Как устроена свинцово-кислотная батарея? Свинцово кислотная аккумуляторная батарея

Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея.

Первый работоспособный свинцово-кислотный аккумулятор (СКА) был изобретен в 1859 г. французским ученым Гастоном Планте. Его конструкция представляла собой электроды из листо-вого 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 результате плодотворной работы на протяжении более 100 лет и в целях безопасной и экологически более чистой эксплуатации в 70-е годы 20-го столетия были изобретены необслуживаемые герметичные СКА. Они нашли широкое применение в устройствах систем безопасности и жизнеобеспечения.

Рисунок . Основные типы свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.

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 предот-вращения 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 %.

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 сравне-нию с другими типами батарей, что это делает нецелесообразным использование их в качестве источников питания переносных устройств. Хотя примеры их применения в портативной элек-тронной технике есть. Кроме того, при низких температурах их емкость существенно снижается.

Читайте также:

lektsia.com

Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея

Cтраница 1

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи поступают потребителям, как правило ( за исключением батарей, установленных на автомобилях), в сухозаряженном исполнении. Значительное влияние на состояние, работоспособность и срок службы аккумуляторных батарей оказывают объем и качество работ, производимых для приведения батарей в рабочее состояние. Необходимо подготовить электролит требуемой плотности и залить его в аккумуляторы.  [1]

Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея является вторичным химическим источником постоянного тока. Прежде чем она будет отдавать электрическую энергию, ее необходимо зарядить - сообщить ей определенное количество электрической энергии. На автомобилях применяют стартерные аккумуляторные батареи, конструкция которых позволяет разряжать их токами, в 3 - 5 раз превышающими их номинальную емкость.  [2]

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи являются наиболее распространенными источниками тока.  [3]

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи широко известны и длительное время выпускаются промышленностью. Залогом высокого качества аккумуляторов является надежный выбор исходных материалов и совершенная технология изготовления. Характерной особенностью производства свинцово-кислотных батарей является применение в качестве основного сырья, используемого для изготовления деталей, дорогих и дефицитных цветных металлов - свинца, сурьмы и их сплавов.  [4]

Стационарные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи комплектуют из открытых свинцово-кислотных аккумуляторов типа С ( СК) или из закрытых стационарных аккумуляторов типа СН.  [5]

Стартерные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи считаются вышедшими из строя, если их емкость, определенная при температуре 25 2 С и силе разрядного тока / РЗСМ А, не превышает 40 % номинального значения или 50 % значения стартерного режима разряда.  [6]

Первая свинцово-кислотная аккумуляторная батарея, преподнесенная в 1860 г. Парижской Академии наук Гастоном Планте.  [7]

Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея типа 24ЭПМ - 80 состоит из 24 элементов типа ЭПМ-80 ( электровозная панцирная с мипоровыми сепараторами емкостью 80 а ч при пятичасовом разрядном токе), соединенных между собой последовательно.  [9]

В процессе эксплуатации свинцово-кислотные аккумуляторные батареи заряжают, контролируют их текущую работу, выполняют операции технического обслуживания, подготавливают батареи к длительному хранению.  [10]

На станциях и подстанциях применяются свинцово-кислотные аккумуляторные батареи: стационарные кратковременного разряда типа СК и герметические с намазными пластинами типа СН. Электролитом батарей является раствор серной кислоты.  [11]

На отечественных тракторах и автомобилях применяют стартерные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи. Аккумуляторная батарея - это химический источник тока многократного действия, который необходимо предварительно заряжать. В процессе зарядки аккумуляторы получают определенное количество электрической энергии от источника постоянного тока. При этом происходит превращение электрической энергии в химическую. В процессе разрядки происходит обратное превращение, и потребители получают электрическую энергию.  [12]

С блоком манифольда поставляется сопроводительная документация, содержащая паспорт, техническое описание и инструкцию по эксплуатации, ведомость ЗИП, инструкцию по эксплуатации автомобиля ЗИЛ-131 или его модификацию, приемо-сдаточный акт автомобиля ЗИЛ-131, автомобильные и тракторные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи и инструкцию по их эксплуатации, опись шоферского инструмента и принадлежностей к автомобилю ЗИЛ-131 или его модификации.  [13]

Необходимо считаться также с воздействием частиц токсичных металлов, таких как оксид кадмия, ртуть, оксид ртути, никель и смеси с никелем, литий и смеси с литием, используемых в анодах и катодах отдельных типов батарей. Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея, или аккумулятор, может быть причиной значительных производственных рисков из-за воздействия свинца.  [15]

Страницы:      1    2

www.ngpedia.ru

Устройство свинцово-кислотной аккумуляторной батареи

Изобретенная французским физиком Гастоном Планте в далеком 1859 году, свинцово-кислотная батарея стала первым коммерчески используемым аккумулятором. Несмотря на преклонный возраст, эта электрохимическая система широко используется и сегодня. И для этой популярности есть веские причины - надежность и стоимость поставляемого электричества. Другие типы аккумуляторов не могут обеспечить подобную дешевизну, так что это делает свинцово-кислотный источник питания рентабельным для использования в автомобилях, гольф-карах, автопогрузчиках, водном транспорте и в качестве источника бесперебойного питания.

