Электрический аккумулятор. Строение и принцип работы.

Электри́ческий аккумуля́тор — химический источник тока многоразового действия, основная специфика которого заключается в обратимости внутренних химических процессов, что обеспечивает его многократное циклическое использование (через заряд-разряд) для накопления энергии и автономного электропитания различных электротехнических устройств и оборудования.

Принцип действия аккумулятора основан на обратимости химической реакции. Работоспособность аккумулятора может быть восстановлена путём заряда, то есть пропусканием электрического тока в направлении, обратном направлению тока при разряде.

Несколько аккумуляторов, объединенных в одну электрическую цепь, составляют аккумуля́торную батаре́ю.

Для того чтобы ясно понять суть работы электрических аккумуляторов, давайте разберёмся с его устройством и общим принципом действия. И так — в основу работы всех химических источников электропитания заложены две составляющие: это пара электродов и электролит. Всё это находится в ёмкости, которая служит корпусом для электрического аккумулятора.

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц (в твёрдых веществах, это электроны, а в жидких и газообразных, это ионы). Ток не может существовать без воздействия электродвижущей силы Э.Д.С. (разности потенциалов или напряжения). Значит, между электродами что-то должно создавать эту Э.Д.С. А создаёт её следующий процесс!

И так, у нас имеется сосуд с двумя электродами, погружённых в жидкий электролит. С точки зрения химии, в этом сосуде происходит растворение одного электрода (под действием кислотной или щелочной среды электролита) и восстановление (отложение слоя) другого. При этом от растворяющегося электрода (металла) отрываются ионы этого вещества, которые с собой уносят положительный заряд. А электроны, ранее принадлежащие этому атому металла и не имеющие возможности уйти с ним, остаются на этом электроде.

На другом же электроде будет происходить противоположный процесс, те ионы, которые были оторваны от первого, переходят на второй, неся в себе положительный заряд и постоянно прибавляя его к электроду. Весь этот химический процесс окислительно-восстановительной реакции сопровождается превращением одних веществ в другие, при заряде, и взаимообратный, при разряде электрического аккумулятора.

В итоге получается, что под воздействием внешнего источника электрического поля (в случае процесса заряда) мы принудительно превращаем одни вещества в другие, а при подключении к клеммам электрической нагрузки (создавая тем самым замкнутую цепь), мы позволяем накопленной электроэнергии выйти, по средствам обратного химического превращения веществ. Следует заметить, что электролит в этой электрохимической системе является переносчиком положительного заряда (ионов, оторванных от электрода), и они перемещаются внутри самого аккумулятора. А отрицательный заряд (то есть электроны) будет транспортироваться по внешней цепи, вне аккумулятора.

Источник

Устройство и принцип работы аккумулятора

Электрическим аккумулятором называют химический источник тока многоразового действия. Химические процессы внутри аккумулятора, в отличие от оных в одноразовых гальванических элементах, таких как щелочные или солевые батарейки, обратимы. Циклы заряда-разряда, накопления и отдачи электрической энергии, могут многократно повторяться.

Так, сам принцип действия аккумулятора позволяет циклически использовать его для автономного электроснабжения разнообразных устройств, портативных приборов, транспортных средств, медицинского оборудования и т. д. в совершенно различных сферах.

Произнося слово «аккумулятор», имеют ввиду или сам аккумулятор или аккумуляторную ячейку. Несколько последовательно или параллельно соединенных друг с другом аккумуляторных ячеек образуют аккумуляторную батарею, как и несколько соединенных аккумуляторов.

Первый аккумулятор, то есть гальванический элемент многоразового использования, появился, по официальным данным, в 1803 году. Его создал немецкий физик и химик Иоганн Вильгельм Риттер. Друг Эрстеда, Риттер, не будучи ученым, изучал химическое действие света, проводил эксперименты с электролизом, ему, кстати, принадлежит открытие ультрафиолетовой части электромагнитного спектра.

Однажды экспериментируя с вольтовым столбом, Риттер взял пятьдесят кружков из меди, куски влажного сукна, и составил столб из пятидесяти таких кружков и влажного сукна между ними. Пропустив через конструкцию ток от вольтова столба, Риттер обнаружил, что его столб зарядился и сам стал источником электричества. Это и был первый аккумулятор.

Обратимость химической реакции в электролите и на электродах аккумулятора позволяет восстанавливать работоспособность аккумулятора — заряжать его после разряда. Ток в процессе заряда пропускается через аккумулятор в направлении, противоположном разряду.

Так например, свинцово-кислотный аккумулятор работает благодаря электрохимическим реакциям свинца и диоксида свинца в серной кислоте. Формулы ниже отражают обратимые реакции, протекающие на аноде и на катоде: слева направо — реакция при разряде, справа налево — заряд.

