Положительные пластины свинцового аккумулятора

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

Свинцово кислотный аккумулятор

Свинцово кислотные аккумуляторные батареи изобретены более полутора столетия назад и до сих пор широко используются. Их устанавливают во многих видах транспорта и применяют как дополнительные источники питания. Доступность материалов и автоматизация производства позволяют производить аккумуляторы, достойной альтернативы которым пока что не разработано.

Устройство

Прямоугольный корпус состоит из нескольких секций, которые герметично отделены друг от друга и заполнены серной кислотой — электролитом. В нее погружены токоотводящие решетки электродов, разделенные между собой сепараторами. Каждый электрод включает в себя несколько пластин, соединенных параллельно. Соединение однополярных электродов между отсеками батареи выполняется последовательно.

Основные элементы АКБ:

1. Корпус АКБ. Выполнен из кислотостойкого диэлектрического полимера (полиэтилен, полипропилен и подобные им).
2. Токоотводящая решетка отрицательного электрода (часто изготавливается из губчатого свинца).
3. Сепаратор для отделения решетки положительного и отрицательного электродов (пористый кислотостойкий диэлектрик).
4. Токоотводящая решетка положительного электрода, выполненная из двуокиси свинца.
5. Баретка. Параллельно соединяет пластины одной полярности.
6. Опорные элементы для создания зазора между электродами и дном корпуса. Зазор позволяет оседать отслоившемуся реагенту решетки.
7. Крышка.
8. Заглушка заливного отверстия.
9. Положительный вывод.
10. Перемычка. Соединяет блоки пластин одной полярности.
11. Отрицательный вывод.

Базовая конструкция свинцовых АКБ с момента изобретения не претерпела существенных изменений. Некоторые усовершенствования коснулись покрытия токоотводящих пластин, структуры и материала сепараторов, а также консистенции электролита.

Необслуживаемая свинцово кислотная батарея

На положительных пластинах обычной свинцово кислотной АКБ при завершении зарядки образуется кислород, который впоследствии может перераспределяться на отрицательных решетках. Однако большая часть кислорода не успевает раствориться в электролите и испаряется с его поверхности, после чего выводится через вентиляционные отверстия.

В необслуживаемых свинцово кислотных аккумуляторах эта проблема решена за счет микроскопических полостей в сепараторе, которые способствуют практически моментальному газообмену между пластинами и последующей рекомбинации выделяющихся газов. Благодаря этому возможно изготовление устройств с герметизированным корпусом. Электролит в них практически не испаряется, нет надобности доливать воду, а срок службы больше, чем у обслуживаемых аналогов.

Аккумуляторы с гелеобразным электролитом и AGM

Распространение получили две технологии удержания газов в электролите – AGM и GEL. В сепараторах AGM-устройств используют пористое стекловолокно – стекломат. Второй вариант подразумевает применение гелеобразного электролита. Основным реагентом в обоих случаях является десятипроцентный раствор H2SO4.

При нормальной эксплуатации оба типа батарей практически герметичны, не испаряют газов и в случае повреждения корпуса электролит у них не вытечет.

Емкость свинцового АКБ

Это один из основных параметров АКБ. Определяет электроэнергию, которою возможно получить от максимально заряженной батареи, разряжая ее до напряжения, определенного изготовителем.

Показатели емкости выражаются произведением количества тока (в амперах) на временной интервал в часах. Номинально, автомобильная АКБ емкостью 60 Ah должна в течение часа разряжаться током в 60A при напряжении 12v.

Можно предположить, что при изменении силы тока длительность функционирования изменится пропорционально. То есть при токе в 120A время работы составит порядка 30 мин. Что не соответствует действительности, так как сила тока при разряде напрямую влияет на емкость свинцово кислотных аккумуляторов. Например, при стартерных нагрузках в 255A емкость уменьшается более чем в два раза и для батареи в 60 Ah составит всего 25Ah. Что касается малых токов (2,75A), здесь будет наблюдаться незначительный прирост (примерно +5 Ah).