Решеточная структура свинцово-кислотного аккумулятора выполнена из свинцового сплава. Чистый свинец слишком мягкий и не может сам себя поддерживать, поэтому в него добавляют небольшие количества других металлов для придания механической прочности и для улучшения электрических свойств. Наиболее распространенными добавками являются сурьма, кальций, олово и селен. Такие аккумуляторы иногда называют “свинцово-сурьмянистыми”, “свинцово-кальциевыми”, в зависимости от сплава.

Добавление сурьмы и олова улучшает переносимость глубоких разрядов и добавляет способность выдерживать более сильные циклические нагрузки, но вместе с этим увеличивается потребление воды в электролите, но также появляется необходиомсть в уравнительном заряде. Использование кальция уменьшает саморазряд, но имеет недостаток в виде окисления положительной свинцово-кальциевой пластины при глубоком разряде или перезаряде. В современных свинцово-кислотных батареях также применяются такие легирующие примеси как селен, кадмий, олово и мышьяк.

Свинцово-кислотные аккумуляторы тяжелее и менее долговечны при систематических глубоких разрядах, чем батареи на основе никеля или лития. Полный разряд вызывает деформацию и каждый цикл разряда/заряда лишает батарею небольшого количества емкости. Эта потеря невелика, и батарея остается в хорошем рабочем состоянии долгое время, но при падении уровня емкости до половины номинального значения, скорость деградации увеличивается. Стоит сказать, что такой износ в той или иной мере присущ всем типам аккумуляторов.

В зависимости от глубины разряда, свинцово-кислотные батареи обеспечивают от 200 до 300 циклов заряда/разряда. Основными причинами такого относительно небольшого количества циклов является коррозия положительного электрода, истощение активного вещества и расширение положительных пластин. Эти процессы приводят к старению батареи и ускоряются при повышенных рабочих температурах и при высоких разрядных токах. (Смотрите также: Как продлить жизнь свинцово-кислотному аккумулятору).

Процесс зарядки свинцово-кислотного аккумулятора достаточно прост, необходимо лишь соблюдать правильные пределы напряжений. Пониженное напряжение более бережно к аккумулятору, но требует больше времени и может вызывать сульфатацию на отрицательной пластине. Повышенное же повышает эффективность зарядки, но приводит к коррозии решетки отрицательной пластины. В то время как сульфатация обратима при правильном обслуживании, коррозия – это необратимый процесс. (Смотрите также: Как правильно заряжать свинцово-кислотный аккумулятор).

Для большинства свинцово-кислотных аккумуляторов время зарядки составляет порядка 14-16 часов. Хранить аккумуляторы всегда необходимо только в заряженном состоянии, так как при низком уровне заряде могут происходить процессы сульфатации, которые негативно влияют на производительность аккумулятора. Сульфатации можно противостоять добавляя углерод в состав анода, но это снижает удельную энергоемкость батареи.(Смотрите также: Новые свинцово-кислотные электрохимические системы).

Несмотря на умеренную продолжительность жизни свинцово-кислотных батарей, они лишены такого присущего батареям на основе никеля недостатка как “эффект памяти”, и имеют лучшие показатели хранения энергии среди всех аккумуляторных батарей. В то время как никель-кадмиевый аккумулятор теряет около 40 процентов запасенной энергии в течение трех месяцев, свинцово-кислотному для такого же саморазряда требуется один год. Свинцово-кислотные батареи хорошо работают при низких температурах и превосходят литий-ионные при минусовых ее значениях.

Первые герметичные, или необслуживаемые, свинцово-кислотные батареи были разработаны в середине 1970-х годов. Инженеры утверждают, что термин “герметичный” в этом случае используется некорректно, так как свинцово-кислотная батарея технически не может быть полностью герметичной. При зарядке большим напряжением или при подключении нагрузки, которая потребляет высокие показатели силы тока, в свинцово-кислотном аккумуляторе происходит выработка газов, что приводит к повышению давления внутри корпуса батареи. И для решения данной проблемы в конструкцию “герметичной” батареи добавляют клапан, который способен самостоятельно нормализировать давление. Также существует конструктивное решение, похожее на применяемое в батареях на основе никеля и лития. Оно заключаются в замене жидкого электролита на влажный сепаратор, пропитанный этим самым электролитом. Это позволяет эксплуатировать аккумулятор в любом положении без риска утечки электролита.