Рассмотрим теперь устройство аккумулятора на примере автомобильной стартерной батареи. Ее напряжение 12 вольт. Состоит батарея из шести соединенных последовательно гальванических элементов, разделенных перегородками.

Последовательное соединение в данном случае обозначает, что отрицательный вывод одной ячейки подключен к положительному выводу следующей ячейки.

Каждый элемент включает в себя пару решетчатых электродов из свинцово-сурьмянистого сплава, погруженных в электролит, представляющий собой 38% водный раствор серной кислоты. Пористый сепаратор изолирует электроды друг от друга, предотвращая замыкания между ними, но свободно пропускает через себя электролит. То есть жидкость заполняет как ячейки свинцовых пластин, так и поры сепараторов.

Одноименные пластины соединены между собой свинцовыми перемычками, как и разделенные перегородками пакеты пластин, составляющие отдельные элементы, и выводы аккумулятора — тоже изготовлены из свинца.

Выводы автомобильного аккумулятора всегда немного отличаются в размере друг от друга — плюсовая клемма больше в диаметре чем минусовая, чтобы не ошибиться при подключении.

Корпус аккумулятора изготавливается из диэлектрического материала устойчивого к агрессивным средам, к перепадам температур и к вибрациям. Сегодня корпусы стартерных АКБ делают из полипропилена.

Корпус представляет собой герметично закрытую емкость с крышкой, оснащенную отбортовками для прочного крепления. В корпусах старых аккумуляторов всегда предусматривались пробки над каждым из гальванических элементов, составляющих батарею, чтобы можно было при необходимости доливать в них дистиллированную воду. Современные необслуживаемые аккумуляторы пробок на корпусах не имеют.

Другие статьи про аккумумляторы и их использование:

Источник

Гальванические элементы и аккумуляторы — устройство, принцип работы, виды

Маломощные источники электрической энергии

Для питания переносной электро- и радиоаппаратуры применяют гальванические элементы и аккумуляторы.

Гальванические элементы — это источники одноразового действия, аккумуляторы — источники многоразового действия.

Простейший гальванические элемент

Простейший элемент может быть изготовлен из двух полосок: медной и цинковой, погруженных в воду, слегка подкисленную серной кислотой. Если цинк достаточно чист, чтобы быть свободным от местных реакций, никаких заметных изменений не произойдет до тех пор, пока медь и цинк не будут соединены проводом.

Однако полоски имеют разные потенциалы одна по отношению к другой, и когда они будут соединены проводом, в нем появится электрический ток. По мере этого действия цинковая полоска будет постепенно растворяться, а близ медного электрода будут образовываться пузырьки газа, собирающиеся на его поверхности. Этот газ — водород, образующийся из электролита. Электрический ток идет от медной полоски по проводу к цинковой полоске, а от нее через электролит обратно к меди.

Постепенно серная кислота электролита замещается сульфатом цинка, образующимся из растворенной части цинкового электрода. Благодаря этому напряжение элемента уменьшается. Однако еще более сильное падение напряжения вызывается образованием газовых пузырьков на меди. Оба эти действия производят «поляризацию». Подобные элементы не имеют почти никакого практического значения.

Важные параметры гальванических элементов

Величина напряжения, даваемого гальваническими элементами, зависит только от их типа и устройства, т. е. от материала электродов и химического состава электролита, но не зависит от формы и размеров элементов.

Сила тока, которую может давать гальванический элемент, ограничивается его внутренним сопротивлением.

Очень важной характеристикой гальванического элемента является электрическая емкость. Под электрической емкостью подразумевается то количество электричества, которое гальванический или аккумуляторный элемент способен отдать в течение всего времени своей работы, т. е. до наступления окончательного разряда.

Отданная элементом емкость определяется умножением силы разрядного тока, выраженной в амперах, на время в часах, в течение которого разряжался элемент вплоть до наступления полного разряда. Поэтому электрическая емкость выражается всегда в ампер-часах (А х ч).

По величине емкости элемента можно также заранее определить, сколько примерно часов он будет работать до наступления полного разряда. Для этого нужно емкость разделить на допустимую для этого элемента силу разрядного тока.

Однако электрическая емкость не является величиной строго постоянной. Она изменяется в довольно больших пределах в зависимости от условий (режима) работы элемента и конечною разрядного напряжения.

Если элемент разряжать предельной силой тока и притом без перерывов, то он отдаст значительно меньшую емкость. Наоборот, при разряде того же элемента током меньшей силы и с частыми и сравнительно продолжительными перерывами элемент отдаст полную емкость.

Что же касается влияния на емкость элемента конечного разрядного напряжения, то нужно иметь в виду, что в процессе разряда гальванического элемента его рабочее напряжение не остается на одном уровне, а постепенно понижается.

