Что внутри кислотного аккумулятора

Устройство, разновидности и принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов

Все автомобилисты знают, что под капотом либо в другом укромном месте машины располагается аккумулятор. Если говорить о машинах с ДВС, то здесь применяются стартерные аккумуляторные батареи. На гибридах и электрокарах используются тяговые АКБ.

При всём разнообразии источников питания самыми востребованными и популярными до сих пор остаются свинцово-кислотные. Причём ошибочно считать, что применяться они могут исключительно в сфере автомобилестроения.

Следует детальнее узнать об устройстве свинцово-кислотных АКБ, их принципе работы, познакомиться с существующими разновидностями.

Особенности устройства и принцип работы

У свинцово-кислотной батареи конструкция классическая. Это прямоугольный корпус из высокопрочного пластика, который наполняется свинцом и оксидами свинца, а также внутри располагается электролит. В зависимости от типа АКБ электролит может быть жидким или гелеобразным.

Если говорить про устройство свинцово-кислотного автомобильного аккумулятора, то здесь предусмотрено плотное наполнение параллельно расположенных пластин из оксида свинца и свинца. Свинец можно идентифицировать по тёмно-серому цвету с небольшим синеватым оттенком, в то время как оксидно-свинцовые элементы тёмно-коричневые, слегка рыжие.

При этом принцип работы, характерный для свинцово-кислотного питающего аккумулятора, основан именно на взаимодействии пластин и электролита.

Эти пластины погружены в кислоту, которая обязательно входит в состав свинцово-кислотного аккумулятора и объясняет наличие этого слова в названии. Кислота применяется серная, разбавленная с очищенной методом дистилляции водой.

Когда аккумулятор включается в работу, ток идёт от катода (оксидно-свинцовые пластины) к аноду (свинцовые элементы). При этом происходит выделение электронов, которые принимает на себя оксид.

Когда изменяется заряд двух типов пластин, они взаимодействуют с серной кислотой и преображаются в сульфаты свинца.

Поскольку одна пара пластин может дать только 2 В, требуется поднять количество Вольт. Для этого выполняется параллельное соединение большого количества пар пластин. Их размещают достаточно плотно внутри банка, что позволяет снизить объём АКБ. Но поскольку электроны должны перемещаться по терминалам (банкам), то пару пластин разъединяют между собой с помощью специальных изоляционных плёнок.

Особенность свинцово-кислотной АКБ в том, что батарея может иметь большую мощность, или обладать высокой плотностью энергии.

Это означает, что АКБ может сохранять много энергии и в течение долгого времени постепенно её отдавать, либо отдавать большой заряд, но быстро.

В случае с автомобилями используется второй тип, поскольку для запуска двигателя нужен большой стартерный ток.

Если устроенный таким образом источник питания сильно разряжается, на пластинах появляется белый налёт. Это сульфат свинца. Он препятствует нормальному заряду и передаче энергии пластин. Порой достаточно нескольких глубоких разрядов, чтобы произошла сильная сульфатация. Восстановить такую АКБ крайне сложно. Если методы десульфатации не помогли, приходится менять батарею. Подобная схема открывает сильные и слабые стороны аккумуляторов, в основе которых содержатся свинец и серная кислота.

Во многом работа используемого в разных отраслях свинцового или свинцово-кислотного аккумулятора зависит от его типа и выполняемых задач.

Несмотря на имеющиеся сильные стороны, такая АКБ не лишена и недостатков, о которых вы узнаете позже. Но при этом батареи свинцово-кислотного типа продолжают оставаться наиболее востребованными. Очень часто такая технология применяется в качестве автомобильного аккумулятора. Это можно объяснить неплохим КПД при сравнительно низкой стоимости.

Разновидности

Опираясь на основные характеристики, актуальные для свинцово-кислотных аккумуляторов, их можно разделить на соответствующие подкатегории.

