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 — 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
Принцип действия свинцово-кислотных аккумуляторов.
Активной массой положительного электрода (анода) аккумулятора служит перекись (диоксид) свинца PbO2 темно-коричневого цвета, а активной массой отрицательного электрода (катода) — чистый (губчатый) свинец Pb светло-серого цвета. Электролитом является 25–34% водный раствор серной кислоты. Емкость аккумулятора зависит от площади активной поверхности электродов (пластин) и от количества пластин, соединенных параллельно.
Отрицательных пластин всегда на одну больше, чем положительных, так как каждая положительная располагается между двумя отрицательными. Это необходимо, чтобы обеспечить равномерное участие в электрохимических реакциях обеих поверхностей положительной пластины, поскольку при работе только одной ее поверхности тонкая положительная пластина коробится и может замкнуться с отрицательной.
Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца Pb (катод) и диоксида свинца PbO2 (анод) в сернокислотной (H2SO4) среде. Всего таких реакций в свинцовом аккумуляторе происходит более 60, но основополагающая суммарная химическая реакция при заряде/разряде, в соответствии с общепринятой теорией двойной сульфатации, описывается следующей реакцией:
PbO2+Pb+2H2SO4→2PbSO4+2H2O (разряд); 2PbSO4+2H2O→PbO2+Pb+2H2SO4 (заряд). (1)
Pb+HSO4-→PbSO4+H++2e- (на катоде); PbO2+HSO4-+3H++2e-→PbSO4+2H2O (на аноде). (2)
PbSO4+H++2e-→Pb+HSO4- (на катоде); PbSO4+2H2O→PbO2+HSO4-+3H++2e- (на аноде). (3)
Малорастворимое соединение PbSO4, образующееся при разряде на обоих электродах, — сульфат свинца, именно поэтому теория, описывающая данный процесс, называется теорией двойной сульфатации. Поскольку при разряде серная кислота расходуется на образование сульфатов, происходит снижение ее концентрации, то есть плотности электролита с 1,23–1,30 г/см3 заряженного аккумулятора до значения 1,02–1,03 г/см3. Это, в свою очередь, приводит и к снижению напряжения на электродах такого аккумулятора от начального значения 2,10–2,22 В (в зависимости от начальной концентрации серной кислоты) до 1,95–1,70 в конце полного разряда. При заряде происходят обратные процессы: серная кислота выделяется в раствор электролита из сульфатов на электродах при участии воды, при этом плотность электролита и напряжение аккумулятора растут. В процессе заряда, ближе к его завершению, особенно повышенным током и при некоторых критических значениях концентрации сульфата свинца на электродах, наблюдается процесс электролиза (разложения) воды, на водород (возле катода) и кислород (возле анода). Выделяющиеся газы образуют взрывоопасную смесь в воздухе (с объемной концентрацией около 4% водорода), поэтому помещения с аккумуляторами относятся к разряду взрывоопасных. Кроме того, разложение воды приводит к уменьшению ее количества в аккумуляторе, что требует периодического ее пополнения. Правда, следует отметить, что существует решение этих проблем — пробки-рекомбинаторы, изготавливаемые некоторыми компаниями–производителями аккумуляторов.
В процессе эксплуатации аккумулятора при чередующихся зарядах и разрядах вследствие объемных изменений происходят разупрочнение активной массы Рb02 на аноде и потеря механических и электрических связей между частицами, в результате чего активная масса на аноде разжижается и оплывает. Этому явлению способствует также обильное выделение пузырьков кислорода на поверхности анода в процессе заряда. При этом свойства аккумулятора постепенно ухудшаются, и он выходит из строя. Кроме того, осыпание частиц диоксида свинца, обладающего высоким сопротивлением, с анода и его электрофоретический перенос к катодным пластинам обнажает их боковые кромки, что может привести к коротким замыканиям.
Источник