Распространенные виды гальванических элементов

Наиболее распространены гальванические элементы марганцево-цинковой, марганцево-воздушной, воздушно-цинковой и ртутно-цинковой систем с солевым и щелочным электролитами. Сухие марганцево-цинковые элементы с солевым электролитом имеют начальное напряжение от 1,4 до 1,55 В, продолжительность работы при температуре окружающей среды от -20 до -60 о С от 7 ч до 340 ч.

Сухие марганцево-цинковые и воздушно-цинковые элементы со щелочным электролитом имеют напряжение от 0,75 до 0,9 В и продолжительность работы от 6 ч до 45 ч.

Сухие ртутно-цинковые элементы имеют начальное напряжение от 1,22 до 1,25 В и продолжительность работы от 24 ч до 55 ч.

Наибольший гарантийный срок хранения, достигающий 30 месяцев, имеют сухие ртутно-цинковые элементы.

Аккумуляторы — это вторичные гальванические элементы. В отличие от гальванических элементов в аккумуляторе же сразу после сборки никакие химические процессы не возникают.

Чтобы в аккумуляторе начались химические реакции, связанные с движением электрических зарядов, нужно соответствующим образом изменить химический состав его электродов (а частью и электролита). Это изменение химического состава электродов происходит под действием пропускаемого через аккумулятор электрического тока.

Поэтому, чтобы аккумулятор мог давать электрический ток, его предварительно нужно «зарядить» постоянным электрическим током от какого-нибудь постороннего источника тока.

От обычных гальванических элементов аккумуляторы выгодно отличаются также тем, что после разряда они опять могут быть заряжены. При хорошем уходе за ними и при нормальных условиях эксплуатации аккумуляторы выдерживают до нескольких тысяч зарядов и разрядок. Устройство аккумулятора

В настоящее время наиболее часто на практике применяют свинцовые и кадмиево-никелевые аккумуляторы. У первых электролитом служит раствор серной кислоты, а у вторых — раствор щелочей в воде. Свинцовые аккумуляторы называют также кислотными, а кадмиево-никелевые — щелочными.

Принцип работы аккумуляторов основан на поляризации электродов при электролизе. Простейший кислотный аккумулятор устроен следующим образом: это две свинцовые пластины, опущенные в электролит. В результате химической реакции замещения пластины покрываются слабым налетом сернокислого свинца PbSO4, как это следует из формулы Pb + H₂SO₄ = PbSO₄ + Н₂.

Устройство кислотного аккумулятора

Такое состояние пластин соответствует разряженному аккумулятору. Если теперь аккумулятор включить на заряд, т. е. подсоединить его к генератору постоянного тока, то в нем вследствие электролиза начнется поляризация пластин. В результате заряда аккумулятора его пластины поляризуются, т. е. изменяют вещество своей поверхности, и из однородных (PbSO₄) превращаются в разнородные (Pb и Р b О ₂ ).

Аккумулятор становится источником тока, причем положительным электродом у него служит пластина, покрытая двуокисью свинца, а отрицательным — чистая свинцовая пластина.

К концу заряда концентрация электролита повышается вследствие появления в нем дополнительных молекул серной кислоты.

В этом одна из особенностей свинцового аккумулятора: его электролит не остается нейтральным и сам участвует в химических реакциях при работе аккумулятора.

Как зарядить аккумулятор

Существует несколько способов заряда аккумуляторов. Наиболее простой — нормальный заряд аккумулятора, который происходит следующим образом. Вначале на протяжении 5 — 6 ч заряд ведут двойным нормальным током, пока напряжение на каждой аккумуляторной банке не достигнет 2,4 В.

Нормальный зарядный ток определяют по формуле I зар = Q/16

где Q — номинальная емкость аккумулятора, Ач.

После этого зарядный ток уменьшают до нормального значения и продолжают заряд и течение 15 — 18 ч, до появления признаков конца заряда.

Кадмиево-никелевые, или щелочные аккумуляторы, появились значительно позже свинцовых и по сравнению с ними представляют собой более совершенные химические источники тока. Главное преимущество щелочных аккумуляторов перед свинцовыми заключается в химической нейтральности их электролита по отношению к активным массам пластин. Благодаря этому саморазряд у щелочных аккумуляторов получается значительно меньше, чем у свинцовых. Принцип действия щелочных аккумуляторов также основан на поляризации электродов при электролизе.

Для питания радиоаппаратуры выпускают герметичные кадмиево-никелевые аккумуляторы, которые работоспособны при температурах от -30 до +50 о С и выдерживают 400 — 600 циклов заряд-разряд. Эти аккумуляторы выполняют в форме компактных параллелепипедов и дисков с массой от нескольких граммов до килограммов.

Выпускают никель-водородные аккумуляторы для энергоснабжения автономных объектов. Удельная энергия никель-водородного аккумулятора составляет 50 — 60 Вт ч кг -1 .

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник