Принцип работы кислотный аккумулятор: Свинцово-кислотный аккумулятор — устройство, принцип работы, преимущества и недостатки, срок службы


0
Categories : Разное

Содержание

Принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора.


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:

PbO2 + SO42- + 4H+ + 2e ↔ PbSO4 + 2H2O;

Реакции на катоде:

Pb + SO42- — 2e ↔ PbSO4.

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.

***

Устройство аккумуляторной батареи и ее маркировка


Главная страница


Дистанционное образование

Специальности

Учебные дисциплины

Олимпиады и тесты

§42. Кислотные аккумуляторы | Электротехника

Принцип действия. Аккумулятором называется химический источник тока, который способен накапливать (аккумулировать) в себе электрическую энергию и по мере необходимости отдавать ее во внешнюю цепь. Накапливание в аккумуляторе электрической энергии происходит при пропускании по нему тока от

Рис. 158. Заряд (а) и разряд (б) аккумулятора

постороннего источника (рис. 158,а). Этот процесс, называемый зарядом аккумулятора, сопровождается превращением электрической энергии в химическую, в результате чего аккумулятор сам становится источником тока. При разряде аккумулятора (рис. 158, б) происходит обратное превращение химической энергии в электрическую. Аккумулятор обладает большим преимуществом по сравнению с гальваническим элементом. Если элемент разрядился, то он приходит в полную негодность; аккумулятор же. после разряда может быть вновь заряжен и будет служить источником электрической энергии. В зависимости от рода электролита аккумуляторы разделяют на кислотные и щелочные.

На локомотивах и электропоездах наибольшее распространение получили щелочные аккумуляторы, которые имеют значительно больший срок службы, чем кислотные. Кислотные аккумуляторы ТН-450 применяют только на тепловозах, они имеют емкость 450 А*ч, номинальное напряжение — 2,2 В. Аккумуляторная батарея 32 ТН-450 состоит из 32 последовательно соединенных аккумуляторов; буква Т означает, что батарея установлена на тепловозе, буква Н — тип положительных пластин (намазные).

Устройство. В кислотном аккумуляторе электродами являются свинцовые пластины, покрытые так называемыми активными массами, которые взаимодействуют с электролитом при электрохимических реакциях в процессе заряда и разряда. Активной массой положительного электрода (анода) служит перекись свинца PbO2, а активной массой отрицательного электрода (катода) — чистый (губчатый) свинец Pb. Электролитом является 25—34 %-ный водный раствор серной кислоты.

Пластины аккумулятора могут иметь конструкцию поверхностного или намазного типа. Пластины поверхностного типа отливают из свинца; поверхность их, на которой происходят электрохимические реакции, увеличена благодаря наличию ребер, борозд и т. п. Их применяют в стационарных аккумуляторных батареях и некоторых батареях пассажирских вагонов.

В аккумуляторных батареях тепловозов применяют пластины намазного типа (рис. 159, а). Такие пластины имеют остов из сплава свинца с сурьмой, в котором устроен ряд ячеек, заполняемых пастой.

Ячейки пластин после заполнения пастой закрывают свинцовыми листами с большим количеством отверстий. Эти листы предотвращают возможность выпадания из пластин активной массы и не препятствуют в то же время доступу к ней электролита.

Исходным материалом для изготовления пасты для положительных пластин служит порошок свинца Pb, а для отрицательных— порошок , перекиси свинца PbO2, которые замешиваются на водном растворе серной кислоты. Строение активных масс в таких пластинах пористое; благодаря этому в электрохимических реакциях участвуют не только поверхностные, но и глубоколежащие слои электродов аккумулятора.

Для повышения пористости и уменьшения усадки активной массы в пасту добавляют графит, сажу, кремний, стеклянный порошок, сернокислый барий и другие инертные материалы, называемые расширителями. Они не принимают участия в электрохимических реакциях, но затрудняют слипание (спекание) частиц свинца и его окислов и предотвращают этим уменьшение пористости.

Намазные пластины имеют большую поверхность соприкосновения с электролитом и хорошо им пропитываются, что способствует уменьшению массы и размеров аккумулятора и позволяет получать при разряде большие токи.

Рис. 159. Устройство пластин (а) и общий вид (б) кислотного аккумулятора: 1 — блок намазных отрицательных пластин; 2 — выводные штыри; 3 — блок панцирных положительных пластин; 4 — панцирь; 5 — активная масса; 6 — отверстие с пробкой для заливки электролита; 7 — крышка; 8 — эбонитовый сосуд; 9 — пространство для осаждения шлама

При изготовлении аккумуляторов пластины подвергают специальным зарядно-разрядным циклам. Этот процесс носит название формовки аккумулятора. В результате формовки паста положительных пластин электрохимическим путем превращается в перекись (двуокись) свинца PbO2 и приобретает коричневый цвет. Паста отрицательных пластин при формовке переходит в чистый свинец Pb, имеющий пористую структуру и называемый поэтому губчатым; отрицательные пластины приобретают серый цвет.

В некоторых аккумуляторах применены положительные пластины панцирного типа. В них каждая положительная пластина заключена в специальный панцирь (чехол) из эбонита или стеклоткани. Панцирь надежно удерживает активную массу пластины от осыпания при тряске и толчках; для сообщения же активной массы пластин с электролитом в панцире делают горизонтальные прорези шириной около 0725 мм.

Для предотвращения замыкания пластин посторонними предметами (щупом для измерения уровня электролита, устройством для заливки электролита и др.) пластины в некоторых аккумуляторах покрывают полихлорвиниловой сеткой.

Для увеличения емкости в каждый аккумулятор устанавливают несколько положительных и отрицательных пластин; одноименные пластины соединяют параллельно в общие блоки, к которым приваривают выводные штыри. Блоки положительных и отрицательных пластин обычно устанавливают в эбонитовом аккумуляторном сосуде (рис. 159,б) так, чтобы между каждыми двумя

Рис. 160. Прохождение через электролит положительных и отрицательных ионов при разряде (а) и заряде (б) кислотного аккумулятора

пластинами одной полярности располагались пластины другой полярности. По краям аккумулятора ставят отрицательные пластины, так как положительные пластины при установке по краям склонны к короблению. Пластины отделяют одну от другой сепараторами, выполненными из микропористого эбонита, полихлорвинила, стекловойлока или другого изоляционного материала. Сепараторы предотвращают возможность короткого замыкания между пластинами при их короблении.

Пластины устанавливают в аккумуляторном сосуде так, чтобы между их нижней частью и дном сосуда имелось некоторое свободное пространство. В этом пространстве скапливается свинцовый осадок (шлам), образующийся вследствие отпадания отработавшей активной массы пластин в процессе эксплуатации.

Разряд и заряд. При разряде аккумулятора (рис. 160, а) положительные ионы H2+ и отрицательные ионы кислотного остатка
S04-, на которые распадаются молекулы серной кислоты H2S04 электролита 3, направляются соответственно к положительному
1 и отрицательному 2 электродам и вступают в электрохимические реакции с их активными массами. Между электродами возникает
разность потенциалов около 2 В, обеспечивающая прохождение электрического тока при замыкании внешней цепи. В результате
электрохимических реакций, возникающих при взаимодействии ионов водорода с перекисью свинца PbO2 положительного
электрода и ионов сернокислого остатка S04— со свинцом Pb отрицательного электрода, образуется сернокислый свинец PbS04 (сульфат свинца), в который превращаются поверхностные слои активной массы обоих электродов. Одновременно при этих реакциях образуется некоторое количество воды, поэтому концентрация серной кислоты понижается, т. е. плотность электролита уменьшается.

Аккумулятор может разряжаться теоретически до полного превращения активных масс электродов в сернокислый свинец и истощения электролита. Однако практически разряд прекращают гораздо раньше. Образующийся при разряде сернокислый свинец представляет собой соль белого цвета, плохо растворяющуюся в электролите и обладающую низкой электропроводностью. Поэтому разряд ведут не до конца, а только до того момента, когда в сернокислый свинец перейдет около 35 % активной массы. В этом случае образовавшийся сернокислый свинец равномерно распределяется в виде мельчайших кристалликов в оставшейся активной массе, которая сохраняет еще достаточную электропроводность, чтобы обеспечить напряжение между электродами 1,7—1,8 В.

Разряженный аккумулятор подвергают заряду, т. е. присоединяют к источнику тока с напряжением, большим напряжения аккумулятора. При заряде (рис. 160,б) положительные ионы водорода перемещаются к отрицательному электроду 2, а отрицательные ионы сернокислого остатка S04— — положительному электроду 1 и вступают в химическое взаимодействие с сульфатом свинца PbS04, покрывающим оба электрода. В процессе возникающих электрохимических реакций сульфат свинца PbS04 растворяется и на электродах вновь образуются активные массы: перекись свинца PbO2 на положительном электроде и губчатый свинец Pb — на отрицательном. Концентрация серной кислоты при этом возрастает, т. е. плотность электролита увеличивается.

Электрохимические реакции при разряде и заряде аккумулятора могут быть выражены уравнением

PbO2 + Pb + 2H2SO4 ? 2PbSO4 + 2H2O

Читая это уравнение слева направо, получаем процесс разряда, справа налево — процесс заряда.

Номинальный разрядный ток численно равен 0,1СНОМ, максимальный при запуске дизеля (стартерный режим) — примерно 3СНОМ, зарядный ток — 0,2 СНОМ, где СНОМ — номинальная емкость.

Полностью заряженный аккумулятор имеет э. д. с. около 2,2 В. Таково же приблизительно и напряжение на его зажимах, так как внутреннее сопротивление аккумулятора весьма мало. При разряде напряжение аккумулятора довольно быстро падает до 2 В, а затем медленно понижается до 1,8—1,7 В (рис. 161), при этом напряжении разряд прекращают во избежание повреждения аккумулятора. Если разряженный аккумулятор оставить на некоторое время в бездействии, то напряжение его снова восстанавливается до среднего значения 2 В. Это явление носит название «отдыха» аккумулятора. При нагрузке подобного «отдохнувшего» аккумулятора напряжение быстро понижается, поэтому измерение напряжения аккумулятора без нагрузки не дает правильного суждения о степени разряда.

При заряде напряжение аккумулятора быстро поднимается до 2,2 В, а затем медленно повышается до 2,3 В и, наконец, снова довольно быстро возрастает до 2,6—2,7 В. При 2,4 В начинают выделяться пузырьки газа, образующегося в результате разложения воды на водород и кислород. При 2,5 В оба электрода выделяют сильную струю газа, а при 2,6—2,7 В аккумулятор начинает как бы кипеть, что служит признаком окончания заряда. При отключении аккумулятора от источника зарядного тока напряжение его быстро снижается до 2,2 В.

Уход за аккумуляторами. Кислотные аккумуляторы быстро теряют емкость или даже приходят в полную негодность при

Рис. 161. Кривые напряжения кислотного аккумулятора при заряде и разряде

неправильной эксплуатации. В них происходит саморазряд, в результате которого они теряют свою емкость (примерно 0,5— 0,7 % в сутки). Для компенсации саморазряда неработающие аккумуляторные батареи необходимо периодически подзаряжать. При загрязнении электролита, а также крышек аккумуляторов, их выводов и междуэлементных соединений происходит повышенный саморазряд, быстро истощающий батарею.

Батарея аккумулятора должна быть всегда чистой, а выводы для предохранения от окисления покрыты тонким слоем технического вазелина. Периодически нужно проверять уровень электролита и степень заряженности аккумуляторов. Аккумуляторы должны периодически заряжаться. Хранение незаряженных аккумуляторов недопустимо. При неправильной эксплуатации аккумуляторов (разряде ниже 1,8—1,7 В, систематическом недозаряде, неправильном проведении заряда, длительном хранении незаряженного аккумулятора, понижении уровня электролита, чрезмерной плотности электролита) происходит повреждение их пластин, называемое сульфатацией. Это явление заключается в переходе мелкокристаллического сульфата свинца, покрывающего пластины при разряде, в нерастворимые крупнокристаллические химические соединения, которые при заряде не переходят в перекись свинца РbO2 и свинец РЬ. При этом аккумулятор становится непригодным для эксплуатации.

Теория работы свинцово-кислотного аккумулятора 🔋

В свинцово-кислотном аккумуляторе основные продукты реакции, происходящие  между  положительным  и отрицательным электродами аккумулятора в водном растворе серной кислоты, подчиняются так называемой теории двойной сульфатации в соответствии с уравнением:

 

⇐ заряд            

Pb + PbO2 + 2H2SO4  ⇐        ⇒  2PbSO4 + 2H2 O  (1)

 разряд 

Этому соотношению  подчиняется  взаимодействие  активных веществ в аккумуляторе во время разряда, заряда, подзаряда, а также во время бездействия (холостого хода).

Основные соотношения между реагентами при  бездействии  (при разомкнутой  внешней  цепи  аккумулятора) определяются следующими реакциями:

— на отрицательном электроде:

 

2H+  +  2e- ⇒  H2­↑           анодная полуреакция

Pb   +  SO42-  ⇒ PbSO4  +  2e-  катодная полуреакция


Pb   +  H2 SO4  PbSO4  +  H2­↑  общая реакция   (2)

 

 

— на положительном электроде:

 

PbO2  + 4H+  +  SO42-   +  2e-  ⇒  PbSO4  +  2H2 O   катодная полуреакция

H2 O  ⇒  1/2 O2 ­↑­ +  2H+  + 2e-                                  анодная полуреакция


PbO2  +  H2 SO4  + H2O  ⇒  PbSO4  +  2H2 O  + 1/2 O2­­↑          общая  реакция  (3)

 

Приведенные уравнения реакций на отрицательном и положительном электродах показывают,  что даже при разомкнутой внешней цепи аккумулятора в нем происходит образование сульфата свинца на обоих электродах, снижение плотности электролита, а также разложение воды  с выделением газообразных водорода и кислорода,  что приводит, таким образом, к снижению емкости аккумулятора, т.е. к саморазряду.  Объем  продуктов  этих  реакций зависит от концентрации серной  кислоты  (плотности  электролита),  температуры,  состава сплава решеток и активной массы электродов, возраста аккумулятора и других причин.

При подключении к аккумулятору нагрузки токообразующий процесс подчиняется уравнению (1) для фазы разряда. На отрицательном электроде (на границе раздела свинец — сульфат свинца) происходит образование электронов, поступающих во внешнюю цепь:

Pb ⇒ Pb2+  +  2e-

 

На положительном электроде на границе раздела окись свинца -сульфат свинца происходит поглощение электронов,  поступающих через замкнутую внешнюю цепь, и образование воды:

PbO2  + 4H+  + 2e- ⇒  Pb2+   +  2H2 O

 

Анионы свинца , связываясь с кислотным остатком, образуют на обоих электродах сульфат свинца, покрывающий поверхность активных масс пластин.  По  мере  разряда  концентрация  серной  кислоты в электролите убывает.

При подключении аккумулятору зарядного устройства  токообразующий процесс проходит согласно уравнению (1) для фазы заряда.

На отрицательном электроде анионы  свинца,  образованные  из   сульфата свинца  при  растворении  в  электролите,  связываются с электронами, поступающими из внешней цепи, образуя чистый (губчатый) свинец:

Pb2+   + 2e- ⇒   Pb

 

На положительном  электроде процесс протекает согласно реакции (4) с образованием на электроде  окиси  свинца  и  отдачи  во внешнюю цепь электронов:

 

Pb2+   +  2H2 O ⇒  PbO2  + 4H+  +  2e-      (4)

 

По мере  заряда увеличивается напряжение поляризации аккумулятора, и, когда оно превысит величину перенапряжения по кислороду, на положительном электроде начинает выделяться кислород:

2OH  ⇒  1/2 O2↑ +  H2 O  +  2e-

 

Когда напряжение поляризации превысит величину  перенапряжения по водороду, на  положительном  электроде начинается образование водорода:

2H+  +  2e- ⇒  H2­↑

 

Таким образом,  при заряде наряду с образованием на электродах исходных продуктов (свинца и окиси свинца) происходит повышение  плотности электролита за счет восстановления серной кислоты, а на последней стадии заряда при повышенном напряжении часть подводимого электричества идет на разложение воды:

 

H2 O  ⇒  H2­↑  +  1/2 O2­↑

 

Из других побочных реакций на  положительном  электроде  при заряде следует обратить внимание на образование озона и на окисление (коррозию) решетки,  что оказывает решающее влияние на сокращение срока службы аккумулятора.

 

С уважением,
коллектив Бэттери Сервис

Свинцово-кислотный аккумулятор: принцип работы, виды

Свинцово-кислотный аккумулятор — один из самых распространенных типов батарей, использующийся в качестве источника электроэнергии для автомобиля, мотоцикла, мопеда, или в случае необходимости создания запасных источников питания.

Первая модель свинцово-кислотного аккумулятора была создана в середине XIX века ученым Гастоном Планте. Тогда его конструкция подразумевала две свинцовых пластины, стеклянную колбу с серной кислотой и обычное полотно в роли сепаратора. Это устройство обладало малой емкостью заряда и не получило достаточного распространения. Но идею оценили другие ученые и стали экспериментировать с составом электродов. В итоге самой удачной оказалась решетчатая конструкция из сплава с добавлением сурьмы. Изобретение генераторов постоянного тока решило проблему с подходящим источником энергии, и свинцово-кислотные аккумуляторные батареи наконец-таки получили широкое распространение.

В конце ХХ века их конструкция усложнилась, появились необслуживаемые аккумуляторы, в электроды которых был добавлен кальций. Это нововведение позволило существенно сократить расход воды. В идеале, батареи такого типа способны работать без пополнения количества воды в электролите весь срок службы. Кстати, при необходимости утратившее работоспособность устройство можно попробовать восстановить, используя принцип действия кислотных аккумуляторов.

Кислотные аккумуляторы — вторичные источники тока, который образуется за счет реакций восстановления и окисления, проходящих между материалом электродов и электролитом. В качестве электролита используется водный раствор серной кислоты. Остановимся на подробнее на устройстве аккумуляторов этого типа.

