Принцип действия свинцово кислотного аккумулятора

Устройство автомобилей

Аккумуляторные батареи

Принцип работы свинцового аккумулятора

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

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

Конструктивно аккумулятор представляет собой емкость, наполненную электролитом, в которой размещены свинцовые электроды. В качестве электролита используется раствор серной кислоты и дистиллированной воды. Электроды выполнены в виде пластин, одна из которых изготовлена из губчатого свинца Pb, а вторая – из диоксида свинца PbO₂. При взаимодействии электродов с электролитом между ними возникает разность потенциалов.

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

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

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

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

Реакции на аноде:

Реакции на катоде:

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

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

При погружении электрода, изготовленного из двуокиси свинца, в раствор серной кислоты наблюдается такой же процесс, но результат получается иной. Двуокись свинца в ограниченном количестве переходит в раствор, где при соединении с водой ионизируется на четырехвалентные ионы свинца Рв4+ и одновалентные ионы гидроксила ОН.
Четырехвалентные ионы свинца, осаждаясь на электроде, создают положительный потенциал относительно раствора. Серная кислота образует в воде практически только на ионы НO + и HSO₄.
Таким образом, при разряде аккумулятора расходуется серная кислота, образуется вода, а на обоих электродах — сульфат свинца. При заряде процессы протекают в обратном направлении.

При подключении потребителей в аккумуляторе возникает разрядный ток. При этом ионы сернокислотного остатка SO₄ соединяются со свинцом электродов и образуют на них сернокислый свинец PbSO₄, а ионы водорода соединяются с кислородом, выделяясь на положительной пластине в виде воды.
В результате электроды покрываются сернокислым свинцом, а серная кислота разбавляется водой, т. е. при разряде аккумулятора плотность электролита уменьшается. Поэтому по плотности электролита можно судить о степени заряженности аккумуляторной батареи.

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

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

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

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

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

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

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

Источник

Свинцово-кислотный аккумулятор — из чего состоит и как работает

Что такое свинцово-кислотный аккумулятор

Свинцовый аккумулятор – такой тип химического источника тока, который основан на реакции свинца и серной кислоты. Его изобретателем считается Гастон Планте, а первое появление датируется 1859-1860 годами. В 1878 году устройство аккумулятора было усовершенствовано изобретателем Камиллом Фором, который предложил наносить на пластины свинцовый сурик – красно-оранжевый порошок, представляющий собой ортоплюмбат свинца. В том же веке Николай Николаевич Бенардос – русский инженер и изобретатель – покрыл пластины батареи губчатым свинцом, добившись увеличения мощности.

Чтобы узнать, какой процесс происходит в аккумуляторе во время его работы, необходимо подробно рассмотреть его устройство. Конструкция современного кислотного аккумулятора включает в себя:

• корпус из кислотоупорного материала;
• электролит, представляющий собой раствор серной кислоты в дистиллированной воде;
• анодные – положительные – решетчатые свинцовые пластины, в ячейках которых запрессован порошок диоксида свинца;
• катодные – отрицательные – решетчатые свинцовые пластины, в ячейках которых – губчатый свинец;
• сепараторы, выполненные из пористого, не контактирующего с кислотой материала и предназначенные для разделения положительно и отрицательно заряженных пластин и предупреждения короткого замыкания между ними
• крышку (обычно встречается в переносных батареях), для достижения герметичности упаковки залитая мастикой;
• бареток, соединяющих одноимённые пластины и служащих в качестве токоотвода;
• крепёжные и соединительные элементы.

СПРАВКА: специалисты из США нашли способ облегчить свинцово-кислотный аккумулятор, увеличив при этом коэффициент полезного действия (КПД) – вместо полностью свинцовых решёток инженеры предлагают использовать пластины из углеродного волокна со свинцовым покрытием.

Принцип действия свинцового аккумулятора заключается в следующем. Положительные и отрицательные электроды опущены в электролит, и при подключении источника тока к внешней цепи оксид свинца вступает в химическую реакцию с серной кислотой. По мере разрядки батареи на аноде окисляется свинец, а на катоде происходит процесс восстановления диоксида свинца. Также при уменьшении заряда в АКБ плотность электролита снижается из-за расхода серной кислоты и выделения воды. Но стоит учитывать, что в процессе зарядки устройства запускаются обратные процессы.

