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

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

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