Аккумуляторы и принцип их работы. Свинцовые автомобильные аккумуляторы


Аккумуляторы и принцип их работы

Министерство науки и образования Республики Казахстан

Актюбинский государственный университет им. К. Жубанова

Факультет: технический.

Специальность: металлургия.

Реферат.

По дисциплине: Физическая химия.

На тему: Аккумуляторы и принцип их работы.

Выполнил: студент Тихонов Тимур

Проверил(а):Байманова

Актобе 2010.

Содержание

1. Свинцово-кислотный аккумулятор

2.Принцип действия

3. Устройство

4. Физические характеристики

5. Эксплуатационные характеристики

6. Эксплуатация

7. Свинцово-кислотный аккумулятор при низких температурах

8. Хранение

9. Износ свинцово-кислотных аккумуляторов

10. Электри́ческий аккумуля́тор

11. Принцип действия

12. Никель-ка́дмиевый аккумуля́тор

13. Параметры

14. Области применения

Свинцово-кислотный аккумулятор — наиболее распространенный на сегодняшний день тип аккумуляторов, изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте. Основные области применения: стартерные батареи в автомобильном транспорте, аварийные источники электроэнергии.

Принцип действия

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в сернокислотной среде. Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на катоде и окисление свинца на аноде. При заряде протекают обратные реакции, к которым в конце заряда добавляется реакция электролиза воды, сопровождающаяся выделением кислорода на положительном электроде и водорода — на отрицательном.

Химическая реакция (слева-направо — разряд, справа-налево — заряд):

· Катод:

· Анод:

В итоге получается, что при разрядке аккумулятора расходуется серная кислота с одновременным образованием воды (и плотность электролита падает), а при зарядке, наоборот, вода «расходуется» на образование серной кислоты (плотность электролита растет). В конце зарядки, при некоторых критических значениях концентрации сульфата свинца у электродов, начинает преобладать процесс электролиза воды. При этом на катоде выделяется водород, на аноде — кислород. При зарядке не стоит допускать электролиза воды, в противном случае необходимо ее долить.

Устройство

Элемент свинцово-кислотного аккумулятора состоит из положительных и отрицательных электродов, сепараторов (разделительных решеток) и электролита. Положительные электроды представляют собой свинцовую решётку, а активным веществом является перекись свинца (PbO2 ). Отрицательные электроды также представляют собой свинцовую решётку, а активным веществом является губчатый свинец (Pb). На практике в свинец решёток добавляют сурьму в количестве 1-2 % для повышения прочности. Сейчас в качестве легирующего компонента используются соли кальция, в обеих пластинах, или только в положительных (гибридная технология). Электроды погружены в электролит, состоящий из разбавленной серной кислоты (h3 SO4 ). Наибольшая проводимость этого раствора при комнатной температуре (что означает наименьшее внутреннее сопротивление и наименьшие внутренние потери) достигается при его плотности 1,26 г/см³. Однако на практике, часто в районах с холодным климатом применяются и более высокие концентрации серной кислоты, до 1,29 −1,31 г/см³. (Это делается потому, что при разряде свинцово-кислотного аккумулятора плотность электролита падает, и температура его замерзания, т.о, становится выше, разряженный аккумулятор может не выдержать холода.)

В новых версиях свинцовые пластины (решетки) заменяют вспененным карбоном, покрытым тонкой свинцовой пленкой, а жидкий электролит может быть желирован силикагелем до пастообразного состояния. Используя меньшее количество свинца и распределив его по большой площади, батарею удалось сделать не только компактной и легкой, но и значительно более эффективной - помимо большего КПД, она заряжается значительно быстрее традиционных аккумуляторов. [1]

Физические характеристики

· Теоретическая энергоемкость: около 133 Вт·ч/кг.

· Удельная энергоемкость (Вт·ч/кг): 30-60 Вт·ч/кг .

· Удельная энергоплотность (Вт·ч/дм³): около 1250 Вт·ч/дм³.

· ЭДС заряженного аккумулятора = 2,11 В, рабочее напряжение = 2,1 В (6 секций в итоге дают 12,7 В).

· Напряжение полностью разряженного аккумулятора = 1,75 — 1,8 В (из расчета на 1 секцию). Ниже разряжать их нельзя.

· Рабочая температура: от минус 40 до плюс 40

· КПД: порядка 80-90%

Эксплуатационные характеристики

· Номинальная ёмкость , показывает количество электричества, которое может отдать данный аккумулятор. Обычно указывается в ампер-часах, и измеряется при разряде малым током (1/20 номинальной емкости, выраженной в а/ч).

· Стартерный ток (для автомобильных). Характеризует способности отдавать сильные токи при низких температурах. В большинстве случаев замеряется при -18°С (0°F) в течение 30 секунд. Различные методики замера отличаются, главным образом, допускаемым конечным напряжением.

· Резервная емкость (для автомобильных). Характеризует время, в течение которого аккумулятор может отдавать ток 25А. Обычно составляет порядка 100 минут.