СПРАВКА: при перезаряде можно наблюдать нежелательное явление – кипение электролита, вызванное электролизом воды. Избегают его путём снижения зарядного тока при повышении напряжения.

Кислотные аккумуляторные батареи
Классификация	Вид
По конструкции анодов	· Поверхностные

· Решётчатые По агрегатному состоянию электролита · Жидкостный

· Абсорбированный По возможности обслуживания · Обслуживаемый

· Малообслуживаемый По назначению · Стартерные

· Промышленные

СПРАВКА: выделяют также EFB аккумуляторы, также использующие электролит в жидком виде, но обладающие лучшими техническими характеристиками, чем жидкостные.

Параметры батареи, тип, страну-производителя и прочую необходимую информацию пользователь может узнать через маркировку, не прибегая к техническому паспорту устройства.

В источниках тока, сделанных в России, обозначение происходит согласно ГОСТ, и шифр обязательно включает в себя (по порядку):

• количество банок в корпусе;
• обозначение типа, например, «СТ» – стартерная;
• ёмкость, измеряемая в А∙ч;
• материал и особенности конструкции.

ВНИМАНИЕ: последние буквы маркировки означают: «А» – общая крышка, «З» – заряженная и заправленная батарея, «Т» – материалом для корпуса служит термопласт, «М» – минеральная пластмасса, «Э» – эбонит, «П» – материалом для сепараторов служат полиэтилен или микроволокна.

Характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов

Технические характеристики АКБ зависят от их типа. Для наглядности рассмотрены несколько наиболее используемых видов батарей:

• LA – обслуживаемые стартерные;
• VRLA – необслуживаемые, жидкостные;
• VRLA AGM – необслуживаемые, абсорбированные;
• VRLA GEL – необслуживаемые, гелевые;
• OPzV – необслуживаемые, трубчатые, гелевые;
• OPzS – малообслуживаемые, трубчатые.

Вид	LA	VRLA	VRLA AGM	VRLA GEL	OPzV	OPzS
Ёмкость, А∙ч	10-300	1-300	1-3000	1-3000	50-3500	50-3500
Оптимальная глубина разряда, %	30	20	>25

Благодаря умеренной цене и хорошим показателям, кислотные АКБ получили широкое распространение в технике. В сферу применения свинцовых источников тока входят:

• лёгкий и грузовой автотранспорт, включая сельскохозяйственную технику и моторные лодки;
• системы пожарной безопасности и охраны;
• системы аварийного энергоснабжения;
• системы энергоснабжения в областях, удалённых от стационарной электрической сети;
• контрольно-измерительные приборы для торговли и малого бизнеса;
• источники бесперебойного питания (ИБП) для компьютерной техники;
• запасные источники энергии;
• слаботочные системы;
• инвалидные кресла с электроприводом.

Преимущества и недостатки свинцово-кислотных аккумуляторов

К безоговорочным плюсам свинцово-кислотных АКБ относят относительно низкую стоимость вследствие простоты и дешевизны производства, а также низкий показатель саморазряда, что свидетельствует о долговечности батарей. Кроме этого, кислотные источники тока просты в эксплуатации и обслуживании, не имеют эффекта памяти и могут производить пусковой ток высоких значений, не просаживая напряжение питания. Ввиду использования проверенной временем технологии аккумуляторы универсальны и могут применяться для выполнения широкого спектра задач.

Минусы свинцовых батарей в сумме составляют большой перечень, однако не перекрывают их преимущества. Одним из первых недостатков пользователи называют внушительные габаритные размеры и массу, что зачастую неприемлемо при эксплуатации. При этом если рассматривать весо-энергетическую плотность, то значение энергоёмкости снижается. Количество циклов разряда у АКБ ограничено, а её производство экологически небезопасно из-за свинца. Более того аккумулятор должен храниться в хорошо вентилируемом помещении и не испытывать резких изменений температур, особенно минусовых.

Очевидно, что чем ниже температура окружающей среды, тем быстрее может разрядиться аккумулятор. Однако в кислотных устройствах рабочие параметры снижаются с меньшей скоростью, что отличает его от других типов аккумуляторов. По статистике, начиная понижать температуру с 20°С на один градус, можно заметить потерю показателя ёмкости на 1%. Таким образом, значение ёмкости при нуле не превысит 80%, а при -20°С – 60%.

