не требовала больших финансовых затрат. Ему удалось создать новую конструкцию, в которую входили свинцовые электроды, погруженные в серную кислоту.

Недостатком такой инновации считалось большое число циклов зарядки-разрядки, пока кислотная батарея не будет заряжена полностью. Надо сказать, что количество таких циклов могло достигать огромных значений. Чтобы достичь полной зарядки, требовался не один год. Причиной стали сепараторы и свинцовые электроды.

Такой срок никого не устраивал. Поэтому многие учёные стремились спроектировать и создать другую конструкцию АКБ. Это удалось в 1900 году. Была спроектирована новая модель. Вместо целых свинцовых пластин использовался только окисел свинца. Он совместно с сурьмой наносился на особые пластины. Позднее в конструкцию была добавлена металлическая решётка, покрытая сурьмой и свинцовыми окислами. В результате:

• Ёмкость АКБ стала больше.
• Появился коммерческий интерес.
• Произошёл эволюционный скачок.

В конце XX века аккумуляторные батареи стали герметизировать. Это стало возможным благодаря замене электролита на специальные гели и усовершенствованные газы. Но добиться полной герметичности не удалось. Во время зарядки начинали образовываться газы, которые должны были покинуть внутреннюю часть батареи.

Для этого её снабдили пробками, которые откручиваются. Через открытые отверстия скопившиеся газы выходят наружу.

Устройство свинцово-кислотной батареи

Более 100 лет параметры и характеристики кислотных аккумуляторов остаются неизменными. В конструкции устройства входит:

• Корпус, имеющий форму призмы. Он может быть изготовлен из резины или пластика.
• Металлическая решётка, покрытая свинцовой намазкой.
• Положительный и отрицательный электрод.
• Клапан, предназначенный для удаления газов.
• Сепараторы, в которые заливается электролит.
• Свободные пространства, наполненные мастикой.
• Верхняя крышка.

В современных АКБ обязательно имеется специальная система, через которую выводятся лишние газы. Только в бескислотных батареях делается полная герметизация корпуса.

Различные модели АКБ

На современных автомобилях устанавливается несколько видов свинцово-кислотных устройств. Они подразделяются на группы:

• АКБ 6V. В состав батареи входит 6 блоков. Каждый вырабатывает 2,1 вольта. Общее напряжение достигает 12,6. Именно такие аппараты устанавливаются на современные автомобили.
• Гибридные системы. Положительный электрод изготовлен из сурьмы, а отрицательный — из кальция. Совместно с оксидом свинца они вырабатывают нужный ток. Однако из-за присутствия кальция такая конструкция выходит из строя очень быстро.
• Гелевые приборы. Отличаются от обычных моделей гелеобразным электролитом. Они не требуют только одной горизонтальной установки. Положение такой батареи может быть любым, оно зависит от конструкции автомобиля.

Принцип работы системы

Новейшие батареи можно использовать очень долго. Они вырабатывают ток благодаря химическим реакциям. В это время происходит большой расход химических веществ. Их восстановление происходит во время зарядки. Все реакции происходят в химическом веществе, в состав которого входит несколько элементов:

• Окислитель.
• Электролит.
• Восстанавливающий элемент.

Отрицательный электрод обладает функцией восстановителя. Когда начинается токообразующая реакция, он начинает отдавать электроны. В результате запускается процесс окисления. Положительный электрод начинает восстанавливается. По умолчанию он считается и окислителем.

После подключения АКБ к зарядному аппарату начинается движение электронов к отрицательному электроду. Происходит нейтрализация вредных ионов свинца.

Практический опыт показал, что наилучшими конструкциями свинцово-кислотных АКБ можно назвать модели, в состав которых входит электродная сетка с нанесённым покрытием из сурьмы. Сегодня можно встретить также и гелевые сетки. Эта система только начинает зарождаться, но у неё большое будущее.

Гибридные модели сильно отличаются от свинцовых, они требуют дополнительного обслуживания. Эти системы не пользуются большим спросом, поэтому на рынке они встречаются очень редко.

Свинцово-кислотная батарея – конструкция, работа, преимущества

Содержание

Определение: В батареях используется губчатый свинец и перекись свинца для преобразования химической энергии в электрическую. Аккумулятор такого типа называется свинцово-кислотным. Свинцово-кислотные батареи часто используются на электростанциях и подстанциях из-за их высокого напряжения и низкой стоимости.