По конструктивным особенностям современные батареи делятся на три типа:

  1. С жидким электролитом. Могут быть как обслуживаемыми, так и необслуживаемыми. Электролит — смесь серной кислоты и воды, находящаяся в жидком виде. В версии, требующей обслуживания, пластины изготавливаются из свинца с добавлением сурьмы и мышьяка. В таких батареях высок расход воды, что делает обслуживание аккумулятора не очень простой задачей. После замены сурьмы на кальций в состав сплава отрицательной пластины появились так называемые гибридные аккумуляторы, более удобные в эксплуатации, чем их предшественники. И, наконец, с добавлением кальция в обе пластины началась эра устройств, не требующих восстановления количества воды весь срок службы. Несмотря на совершенство конструкции, у них есть один минус — плохо переносят почти полный разряд, особенно в условиях отрицательной температуры.
  2. Гелевые АКБ. В этих конструкциях электролит находится в сгущенном состоянии благодаря добавлению кремния. Плюс такой конструкции в том, что батарея становится абсолютно герметичной. Газ, выделяющийся в процессе химических реакций, находит себе место в порах геля, а при обратных реакциях вновь присоединяется к раствору серной кислоты. Но это очень капризные батареи. Они требуют неукоснительного соблюдения условий эксплуатации, чувствительны к перепадам температур, справляются с высокой нагрузкой хуже, чем их жидкостные собратья. Но они хорошо справляются с сильной разрядкой, действительно не требуют дополнительного обслуживания. Гелевые АКБ чаще используются в качестве стационарно резервного источника питания и редко устанавливаются на транспорт.
  3. AGM-аккумуляторы. Это самый современный вид батарей, сочетающий все достоинства предыдущих вариантов. Электролит остается жидким, но циркулирует в пористой конструкции из тончайших стеклянных волокон. Два вида пор — большие и маленькие — обеспечивают свободное перемещение газа до того, как запустится обратная реакция. Конструкция устройства такова, что аккумулятор может работать, даже если его оболочка незначительно повреждена. Не боятся они и холода, глубокой разрядки, вибраций. Единственная уязвимость такого устройства — чувствительность к перепадам напряжения. Эту проблему можно решить, контролируя работу генератора и пользуясь надежным ЗУ.

У любого вида аккумулятора есть два основных параметра: емкость и напряжение. Емкость определяет количество энергии, которое аккумулятор может отдать при рабочем напряжении, измеряется в Ампер-часах. Она зависит от площади свинцовых пластин, участвующих в химических реакциях. При износе аккумулятора его емкость уменьшается из-за естественных потерь в размере пластин.

Напряжение — количество электрического тока, отдаваемое батареей. Измеряется в вольтах, зависит от плотности электролита. Оба параметра необходимо контролировать, так как от них зависит работоспособность устройства.

Для измерения напряжения используется вольтмер, правильные показатели — от  11 до 13 вольт (раньше производились аккумуляторы с напряжением 6 вольт, теперь они считаются устаревшими).

Чтобы измерить емкость, существует несколько методов:

  • «Нагрузочная вилка» — измерение напряжения при эталонной нагрузке. Аккумулятор должен быть полностью заряжен.
  • Специальный индикатор, способный посылать сигнал, определяющий площадь свинцовых пластин, и преобразовывать его в цифры. Не требует особых условий использования.
  • В домашних условиях можно подключить мощную автомобильную галогеновую лампу и замерить в это время напряжение. Ели в течение 2 минут оно держится на уровне ~11 вольт, а свет лампы ровный и сильный — все в порядке.

В зависимости от типа используемого аккумулятора, условия его эксплуатации будут сильно отличаться. Единственная общая черта — всех их необходимо вовремя заряжать. Так, обслуживаемая батарея требует долива воды в аккумулятор, что может представлять собой опасность — кислота нагревает воду, и кипяток может ощутимо обжечь автовладельца.

Конструкция необслуживаемых аккумуляторов не предполагает возможности пополнения запаса воды в них. Но, даже если произвести небольшие изменения в конструкции, обжечься кипятком все равно будет проблематично. Для батарей такого типа важно не допускать больших колебаний напряжения. Это справедливо и для автомобильного, и для мотоциклетного аккумулятора. Но герметичный корпус уменьшает варианты восстановления устройства.

Как восстановить батарею? Часто снижение емкости или напряжения аккумулятора происходит из-за того, что некоторые участки электролита слишком уплотнились. При многоразовой небольшой зарядке эти области разжижаются, и потенциал устройства восстанавливается. Существует несколько рецептов восстанавливающего раствора, который несколько улучшает состояние устройства. К сожалению, его использование несколько затруднено на батареях с герметизированным корпусом, так как слить из него этот раствор будет проблематично.

Какой бы аккумулятор ни был установлен на транспортном средстве, важно соблюдать инструкцию по его использованию, вовремя заряжать и, при необходимости, пополнять запас воды в электролите. Тогда срок службы батареи будет максимально долгим.

Свинцово кислотный аккумулятор — принцип работы, как правильно заряжать

Свинцово-кислотный аккумулятор – один из самых надёжных АКБ, разработанный ещё в XIX веке, но до сих пор используемый во многих областях. В его основе лежит химическая реакция с переносом электронов от анода к катоду. Аккумулятор со временем портится при разрядке-подзарядке, так что данный процесс должен выполняться по всем правилам, чтобы продлить жизнь батареи.

Устройство и принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора

Данный тип стационарного АКБ довольно тяжёлый, так как состоит из плотно параллельно упакованных плёнок свинца и оксида свинца. И те и другие в аккумуляторе расположены очень густо. Свинцовые пластины тёмно-серого цвета с синим оттенком, оксидно-свинцовые – тёмно-коричневые с рыжим оттенком.

Обе пластины находятся в серной кислоте, из-за чего в названии АКБ есть соответствующее слово. При включении аккумулятора ток протекает от оксидно-свинцового катода к свинцовому аноду. При этом свинец выделяет электроны, которые оксид свинца принимает.

В результате изменения заряда двух пластин они вступают в реакцию с серной кислотой вокруг и превращаются в сульфаты свинца.

Pb + HSO4– => PbSO4 + H+ + 2e–

PbO2 + HSO4– + 3H+ + 2e– => PbSO4 + 2h3O

Пара пластин производит 2 вольта, поэтому, чтобы увеличить количество вольт, которое может дать аккумулятор, пластины соединяют параллельно во множество пар слоёв. Они упаковываются плотно в банку, чтобы уменьшить объём батареи. Но так как электроны должны передаваться через терминалы, то пары пластин разъединяются специальными изоляционными плёнками.

При этом аккумулятор может иметь либо высокую плотность энергии, либо мощности. То есть аккумулятор или сохраняет большое количество энергии и отдаёт её в течение длительного времени, или он отдаёт огромный заряд очень быстро. В автомобилях используется второй вариант, так как надо отдать более 400 ампер, чтобы завести двигатель.

При глубокой разрядке батареи на пластинах образуется налёт сульфата свинца. Именно из-за этого если посадить аккумулятор до нулевого заряда несколько раз, то можно просто уничтожить его. Сульфат свинца полностью покрывает поверхность пластин, после чего его уже невозможно будет зарядить.

Типы и особенности свинцово-кислотных АКБ

Идеальных аккумуляторов не существует, в инженерных конструкциях часто приходится жертвовать желаемыми характеристиками, чтобы получить необходимые параметры. Для каждой цели создан свой тип устройства.

В первую очередь АКБ делят на герметичные и негерметичные батареи. Вторые требуют постоянного контроля над уровнем электролита и состоянием катодов и анодов, могут работать лишь в определённых положениях. Аккумулятор герметичный свинцово-кислотный используется чаще, так как не нуждается в особом уходе.

Кроме того, все батареи можно разделить на следующие группы:

  • Стартерные. Выдают большое количество энергии за одно мгновение, из-за чего обладают большим саморазрядом. Отлично подходят для того, чтобы заводить автомобили. Требуют определённого обслуживания и вентиляции.
  • Буферные батареи. Предназначены для краткосрочного хранения небольшого количества энергии, работают в постоянном режиме подзарядки.
  • Аккумуляторы для бесперебойной аппаратуры. Устанавливаются в офисах для аварийного завершения работ.
  • Аккумуляторы длительного электроснабжения. Большие тяжёлые батареи, которые выдают достаточно много энергии длительное время. Используются в реанимационных отделениях на случай отключения электричества.
  • Гелевые аккумуляторы. Хорошо переносят циклы заряжения-разряжения. Благодаря этому могут использоваться в сильных морозах. Среди них отдельно можно выделить солнечные батареи, которые рассчитаны на многократные циклы.

Как достигается такая вариация характеристик свинцово-кислотных аккумуляторных батарей? Если требуется выдавать огромное количество энергии за короткое время, то пластины делаются тонкими, но высокими и широкими (больше по площади поверхности), а расстояние между ними уменьшается. Благодаря этому увеличивается соотношение поверхности и массы, в результате энергия отдаётся быстрее.

Если требуется дольше сохранять энергию, но можно уменьшить мощность, то пластины делаются толще, но короче и уже (меньше по площади поверхности), а расстояние между ними увеличивается. Из-за чего уменьшается соотношение поверхности и массы, в итоге электроэнергия отдаётся медленнее.

Кроме того, на свойства аккумулятора влияют характеристики электролита и другие параметры. Гелевые электролиты хуже реагируют со свинцовыми и оксидно-свинцовыми плитами, а также делают конструкцию защищённой от вытекания. Повышает срок эксплуатации использование свинцово-кальциевых сплавов.

Области применения свинцово-кислотных аккумуляторов

Свинцово-кислотные аккумуляторы используются повсеместно, так как свинец и его оксид отвечают наиболее важным требованиям:

  • элементы часто встречаются в природе и довольно легко добываются;
  • они в паре способны накапливать и отдавать энергию лучше, чем все другие элементы;
  • аккумуляторы из них просты и дешевы в производстве;
  • долгий срок службы, возможность многократной перезарядки;
  • простое обслуживание, что особенно характерно для герметичных конструкций.

Из-за этого батареи применяются в следующих областях:

  • сигнализационные системы;
  • стартёры в автомобилях;
  • системы пожарной безопасности;
  • системы аварийной подачи электроэнергии на телевидении, в реанимационных отделениях;
  • электрические весы и кассовые аппараты;
  • системы бесперебойного электроснабжения или аварийного отключения в компьютерной технике или их сетях;
  • детские игрушки;
  • в лёгких самолётах.

Тем не менее, имеются некоторые минусы:

  • аккумуляторы чувствительны с холоду;
  • отходы из них опасны для экологии;
  • количество циклов довольно ограничено;
  • есть лимиты у выдаваемой мощности.

Как правильно заряжать свинцово-кислотные аккумуляторы

Принцип зарядки состоит в том, что нужно изменить направление тока. Из-за этого электролит и материя двух пластин восстанавливает свой прежний химический состав. Данный процесс именуется циклом, и он может быть многократным. Но чтобы не повредить и продлить срок службы батареи, надо знать, как правильно заряжать свинцово-кислотный аккумулятор.

Важно! Для процедуры потребуется источник тока и устройство, которым можно регулировать силу тока и напряжение.

Прежде всего, нужно знать параметры аккумулятора, которые можно посмотреть на самой коробке устройства. Производители часто указывают информацию на английском языке. Обозначается всё это следующим образом:

На английском На русском
12V 12 вольт
7.2Ah 7.2 ампер-часов

Также производитель может указывать напрямую, каким током можно заряжать аккумулятор:

На английском На русском
Standby use – 13.5-13,8V Если вы используете батарею, как резервный источник электричества – 13,5-13,8 вольт
Cycle use – 14.4V Если вы его применяете в качестве стартёра, то есть циклическое использование – 14.4 вольт
2.16A MAX При любой зарядке ток не должен превышать 2.16 ампера

А что если производитель не указал, каким током заряжать аккумулятор? В этом случае можно пользоваться простым правилом – напряжение не должно превышать 10% от его номинальной ёмкости. То есть если у батареи указан параметр 7.2Ah, то заряжать надо при 0.72A.

После того как разобрались с основными параметрами, нужно сделать прибор, которым можно зарядить аккумулятор. Для этого потребуется крепкая коробка (лучше пластиковая) с отверстиями для вентиляции, блок питания от ноутбука, плата для регулировки тока и напряжения.

Дополнительно можно встроить многооборотистые переменные резисторы для более тонкой настройки, а также вольтамперметр. Для зарядки автомобильных аккумуляторов потребуется понижающий преобразователь напряжения и более мощный блок питания.

Собрав конструкцию, можно переходить непосредственно к главной процедуре. Для начала на неподключенном к аккумулятору устройстве нужно выставить напряжение, которым надо заряжать АКБ. Далее необходимо убавить силу тока до минимума, в результате чего сразу же упадёт напряжение. После этого подключаем устройство к аккумулятору (плюс к плюсу, минус к минусу).

В этот момент вольтамперметр будет показывать напряжение, которое есть на батарее. Включаем устройство в розетку и поднимаем силу тока до необходимой величины (метод её расчёта описан выше). В этот момент возможно незначительное снижение напряжения, говорящее о том, что ток уходит на прогрев электролита и преодоление сопротивления аккумулятора. Это нормально.

К концу зарядки аккумулятора сила тока на вольтамперметре будет практически равна нулю.

Свинцово-кислотный аккумулятор — это… Что такое Свинцово-кислотный аккумулятор?

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

История

Свинцовый аккумулятор разработал в 1859—1860 годах Гастон Планте, сотрудник лаборатории Александра Беккереля. В 1878 году Камилл Фор усовершенствовал его конструкцию, покрыв пластины аккумулятора свинцовым суриком.

Принцип действия

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в сернокислотной среде.

Энергия возникает в результате взаимодействия оксида свинца и серной кислоты до сульфата (классическая версия). Проведенные в СССР исследования показали, что внутри свинцового аккумулятора протекает как минимум ~60 реакций, порядка 20 из которых протекают без участия кислоты электролита (нехимические)[1]

Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на катоде[2][1] 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):

В итоге получается, что при разряде аккумулятора расходуется серная кислота из электролита (и плотность электролита падает, а при заряде, серная кислота выделяется в раствор электролита из сульфатов, плотность электролита растёт). В конце заряда, при некоторых критических значениях концентрации сульфата свинца у электродов, начинает преобладать процесс электролиза воды. При этом на катоде выделяется водород, на аноде — кислород. При заряде не стоит допускать электролиза воды, в противном случае необходимо её долить для восполнения потерянного в ходе электролиза количества.

Устройство

Элемент свинцово-кислотного аккумулятора состоит из электродов (положительных и отрицательных) и разделительных изоляторов (сепараторов), которые погружены в электролит. Электроды представляют собой свинцовые решётки. У положительных активным веществом является перекись свинца (PbO2), у отрицательных активным веществом является губчатый свинец.

На самом деле электроды выполнены не из чистого свинца, а из сплава с добавлением сурьмы в количестве 1-2 % для повышения прочности и примесей. Иногда в качестве легирующего компонента используются соли кальция, в обеих пластинах, или только в положительных. Применение солей кальция вносит не только положительные но и много отрицательных моментов в эксплуатацию свинцового аккумулятора, например, у такого аккумулятора при глубоких разрядах существенно и необратимо снижается емкость.


Электроды погружены в электролит, состоящий из разбавленной дистиллированной водой серной кислоты (H2SO4). Наибольшая проводимость этого раствора наблюдается при комнатной температуре (что означает наименьшее внутреннее сопротивление и наименьшие внутренние потери) и при его плотности 1,23 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.

Существуют экспериментальные разработки аккумуляторов где свинцовые решетки заменяют вспененным карбоном, покрытым тонкой свинцовой пленкой. 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.[3]

В батареях для бытовых ИБП жидкий электролит сгущают водным щелочным раствором силикатов натрия (Na2Si2O4)жидкое стекло до пастообразного состояния.

Физические характеристики

Аккумулятор электромобиля
  • Теоретическая энергоёмкость (Вт·ч/кг): около 133.
  • Удельная энергоёмкость (Вт·ч/кг): 30-60.
  • Теоретическая удельная энергоплотность (Вт·ч/дм³): 1250.[4]
  • ЭДС заряжённого аккумулятора = 2,11 — 2,17 В, рабочее напряжение = 2 В (3 или 6 секций в итоге дают стандартные 6 В или 12 В (12 В)).[1]
  • Напряжение полностью разряженного аккумулятора = 1,75 — 1,8 В (из расчета на 1 секцию). Ниже разряжать их нельзя.[1]
  • 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[5] малым током (1/20 номинальной емкости, выраженной в А*ч).
  • Стартерный ток (для автомобильных аккумуляторов). Характеризует способности отдавать сильные токи при низких температурах. В большинстве случаев замеряется при −18 °C (0 °F) в течение 30 секунд. Различные методики[6] замера отличаются, главным образом, допускаемым конечным напряжением.
  • Резервная емкость (для автомобильных аккумуляторов). Характеризует время, в течение которого аккумулятор может отдавать ток 25А до конечного напряжения 10,5В согласно ГОСТ Р 53165-2008[7].

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 аккумулятора. Во избежание сильного саморазряда необходимо периодически нейтрализовывать электролит протиранием корпуса, например слабым раствором пищевой соды или разведенным в воде до состояния консистенции жидкой сметаны хозяйственным мылом. Кроме того, особенно в жаркую погоду, происходит испарение воды из электролита, что увеличивает его плотность, увеличивая напряжение на аккумуляторе, 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. Считается что свинцово-кислотный аккумулятор теряет ~1% ёмкости на каждый градус от +20°C. Т.е. в -30°C свинцово-кислотный аккумулятор будет иметь 50% ёмкости.

Снижение ёмкости и токоотдачи при низких температурах обусловлено, в первую очередь, ростом вязкости электролита, который уже не может в полном объёме поступать к электродам, и вступает в реакцию лишь в непосредственной близости от них, быстро истощаясь.

Не полностью заряженный аккумулятор в мороз может раздуться из-за замерзания электролита низкой плотности (близкой к 1.10)

Хранение

Свинцово-кислотные аккумуляторы необходимо хранить только в заряжённом состоянии. При температуре ниже −20 °C заряд аккумуляторов должен проводиться постоянным напряжением 2,45 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 создаёт 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. 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.

Износ свинцово-кислотных аккумуляторов

При использовании технической серной кислоты и не дистиллированной воды, ускоряются саморазряд, сульфатация, разрушение пластин и уменьшение ёмкости аккумуляторной батареи.[8]

В результате каждой реакции образуется нерастворимое вещество — сернокислый свинец PbSO4, осаждающийся на пластинах, который образует диэлектрический слой между токоотводами и активной массой. Это один из факторов, влияющий на срок службы свинцово-кислотной аккумуляторной батареи.

Основными процессами износа свинцово-кислотных аккумуляторов являются:

  • сульфатация пластин[1], заключающаяся в образовании крупных кристаллитов сульфата свинца, который препятствует протеканию обратимых токообразующих процессов;
  • коррозия электродов, то есть электрохимические процессы окисления и растворения в электролите, что вызывает осыпание материала электродов;
  • слабая механическая прочность или плохое сцепление активной массы с токоотводами, что приводит к опаданию активной массы;[9][1]
  • оползание и осыпание активной массы положительных электродов, связанное с разрыхлением, нарушением однородности.[1]

Хотя батарею, вышедшую из строя по причине физического разрушения пластин, самому починить нельзя, некоторые источники описывают химические растворы и прочие способы способные «десульфатировать» пластины. Простой но вредный для жизни аккумулятора способ предполагает использование раствора сульфата магния.[1] Раствор заливается в секции после чего батарею разряжают и заряжают несколько раз. Сульфат свинца и прочие остатки химической реакции осыпаются при этом на дно батареи, что может привести к замыканию секции поэтому обработанные секции желательно промыть и заполнить новым электролитом номинальной плотности. Это позволяет несколько продлить срок использования устройства. Если батарея имеет одну или несколько секций которые не работают (то есть не дают 2.17 вольта — например если корпус имеет трещины) возможно соединить две (или больше) батареи последовательно: к плюсовому контакту первой батареи подключаем плюсовой провод потребителя, к минусовому контакту второй батареи — минусовой провод потребителя, а две оставшихся контакта батареи соединяются кабелем. Такая батарея имеет суммарное напряжение работающих секций и поэтому количество работающих секций должно быть не более шести — то есть необходимо слить электролит из излишних секций. Такой вариант подходит для транспортных средств с большим моторным отсеком.

Вторичная переработка

Кодовый символ указывающий, что свинцовые батареи могут быть вторично переработаны

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

Выброшенные аккумуляторы часто используются как источник свинца для кустарной переплавки, например, в рыболовные грузила, дробь или гири. Для этого из аккумулятора сливается электролит, остатки нейтрализуются промыванием каким-либо безвредным основанием (например, гидрокарбонатом натрия), после чего корпус батареи разбивается и извлекается металлический свинец.

См. также

Примечания

Ссылки

Принцип работы аккумулятора

Самый простой свинцово-кислотный аккумулятор это две свинцовые пластины, погруженные в кислотный электролит. Электролитом служит раствор серной кислоты в воде.

При погружении свинцовых пластин в электролит серная кислота вступает в химическую реакцию со свинцом. В результате реакции на поверхности пластин появится налет сернокислого свинца.

Если теперь через такую свинцово-кислотную систему пропустить постоянный ток, то в ней начнется химическая реакция.

У пластины, которая соединена с положительной клеммой источника постоянного тока, сернокислый свинец станет перекисью свинца. Пластина примет коричневый цвет.

Сернокислый свинец у пластины, которая соединена с отрицательным полюсом — превратится в губчатый свинец. Пластина приобретет серый цвет.

В результате этих процессов плотность электролита повысится. Это произойдет, потому что выделится серная кислоты и поглотится вода.

На клеммах такой системы повысится напряжение. Система превратится в аккумулятор, а процесс является зарядом аккумулятора. Исправный кислотный аккумулятор в полностью заряженном состоянии имеет между клеммами напряжение примерно два вольта.

Свинцово-кислотные аккумуляторы являются недорогим источником тока. Такие аккумуляторы не дороги из-за сравнительной дешевизны используемых в них материалов. А автоматизация процессов производства еще больше способствует их удешевлению.

Если после окончания заряда аккумулятора к его полюсам подключить провода от потребителя, то в цепи потечет ток. Во внешней цепи в аккумуляторе потечет ток, а в самом аккумуляторе будет происходить химическая реакция. В результате уже этой реакции из электролита поглощается кислота, и выделяется вода. Пластины аккумулятора опять покроются сернокислым свинцом.

Плотность электролита и напряжение в аккумуляторе уменьшатся. Такой процесс носит называние разряд аккумулятора.

Помимо положительных свойств свинцово-кислотные аккумуляторы обладают и недостатками.

К недостаткам свинцово-кислотных аккумуляторов надо отнести следующие моменты:

  • они плохо сохраняют заряд
  • выделяют во внешнюю среду водород
  • такие аккумуляторы нельзя хранить в разряженном состоянии
  • трудно изготавливать свинцово-кислотные аккумуляторы маленьких размеров

К недостаткам свинцово-кислотных аккумуляторов следует отнести и такой момент — в них применяется сурьма.

Сурьма применяется при изготовлении пластин. Ее применяют для увеличения прочности пластин.

В процессе работы аккумулятора сурьма постепенно оседает на поверхности отрицательной пластины. Если на поверхности пластины накопится большое количество сурьмы, то снижается величина напряжения, при котором начинается газовыделение и в конце заряда аккумулятора начинается бурное газовыделение, что в свою очередь ведет к потере большого количества воды в электролите.

Свинцово-кислотные аккумуляторы делятся на четыре группы:

  1. стационарные
  2. стартерные
  3. тяговые
  4. портативные (герметизированные)

Работа, типы, конструкция, срок службы и применение

Прежде чем непосредственно перейти к изучению концепций, связанных со свинцово-кислотными аккумуляторами, давайте начнем с их истории. Так, французский ученый по имени Николя Готеро в 1801 году заметил, что при испытании электролиза существует минимальное количество тока даже при отключении основной батареи. В то время как в 1859 году ученый по имени Гатсон разработал свинцово-кислотную батарею, и это была первая батарея, которая заряжалась за счет прохождения обратного тока.Это была первоначальная версия батареи такого типа, затем Фор добавил к ней множество улучшений, и, наконец, практичный тип свинцово-кислотной батареи был изобретен Анри Тюдором в 1886 году. Давайте более подробно обсудим этот тип батареи, работающий , типы, конструкция и преимущества.


Что такое свинцово-кислотная батарея?

Свинцово-кислотные батареи относятся к перезаряжаемым и вторичным батареям. Несмотря на минимальные соотношения энергии к объему и энергии к весу, аккумулятор обладает способностью выдавать повышенные импульсные токи.Это соответствует тому, что свинцово-кислотные аккумуляторы обладают большим соотношением мощности к весу.

Это батареи, в которых используется перекись свинца и губчатый свинец для преобразования химической энергии в электрическую. Они в основном используются на подстанциях и в энергосистемах по причине повышенного уровня напряжения ячейки и минимальной стоимости.

Строительство

В конструкции свинцово-кислотного аккумулятора пластины и контейнеры являются ключевыми компонентами.В следующем разделе представлено подробное описание каждого компонента, используемого в конструкции. Диаграмма свинцово-кислотного аккумулятора — это

. Схема свинцово-кислотного аккумулятора
Контейнер

Эта часть контейнера изготовлена ​​из эбонита, дерева со свинцовым покрытием, стекла, твердой резины, изготовленной из битумного элемента, керамических материалов или кованого пластика, которые помещаются сверху для предотвращения любого вида разряда электролита. Принимая во внимание, что в нижней части контейнера имеется четыре ребра, два из которых расположены на положительной пластине, а другие — на отрицательной пластине.

Здесь призма служит основанием для обеих пластин и, кроме того, защищает пластины от короткого замыкания. Компоненты, которые используются для изготовления контейнера, не должны содержать серную кислоту, они не должны гнуться или быть проницаемыми, а также не должны содержать каких-либо примесей, которые приводят к повреждению электролита.

Тарелки

Пластины свинцово-кислотных аккумуляторов устроены по-разному, и все они состоят из одинаковых типов сетки, состоящей из активных компонентов и свинца.Сетка имеет решающее значение для установления проводимости тока и для распределения равных токов по активным компонентам. Если будет неравномерное распределение, то будет разрыхление активного компонента. Пластины в этой батарее бывают двух видов. Это плантированные/формованные пластины и форовые/клееные пластины.

Формованные пластины в основном используются для статических батарей, они также тяжелые и дорогие. Но они имеют длительный срок службы, и они не склонны легко терять свои активные компоненты даже в непрерывных процессах зарядки и разрядки.Они имеют минимальную емкость к пропорции веса.

В то время как процесс склеивания в основном используется для изготовления отрицательных пластин, а не положительных. Отрицательный активный компонент несколько сложен, и они претерпевают небольшие изменения в процессах зарядки и разрядки.

Активный компонент

Активным компонентом называется компонент, активно участвующий в химических реакциях, происходящих в аккумуляторе, в основном во время зарядки и разрядки.Активные компоненты:

  • Перекись свинца – Образует положительный активный компонент.
  • Губчатый свинец – этот материал образует отрицательный активный компонент
  • Разбавленная серная кислота – в основном используется в качестве электролита
Сепараторы

Это тонкие листы, изготовленные из пористой резины, свинцового дерева с покрытием и стекловолокна. Сепараторы расположены между пластинами для обеспечения активной изоляции. Они имеют рифленую форму с одной стороны и гладкую поверхность с другой стороны.

Края батареи

Имеет положительные и отрицательные кромки диаметром 17,5 мм и 16 мм.

Принцип работы свинцово-кислотной батареи

Поскольку серная кислота используется в качестве электролита в батарее, при ее растворении молекулы в ней распределяются в виде SO 4 (отрицательные ионы) и 2H+ (положительные ионы), и они будут иметь свободное движение. Когда эти электроды погружены в растворы и обеспечивают подачу постоянного тока, положительные ионы будут иметь движение и двигаться в направлении отрицательного края батареи.Точно так же отрицательные ионы будут иметь движение и двигаться в направлении положительного края батареи.