Эксплуатация

Ареометр может быть использован для проверки удельного веса электролита каждой секции

При эксплуатации «обслуживаемых» аккумуляторов (с открываемыми крышками над банками) на автомобиле при движении по неровностям неизбежно происходит просачивание проводящего электролита на корпус акуумулятора. Во избежание сильного саморазряда необходимо периодически нейтрализовывать электролит протиранием корпуса, например слабым раствором пищевой соды. Кроме того, особенно в жаркую погоду, происходит испарение воды из электролита, что увеличивает его плотность и может оголить свинцовые пластины. Поэтому необходимо следить за уровнем электролита и своевременно доливать дистиллированную воду.

Такие нехитрые операции вместе с проверкой автомобиля на утечку тока и периодической подзарядкой аккумулятора могут на несколько лет продлить срок эксплуатации батареи.

Свинцово-кислотный аккумулятор при низких температурах

По мере снижения окружающей температуры, параметры аккумулятора ухудшаются, однако в отличие от прочих типов аккумуляторов, свинцово-кислотные снижают их относительно медленно, что не в последнюю очередь обусловило их широкое применение на транспорте. Очень приблизительно можно считать, что емкость снижается вдвое при снижении окружающей температуры на каждые 15°С начиная от +10°С, то есть, при температуре -45°С свинцово-кислотный аккумулятор способен отдать лишь несколько процентов первоначальной емкости.Снижение емкости и токоотдачи при низких температурах обусловлено, в первую очередь, ростом вязкости электролита, который уже не может в полном объеме поступать к электродам, и вступает в реакцию лишь в непосредственной близости от них, быстро истощаясь.Еще быстрее снижаются зарядные параметры. Фактически, начиная с, примерно -15°С, заряд свинцово-кислотного аккумулятора почти прекращается, что приводит к быстрой прогрессирующей разрядке аккумуляторов при эксплуатации в режиме коротких частых поездок (так называемый, "режим доктора"). В этих поездках аккумулятор практически не заряжается, его необходимо регулярно заряжать внешним зарядным устройством.Считается, что не полностью заряженный аккумулятор в мороз может растрескаться из-за замерзания электролита. Однако раствор серной кислоты в воде замерзает совсем не так, как чистая вода - он постепенно густеет, плавно переходя в твердую форму. Такой режим замерзания вряд ли способен вызвать разрыв стенок незамкнутого сосуда (а банка аккумулятора - незамкнутый объем). Электролит, в массовой литературе называемый "замерзшим" фактически еще можно перемешивать.Растрескивание стенок аккумулятора при морозах действительно бывает, но в основном является следствием изменения свойств применяемого для стенок материала, а не расширением электролита при замерзании.

Хранение

Свинцово-кислотные аккумуляторы необходимо хранить только в заряженном состоянии. При температуре ниже −20 °C заряд аккумуляторов должен проводиться постоянным напряжением 2,275 В/секцию, 1 раз в год, в течение 48 часов. При комнатной температуре — 1 раз в 8 месяцев постоянным напряжением 2,35 В/секцию в течение 6-12 часов. Хранение аккумуляторов при температуре выше 30 °C не рекомендуется.

Слой грязи и накипи на поверхности аккумулятора создает проводник для тока от одного контакта к другому и приводит к саморазряду аккумулятора, после чего начинается преждевременная сульфатизация пластин и поэтому поверхность аккумулятора необходимо поддерживать в чистоте (то есть его надо мыть перед хранением) Хранение свинцово-кислотных аккумуляторов в разряженном состоянии приводит к быстрой потере их работоспособности.

При длительном хранении аккумуляторов и разряде их большими токами (в стартерном режиме), или при уменьшении ёмкости аккумуляторов, нужно проводить контрольно-тренировочные (лечебные) циклы, то есть разряд-заряд токами номинальной величины.[2]

Износ свинцово-кислотных аккумуляторов

При использовании технической серной кислоты и недистиллированной воды ускоряются саморазрядка, сульфатация, разрушение пластин и уменьшение емкости аккумуляторной батареи.

mirznanii.com

Ohm — новый умный автомобильный аккумулятор на замену свинцовому / Geektimes

Современный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания невероятно эволюционировал за несколько десятков лет. Начиная от стандартов безопасности и экологичности выхлопа, и заканчивая разной хитрой электроникой, облегчающей жизнь водителя. Но остаётся одна вещь, которая практически не менялась. И стартап Ohm намеревается произвести улучшение в этой области.

Речь идёт об автомобильных аккумуляторах. Загляните под капот – и вы найдёте там свинцовую батарею (владельцы Tesla, опустите руки – я сейчас говорю про автомобили с ДВС). Старый добрый свинцово-кислотный аккумулятор изобретён ещё в середине 19-го века. С тех пор он с небольшими изменениями служит для запуска автомобилей и поддержания работы его электрических систем.