Для начала стоит акцентировать внимание на возможностях их обслуживания. Тут выделяют такие типы свинцово-кислотных питающих аккумуляторов:

1. Обслуживаемые. Предусматривают наличие открытой конструкции. То есть корпус не герметичный. Производитель устанавливает специальные съёмные крышки, позволяющие получить доступ к банкам. Тем самым можно по мере необходимости доливать электролит или кислоту, визуально проверять уровень жидкости и состояние пластин, делать замеры плотности ареометром.
2. Необслуживаемые. Корпус полностью герметичный. Обслуживание сводится только к контролю заряда с помощью индикатора, а также подключению АКБ к зарядному устройству.

Популярность вторых вполне очевидна. Обслуживаемые АКБ встречаются всё реже, поскольку технологии совершенствуются, от автомобилистов требуется меньше усилий и внимания для поддержания аккумулятора в рабочем состоянии.

Опираясь на такие основные характеристики как назначение и область применения, выделяют следующие разновидности свинцово-кислотных аккумуляторов.

1. Стартерные АКБ. Могут за короткое время выдать большое количество энергии. Из-за этого обладают большим саморазрядом. Необходимые для автомобилей виды батарей. Нуждаются в вентиляции и определённом обслуживании.
2. Буферные. Такие виды свинцово-кислотных питающих аккумуляторов служат для того, чтобы в течение небольшого времени хранить сравнительно малый объём энергии. Они функционируют в режиме постоянной подзарядки.
3. Для бесперебойных устройств. Чаще всего можно встретить в офисах, предназначаются для компьютерной техники. При возникновении перебоя с электроэнергией позволяют без потери данных успеть завершить работу.
4. Для длительного снабжения энергией. Отличаются большим весом и габаритами. Но это позволяет питать потребителей долгое время. Подобные решения можно встретить в медицинской сфере, в отделениях реанимации. Могут питать достаточно внушительное количество потребителей длительное время.
5. Гелевые. Существует 2 основных технологии производства гелевых АКБ. Это AGM и GEL. Характеризуются гелеобразным состоянием электролита. Усовершенствованная технология, хотя в её основе всё равно лежат свинец и серная кислота. Гелевые АКБ применяются в автомобилях, используются для работы солнечных батарей и пр.

Чтобы получить определённые характеристики, вносятся соответствующие изменения в конструкцию.

Когда нужно отдать много энергии за короткое время, пластины делают тонкими, но высокими и широкими, уменьшая между ними расстояние. Это позволяет им быстрее отдавать энергию.

Если потребляется мало энергии, но долго, тогда пластины должны быть толстыми, короткими и узкими, расстояние между ними увеличивают.

На параметры АКБ влияют также электролит, применяемые легирующие добавки, такие как кальций, серебро, цинк и пр. Это позволяет выделять ещё несколько разновидностей. Часто встречаются свинцово-кальциевые АКБ.

Где используются

Эксплуатационные характеристики и конструктивные особенности позволяют найти широкое применение для свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.

К основным сферам использования можно отнести:

• питание систем охраны и сигнализаций;
• применение в качестве источника стартерного тока на автомобиля;
• автономные системы противопожарной безопасности;
• системы аварийного питания в зданиях, отделениях медицинских учреждений;
• кассовые аппараты и электрические весы;
• системы обеспечения бесперебойного питания для компьютеров;
• игрушки;
• лёгкие летательные аппараты и пр.

Конечно же, автомобилистам свинцово-кислотные аккумуляторные батареи известны как источники для подачи стартерного тока. Не зря АКБ называют стартерными.

А вот в качестве тяговых такие батареи используются не так часто, если говорить про питание машин.

Преимущества и недостатки

Чтобы подвести итоги, стоит взглянуть на плюсы и минусы свинцово-кислотных аккумуляторов, тем самым окончательно дать им характеристику.