Каждые ионы водорода и сульфата собирают одно- и двухэлектронные и отрицательные ионы с катода и анода и вступают в реакцию с водой. При этом образуется водород и серная кислота. Тогда как разработанные выше реакции реагируют с оксидом свинца и образуют пероксид свинца. Это означает, что во время процесса зарядки; свинцовый катодный элемент остается самим свинцом, тогда как свинцовый анод формируется из перекиси свинца темно-коричневого цвета.

При отсутствии источника постоянного тока, а затем, когда между электродами подключен вольтметр, он отображает разность потенциалов между электродами. Когда между электродами есть соединение провода, будет проходить ток от отрицательной к положительной пластине через внешнюю цепь, что означает, что ячейка обладает способностью обеспечивать электрическую форму энергии.

Итак, здесь показана свинцово-кислотная батарея , работающая по сценарию .

Различные типы

Свинцово-кислотные аккумуляторы типа в основном подразделяются на пять типов, которые подробно описаны в следующем разделе.

Затопленный тип – Это обычный тип двигателя с зажиганием и аккумуляторная батарея тягового типа. Электролит имеет свободное перемещение в сечении элемента. Люди, которые используют этот тип, могут иметь доступ к каждой ячейке, и они могут добавлять воду в ячейки, когда батарея высыхает.

Герметичный тип – этот тип свинцово-кислотных аккумуляторов представляет собой незначительное изменение по сравнению с аккумуляторами залитого типа.Несмотря на то, что у людей нет доступа к каждой ячейке батареи, внутренняя конструкция почти аналогична затопленному типу. Основным отличием этого типа является наличие достаточного количества кислоты, которое выдерживает плавное протекание химических реакций в течение всего срока службы батареи.

VRLA Type — это так называемые свинцово-кислотные батареи с регулируемым клапаном, которые также называют батареями герметичного типа. Процедура контроля стоимости обеспечивает безопасное выделение газов O 2 и H 2 во время зарядки.

AGM Тип — это тип батареи с матовым стеклом, который позволяет электролиту останавливаться рядом с материалом пластины. Аккумулятор такого типа увеличивает производительность процессов разрядки и зарядки. Они особенно используются в силовых видах спорта и приложениях для запуска двигателя.

Гелевый тип – это влажный тип свинцово-кислотного аккумулятора, в котором электролит в этом элементе связан с диоксидом кремния, что придает материалу жесткость.Значения напряжения перезарядки элемента минимальны по сравнению с другими типами, и он также имеет большую чувствительность.

Химическая реакция свинцово-кислотного аккумулятора

Химическая реакция в аккумуляторе происходит в основном при методах разрядки и перезарядки и в процессе разрядки объясняется следующим образом:

Когда батарея полностью разряжена, то анод и катоды PbO 2 и Pb. Когда они соединены с помощью сопротивления, батарея разряжается, а электроны движутся в противоположном направлении во время зарядки.Ионы H 2 движутся к аноду и становятся атомом. Он входит в контакт с PbO 2 , образуя PbSO 4 белого цвета.

Таким же образом ион сульфата движется к катоду и после достижения ион превращается в SO 4 . Он реагирует со свинцовым катодом, образуя сульфат свинца.

PbSO 4 + 2H = PbO + H 2 O

PbO + H 2 SO 4 = PbSO 4 + 2H 2 O

PbO 2 + H 2 SO 4 + 2H = PbSO 4 + 2H 2 O

Химические реакции

Во время процесса перезарядки катод и аноды соединены с отрицательным и положительным фронтами источника постоянного тока.Положительные ионы h3 движутся в направлении катода, приобретают два электрона и образуют атом h3. Он подвергается химической реакции с сульфатом свинца и образует свинец и серную кислоту.

PbSO 4 + 2H 2 O + 2H = PbSO 4 + 2 H 2 SO 4

Объединенное уравнение для обоих процессов представлено как

Процесс разрядки и перезарядки

Здесь стрелка вниз указывает на разрядку, а стрелка вверх указывает на процесс перезарядки.

Жизнь

Оптимальная рабочая температура для свинцово-кислотного аккумулятора составляет 25 0 C, что означает 77 0 F. Увеличение диапазона температур сокращает срок службы. Согласно правилу, повышение температуры на каждые 80°С сокращает период полураспада батареи. В то время как у батареи с регулируемым значением, которая работает при 25 0 C, срок службы свинцово-кислотной батареи составляет 10 лет. И когда это работает при температуре 33 0 C, срок службы составляет всего 5 лет.

Применение свинцово-кислотных аккумуляторов

  • Они используются в аварийном освещении для подачи питания на водоотливные насосы.
  • Используется в электродвигателях
  • Подводные лодки
  • Атомные подводные лодки

В этой статье объясняется принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов, типы, срок службы, конструкция, химические реакции и области применения. Кроме того, знаете, каковы преимущества и недостатки свинцово-кислотных аккумуляторов в различных областях?

Что такое свинцово-кислотная батарея? Строительство, работа, разгрузка и перезарядка

Определение: Аккумулятор, в котором используется губчатый свинец и перекись свинца для преобразования химической энергии в электрическую, такой тип аккумулятора называется свинцово-кислотным аккумулятором.Свинцово-кислотные батареи чаще всего используются на электростанциях и подстанциях, потому что они имеют более высокое напряжение и более низкую стоимость.

Конструкция свинцово-кислотной батареи

Различные части свинцово-кислотного аккумулятора показаны ниже. Контейнер и пластины являются основной частью свинцово-кислотного аккумулятора. Контейнер хранит химическую энергию, которая с помощью пластин преобразуется в электрическую энергию.

1. Контейнер – Контейнер свинцово-кислотного аккумулятора изготавливается из стекла, футерованного свинцом дерева, эбонита, эбонитовой резины из битумного компаунда, керамических материалов или формованных пластиков и устанавливается сверху во избежание вытекания электролита.На дне контейнера есть четыре ребра, на двух из которых опирается положительная пластина, а на другие — отрицательные.

Призма служит опорой для пластин и в то же время защищает их от короткого замыкания. Материал, из которого изготовлены контейнеры аккумуляторов, должен быть стойким к серной кислоте, не должен деформироваться, быть пористым, содержать примеси, повреждающие электролит.

2. Пластина – Пластина свинцово-кислотного элемента имеет различную конструкцию, и все они состоят из некоторой формы сетки, состоящей из свинца и активного материала.Сетка необходима для проведения электрического тока и для равномерного распределения тока по активному материалу. Если ток распределяется неравномерно, то активный материал ослабнет и выпадет.

Решетки изготовлены из сплава свинца и сурьмы. Обычно их делают с поперечным ребром, пересекающим места под прямым углом или по диагонали. Сетка для положительных и отрицательных пластин имеет одинаковую конструкцию, но сетки для отрицательных пластин сделаны легче, поскольку они не так важны для равномерного проведения тока.

Пластины аккумулятора бывают двух типов. Они представляют собой формованные пластины, или плантные пластины, и вклеенные или пластинчатые пластины.

Пластины

Plante используются в основном для стационарных батарей, так как они тяжелее и дороже, чем вклеенные пластины. Но пластины более долговечны и менее подвержены потере активного материала при быстрой зарядке и разрядке. Пластина плантеса имеет малую грузоподъемность.

Процесс Фора

больше подходит для изготовления отрицательных, чем положительных пластин.Отрицательный активный материал довольно прочен и сравнительно слабо изменяется при зарядке и разрядке.

3. Активный материал – Материал в элементе, который принимает активное участие в химической реакции (поглощение или выделение электрической энергии) во время зарядки или разрядки, называется активным материалом элемента. Активными элементами свинцовой кислоты являются

  1. Перекись свинца (PbO 2 ) – Образует положительный активный материал.PbO 2 цвета темного шоколада.
  2. Губчатый провод – Его форма представляет собой отрицательный активный материал. Он серого цвета.
  3. Разбавленная серная кислота (H 2 SO 4 ) – Используется в качестве электролита. Он содержит 31% серной кислоты.

Перекись свинца и губчатый свинец, которые образуют отрицательный и положительный активные материалы, имеют небольшую механическую прочность и поэтому могут использоваться отдельно.

4.Сепараторы – Сепараторы представляют собой тонкие листы непроводящего материала, состоящие из химически обработанного свинцового дерева, пористой резины или матов из стекловолокна, которые помещаются между плюсом и минусом, чтобы изолировать их друг от друга. Сепараторы имеют вертикальные канавки с одной стороны и гладкие с другой стороны.

5. Клеммы аккумулятора – Аккумулятор имеет две клеммы: положительную и отрицательную. Положительная клемма диаметром 17,5 мм в верхней части немного больше, чем отрицательная клемма диаметром 16 мм.

Принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора

При растворении серной кислоты ее молекулы распадаются на положительные ионы водорода (2Н + ) и сульфатные отрицательные ионы (SO 4 ) и свободно перемещаются. Если два электрода погружены в растворы и подключены к источнику постоянного тока, то ионы водорода заряжаются положительно и перемещаются к электродам и подключаются к отрицательной клемме источника питания. Отрицательно заряженные ионы SO 4 двигались к электродам, подключенным к положительному выводу питающей сети (т.д., анод).

Каждый ион водорода забирает один электрон с катода, а каждый сульфат-ион забирает два отрицательных иона с анода и вступает в реакцию с водой, образуя серную и водородную кислоты.