Свинец, диоксид свинца, вода и серная кислота – недорогой рецепт успеха. Аккумулятор может отдавать большие токи для старта двигателя. Он незначительно снижает свои характеристики при температурах меньше 0°C (на 1% для каждого градуса менее +20°C), что для суровых северных стран особенно актуально.

В СССР дети с удовольствием плавили свинцовые внутренности аккумуляторов на кострах, а по мере роста обеспокоенности состоянием окружающей среды становится всё больше возможностей сдать старый аккумулятор в переработку. Обычно автовладельцы при покупке нового аккумулятора сдают старый, и получают скидку. Сейчас в мире на повторную переработку сдаётся более 90% аккумуляторов. Казалось бы, зачем что-то менять? Но у всего есть недостатки. Например, свинцовый аккумулятор для легковушки весит килограмм 15. Несмотря на возможности переработки, он всё-таки содержит токсичные вещества, которые могут нанести вред окружающей среде. Количество циклов заряда-разряда до состояния, когда аккумулятор становится невозможно нормально использовать, не превышает 1000.

Количество циклов у свинца

Не так давно на горизонте появилась новая разновидность литий-ионных аккумуляторов: литий-железо-фосфатный аккумулятор (LiFePO4, или LFP). Его характеристики превосходят таковые у свинцово-кислотных. Например, количество циклов заряда-разряда до 20% потери ёмкости исчисляется несколькими тысячами.

Циклы у LFP

Также у него довольно небольшой саморазряд, при этом он может как отдавать большие токи, так и заряжаться сравнительно большими токами, что позволяет заряжать аккумулятор до 100% за несколько минут). И он даже меньше, чем свинцово-кислотный, теряет ёмкости на морозе.

Стартап Ohm хочет поменять аккумуляторы в наших автомобилях на LFP. Кроме всех прочих преимуществ, они ещё и весят гораздо меньше. Аккумулятор от Ohm использует двухслойный электрохимический конденсатор (EDLC) для отдачи больших токов в момент старта. И потому аккумулятор для легкового автомобиля, по заверениям изобретателей, будет весить всего три килограмма.

Недостаток LFP аккумуляторов – необходимость в «умной» зарядке и цена. Ohm пока предлагает предпродажную версию устройства по стоимости в $200 (в США), что довольно неплохо, учитывая обещание компании об увеличении срока службы аккумулятора в два раза.

Касательно зарядки компания пошла ещё дальше. Поскольку LFP-аккумуляторы занимают гораздо меньше места, а автомобили пока ещё предназначены для стандартных размеров батарей, Ohm разместили свой аккумулятор в корпусе типоразмера 35 (23,6 х 17,3 х 19,9 см). Кроме него в корпус уместилась как умная зарядка, так и система отключения питания, которая должна не дать аккумулятору разрядиться в ноль. Если вы забудете выключить фары, то Ohm, разрядившись до определённого момента, просто отключит питание электросети автомобиля. Но при включении зажигания он снова воспрянет и позволит вам завести двигатель.

Недостатки есть и тут. Во-первых, Ohm может запасти меньше энергии, чем свинцовый аккумулятор. По оценкам компании, с выключенным двигателем на нём можно будет слушать радио всего минут 40, а не несколько часов, как на свинцовом. Кроме того, нет уверенности, что электроника современных автомобилей будет легко относиться к внезапному полному отключению питания.

В данный момент проходит закрытое тестирование продукта. Выполнят ли в компании Ohm все свои обещания, и удастся ли им действительно сделать хорошую замену привычным батареям – скоро узнаем.

geektimes.ru

Свинцово-кислотный аккумулятор Википедия

Свинцо́во-кисло́тный аккумуля́тор — тип аккумуляторов, изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте. Основные области применения: стартерные аккумуляторные батареи в транспортных средствах, аварийные источники электроэнергии, резервные источники энергии.

История

Свинцовый аккумулятор изобрёл в 1859—1860 годах Гастон Планте, сотрудник лаборатории Александра Беккереля[1]. В 1878 году Камилл Фор усовершенствовал его конструкцию, предложив покрывать пластины аккумулятора свинцовым суриком.

Принцип действия

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 (в классическом варианте аккумулятора). Проведенные в СССР исследования показали, что при разряде аккумулятора протекает как минимум ~60 различных реакций, порядка 20 из которых протекают без участия кислоты электролита[2].

Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на катоде[2][3] и окисление свинца на аноде. При заряде протекают обратные реакции. При перезаряде аккумулятора, после исчерпания сульфата свинца начинается электролиз воды, при этом на аноде (положительный электрод) выделяется кислород, а на катоде — водород.