Конструкция свинцово-кислотных аккумуляторов

Различные части свинцово-кислотных аккумуляторов показаны ниже. Контейнеры и пластины являются основным компонентом свинцово-кислотных аккумуляторов. Контейнер хранит химическую энергию, которая с помощью пластины преобразуется в электрическую энергию.

1.

Контейнер –

Контейнер свинцово-кислотного аккумулятора изготавливается из стекла, футерованного свинцом дерева, эбонита, эбонита из битумного компаунда, керамического материала или формованного пластика и устанавливается сверху для предотвращения утечки электролита. В основании контейнера есть четыре ребра, два из которых поддерживают положительную пластину, а другое — отрицательную.

Призма служит опорой для пластин и одновременно защищает их от короткого замыкания. Материалы, из которых изготавливаются аккумуляторные емкости, должны быть стойкими к действию серной кислоты, не деформироваться и не быть пористыми, содержать примеси, способные повредить электролит.

2.

Пластины –

Пластины для свинцово-кислотных ячеек бывают различных конструкций, каждая из которых имеет форму сетки, состоящей из свинца и активных ингредиентов. Сетка необходима для проведения электрического тока и равномерного распределения тока в активном материале. Если ток распределяется неравномерно, активный материал замедляется и выпадает.

Сетки изготовлены из сплава свинца и сурьмы. Обычно их делают с поперечным ребром, пересекающим локации под прямым углом или по диагонали. Решетки положительных и отрицательных пластин имеют одинаковую конструкцию, но сетки отрицательных пластин легче, потому что они не так важны для равномерной проводимости тока.

3. Активный материал –

Материал элемента, который принимает активное участие в химической реакции (поглощение или выделение электрической энергии) во время зарядки или разрядки, называется активным материалом элемента. Активными элементами свинцово-кислотных являются

Перекись свинца (PbO2) – образует положительный активный материал. PbO2 имеет цвет темного шоколада.

Свинцовая губка – образует отрицательный активный материал. Он серого цвета.

Кислота серная разбавленная (h3SO4) – используется в качестве электролита. Он содержит 31% серной кислоты.

Перекись свинца и свинцовые губки, которые образуют отрицательный и положительный активные материалы, имеют небольшую механическую прочность и поэтому могут использоваться отдельно.

4. Сепараторы –

Сепараторы представляют собой тонкие листы непроводящего материала, изготовленные из химически обработанного свинца, пористой резины или матов из стекловолокна, которые помещаются между плюсом и минусом, чтобы изолировать их друг от друга. Сепараторы имеют вертикальные канавки с одной стороны и гладкие с другой стороны.

5. Клеммы аккумулятора –

Аккумулятор имеет две клеммы, положительную и отрицательную. Положительная клемма диаметром 17,5 мм вверху немного больше, чем отрицательная клемма диаметром 16 мм.

Принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора

При растворении серной кислоты ее молекулы расщепляются на положительные ионы водорода (2H+) и отрицательные ионы сульфата (SO4—) и свободно перемещаются. Если два электрода погружены в растворы и подключены к источнику постоянного тока, ионы водорода заряжаются положительно и перемещаются к электродам и подключаются к отрицательной клемме источника.

Отрицательно заряженные ионы SO4- перемещаются к электродам, подключенным к положительной клемме питающей сети (т.е. к аноду).

Каждый ион водорода забирает электрон с катода, а каждый сульфат-ион забирает два отрицательных иона с анода и вступает в реакцию с водой с образованием серной кислоты и водорода.

Кислород, полученный по приведенному выше уравнению, реагирует с оксидом свинца и образует пероксид свинца (PbO2).

Если источник питания постоянного тока отключен, а вольтметр подключен между электродами, он покажет разность потенциалов между ними. Если провод соединяет электроды, то ток будет течь от положительной пластины к отрицательной через внешнюю цепь, т.е. ячейка способна поставлять электрическую энергию.

Химическое действие при разрядке

Когда элемент полностью разряжен, анодом служит перекись свинца (PbO2), а катодом — губчатый свинец (Pb). Когда электроды соединены через сопротивление, ячейка разряжается, и электроны текут в направлении, противоположном направлению заряда. Ионы водорода движутся к аноду и достигают анода, получают электрон от анода и становятся атомом водорода.

Атом водорода вступает в контакт с PbO2, поэтому он атакует и образует сульфат свинца (PbSO4), беловатого цвета и водный согласно химическому уравнению.