Свинцовые АКБ отличаются от других типов химических источников тока своими преимуществами и недостатками, но так как сами кислотные батареи подразделяются на несколько видов, следует рассмотреть особенности каждого из них и выявить характерные отличия.

Классификация по агрегатному состоянию электролита	Особенности
Жидкостные	· потребность в регулярном обслуживании; · расположение только вертикально; · ресурс не превышает 500 циклов полного заряда и разряда; · необходимо поддерживать уровень заряда на отметке не менее 50%
EFB	· потребность в регулярном обслуживании; · расположение только вертикально; · ресурс не превышает 1000 циклов полного заряда и разряда; · необходимо поддерживать уровень заряда на отметке не менее 60%
Гелевые	· нет потребности в обслуживании; · увеличенный ресурс работы и повышена устойчивость к вибрационным и ударным нагрузкам по сравнению с жидкостными
AGM (абсорбированные)	· нет потребности в обслуживании; · заряжать можно в 5 раз быстрее, чем другие типы, но важно соблюдать правила зарядки; · ресурс не превышает 600 циклов полного заряда и разряда
AGM+	· ресурс не превышает 1200 циклов полного заряда и разряда; · уменьшенное внутреннее сопротивление

Как обслуживать свинцово-кислотный аккумулятор

По статистике 80% неполадок аккумулятора заключается в его сульфатации, появившейся из-за отсутствия технического обслуживания. Как проверить аккумулятор читайте здесь.

Чтобы предотвратить этот процесс, достаточно регулярно выполнять три процедуры:

• контролировать уровень дистиллированной воды;
• поддерживать чистоту;
• выравнивать заряд.

Как восстановить аккумулятор и убрать потерю емкости, читайте тут.

В процессе работы часть электролита испаряется, концентрация серной кислоты увеличивается, а уровень жидкости в банке понижается, что становится причиной контакта железных пластин с воздухом. Во избежание повреждения ячеек электродов нужно следить за количеством электролита и при необходимости добавлять в банку батареи дистиллированную воду.

СПРАВКА: доливать жидкость необходимо после полной зарядки АКБ.

Пользователи знают, насколько важна чистота АКБ: наличие грязи, пыли, подтёков кислоты может поспособствовать возникновению тока утечки, и аккумулятор разрядится и разбалансируется. Поэтому необходимо регулярно проводить чистку батареи, например, при помощи пароочистителя.

Чем чаще используется источник тока, тем больше ёмкость его ячеек будет отличаться друг от друга, что обязательно приведёт к проблемам в режиме зарядки. Чтобы урегулировать ситуацию, специалисты советуют пользоваться выравнивающим зарядным устройством, которое подаёт слабый ток и увеличивает время процесса на несколько часов, однако позволяет заряду распределиться равномерно и до 100% пополнить энергию.

Стандартное время зарядки пустой батареи составляет 10-12 часов. При этом крайне важно выставлять ток значением до 10% от ёмкости батареи. Обычно схема питания АКБ состоит из двух этапов: на первом аккумулятор заряжается постоянным током, на второй – постоянным напряжением.

Чтобы осуществить проверку работоспособности, существует множество способов, как традиционных, так и современных. К последним относится контроль системы при помощи электронных тестеров, которые показывают более правильные результаты, но могут оказаться дорогостоящими. Конечно, без подобного оборудования не обойтись при проверке современных герметичных аккумуляторов. Но для более традиционных устройств подойдут простые методы, проверенные временем.

1. Контроль плотности жидкости. При помощи ареометра нужно зарегистрировать значение плотности и сравнить с эталонными показателями. Для обеспечения нормальной работы параметр должен быть не ниже 1,23 г/см 3 , но не выше 1,4 г/см 3 .
2. Контроль уровня электролита. Жидкость должна полностью покрывать свинцовые пластины и возвышаться на 1-1,5 см.
3. Контроль с помощью нагрузочной вилки. Данное устройство измеряет напряжение АКБ под действием силы тока в десятки и сотни ампер. Такой метод весьма качественен для определения работоспособности батареи, однако, в случае частого использования нагрузочной вилки существует вероятность износа аккумулятора.

Источник