Электрохимические реакции (слева направо — при разряде, справа налево — при заряде):

PbO2+SO42−+4H++2e−⇆PbSO4+2h3O{\displaystyle PbO_{2}+SO_{4}^{2-}+4H^{+}+2e^{-}\leftrightarrows PbSO_{4}+2H_{2}O} Pb+SO42−−2e−⇆PbSO4{\displaystyle Pb+SO_{4}^{2-}-2e^{-}\leftrightarrows PbSO_{4}}

При разряде аккумулятора из электролита расходуется серная кислота и выделяется относительно более лёгкая вода, плотность электролита падает. При заряде происходит обратный процесс. В конце заряда, когда количество сульфата свинца на электродах снижается ниже некоторого критического значения, начинает преобладать процесс электролиза воды. Газообразные водород и кислород выделяются из электролита в виде пузырьков — так называемое «кипение» при перезаряде. Это нежелательное явление, при заряде его следует по возможности избегать, так как при этом вода необратимо расходуется, нарастает плотность электролита и есть риск взрыва образующихся газов. Потери воды в результате электролиза восполняют доливкой в банки аккумулятора дистиллированной воды. Необходимо помнить, что вода, попадающая в концентрированную серную кислоту, закипает и сильно разбрызгивает кислотные капли.

Устройство

Элемент свинцово-кислотного аккумулятора состоит из электродов и разделительных пористых пластин, изготовленных из материала, не взаимодействующего с кислотой, препятствующих замыканию электродов (сепараторов), которые погружены в электролит. Электроды представляют собой плоские решётки из металлического свинца. В ячейки этих решёток запрессованы порошки диоксида свинца (PbO2) — в анодных пластинах и металлического свинца — в катодных пластинах. Применение порошков увеличивает поверхность раздела электролит — твердое вещество, тем самым увеличивает электрическую ёмкость аккумулятора.

Электроды вместе с сепараторами погружены в электролит, представляющий собой водный раствор серной кислоты. Для приготовления раствора кислоты применяют дистиллированную воду.

Электрическая проводимость электролита зависит от концентрации серной кислоты и при комнатной температуре максимальна при плотности электролита 1,23 г/см³. Чем больше проводимость электролита, тем меньше внутреннее сопротивление аккумулятора, и, соответственно, ниже потери энергии на нём. Однако, на практике в районах с холодным климатом применяются и более высокие концентрации серной кислоты, до 1,29−1,31 г/см³, это связано с тем, что при низких концентрациях электролит может замёрзнуть, а при замерзании образуется лёд, который может разорвать банки аккумулятора.

Существуют экспериментальные разработки аккумуляторов, где свинцовые решетки заменяют пластинами из переплетённых нитей углеродного волокна, покрытых тонкой свинцовой пленкой. При этом используется меньшее количество свинца, распределённого по большой площади, что позволяет изготовить аккумулятор не только компактным и лёгким, при прочих равных параметрах, но и значительно более эффективным — помимо большего КПД, заряжается значительно быстрее традиционных аккумуляторов[4].

В аккумуляторах, применяемых в бытовых ИБП, систем охранной сигнализации и др. жидкий электролит загущают водным щелочным раствором силикатов натрия (Na2Si2O4) до пастообразного состояния.

Электрические и эксплуатационные параметры

  • Удельная предельная теоретическая энергоёмкость (Вт·ч/кг): около 133.
  • Удельная энергоёмкость (Вт·ч/кг): 30—60.
  • Теоретическая удельная энергоплотность (Вт·ч/дм³): 1250[5].
  • ЭДС одного элемента заряжённого аккумулятора = 2,11—2,17 В, рабочее напряжение 2 В (3 или 6 секций в итоге дают стандартные 6 В или 12 В соответственно)[2].
  • Напряжение полностью разряженного аккумулятора = 1,75—1,8 В (на 1 элемент). Ниже разряжать их нельзя[2].
  • Рабочая температура: от −40 °C до +40 °C.
  • КПД: порядка 80—90 %.

Эксплуатационные характеристики

  • Номинальная ёмкость, показывает количество электричества, которое может отдать данный аккумулятор. Обычно указывается в ампер-часах, и измеряется при разряде малым током (1/20 номинальной ёмкости, выраженной в А·ч)[6].
  • Стартерный ток (для автомобильных аккумуляторов). Характеризует способности отдавать сильные токи при низких температурах. В большинстве случаев измеряется при −18 °C (0 °F) в течение 30 секунд. Различные методики замера отличаются (главным образом, допускаемым конечным напряжением) поэтому дают различные результаты[7].
  • Резервная ёмкость (для автомобильных аккумуляторов) — характеризует время, в течение которого аккумулятор может отдавать ток 25 А до конечного напряжения 10,5 В согласно ГОСТ Р 53165-2008[8].

Эксплуатация

Ареометр может быть использован для проверки плотности электролита в каждом отдельном элементе

При эксплуатации «обслуживаемых» аккумуляторов (с открываемыми пробками на банках) на автомобиле при движении по неровной дороге неизбежно происходит просачивание электролита из-под пробок на корпус аккумулятора. Через электропроводную не высыхающую, из-за гигроскопичности, пленку электролита происходит постепенный саморазряд аккумулятора. Во избежание глубокого саморазряда необходимо периодически нейтрализовать электролит протиранием корпуса аккумулятора, например, слабым раствором пищевой соды или разведенным в воде до консистенции жидкой сметаны хозяйственным мылом. Кроме того, особенно в жаркую погоду, происходит испарение воды из электролита; количество воды в электролите также уменьшается при перезаряде за счёт электролита, что увеличивает его плотность, увеличивая напряжение на аккумуляторе. При существенной потере воды уровень электролита в банках может упасть ниже верха электродов, что снижает ёмкость. Поэтому необходимо следить за уровнем электролита и при необходимости доливать дистиллированную воду.

