Свинцово-кислотный аккумулятор — устройство и принцип работы, разновидности

Свинцово-кислотные аккумуляторы наиболее часто использовались в различных системах хранения энергии более века, и в этой роли они не имели себе равных до рубежа XX и XXI веков, когда стали доступны литий-ионные батареи.

В основе устройства и функционирования классического свинцово-кислотного аккумулятора лежат обратимые электрохимические реакции свинца и диоксида свинца с водным раствором серной кислоты: когда аккумулятор разряжается на нагрузку, оксид свинца на катоде и свинец на аноде, взаимодействуя с анионами серной кислоты, превращаются в сульфат свинца (диоксид свинца на катоде восстанавливается, свинец на аноде окисляется).

Когда аккумулятор заряжается — сульфат свинца на пластинах распадается на ионы, на катоде образуется оксид свинца, а на аноде — снова металлический свинец. При этом концентрация раствора серной кислоты увеличивается, поскольку ионы серной кислоты воссоединяясь с водородом снова образуют серную кислоту. Таким образом реализуется возможность снова и снова использовать один и тот же аккумулятор, просто время от времени перезаряжая его.

В процессе разрядки аккумулятора концентрация серной кислоты снижается — плотность электролита падает. А когда по окончании зарядки количество сульфата свинца на электродах практически исчерпывается, начинает брать верх процесс электролиза воды. Данное явление можно наблюдать в виде обилия пузырьков кислорода и водорода, что является признаком перезаряда свинцово-кислотного аккумулятора, и многие автолюбители знают о нем не понаслышке.

Лучше такого явления не допускать, ибо при этом, во-первых, необратимо расходуется вода, а во-вторых, возникает угроза взрыва. Поэтому все нормальные зарядные устройства понижают ток заряда по достижении определенного напряжения на клеммах заряжаемого аккумулятора. Что же касается потерь воды, то их традиционно восполняют доливкой в аккумулятор дистиллированной воды.

Фактически внутри корпуса свинцово-кислотного аккумулятора на 12 вольт располагается батарея из шести последовательно соединенных друг с другом элементов — ячеек. Одна ячейка (максимальное напряжение одной такой ячейки составляет 2,17 вольт) состоит из двух электродов и разделительных пластин — сепараторов, химически не взаимодействующих с электролитом, но препятствующих контакту между электродами.

Электроды представляют собой решетки чистого свинца, причем в анодную решетку впрессован порошок диоксида свинца, а в катодную — порошок свинца. Порошки используются здесь для того, чтобы максимально увеличить площадь взаимодействия электродов с электролитом, и тем самым получить возможно большую электроемкость аккумулятора, поскольку электроды погружены в электролит. Батареи из 3, 6 или 12 ячеек дают 6, 12 и 24 вольта на клеммах аккумулятора соответственно.

Стартерная батарея автомобиля (с жидким электролитом)

Классические автомобильные аккумуляторы — аккумуляторы кислотные, с жидким электролитом, на номинальное напряжение 12 вольт. В крышке такого аккумулятора имеется 6 отверстий с пробками для удобства обслуживания — можно проверить плотность электролита при помощи ареометра, если нужно — долить дистиллированной воды. Диапазон емкостей — от 35 до 230 А*ч, обеспечивают пусковые токи от 330 до 1500 А.

Задача такого аккумулятора — провернуть стартер в момент запуска автомобиля, а также питать бортовую сеть (фары, приборы, бортовые потребители через прикуриватель и т. д.) Аккумуляторы данного формата на жидком электролите постепенно уходят в прошлое, уступая место более современным аккумуляторам с загущенным электролитом.

Гелевые аккумуляторы (GEL) для ИБП, охранных систем и т. д.

В бытовых источниках бесперебойного питания (ИБП, UPS) (смотрите — Как устроены и работают ИБП), в цепях питания систем охранных сигнализаций и других подобных применениях, служат герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы с загущенным электролитом — гелевые аккумуляторы.

Жидкий кислотный электролит здесь загущен до пастообразной консистенции водным щелочным раствором силикатов натрия (Na2Si2O4). Аккумуляторы данного типа не требуют обслуживания и доливки дистиллированной воды. Выпускаются гелевые аккумуляторы на емкости от 1 до 100 А*ч.

Технология AGM

Более совершенная версия гелевого аккумулятора — необслуживаемый свинцово-кислотный аккумулятор с пористыми сепараторами из стеклоткани (Absorbent Glass Mat), допускающий более жесткие режимы заряда и эксплуатации. Отличительная особенность технологии AGM заключается в использовании пропитанного жидким электролитом пористого заполнителя отсеков корпуса из стекловолокна.