Герметичный аккумулятор содержит в себе гораздо меньшее количество электролита, чем затопленный. Возможно, наиболее значительным преимуществом герметичного свинцово-кислотного аккумулятора является способность к рекомбинации кислорода и водорода обратно в воду, что и позволяет ему быть необслуживаемым, то есть не зависеть от добавления воды в электролит извне. Рекомбинация происходит при умеренном давлении в 0,14 бар (2 кПа), а клапан выполняет предохранительную функцию при излишнем повышении давления. При этом следует избегать чрезмерного удаления воздуха из батареи, так как это в конечном итоге приводит к обезвоживанию электролита.

Существует несколько видов герметичных свинцово-кислотных батарей, и наиболее распространенными среди них являются гелевые, также известные как свинцово-кислотные батареи с регулируемым клапаном (Valve Regulated Lead Acid Battery или сокращенно VRLA) и батареи с технологией AGM (Absorbent Glass Mat), которая использует в качестве сепаратора пористый сорбент из стекловолокна, который впитывает жидкий электролит. Гелевые же аккумуляторы называются так из-за пастообразной консистенции используемого электролита. Герметичные аккумуляторы емкостью менее 30 ампер-часов часто называют SLA (от английского Sealed Lead Acid). Доступная цена, надежный сервис и низкие эксплуатационные расходы позволяют SLA батареям быть лучшим решением для небольших ИБП, обеспечения аварийного освещения или для использования в медицинском оборудовании. Более крупноразмерные VRLA батарее используются в качестве резервных источников питания для вышек мобильной связи, дата-центров, банков, аэропортов и т. д.

AGM технология подразумевает использование абсорбированного электролита в специально разработанном сепараторе. Это дает ряд преимуществ свинцово-кислотной электрохимической системе, в их числе – более быстрая зарядка и мгновенное обеспечение большой силой тока мощной нагрузки. AGM-технология наиболее практична для использования в аккумуляторах средней емкости, от 30 до 100 ампер-часов. AGM батареи чаще всего применяются в качестве стартерных аккумуляторов для мотоциклов, для функционирования системы “старт-стоп” в гибридных автомобилях, как источник питания в трейлерах и т. д.

В течение жизни емкость AGM аккумулятора постепенно уменьшается, гелевый же имеет куполообразную кривую производительности - то есть его емкость с течением времени стабильна, но к концу жизни резко падает. AGM аккумулятор дороже обычного затопленного, но дешевле гелевого (использование гелевого аккумулятора для системы “старт-стоп” в автомобилях непрактично из-за его стоимости.)

В отличие от затопленного свинцово-кислотного аккумулятора, герметичный разработан с более низким потенциалом перенапряжения для предотвращения газообразования при зарядке. Если допустить перезарядку, газообразование все же происходит и приводит к обезвоживанию аккумулятора. Следовательно, гелевые, а отчасти и AGM аккумуляторы, не могут быть заряжены до полного потенциала, и их предел напряжения должен быть установлен меньшим, чем у затопленного. Это также относится и к режиму подзарядки. С точки зрения процесса зарядки, гелевые и AGM аккумуляторы не являются прямой заменой затопленным. Если же приходится использовать обычное зарядное устройство для AGM аккумулятора с более низким пределом напряжения, необходимо отсоединить его после 2-4 часов зарядки. Это предотвратит газообразование вследствие более высокого значения напряжения подзарядки. (Смотрите: Как правильно заряжать свинцово-кислотный аккумулятор).

Оптимальная рабочая температура для VRLA батареи составляет 25°С; повышение температуры всего на 8°С сокращает срок службы аккумулятора в два раза. (Смотрите: Влияние температуры и нагрузки на срок службы аккумулятора). Свинцово-кислотные батареи рассчитаны на 5-ти часовой (0,2С) или 20-ти часовой (0,05С) цикл разряда. Именно при медленном разряде показатели мощности самые эффективные. Тем не менее, они отлично справляются и с высокими импульсными токами на протяжении нескольких секунд. Именно поэтому они используются для запуска стартера двигателя внутреннего сгорания. Но с точки зрения утилизации, наличие в составе свинца и серной кислоты делает эти аккумуляторы довольно неэкологичными.

Свинцово-кислотные аккумуляторы обычно разделяют на три подвида: автомобильные (стартерные или SLI), движущей энергии (тяговые или глубокого разряда) и стационарные (ИБП).