Эти меры вместе с проверкой автомобиля на паразитную утечку тока в его электрооборудовании и периодической подзарядкой аккумулятора могут существенно продлить срок эксплуатации аккумуляторной батареи.

Работа свинцово-кислотного аккумулятора при низких температурах

По мере снижения окружающей температуры параметры аккумулятора ухудшаются, однако, в отличие от прочих типов аккумуляторов, у свинцово-кислотных аккумуляторов это снижение относительно мало, что и обуславливает их широкое применение на транспорте. Эмпирически считается, что свинцово-кислотный аккумулятор теряет ~1 % ёмкости при снижении температуры на каждый градус от +20 °C. То есть, при температуре −30 °C свинцово-кислотный аккумулятор будет иметь 50 % ёмкости.

Снижение ёмкости и токоотдачи при низких температурах обусловлено, в первую очередь, ростом вязкости электролита. При этом ухудшается омывание электродов свежими порциями электролита, и концентрация серной кислоты в непосредственной близости от них снижается.

Разряженный аккумулятор в мороз может раздуться из-за замерзания электролита низкой плотности (близкой к 1,10 г/см3) и образования кристаллов льда, что приводит к необратимому повреждению свинцовых пластин внутри аккумулятора.

Низкие температуры электролита негативно влияют на работоспособность и зарядно-разрядные характеристики аккумулятора[9]:

  • при температуре от 0 °C до −10 °C снижение зарядных и разрядных характеристик несущественно влияют на работоспособность аккумулятора;
  • при температуре от −10 °C до −20 °C происходит снижение тока в стартерном режиме и ухудшение заряда;
  • при температуре ниже −20 °C аккумуляторные батареи не обеспечивают надежного пуска двигателя и не способны принимать заряд от генератора.

Из-за большего внутреннего сопротивления, присущего современным аккумуляторам закрытого типа (т. н. «необслуживаемым», герметичным, герметизированным) при низких температурах по сравнению с обычными аккумуляторами (открытого типа), для них эти вопросы ещё более актуальны[10].

Для эксплуатации транспортных средств при очень низких температурах предназначены конструкции аккумулятора с внутренним электроподогревом[11].

Хранение

Свинцово-кислотные аккумуляторы следует хранить только в заряженном состоянии. При температуре ниже −20 °C подзаряд аккумуляторов должен проводиться постоянным напряжением 2,45 В/элемент 1 раз в год в течение 48 часов. При комнатной температуре — 1 раз в 8 месяцев постоянным напряжением 2,35 В/элемент в течение 6—12 часов. Хранение аккумуляторов при температуре выше 30 °C не рекомендуется.

Слой грязи, солей и плёнки электролита на поверхности корпуса аккумулятора создаёт проводник для тока между электродами и приводит к саморазряду аккумулятора, при глубоком разряде начинается преждевременная сульфатация пластин, и поэтому поверхность аккумулятора необходимо поддерживать в чистоте. Хранение свинцово-кислотных аккумуляторов в разряженном состоянии приводит к быстрой потере их работоспособности.

При длительном хранении аккумуляторов и разряде их большими токами (в стартерном режиме), или при уменьшении ёмкости аккумуляторов, нужно проводить контрольно-тренировочные циклы, то есть разряд-заряд токами номинальной величины.

При подготовке аккумуляторной батареи к зимнему хранению, что актуально для автомобилей не эксплуатируемых в холодное время года специалисты старейшей лаборатории НИИАЭ рекомендуют следующие действия:

1. Правильно и до конца зарядите аккумуляторную батарею. 2. Нанесите на положительный вывод АКБ пластичную смазку (литол, солидол и т. п.), так как плёнка электролита способна абсорбировать влагу из атмосферы, что может приводить к повышенному саморазряду. 3. Хранить аккумуляторы на холоде, так как при низких температурах саморазряд намного ниже. Электролит полностью заряженного аккумулятора начинает замерзать при температуре ниже −55 С.

В случае необходимости поездки в морозы следует перенести аккумулятор в отапливаемое помещение и в течение 7—9 часов (например, за ночь) он придёт в пригодное для пуска двигателя состояние.

Износ свинцово-кислотных аккумуляторов

При использовании технической серной кислоты и недистиллированной воды ускоряются саморазряд, сульфатация, разрушение пластин и уменьшение ёмкости аккумуляторной батареи[12].

При химических реакциях в аккумуляторе образуется плохо растворимое вещество — сульфит свинца PbSO3, осаждающийся на пластинах и который образует диэлектрический слой между электролитом и активной массой. Это один из факторов, снижающих срок службы свинцово-кислотной аккумуляторной батареи.