Каждый ион сульфата (SO4—) движется к катоду и, достигая там, отдает два электрона, становится радикалом SO4, атакует катод из металлического свинца и образует сульфат свинца беловатого цвета в соответствии с химическим уравнением.

Химическое действие при перезарядке

Для перезарядки анод и катод подключаются к положительной и отрицательной клемме сети постоянного тока. Молекулы серной кислоты распадаются на ионы 2Н+ и SO4—.

Ионы водорода, будучи положительно заряженными, движутся к катодам, получают оттуда два электрона и образуют атом водорода. Атом водорода реагирует с катодом сульфата свинца с образованием свинца и серной кислоты в соответствии с химическим уравнением.

SO4— Ион движется к аноду, отдает два своих дополнительных электрона, становится радикалом SO4, реагирует с анодом из сульфата свинца и образует пероксид свинца и сернокислотный свинец в соответствии с химическим уравнением, которое представлено одним обратимым уравнением нижеприведенный.

Конструкция свинцово-кислотного аккумулятора Принцип работы — Знания Обычно они больше по размеру, имеют прочную и тяжелую конструкцию, могут хранить большое количество энергии и обычно используются в инверторах и автомобилях. Свинцово-кислотные аккумуляторы очень популярны, даже после конкуренции с литий-ионными аккумуляторами спрос на свинцово-кислотные аккумуляторы растет с каждым днем, поскольку они дешевле и проще в использовании по сравнению с литий-ионными аккумуляторами.

Эти батареи буквально доминировали на рынке в течение многих лет с момента их изобретения в начале 1800-х годов. Несмотря на то, что батареи имеют небольшое отношение энергии к объему и энергии к весу, они способны выдавать более высокие импульсные токи. Это батареи, в которых используется перекись свинца и губчатый свинец для преобразования химической энергии в электрическую. Они в основном используются на подстанциях и в энергосистемах из-за повышенного уровня напряжения ячейки и снижения затрат.

Конструкция свинцово-кислотных аккумуляторов, принцип работы

Когда речь идет о свинцово-кислотных аккумуляторах, контейнеры и пластины являются наиболее важными компонентами. Контейнер хранит химическую энергию, которая преобразуется в электрическую с помощью пластин. В следующих параграфах мы дадим подробное описание каждого компонента, используемого в конструкции свинцово-кислотного аккумулятора.

1. Контейнер: Контейнер для свинцово-кислотного аккумулятора изготавливается из облицованного свинцом дерева, стекла, твердой резины, битумного композита, эбонита, керамического материала или формованного пластика и устанавливается сверху для предотвращения вытекания электролита. На дне контейнера есть четыре ребра, два из которых опираются на положительную пластину, а два других поддерживают отрицательную пластину.

2. Пластина: Пластина свинцово-кислотного аккумулятора имеет различную конструкцию и состоит из определенного типа сетки, состоящей из свинца и активного материала. Сетка необходима для проведения электрического тока и равномерного распределения тока по активному веществу. Если ток будет распределен неравномерно, то активное вещество выпадет.

Аккумуляторные пластины бывают двух типов: штампованные пластины и вклеенные пластины. Формованные пластины в основном используются для статических батарей, они тяжелые и дорогие. Эти пластины имеют долгий срок службы и вряд ли легко потеряют свои живые компоненты даже в процессе постоянной зарядки и разрядки. Вклеенные пластины в основном используются в конструкции отрицательных пластин, чем из этих положительных пластин.

3. Клеммы аккумулятора: аккумулятор имеет отрицательную и положительную клеммы. Положительная клемма имеет диаметр 17,5 мм и немного больше в верхней части, чем отрицательная клемма диаметром 16 мм.

4. Сепараторы: это небольшие листы непроводящего материала, изготовленные из химически обработанного свинцового дерева, маты из стекловолокна, губчатой ​​резины и маты из стекловолокна, они находятся между отрицательным и положительным для защиты сепаратора друг от друга. Сепараторы прошиты вертикально с одной стороны и гладкие с другой стороны.

5. Активный компонент: Активный компонент — это компонент, который активно участвует в процессах химических реакций, происходящих в аккумуляторе, в основном во время зарядки и разрядки. Ниже приведены активные компоненты:

Губчатый свинец: это вещество образует отрицательные активные компоненты

Перекись свинца: это положительный активный компонент.

Разбавленная серная кислота: Используется в основном как раствор электролита.

Губчатые вещества и свинец, которые являются как положительными, так и отрицательными активными веществами, имеют низкую механическую прочность и могут использоваться отдельно.