Микропоры такого материала заполнены электролитом не полностью, и свободный от электролита объем используется здесь для рекомбинации газов. Аккумулятор, произведённый по технологии AGM, имеет ряд преимуществ: устойчивость к вибрации, нормальная работоспособность в любом положении (главное — не располагать вверх дном, так как сверху находятся аварийные клапаны).

Источник

Аккумулятор, типы, устройство и применение — вопросы и ответы

Что такое аккумулятор и как он устроен, вопросы и ответы по теле аккумуляторных элементов и батарей.

Что называется вторичным элементом?

Вторичным гальваническим элементом или аккумулятором называется такой элемент, который, не производя сам электрической энергии, обладает способностью накоплять (аккумулировать) энергию, производимую другим каким-либо источником электрической энергии и затем по мере надобности отдавать, т. е. расходовать, эту энергию.

Какие типы аккумуляторов известны в настоящее время?

В настоящее время наиболее распространены аккумуляторы двух типов: кислотные и щелочные (железоникелевые). Известны ещё и другие типы аккумуляторов (ртутные, солевые и т. д.), но в промышленном масштабе эти аккумуляторы не производятся.

Как устроен кислотный аккумулятор?

Кислотные аккумуляторы в основном состоят из двух групп свинцовых пластин, погружённых в разведённую серную кислоту. Свинцовые пластины — электроды — обычно делаются решётчатыми.

Клетки положительной пластины набиваются свинцовым суриком, а клетки отрицательной — свинцовым глётом.

Рис. 1. Как устроен кислотный аккумулятор.

Как устроен щелочной аккумулятор?

Существует несколько конструкций щелочных аккумуляторов, но в основном все они состоят из железных пластин, погружённых в раствор едкого калия.

Пластины обычно делаются из тонкого никелированного железа со множеством отверстий.

В пластины соответствующим образом набивается активная масса, которая у положительных пластин состоит из гидрата окиси никеля, а у отрицательных — из порошкообразного железа, иногда с различными примесями вроде кадмия.

Рис. 2. Как устроен щелочной аккумулятор.

Чему равен разрядный ток аккумулятора?

Предельным разрядным током аккумулятора считается ток (в амперах), равный 1/10 ёмкости аккумулятора, выраженной в ампер-часах. Например, аккумулятор ёмкостью в 40 А-ч имеет предельный разрядный ток в 4 А.

Практически рекомендуется разряжать аккумулятор током несколько меньшим, чем наибольший разрядный, так как это увеличивает долговечность аккумулятора.

Что называется наибольшим зарядным током?

Наибольшим зарядным током называется тот предельный ток, которым можно заряжать аккумулятор. Численно этот ток равен 1/10 ёмкости аккумулятора.

Так, например, если аккумулятор имеет ёмкость 40 А-ч, то его наибольший зарядный ток будет 4 А. Практически лучше заряжать аккумулятор несколько меньшим током, чем наибольший зарядный ток, так как это обеспечит более продолжительный срок службы аккумулятора.

Какие аккумуляторы лучше — кислотные или щелочные?

Как у кислотных, так и у щелочных аккумуляторов имеются свои достоинства и недостатки. Основное преимущество кислотных аккумуляторов — меньшая стоимость, большее напряжение — 2 В; щелочной даёт только 1,25 В.

Зато щелочной гораздо легче кислотного, долговечнее, не боится коротких замыканий, может долго находиться без зарядки и т. д. Поэтому щелочной аккумулятор обыкновенно предпочитают кислотному.

Какие основные правила ухода за кислотными аккумуляторами?

1. При заряде и разряде аккумулятора руководствоваться теми указаниями, которые даны в паспорте аккумулятора.
2. После зарядки и доливки аккумуляторов дистиллированной или профильтрованной кипячёной водой — тщательно протереть тряпкой аккумуляторы, во избежание саморазряда.
3. Аккумулятор нельзя оставлять в незаряженном состоянии более, чем на одни сутки.
4. Для хранения аккумулятора в бездействующем состоянии следует его слегка зарядить, затем вылить электролит и промыть пластины дистиллированной водой.
5. Раствор серной кислоты берётся в 22° по Боме.
6. Заливка аккумуляторов производится холодным раствором перед зарядкой. Уровень электролита должен быть выше пластин примерно на 10 мм.
7. Разряжать аккумулятор ниже 1,8 В нельзя.
8. Зарядка аккумуляторной батареи производится с открытыми пробками и должна происходить до тех пор, пока кипение во всех аккумуляторах не будет одинаковым.
9. Если заряженный аккумулятор долго не был в употреблении, то через 15-20 дней его следует подзарядить.
10. Выводы аккумуляторов и клеммы, во избежание окисления, смазывать вазелином.

Какие основные правила ухода за щелочными аккумуляторами?