Основными процессами износа свинцово-кислотных аккумуляторов являются:

  • сульфатация пластин[2], заключающаяся в образовании крупных кристаллов сульфата свинца, который препятствует протеканию обратимых токообразующих процессов;
  • коррозия электродов, то есть электрохимические процессы окисления и растворения материала электродов в электролите, что вызывает осыпание материала электродов;
  • слабая механическая прочность или плохое сцепление активной массы с электродными решётками, что приводит к опаданию активной массы[2][13];
  • оползание и осыпание активной массы положительных электродов, связанное с разрыхлением, нарушением однородности[2].

Хотя батарею, вышедшую из строя по причине физического разрушения пластин, в домашних условиях восстановить нельзя, в литературе описаны химические растворы и прочие способы, позволяющие «десульфатировать» пластины. Простой, но чреватый полным отказом аккумулятора способ предполагает использование раствора сульфата магния[2]. Раствор сульфата магния заливается в секции, после чего батарею разряжают и заряжают несколько раз. Сульфат свинца и прочие остатки химической реакции осыпаются при этом на дно банок, это может привести к замыканию элемента, поэтому обработанные банки желательно промыть и заполнить новым электролитом номинальной плотности. Это позволяет несколько продлить срок использования устройства.

Вторичная переработка

Кодовый символ, указывающий на то, что свинцовые батареи могут быть вторично переработаны

Вторичная переработка для этого вида аккумуляторов играет важную роль, так как свинец, содержащийся в аккумуляторах, является токсичным тяжёлым металлом и наносит серьёзный вред при попадании в окружающую среду. Свинец и его соли должны быть переработаны для возможности его вторичного использования.

Свинец из изношенных аккумуляторов используется для кустарной переплавки, например, при изготовлении грузил рыболовных снастей, охотничьей дроби или гирь. Для безопасности из аккумулятора следует слить электролит, для нейтрализации его остатков банки заливаются раствором пищевой соды, после чего корпус батареи разрушают и извлекают свинцовые электроды, клеммы и перемычки банок. У электродов в переплавку годится только их каркас в виде решётки, прессованная в них рассыпчатая масса - смесь соединений Pb, а не металл. Перемычки и клеммы аккумулятора могут быть переплавлены целиком.[источник не указан 391 день] Кустарное извлечение свинца из аккумуляторов серьезно вредит как окружающей среде, так и здоровью плавильщиков, поскольку свинец и его соединения с парами и дымом разносятся по всей округе[14][15].

См. также

Примечания

  1. ↑ Bertrand Gille Histoire des techniques. — Gallimard, coll. «La Pléiade», 1978, (ISBN 978-2070108817).
  2. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Свинцовые аккумуляторы. Эксплуатация: Правда и вымыслы.
  3. ↑ Н. Ламтев. Самодельные аккумуляторы. Москва: Государственное издательство по вопросам радио, 1936 год.
  4. ↑ http://auto.lenta.ru/news/2006/12/19/battery/ Американцы облегчили и уменьшили аккумуляторы
  5. ↑ Расчет идеального свинцового аккумулятора.
  6. ↑ ГОСТ 26881-86 Методика проверки свинцовых аккумуляторов
  7. ↑ Краткий аналитический обзор существующих способов оценки ёмкости ХИТ и приборов, реализующих эти способы
  8. ↑ ГОСТ Р 53165-2008: Батареи аккумуляторные свинцовые стартерные для автотракторной техники. Общие технические условия
  9. ↑ Руководство, 1983, с. 70.
  10. ↑ Железнодорожный транспорт. — 2011. № 12. — c.35.
  11. ↑ Руководство, 1983, с. 21-23.
  12. ↑ Вредные добавки к электролиту свинцовых аккумуляторов
  13. ↑ О противоречиях в теории работы свинцового кислотного аккумулятора к. т. н., проф. Кочуров А. А. Рязанский военный автомобильный институт
  14. ↑ Отравление свинцом | ProfMedik Медицинский Портал (рус.). profmedik.ru (22 февраля 2016). Проверено 4 февраля 2017.
  15. ↑ Кочуров. http://echemistry.ru/assets/files/books/hit/statya-o-protivorechiyah-v-teorii-raboty-svincovogo-kislotnogo-akkumulyatora.pdf (рус.). Новости. Первоуральск.Ru (17 июля 2014). Проверено 4 февраля 2017.

Ссылки

Литература

  • Каштанов В. П., Титов В. В., Усков А. Ф. и др. Свинцовые стартерные аккумуляторные батареи. Руководство.. — М.: Воениздат, 1983. — 148 с.

wikiredia.ru

Аккумуляторный ликбез: общее знакомство с автомобильными аккумуляторами

Аккумуляторный ликбез: общее знакомство с автомобильными аккумуляторами

18.11.13 | Рубрика: Аккумуляторный ликбез, Эксплуатация аккумуляторов. Просмотры: 5 751

Загрузка...