Кислород, полученный по приведенному выше уравнению, взаимодействует с оксидом свинца и образует пероксид свинца (PbO 2 .) Таким образом, во время зарядки свинцовый катод остается свинцом, а свинцовый анод превращается в пероксид свинца шоколадного цвета.

При отключении источника питания постоянного тока и включении вольтметра между электродами он покажет разность потенциалов между ними.Если провод соединяет электроды, то ток будет течь от положительной пластины к отрицательной через внешнюю цепь, т.е. ячейка способна поставлять электрическую энергию.

Химическое действие при разрядке

Когда ячейка полностью разряжена, анод изготавливается из перекиси свинца (PbO 2 ), а катод из металлического губчатого свинца (Pb). Когда электроды соединены через сопротивление, ячейка разряжается, и электроны текут в направлении, противоположном направлению заряда.

Ионы водорода движутся к аноду и, достигая анодов, получают один электрон от анода и становятся атомом водорода. Атом водорода вступает в контакт с PbO 2 , поэтому он атакует и образует сульфат свинца (PbSO 4 ), беловатого цвета и воду в соответствии с химическим уравнением.

Каждый сульфат-ион (SO 4 ) движется к катоду и, достигая его, отдает два электрона, становится радикалом SO 4 , атакует катод из металлического свинца и образует сульфат свинца беловатого цвета в соответствии с химическим уравнением.

Химическое действие во время перезарядки

Для подзарядки анод и катод подключаются к положительной и отрицательной клемме сети постоянного тока. Молекулы серной кислоты распадаются на ионы 2H + и SO 4 . Ионы водорода, будучи положительно заряженными, движутся к катодам, получают оттуда два электрона и образуют атом водорода. Атом водорода реагирует с катодом сульфата свинца с образованием свинца и серной кислоты в соответствии с химическим уравнением.

SO 4 ион движется к аноду, отдает два своих дополнительных электрона, становится радикалом SO 4 , реагирует с сульфатом свинца анодом и образует пероксид свинца и сернокислоту свинца по химическому уравнению. разрядки представлены одним обратимым уравнением, приведенным ниже.

Уравнение должно читаться вниз для разряда и вверх для перезарядки.

Эксплуатация свинцово-кислотных аккумуляторов

Свинцово-кислотный аккумулятор состоит из отрицательного электрода, изготовленного из губчатого или пористого свинца.Свинец является пористым, чтобы облегчить образование и растворение свинца. Положительный электрод состоит из оксида свинца. Оба электрода погружены в электролитический раствор серной кислоты и воды. В случае, если электроды соприкасаются друг с другом в результате физического перемещения батареи или изменения толщины электродов, два электрода разделяет электрически изолирующая, но химически проницаемая мембрана. Эта мембрана также предотвращает короткое замыкание через электролит.Свинцово-кислотные аккумуляторы накапливают энергию за счет обратимой химической реакции, показанной ниже.

Суммарная химическая реакция:

PbO2+Pb+2h3SO4⇔заряд-разряд2PbSO4+2h3O

На отрицательной клемме реакции заряда и разряда:

Pb+SO42-⇔заряд-разряд PbSO4+2e-

На положительной клемме реакции заряда и разряда:

PbO2+SO42-+4H++2e-⇔заряд-разряд PbSO4+2h3O

Как показывают приведенные выше уравнения, разрядка батареи вызывает образование кристаллов сульфата свинца как на отрицательном, так и на положительном выводах, а также высвобождение электронов из-за изменения валентного заряда свинца.Для образования этого сульфата свинца используется сульфат из сернокислотного электролита, окружающего батарею. В результате электролит становится менее концентрированным. Полный разряд приведет к тому, что оба электрода будут покрыты сульфатом свинца и водой, а не серной кислотой, окружающей электроды. При полном разряде два электрода сделаны из одного и того же материала, и между ними отсутствует химический потенциал или напряжение. На практике, однако, разрядка прекращается при напряжении отсечки, задолго до этого момента.Поэтому аккумулятор не должен разряжаться ниже этого напряжения.

В промежутке между полностью разряженным и заряженным состояниями свинцово-кислотная батарея будет испытывать постепенное снижение напряжения. Уровень напряжения обычно используется для индикации состояния заряда батареи. Зависимость аккумулятора от состояния заряда аккумулятора показана на рисунке ниже. Если аккумулятор оставить в состоянии низкого заряда в течение длительного периода времени, могут вырасти крупные кристаллы сульфата свинца, что необратимо снизит емкость аккумулятора.Эти более крупные кристаллы отличаются от типичной пористой структуры свинцового электрода, и их трудно превратить обратно в свинец.

Напряжение свинцово-кислотного аккумулятора при зарядке.

Реакция зарядки превращает сульфат свинца на отрицательном электроде в свинец. На положительном полюсе реакция превращает свинец в оксид свинца. В качестве побочного продукта этой реакции выделяется водород. В течение первой части цикла зарядки доминирующей реакцией является превращение сульфата свинца в свинец и оксид свинца.Однако по мере того, как зарядка продолжается, и большая часть сульфата свинца превращается либо в свинец, либо в диоксид свинца, зарядный ток электролизует воду из электролита, и выделяются газообразные водород и кислород, процесс, известный как «загазование» батареи. Если ток подается на батарею быстрее, чем может быть преобразован сульфат свинца, то выделение газа начинается до того, как весь сульфат свинца будет преобразован, то есть до того, как батарея будет полностью заряжена. Газирование создает несколько проблем для свинцово-кислотных аккумуляторов.Выделение газа из батареи не только вызывает опасения по поводу безопасности из-за взрывоопасной природы образующегося водорода, но также приводит к уменьшению количества воды в батарее, которую необходимо заменять вручную, вводя в систему компонент обслуживания. Кроме того, выделение газа может привести к выделению активного материала из электролита, что приведет к необратимому снижению емкости батареи. По этим причинам аккумулятор не следует регулярно заряжать выше напряжения, вызывающего газообразование. Напряжение газообразования изменяется в зависимости от скорости заряда.

Сульфат свинца является изолятором, поэтому способ образования сульфата свинца на электродах определяет, насколько легко может разрядиться аккумулятор.

Введение в свинцово-кислотные батареи: конструкция, принцип работы и типы

Категория перезаряжаемых и вторичных батарей включает свинцово-кислотные батареи. Несмотря на низкое отношение энергии к объему и энергии к весу батареи, она может обеспечивать более высокие импульсные токи. Это связано с тем, что свинцово-кислотные аккумуляторы имеют высокое отношение мощности к весу.

Каталог

 

В 1801 году французский физик Николя Готеро обнаружил, что, хотя основная батарея отключена, в исследованиях по электролизу присутствует небольшой ток. В 1859 году физик по имени Гатсон изобрел свинцово-кислотную батарею , которая первой заряжалась за счет прохождения обратного тока. Это был первый прототип батареи такого типа, к которому Фор добавил больше улучшений, пока Анри Тюдор не изобрел практичный тип свинцово-кислотной батареи в 1886 году.Давайте углубимся в этот вид батарей, их работу, типы, структуру и преимущества.

Категория перезаряжаемых и вторичных батарей включает свинцово-кислотные батареи. Несмотря на низкое отношение энергии к объему и энергии к весу батареи, она может обеспечивать более высокие импульсные токи. Это связано с тем, что свинцово-кислотные аккумуляторы имеют высокое отношение мощности к весу.

Это батареи, которые преобразуют химическую энергию в электрическую с использованием перекиси свинца и губчатого свинца.Из-за повышенных уровней напряжения в элементах и ​​низкой стоимости они обычно используются на подстанциях и в энергосистемах.

I. Конструкция свинцово-кислотной батареи

Пластины и контейнеры являются важными элементами конструкции свинцово-кислотной батареи. Каждая часть, используемая в конструкции, подробно описана в разделе ниже. Схема свинцово-кислотной батареи показана ниже:

 

Контейнер свинцово-кислотной батареи

Этот элемент банки изготовлен из эбонита, дерева со свинцовым покрытием, стекла, твердой битумной резины, керамических материалов или кованого пластика. оба они установлены на поверхности, чтобы предотвратить выброс электролита.В нижней части контейнера имеется четыре ребра, два из которых закреплены на положительной пластине, а остальные — на отрицательной.

Призма служит основанием для обеих пластин, а также защищает их от короткого замыкания. Материалы, используемые в конструкции контейнера, не должны содержать серную кислоту, не должны изгибаться или проникать, а также не должны содержать никаких примесей, которые могут повредить электролит.

Пластины свинцово-кислотной батареи

Пластины свинцово-кислотной батареи построены по-разному, но все они состоят из одинаковых типов сетки, состоящей из активных компонентов и свинца.Сетка необходима для установления проводимости тока и распределения равных величин тока по активным компонентам. Если распределение неравномерно, активная переменная будет ослаблена. В этой батарее есть два типа пластин. Пластины Plante/formed и Faure/клееные пластины являются двумя типами.

Фасонные пластины в основном используются в статических батареях, они тяжелые и дорогие. Однако даже при непрерывных циклах зарядки и разрядки они имеют длительный срок службы и маловероятно, что они потеряют свои активные компоненты.Это имеет низкое соотношение мощности к весу.

Хотя процедура вставки чаще используется для создания негативных пластин, чем позитивных, она часто используется для создания позитивных пластин. Отрицательно-активный аспект более сложен, и механизмы зарядки и разрядки немного изменены.