2. Стартерные аккумуляторы

Стартерные аккумуляторы предназначены для запуска двигателя внутреннего сгорания и способны выдерживать очень мощную нагрузку в течение секунды или около того. Относительно своих размеров, стартерный аккумулятор способен генерировать большие показатели силы тока, но следует внимательно контролировать степень заряда такого аккумулятора, так как глубокий разряд для него крайне вреден. Стартерные аккумуляторы оцениваются по номинальной или резервной емкости (reserve capacity или RC), для указания способности аккумулировать энергию, а также по пусковому току или току холодной прокрутки (cold cranking amps или CCA), указывающему на максимальное значение силы тока, которое способен отдавать аккумулятор при холодной температуре. Международный стандарт SAE J537 регламентирует 30-ти секундную работу аккумулятора при -18°С до снижения напряжения на клеммах до 7,2 вольта. Резервная емкость указывает на время работы аккумулятора при токе разряда 25 ампер без подзарядки генератором. (Смотрите: Как измерить пусковой ток).

У стартерных аккумуляторов очень низкое внутреннее сопротивление, что достигается путем добавления дополнительных пластин для обеспечения максимальной площади поверхности (см. рисунок 1). Эти пластины очень тонкие и делаются из губчатого свинца, который имеет пенообразную структуру, что позволяет еще более увеличить площадь. Для стартерных аккумуляторов толщина пластины не так важна как для аккумуляторов глубокого разряда, так как стартерный предназначен для работы в режиме подзарядки и его разряд, как правило, неглубокий; акцент делается на мощности, а не на емкости.

Рисунок 1: Стартерный аккумулятор

Стартерный аккумулятор состоит из множества тонких пластин для достижения низкого внутреннего сопротивления с помощью большой площади поверхности. Стартерные аккумуляторы не предназначены для глубокого разряда.

3. Аккумуляторы глубокого разряда

Аккумуляторы глубоко разряда разработаны, чтобы обеспечивать непрерывное питание инвалидных колясок, гольф-каров, погрузчиков и т. д. Данные аккумуляторы оптимизированы под максимальную емкость и достаточно большое количество циклов заряда/разряда. Это достигается путем увеличения толщины свинцовых пластин (см. рисунок 2). Хотя эти аккумуляторы и предназначены для циклического режима работы, полный разряд вреден для них и число возможных циклов зависит от глубины разряда. Аккумуляторы глубокого разряда оцениваются по емкости в ампер-часах или по времени работы при определенной силе тока (обычно это 5-и или 20-и часовой показатель разряда).

Рисунок 2: Аккумулятор глубокого разряда

Аккумуляторы глубокого разряда оборудованы толстыми свинцовыми пластинами для улучшения характеристик. Как правило, их срок службы составляет до 300 циклов разряд/заряд.

Стартерный аккумулятор не может быть заменен аккумулятором глубокого разряда или наоборот. Неплохая на первый взгляд идея заменить аккумулятор глубокого разряда в инвалидном кресле на более дешевый стартерный приведет к порче последнего в следствие быстрой деградации тонких пластин.

Существуют и комбинированные стартерно/глубокоразрядные аккумуляторы, разработанные для грузовых автомобилей, автобусов, спецтранспорта и военной техники, но конструктивно они очень большие и тяжелые. Чем тяжелее аккумулятор, тем больше свинца он содержит и, соответственно, аккумулирует больше энергии. В таблице 3 сравнивается срок службы стартерных аккумуляторов и аккумуляторов глубокого разряда при различных величинах разряда.

Таблица 3: Производительность стартерных аккумуляторов и аккумуляторов глубокого разряда. Глубина разряда в 100% подразумевает полный разряд, 50% - разряд половины емкости, а 30% - легкий разряд с сохранением 70% номинальной емкости.

Свинец является токсичным материалом, и экологами принимаются усилия для замены свинцово-кислотной электрохимической системы альтернативной. В случае с никель-кадмиевыми батареями подобная инициатива привела к запрету их использования в потребительских устройствах. В качестве возможных вариантов замены рассматриваются никель-металл-гидридные и литий-ионные батареи, но у них слишком высокая стоимость и плохие низкотемпературные характеристики. При соблюдении правил утилизации показатель рециркуляции свинца составляет 99%, что не представляет большой опасности для окружающей среды, и этот факт оставляет свинцово-кислотную электрохимическую систему оптимальным решением и с точки зрения экологии.

В таблице 4 перечислены преимущества и недостатки наиболее распространенных свинцово-кислотных аккумуляторов. Новейшие экспериментальные модели этой электрохимической системы в таблицу не включены. (Смотрите: Новые свинцово-кислотные электрохимические системы).

best-energy.com.ua

• 
  Пежо боксер размеры кузова
• 
  Электродвигатель крановый
• 
  Краскораспылитель со 71в
• 
  Второй такт работы двигателя внутреннего сгорания
• 
  Цикл стирлинга
• 
  Цикл стирлинга
• 
  Требования по безопасности строительных объектов
• 
  Захват клещевой
• 
  Автоматическое управление автомобилем
• 
  Клещевой захват
• 
  Более устойчив к опрокидыванию в повороте легковой автомобиль