Помимо силы разрядного тока, емкость свинцово кислотных АКБ зависит от следующих факторов:

• Плотность электролита (процентное содержание серной кислоты). Более плотный электролит увеличивает емкость положительных электродов, но несколько снижает у отрицательных (особенно при низких температурах). К тому же ресурс положительных пластин сокращается из-за более интенсивных коррозионных процессов на их поверхности. Плотность электролита должна соответствовать совокупности требований, для которых создавалась конкретная батарея. Например, для автомобильных АКБ, работающих в условиях умеренного климата, оптимальной считается плотность 1,26–1,28 г/см3.
• Пористость рабочей поверхности пластин. Повышенная пористость позволяет увеличить фактическую площадь электрода, участвующую в электрохимической реакции и, как следствие – повысить емкость. Однако у этого показателя тоже есть свои ограничения (46% — 60%), так как чрезмерная пористость ускоряет деструкцию покрытия, что приводит к преждевременному выходу батареи из строя.
• Толщина пластин электрода. Более толстые электроды положительно влияют на емкость только при низких разрядных токах. При стартерных нагрузках внутренние элементы активной массы пластин не успевают среагировать с электролитом. Это в значительной степени уменьшает разницу между батареями с различной толщиной электрода и одинаковой активной площадью.

Индикатор емкости

Стандартным способом проверки емкости АКБ принято считать контрольный разряд. Полностью заряженную АКБ разряжают постоянным током. Сила потребляемого тока должна быть кратной емкости батареи (оптимальным считается соотношение 1 к 20). Например, при номинальной емкости 60 Ah свинцово кислотный аккумулятор разряжают током 3 A в течение 20 часов.

Вышеописанный способ достаточно трудоемок и сложен, к тому же во время проведения замеров батареей нельзя пользоваться. Чтобы быстро протестировать свинцовый аккумулятор следует использовать специальные устройства, такие как «Нагрузочная вилка» или подобные им индикаторы емкости .

Срок службы

Качественная батарея, изготовленная с соблюдением технологий, прослужит в 2-3 раза дольше, чем дешевая продукция сомнительного бренда с гарантией 6 месяцев. Имеются ввиду одинаковые типы АКБ и такие же режимы нагрузок на них.

Батарея средней ценовой категории с гарантией 2 года при умеренных стартерных нагрузках пройдет около 100 тыс. км или прослужит 3-5 лет. Эксплуатация в более интенсивных режимах, например, в такси сократит срок службы минимум вдвое. Если к этому прибавить работу преимущественно в условиях низких температур, халатное отношение к обслуживанию, несколько циклов полного разряда, то даже качественная батарея вряд ли выдержит больше года.

Принцип действия

Принцип работы свинцово кислотного аккумулятора следующий:

1. Реагент отрицательной решетки постепенно распадается под действием электролита, образуя ионы свинца. В результате этого распада появляются свободные электроны, которые затем попадают на положительную решетку электрода (через внешнюю цепь);
2. Ионы свинца взаимодействуют с электролитом, образуя сульфат свинца. Из-за низкой растворимости он оседает на отрицательной решетке.
3. В результате обычный свинец на отрицательной пластине превращается в сернокислый.
4. Положительный электрод меньше взаимодействует с электролитом, чем отрицательный. Его основная составляющая – Pb02 реагирует с водой и делится на положительные и отрицательные ионы.
5. Положительные передают на пластину соответствующий потенциал, где происходит их слияние с электронами. В ходе реакции восстановления образуется Pb2+, который далее реагирует с электролитом.
6. Образовавшийся в результате сернокислый свинец скапливается на положительной решетке, образуя в последствии на ее поверхности свинцовый сульфат.