К слабым сторонам рассматриваемых источников питания можно отнести:

• достаточно высокие показатели чувствительности к холоду, из-за чего батарея быстро теряет свою ёмкость;
• такие АКБ требуют специальной процедуры утилизации, поскольку входящие в состав батареи компоненты губительны для здоровья человека и наносят огромный вред окружающей среде;
• большинство разновидностей свинцово-кислотных АКБ имеют ограниченное число циклов заряда – разряда, после чего их требуется менять;
• они выдают сравнительно небольшое количество ёмкости, лимиты ограничены.

Но есть ряд преимуществ, которые во многом перечёркивают эти недостатки.

Именно благодаря этим достоинствам источники питания на основе свинца и кислоты продолжают активно производить и совершенствовать технологию.

К числу главных преимуществ относят:

1. Компоненты, необходимые для изготовления батарей, часто встречаются в природе. Их несложно получать, перерабатывать. Это снижает затраты на производство.
2. Тандем из электролита (кислоты) и свинца обеспечивают эффективную энергоотдачу. Другие элементы на такое не способны.
3. Конструктивно батареи получаются достаточно простыми, не требуется много ресурсов для их сборки. Это удешевляет готовую продукцию.
4. Длительный срок службы. Понятие относительное, но 4–5 лет работы для любой современной АКБ – это отличный показатель. Некоторые устройства при правильной эксплуатации могут работать по 6–8 лет.
5. Элементарное обслуживание. В большей степени это касается необслуживаемых видов.

Нельзя сказать, что сейчас у автомобилистов есть большой выбор и какая-то достойная альтернатива свинцово-кислотной технологии. Да, работы ведутся, продаются щелочные АКБ, но и они пока не могут конкурировать с кислотными.

Насколько изменится ситуация в ближайшие 10–20 лет, сказать сложно. Но вряд ли стоит ожидать скорого ухода свинцово-кислотной технологии из сферы производства источников питания. Автомобильных и не только.

Источник

Свинцовые аккумуляторы

Свинцовый аккумулятор — это источник питания, конструкция которого осталась неизменной со времени его изобретения. Основное предназначение аккумуляторной батареи – оказать помощь при пуске двигателя и обеспечить питанием бортовую сеть автомобиля при неработающем двигателе. Сама аккумуляторная батарея электрический ток не вырабатывает – за счет химической реакции она его накапливает.

Иногда мы задаемся вопросом — что внутри автомобильного аккумулятора? А внутри — кислотный электролит, содержащий серную кислоту и свинцовые пластины. Это конечно упрощённо, далее расскажем поподробней.

Автомобильный аккумулятор является вторичным гальваническим элементом. Внимательное изучение его свойств и устройства поможет правильно выбрать необходимый нам продукт при покупке.

Что же такое гальванические элементы

Гальванический элемент — прибор, который преобразует химическую энергию в энергию электрическую. Главными составными частями любого гальванического элемента являются два электрода — катод и анод, размещенные в сосуде из не проводящего ток материала и заполненного электролитом.

Все многообразие применяемых гальванических элементов можно разделить на два главных типа: первичные элементы и вторичные элементы.

К числу первичных элементов относятся, например, всем известные так называемые «сухие» элементы. К вторичным элементам относятся аккумуляторные батареи всех типов. Различие между типами элементов обусловливается характером химических реакций, протекающих в них при эксплуатации.

Во вторичных элементах происходящие химические реакции обратимые. Отработавшая или разряженная АКБ может быть восстановлена (заряжена), если пропускать через неё постоянный электрический ток в обратном направлении. В процессе заряда электрическая энергия преобразуется в химическую. При следующем цикле разряда происходит обратная реакция.

Типы автомобильных аккумуляторов

Типы аккумуляторов бывают обслуживаемые и необслуживаемые.

У обслуживаемого аккумулятора можно:

• физически просто выкрутить пробки с банок;
• визуально определить уровень электролита и состояние свинцовых пластин;
• замерить плотность, кипение электролита при заряде;
• при необходимости добавить дистиллированную воду.