При поддержке крупнейшего японского производителя аккумуляторов GS Yuasa мы начинаем публикацию цикла статей под названием «Аккумуляторный ликбез», охватывающих многие аспекты работы и обращения с автомобильными аккумуляторными батареями. Попутно мы развенчаем некоторые популярные мифы, распространенные в аккумуляторной сфере. Мы надеемся, что эта информация, изложенная в доступной форме, будет полезна как обычным автовладельцам, так и профессиональным участникам аккумуляторного рынка.

Что такое аккумулятор?

Во-первых, распространенное среди автовладельцев название «аккумулятор» — не совсем верно. Правильнее говорить «аккумуляторная батарея» или АКБ (профессиональная аббревиатура).

Аккумуляторная батарея – это устройство из нескольких электрических аккумуляторов (в 12В батарее их шесть), объединенных перемычками в единую цепь, предназначенное для хранения электроэнергии в химической форме и дальнейшей ее передачи в виде постоянного тока контролируемым способом.

Все типы электрических аккумуляторов содержат положительные и отрицательные электроды, погруженные в электролит, вся конструкция при этом помещена в контейнер. Наиболее распространенный на сегодняшний день тип батарей, применяемых в автомобилях — свинцово-кислотный. Именно о нем и пойдет речь в наших публикациях.

Свинцово-кислотные АКБ – это тип батарей, у которых положительные и отрицательные электроды произведены из сплава свинца и размещены в растворе серной кислоты (электролите).

Свинцово-кислотные батареи являются перезаряжаемыми АКБ. Это означает, что их можно заряжать снова и снова после того, как они разрядятся. Первичные элементы, напротив, заряжаются всего один раз, а потом выбрасываются (например, — батарейки для фонариков и радиоприемников).

Каков принцип работы АКБ?

Положительный электрод аккумулятора изготавливается из диоксида свинца, отрицательный электрод — из пористого свинца. Когда электрическая нагрузка подается на АКБ (например, при включении фар или вращении стартера), электроток протекает через электролит батареи и внешнюю нагрузку. В результате АКБ разряжается, химический состав электродов меняется, превращаясь в сульфат свинца.

Батарея может быть заряжена при пропускании через нее тока от внешнего источника питания, такого как генератор, динамомашина или зарядное устройство. При этом сульфат свинца превращается в исходный материал – диоксид свинца и пористый свинец.

По мере зарядки АКБ происходит процесс гидролиза, — электричество расщепляет воду в электролите на две составляющие – водород и кислород. Вот почему батарея выделяет газ при ее зарядке.

Из чего изготовлена АКБ?

Решетки

Так как положительные и отрицательные электроды изготовлены из мягких материалов, им нужна связующая механическая опора, в качестве которой служит решетка из сплава свинца. Применение сплавов обусловлено тем, что чистый без примесей свинец имеет также мягкую структуру.

Помимо удержания активной массы электродов решетка выполняет функцию проводника электричества от электродов к внешним потребителям.

Электроды

На первом этапе производства электроды изготавливаются из смеси оксида и сульфата свинца. Затем во время первой зарядки АКБ эта смесь превращается в диоксид свинца в положительном электроде и в пористый свинец в отрицательном. Отрицательный электрод также содержит некоторое количество добавок, улучшающих стартерные характеристики батареи при низких температурах.

Комбинация решетки и электрода обычно называется пластиной.

Электролит

Электролит – это водный раствор серной кислоты. Он служит проводником электрических ионов между положительными и отрицательными пластинами при заряде и разряде АКБ. Кислота также принимает участие в саморазряде батареи, так как сульфат-ионы вступают в химическую реакцию на электродах и образуют сульфат свинца.

Сепаратор

Сепаратор – это изолятор, помещенный между положительным и отрицательным электродом с целью предупреждения короткого замыкания. Сепаратор должен быть микропористым, т.е. иметь маленькие отверстия, для того чтобы ионы могли пройти через сепаратор от одной пластины к другой. Он также должен выдерживать высокие температуры и кислотную среду внутри АКБ.

Большинство современных сепараторов изготавливают из микропористого полиэтилена, свойства которого наиболее подходят для работы в агрессивной среде свинцово-кислотных батарей.

Корпус и крышка

Обычно они изготавливаются из сополимера полипропилена (PP), который легок, но в то же время очень прочен. В отличие от других видов пластика полипропилен не становится хрупким при низких температурах и имеет высокую ударопрочность. Он не разрушается при соприкосновении с кислотой и другими жидкостями, которые используются в автомобиле (бензин, дизельное топливо, тормозная жидкость, антифриз).

1 — решетка положительного электрода; 2 — положительный электрод; 3 — сепаратор; 4 — решетка отрицательного электрода; 5 — отрицательный электрод; 6 — блок отрицательных электродов; 7 — секция аккумуляторной батареи; 8 — блок положительных электродов.

Что такое необслуживаемая АКБ?