Батарея получает электроэнергию следующим образом:

1. Возле обеих пластин в электролите содержится некоторое количество воды (H+, OH–) и сульфата свинца (Pb2+, SO2/4)
2. В процессе зарядки электроны движутся с внешнего источника питания от положительного контакта батареи к отрицательному.
3. Поступившие электроны восстанавливают свинец отрицательной пластины.
4. Оставшиеся после восстановления свинца ионы и содержащийся в электролите H+ соединяются в H2SO
5. На плюсовой пластине приходящий ток выбивает 2 электрона у 2-х валентного свинца, окисляя его до 4-х валентного.
6. В результате последующих взаимодействий Pb4+ объединяется с ионами кислорода, восстанавливая материал плюсовой решетки.
7. Оставшиеся ионы, реагируя между собой, компенсируют плотность электролита.

Зарядка и эксплуатация

Наиболее правильно заряжать свинцово кислотную АКБ – использовать специальное зарядное устройство. В крайних случаях автолюбители частично подзаряжают севшую батарею от автомобиля донора (прикуривание), а после старта двигателя процесс продолжается от генератора.

На зарядном устройстве сначала необходимо выставить силу тока, которая обычно указывается производителем в инструкции и составляет 20%-30% номинальной емкости (для АКБ 60Ah норма 12A – 18A). Наиболее щадящий вариант, но более продолжительный – 10% от заявленной емкости аккумулятора.

Длительность зарядки свинцово кислотных аккумуляторов при 20% тока составит 5-6 часов, после чего батарея будет заряжена примерно на 90%. Дальнейший процесс выполняется малым током (5% от емкости) занимает примерно сутки. Напряжение рассчитывается соответственно количества секций в АКБ (на каждую секцию 2,3v). То есть для обычного АКБ на 6 секций итоговое значение не должно превышать 13,8v. Для автомобильных аккумуляторов достаточно первого этапа зарядки, так как они практически весь срок службы находятся под максимальным напряжением.

Эксплуатация

В процессе использование необходимо обращать внимание на следующие моменты:

• Не допускать полного разряда, что нередко случается в следствии неконтролируемых утечек в сети автомобиля или другого устройства, которое питает батарея.
• Исключить колебания напряжения, что особенно актуально для зарядки от генератора транспортных средств.
• Своевременно добавлять дистиллированную воду в электролит. Это необходимо делать на обслуживаемых АКБ (с пробками на крышке), в случае недостаточного уровня электролита. Добавлять можно только дистиллированную воду, чтобы уровень электролита был выше токоотводящих пластин приблизительно на 10 мм.
• Поверхность крышки обслуживаемых батарей может покрываться гигроскопичной пленкой из просочившегося электролита, что способствует скорому саморазряду. Избежать подобного можно периодически протирая крышку раствором соды или подобной по концентрации щелочью.
• В случае длительного неиспользования аккумулятора его необходимо полностью зарядить и хранить в тепле (+20˚ C).

Прежде чем выполнять какие-либо действия с АКБ, следует ознакомиться с его инструкцией. Не редко наиболее важную информацию производитель размещает на корпусе устройства.

Восстановление

Наиболее распространенной причиной потери емкости аккумулятора является сульфатация токоотводящих пластин.

Восстановление свинцово кислотных аккумуляторов выполняется посредством длительной многократной зарядки малым током и заключается в следующем:

• Сила тока не должна превышать 5% номинальной емкости.
• Зарядка выполняется в течение 8 часов.
• После чего необходимо сделать 12-и часовой перерыв и снова заряжать.
• Процедуру повторяем 6-8 раз, периодически проверяя уровень электролита и его плотность.

Еще один способ, подходящий исключительно для обслуживаемых батарей: залить раствор сульфата магния в секции с электролитом, затем произвести несколько циклов заряд-разряд. В результате, скопления сульфата свинца осядут на дно, что может стать причиной замыкания пластин. Во избежание замыкания частицы сульфата необходимо удалить (вымыть изнутри секции), после чего залить новый электролит.

Заключение

Возможно, в скором времени будут изобретены источники питания, лишенные всех негативных качеств свинцово кислотных аккумуляторов. Но на данный момент это лучшие в своем роде устройства – они доступны, сравнительно долговечны и достаточно неплохо справляются с поставленными задачами. Соблюдение правил эксплуатации позволит избежать лишних мероприятий по восстановлению и продлить срок службы.

Источник