Если говорить языком автомобилиста – «добраться до внутренностей». Мы можем делать с аккумулятором все что захотим.

Но обслуживаемые АКБ имеют ряд недостатков:

• из-за негерметичности батареи в процессе эксплуатации электролит может выкипать, что приводит к снижению его уровня и, как следствие, падает ёмкость, итог – проблемы с запуском автомобиля;
• испарение воды приводит к повышению плотности электролита, следствием чего является разрушение пластин;
• необходимо постоянно контролировать уровень электролита;
• при нагревании электролита на внешней крышке аккумулятора (в местах расположения пробок) образуется специфический белый налет, что может привести к замыканию клемм и преждевременному частичному разряду.

Все эти недостатки – проблемы прошедших лет. Изобретатели долгие годы трудились над решением этих проблем и, наконец, нашли выход из положения – сделали аккумулятор необслуживаемым.

Отличительной чертой является отсутствие пробок на верхней крышке и как бы вы не хотели заглянуть внутрь – ничего не получится. Он стал полностью герметичным.

Какие достоинства у данного типа?

• при нагревании электролита испаряемая жидкость в виде конденсата оседает на внутренних стенках батареи и стекает вниз.
• АКБ можно кантовать как угодно, не боясь пролива электролита.
• решена главная проблема – пластины всегда находятся в электролите.

Но без недостатков не бывает ни одного устройства.

На необслуживаемых батареях перемычки между банками расположены внутри корпуса. Проверить напряжение на банках практически невозможно.

На необслуживаемые аккумуляторы начали устанавливать так называемые «клапаны аварийного сброса давления». Срабатывает он в экстренных случаях, когда происходит сильный перезаряд. Наружу выходит часть испаряемого электролита, но вот обратно добавить его в батарею возможность отсутствует напрочь. Несколько перезарядов и как итог – батарея теряет ёмкость.

Характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов

Наверняка более 90% автомобилистов знают об устройстве своего аккумулятора только из школьных уроков физики. Да в повседневной жизни это уже и не требуется. Купил – установил – забыл.

Характеристики аккумуляторных батарей, на которые обращают внимание автомобилисты при его выборе: тип батареи (обслуживаемая или безуходная), электрическая ёмкость батареи, номинальное напряжение батареи, саморазряд.

Термин «электрическая ёмкость АКБ» означает количество электричества, отдаваемого аккумулятором при разряде. Ёмкость определяется в ампер-часах.

Разрядная ёмкостью СР — количество электричества в ампер-часах, получаемое при разряде аккумулятора до допустимого напряжения. Разрядную ёмкость определяют исходя из формуле:

Ёмкость САБ существенным образом зависит от температуры электролита, особенно на стартерных режимах разряда.

Ёмкость аккумулятора может быть выражена двояко: в амперчасах или в ваттчасах. Термин «ёмкость» обозначает то количество электричества, которое можно получить от данного источника питания. Ёмкость же в ваттчасах есть мера энергии или способности производить работу.

При определении емкости какой-либо аккумуляторной батареи необходимо отмечать режим, при котором производится разряд, температуру и конечное напряжение. Ёмкость аккумулятора в основном определяется тремя факторами: разряд, температура и конечное напряжение, а при маркировке устанавливается в амперчасах.

Стандартной величиной номинального напряжения одного элемента аккумулятора является 2 вольта. Для легковых автомобилей выпускают аккумуляторы с напряжением 12в., а на грузовых применяют с напряжением 24в. Для специальной техники могут изготавливаться АКБ с напряжением, установленным производителем.

Самопроизвольный разряд аккумулятора – потеря емкости в процессе хранения, отключения внешних потребителей, температурного режима эксплуатации и качества ТО. При этом его рабочие характеристики снижаются.