1. Пробки с аккумуляторных банок при зарядке снимаются. По прошествии 12-15 часов после окончания зарядки пробки ставятся на место.
2. Температура электролита при зарядке и усиленной разрядке не должна превышать 45°.
3. Разряд аккумулятора не должен падать ниже 1,1 В.
4. Аккумуляторные банки не должны касаться друг друга, так как у щелочных аккумуляторов отрицательный полюс соединён с банкой, и точно также провода не должны касаться банок.
5. При испарении электролита в банки надо доливать дистиллированную воду и раз в течение года менять электролит. Перед сменой электролита аккумулятор необходимо разрядить до напряжения 0,8 В и тщательно прополоскать.
6. Плотность электролита (калий-гидрат) должна быть 25° по Боме.
7. Для приготовления электролита куски едкого калия кладут в стеклянную, эмалированную или железную посуду и растворяют в дистиллированной воде (две весовых части на одну часть едкого калия). Во время растворения калия температура жидкости повышается. В аккумулятор вливается остывший раствор.
8. При обращении с калием-гидратом следует соблюдать большую осторожность, так как он едок. Пятна от калия-гидрата смываются 10 % раствором борной кислоты.

Как определить плюс и минус у элементов, аккумуляторов, сети постоянного тока?

Наиболее простым способом является следующий. Надо опустить концы проводов, соединённых с аккумулятором, с батареей или сетью постоянного тока, в слегка подкислённую воду (серной кислотой, уксусом и т. п.).

Отрицательный провод можно узнать по большому количеству пузырьков, выделяющихся у одного из опущенных в воду проводов.

Как зарядить высоковольтный аккумулятор от низковольтной динамо-машины?

Надо разделить высоковольтный аккумулятор на секции с таким напряжением, которое будет несколько меньше, чем у данной динамо-машины, и заряжать эти секции или по отдельности, или соединив параллельно, если мощность машины это допускает.

Ниже представлена схема зарядки аккумулятора от динамо-машины.

Рис. 3. Схема зарядки аккумулятора от динамо-машины.

Что значит “включить аккумулятор буфером”?

Включение аккумулятора буфером обозначает включение аккумулятора на работу параллельно с выпрямителем, от которого аккумулятор одновременно заряжается.

Такое включение аккумулятора при питании радиоустановки от постоянного тока в значительной степени сглаживает пульсацию.

Почему пластины аккумуляторов иногда покрываются белым налётом?

Причиной покрывания пластин аккумулятора белым налётом (сульфатация пластин) является:

1. разряд аккумулятора ниже нормы,
2. нахождение аккумуляторов в течение продолжительного времени в разряженном состоянии,
3. применение раствора серной кислоты большей крепости, чем необходимо,
4. работа в жарком помещении.

Как исправить сульфатированные пластины?

Для этого прежде всего следует убедиться в том, что между пластинами аккумулятора нет короткого замыкания. Затем надо заменить электролит сульфатированного аккумулятора раствором серной кислоты плотностью 3-5° по Боме и поставить аккумулятор под зарядку током от четверти до половины величины максимального зарядного тока, нормального для данного аккумулятора.

Зарядка продолжается до тех пор, пока плотность электролита не перестанет повышаться. Разряжать и заряжать аккумулятор придётся неоднократно, пока пластины не примут свой нормальный цвет.

Как заделать трещины в эбонитовых банках?

Заделку незначительных трещин в эбонитовых сосудах можно произвести при помощи специального клея из киноплёнки. Разрезанная на мелкие куски киноплёнка (после удаления с неё эмульсии) растворяется в ацетоне.

Получившейся киселеобразной массой промазываются несколько раз, с последующим высушиванием, трещины в эбонитовых банках. Края трещин предварительно должны быть зачищены наждачной шкуркой.

По окончании последней проклейки банка должна сохнуть в течение нескольких дней.

Можно ли использовать старые аккумуляторы?

Обычно в аккумуляторах положительные пластины приходят в негодность раньше, чем отрицательные. Если этих пластин имеется достаточное количество, то из них можно собрать аккумулятор, используя одну часть этих пластин в качестве положительных электродов, а другую в качестве отрицательных.

Такие аккумуляторы, собранные из отрицательных пластин, работают в общем удовлетворительно.

Как обращаться с серной кислотой при изготовлении раствора для амальгамирования, электролита для аккумуляторов ит. д.?

При изготовлении такого рода растворов следует осторожно вливать серную кислоту в воду, хорошенько перемешивая её стеклянной палочкой.

Поступать наоборот (т. е. лить воду в кислоту) нельзя, так как в этом случае вода, быстро обращаясь в пар, будет разбрызгиваться вместе с кислотой, в результате чего можно получить ожог.

А. П. Горшков — Cправочник радиолюбителя в вопросах и ответах, 1938г.

Источник