30 лет назад аккумуляторы очень быстро теряли воду, и автомобилистам рекомендовалось проверять уровень кислоты в батарее каждую неделю! Современные необслуживаемые АКБ не требуют доливки воды в течение всего срока службы при их эксплуатации в нормальных условиях. В связи с этим срок службы АКБ более чем удвоился – с 2 лет до 4-5 лет.

В прошлом решетки АКБ изготавливали из сплава свинца с добавлением 10% сурьмы. Сурьма увеличивала прочность решетки, так как чистый свинец очень мягок. К сожалению, часть сурьмы растворялась в кислоте, и батарея теряла воду.

По мере усовершенствования аккумуляторных технологий содержание сурьмы снизилось с 10% до 1,5%, такое снижение сделало АКБ малообслуживаемыми, теперь они требовали внимания лишь один раз в год.

Последним усовершенствованием стало добавление вместо сурьмы 0,1% кальция для придания прочности решеткам (так называемые «кальциевые» аккумуляторы). В результате, электролит теперь меньше загрязняется, а потери воды значительно снизились. Такие аккумуляторы получили название необслуживаемые, так как долив воды в них не требуется на протяжении всего срока службы.

МИФ: Необслуживаемый аккумулятор — это аккумулятор, у которого нет заливочных пробок на крышке.

На самом деле, термин «необслуживаемый» относится к отсутствию необходимости доливки воды во время эксплуатации батареи, при этом конструкция крышки может разной — как с пробками, так и без них.

Почему аккумуляторы «умирают»?

Избыточный заряд

Исправная система зарядки современных машин подзаряжает полностью заряженную батарею только малым током. Когда же генератор дает сбой, гораздо больший ток проходит через АКБ при работе автомобиля. Этот ток заставляет АКБ быстро терять воду (это относится даже к необслуживаемым АКБ), ухудшая ее характеристики, а также снижает срок ее службы, повреждая положительные решетки.

Темно-коричневый или черный налет на нижней части вентиляционных пробок – верный признак избыточного заряда.

Если генератор имеет напряжение выше 14,8В при нормальной температуре, это указывает на то, что система зарядки автомобиля неисправна. При широко распространенной неисправности диода в выпрямителе, зарядное напряжение в АКБ будет составлять 16В. В этом случае генератор должен быть незамедлительно отремонтирован, чтобы предотвратить дальнейшее повреждение АКБ.

Примечание: В новейших автомобилях с системой Start-Stop и рекуперацией энергии торможения используется более высокое напряжение (15,2В), чтобы увеличить эффективность и сократить  время зарядки от генератора.

Эксплуатация в режиме «глубокого разряда–заряда»

Современные зарядные системы сохраняют АКБ в высокой степени заряженности (SOC) в большинстве случаев обычной эксплуатации автомобиля. Однако, батарея может разрядиться в сложных условиях или если автомобиль будет простаивать с электрической нагрузкой, например с включенными фарами. В современных автомобилях всегда есть постоянная утечка тока из АКБ, благодаря компьютерам, сигнализациям, часам и другим постоянным потребителям энергии. В зависимости от автомобиля на это могут понадобиться недели или месяцы.

Автомобильные АКБ созданы с возможностью принимать ограниченное количество циклов заряда и разряда, но они не созданы для работы в условиях непрерывных циклов заряда и разряда (режим глубокого разряда-заряда). Для таких условий используются специальные «тяговые» батареи.

Продолжительная эксплуатация в условиях глубокого разряда-заряда автомобильных АКБ приведет к выходу их из строя, так как активная масса положительного электрода будет осыпаться на дно АКБ, снижая способность пластин сохранять электричество.

Большое количество маленьких черных и коричневых частиц в электролите указывает на то, что АКБ работает в условиях глубокого разряда-заряда.

Сульфатация

Сульфатация – это неотъемлемая часть в процессе работы АКБ, — она происходит всегда при разряде АКБ. Когда батарея подзаряжается, сульфат свинца снова превращается в активный материал.

Если же АКБ долго хранится разряженной, сульфатация постепенно переходит в такую стадию, когда при зарядке она уже не может быть обращена полностью в активный материал. Поэтому после зарядки батарея не будет иметь своих первоначальных характеристик. При глубокой сульфатации электродов батареи, автомобиль может не завестись.

Недозаряд

Недозаряд происходит, когда АКБ не получает достаточного заряда от генератора. Состояние постоянного недозаряда постепенно приведет к глубокой сульфатации. Эта неисправность может быть вызвана тем, что автомобиль используется редко, часто используется в режиме езды на короткие дистанции или если автомобиль эксплуатируется в режиме Start-Stop в городских условиях. Недозаряд может быть также вызван напряжением генератора ниже рекомендованного уровня в 13,6-13,8 В.

Читайте также:

Источник: GS Yuasa

Метки:: GS Yuasa, start-stop, автомобильный аккумулятор, Аккумуляторный ликбез, система Start-Stop, система старт/стоп, Старт-стоп, устройство аккумулятора, эксплуатация аккумулятора

www.battery-industry.ru


Смотрите также