Экспериментально установлено, что для свинцово-кислотных АКБ величина саморазряда варьируется от 1,5 до 3% в месяц.

Одной из причин повышенного саморазряда обслуживаемых аккумуляторов является применение не дистиллированной воды, содержащей примеси железа, хлора и различных солей.

Также при переворачивании батареи или сильной тряске происходит осыпание активного вещества с пластин.

Заглянем что внутри?

Принципиально конструкция аккумуляторов осталась неизменной со времени их изобретения: свинцовые пластины и кислота. Внутреннее пространство заполнено электролитом, состоящим из 38%-ной серной кислоты и дистиллированной воды. В каждой батарее отрицательные и положительные электроды чередуются. Между пластинами размещаются пластмассовые сепараторы. Все перемычки между элементами и батареями изготовлены из свинца.

Разберемся в конструкции АКБ подробней

Устройство автомобильного аккумулятора простое: ёмкость для размещения электродов, пластин, сепараторов и крышки. В обслуживаемых в крышке предусмотрены горловины для заливки электролита и закручивающиеся пробки. Они позволяют при необходимости доливать дистиллированную воду.

Корпуса батарей изготавливают из прочного полипропилена.

Материал корпуса не токопроводящий и химически стоек к серной кислоте. По нижнему краю корпуса предусмотрена отбортовка для жесткого крепления в автомобиле, чтобы исключить удары и падения.

Вентиляционные (лабиринтные) пробки используются в обслуживаемых батареях. Они предохраняют от выноса и выплескивания электролита, но обеспечивают свободный выход газа. В качестве лабиринтного наполнителя могут использоваться гранулы полиэтилена.

Чтобы исключить неправильное подключение батареи к бортовой сети автомобиля, свинцовые клеммные выводы отличаются по размерам, и чём вкратце описано в статье про виды аккумуляторов.

Практически все виды свинцово-кислотных автомобильных аккумуляторов неремонтопригодны.

Принцип работы автомобильного аккумулятора

Принцип работы аккумулятора в автомобиле основан на процессах двух видов. При подключении к батарее потребителей (стартер, фары, приборы панели управления автомобили и др.) происходит её разряд.

При этом химическая энергия превращается в электрическую, которая, в свою очередь, может быть превращена в тепловую, механическую и световую.

Если к такому источнику питания подключить электродвигатель, то часть электроэнергии превратится в механическую, а какая-то — в тепловую.

При заряде происходит обратный процесс — электрическая энергия преобразуется в химическую.

Во время заряда на пластинах- катоде, аноде и в электролите образуются те вещества, которые вступают в электрохимическую реакцию при разряде. Химические реакции при заряде идут в обратном направлении по сравнению с химическими реакциями при разряде. Этим и объясняется то, что АКБ называют обратимым источником тока, его работа носит циклический характер: разряд-заряд.

Как заряжать аккумулятор автомобиля?

Способов зарядки существует великое множество.

Зарядка аккумуляторных батарей производится постоянно при работающем двигателе или специальным зарядным устройством.

Для заряда аккумулятора заводской готовности его нужно залить электролитом и выдержать требуемое для пропитки время, после чего подключить к зарядному устройству. Положительный полюс батареи необходимо соединить с положительным полюсом ЗУ, а отрицательный — с отрицательным. Начать заряд можно при условии, что температура электролита в банках не выше 30°С в холодной и не выше 35°С в жаркой и теплой влажной зонах, в противном случае ему надо дать остыть.

Сам процесс заряда подробно расписан в инструкциях к зарядным устройствам. О зарядке кальциевых батарей Вы можете почитать тут.

В заключение можно отметить, что практически все виды свинцово-кислотных автомобильных АКБ не ремонтопригодны.

В настоящее время вышедшие из строя АКБ, в лучшем случае, умельцы выжигают на кострах с целью получения свинца. А в основном отработавшие батареи сдают в пункты приема цветных металлов или обменивают на новые с доплатой.

Источник