Активный компонент свинцово-кислотного аккумулятора

Активный компонент — это компонент, который активно участвует в процессах химических реакций, происходящих в аккумуляторе, в основном во время зарядки и разрядки.Ниже приведены активные ингредиенты:

  • Перекись свинца – Это полезный активный ингредиент.

  • Губчатый провод — отрицательная активная часть системы.

  • Кислота серная разбавленная – Это в основном используется в качестве электролита.

Сепараторы свинцово-кислотных аккумуляторов

Для изготовления этих тонких плит используются пористая резина, обработанный свинец и стекловолокно. Сепараторы используются для обеспечения активной изоляции между пластинами.С одной стороны они имеют рифленую форму, а с другой стороны плоские.

Кромки свинцово-кислотной батареи

Имеет положительные и отрицательные наконечники диаметром 17,5 мм и 16 мм соответственно.

II. Принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора

Поскольку серная кислота используется в качестве электролита в аккумуляторе, при ее растворении молекулы рассеиваются в виде SO4– (отрицательные ионы) и 2H+ (положительные ионы), которые могут свободно перемещаться. Когда эти электроды погружаются в растворы и подается постоянный ток, положительные ионы начинают двигаться в направлении отрицательной стороны батареи.Отрицательные ионы также могут проходить в том же направлении, что и положительные ионы, двигаясь к положительному краю батареи.

Каждый ион водорода и сульфата собирает один и два электрона, а также отрицательные ионы с катода и анода и вступает в реакцию с водой. В результате образуются водород и серная кислота. Продукты вышеуказанных реакций соединяются с оксидом свинца с образованием пероксида свинца. Это означает, что во время фазы зарядки часть свинцового катода остается в виде свинца, а свинцовый анод формируется в виде темно-коричневого пероксида свинца.

Если питание постоянного тока отсутствует, а между электродами закреплен вольтметр, отображается несоответствие потенциалов между электродами. Поток тока от отрицательной к положительной пластине по внешней цепи происходит, когда провода соединяются между электродами, что указывает на то, что ячейка может производить электрический источник энергии.

III. Типы свинцово-кислотных аккумуляторов

Герметичный тип . Этот тип свинцово-кислотного аккумулятора представляет собой разновидность залитого типа.Насчет того, что ни у кого нет доступа к каждой ячейке батареи, внутренняя архитектура практически идентична залитой форме. Самая большая разница в этой форме заключается в том, что в ней содержится достаточное количество кислоты, чтобы обеспечить плавное протекание химических реакций во время существования батареи.

VRLA Form — также известные как герметичные батареи, они известны как свинцово-кислотные батареи с клапанным управлением. В момент зарядки процесс контроля стоимости обеспечивает стабильное выделение газов O2 и h3.

AGM Type – это аккумулятор из матового стекла, который позволяет останавливать электролит на материале пластины. Аккумуляторы этого типа улучшают производительность процессов разрядки и зарядки. В основном они используются в автоспорте и при запуске двигателя.

Гелевый тип — это свинцово-кислотный аккумулятор мокрого типа, в котором электролит в ячейке изготовлен на основе диоксида кремния, что приводит к затвердеванию материала. По сравнению с другими формами значения напряжения перезарядки элемента малы, а также он обладает большей чувствительностью.

IV. Особенности свинцово-кислотного аккумулятора

1.  Химическая реакция свинцово-кислотного аккумулятора

Химическая реакция в аккумуляторе происходит в основном во время процессов разрядки и перезарядки, и она описывается следующим образом:

Когда аккумулятор полностью заряжен , анод и катод — PbO2 и Pb соответственно. Поскольку они связаны с сопротивлением, батарея разряжается, а электроны заряжаются в противоположном направлении.Ионы h3 проходят в анод и сливаются вместе, образуя атом. Он реагирует с PbO2 с образованием PbSO4 белого цвета.

Подобно иону сульфата, ион сульфата движется к катоду, где он превращается в SO4. Он становится сульфатом свинца, когда реагирует со свинцовым катодом.

PbSO4 + 2H = PbO + h3O

PbO + h3SO4 = PbSO4 + 2h3O

PbO2 + h3SO4 + 2H = PbSO4 + 2h3O

Катод и аноды подключаются к отрицательному и положительному фронтам питания постоянного тока процесс.Положительные ионы h3 переходят на катод, приобретая два электрона и превращаясь в атом h3. Он образует свинец и серную кислоту после химической реакции с сульфатом свинца.

2.  Срок службы свинцово-кислотной батареи

Оптимальная рабочая температура для свинцово-кислотной батареи составляет 250 градусов Цельсия или 770 градусов по Фаренгейту. Срок службы сокращается по мере расширения температурного спектра. Согласно закону, любое повышение температуры на 80°C сокращает период полураспада батареи.Срок службы свинцово-кислотной батареи с рабочими характеристиками при рабочей температуре 250°C составляет десять лет. И его срок службы составляет всего 5 лет при температуре 330 градусов по Цельсию.

3.

4 Приложения

    • , используемые в электродвигателях

    • подводные лодки

    • подводные лодки

    • атомные подводные лодки

    Работа свинцовой кислоты | Свинцово-кислотная вторичная аккумуляторная батарея

    Работа свинцово-кислотной батареи

    Аккумуляторная или вторичная батарея представляет собой такую ​​батарею, в которой электрическая энергия может храниться в виде химической энергии, и эта химическая энергия затем преобразуется в электрическую энергию по мере необходимости.Преобразование электрической энергии в химическую с помощью внешнего источника электричества называется зарядкой аккумулятора. Тогда как преобразование химической энергии в электрическую энергию для питания внешней нагрузки известно как разрядка аккумуляторной батареи.
    Во время зарядки аккумулятора через него проходит ток, который вызывает некоторые химические изменения внутри аккумулятора. Эти химические изменения поглощают энергию во время их формирования.

    Когда батарея подключена к внешней нагрузке, химические превращения происходят в обратном направлении, во время которых поглощенная энергия высвобождается в виде электрической энергии и поступает в нагрузку.
    Теперь мы попытаемся понять принцип работы свинцово-кислотной батареи , и для этого мы сначала обсудим свинцово-кислотную батарею , которая очень часто используется в качестве аккумуляторной батареи или вторичной батареи.

    Материалы, используемые для элементов свинцово-кислотной аккумуляторной батареи

    Основными активными материалами, необходимыми для создания свинцово-кислотной батареи, являются

    1. Перекись свинца (PbO 2 ).
    2. Губчатый свинец (Pb)
    3. Разбавленная серная кислота (H 2 SO 4 ).
    Перекись свинца (PbO
    2 )

    Положительная пластина изготовлена ​​из перекиси свинца. Это темно-коричневое, твердое и хрупкое вещество.

    Губчатый свинец (Pb)

    Отрицательная пластина изготовлена ​​из чистого свинца в состоянии мягкой губки.

    Разбавленная серная кислота (H
    2 SO 4 )

    Разбавленная серная кислота, используемая для свинцово-кислотных аккумуляторов, имеет соотношение вода:кислота = 3:1.

    Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея изготавливается путем погружения пластины пероксида свинца и губчатой ​​свинцовой пластины в разбавленную серную кислоту.Между этими пластинами внешне подключается нагрузка. В разбавленной серной кислоте молекулы кислоты расщепляются на положительные ионы водорода (H + ) и отрицательные сульфат-ионы (SO 4 — — ). Ионы водорода, достигнув пластины PbO 2 , получают от нее электроны и становятся атомом водорода, который снова атакует PbO 2 и образует PbO и H 2 O (вода). Этот PbO реагирует с H 2 SO 4 и образует PbSO 4 и H 2 O (вода).


    SO 4 − − ионы свободно перемещаются в растворе, поэтому некоторые из них достигают пластины чистого свинца, где отдают свои дополнительные электроны и становятся радикалами SO 4 . Поскольку радикал SO 4 не может существовать сам по себе, он атакует Pb и образует PbSO 4 .
    Поскольку ионы H + забирают электроны с пластины PbO 2 , а ионы SO 4 — — отдают электроны пластине Pb, между этими двумя пластинами будет неравенство электронов.Следовательно, через внешнюю нагрузку между этими пластинами будет протекать ток для уравновешивания этого неравенства электронов. Этот процесс называется разрядкой свинцово-кислотного аккумулятора.
    Сульфат свинца (PbSO 4 ) беловатого цвета. Во время разрядки

    1. Обе пластины покрыты PbSO 4 .
    2. Удельный вес раствора серной кислоты падает из-за образования воды при реакции на пластине PbO 2 .
    3. В результате скорость реакции падает, что означает уменьшение разности потенциалов между пластинами в процессе разрядки.

    Теперь отключим нагрузку и подключим пластину PbSO 4 , покрытую PbO 2 , с положительной клеммой внешнего источника постоянного тока и пластину PbO 2 , покрытую пластиной Pb, с отрицательной клеммой этого источника постоянного тока. При разрядке плотность серной кислоты падает, но серная кислота все еще присутствует в растворе. Эта серная кислота также остается в растворе в виде ионов H + и SO 4 − − . Ионы водорода (катион), заряженные положительно, перемещаются к электроду (катоду), соединенному с отрицательным полюсом источника постоянного тока.Здесь каждый ион H + забирает у него один электрон и становится атомом водорода. Затем эти атомы водорода атакуют PbSO 4 и образуют свинец и серную кислоту.

    SO 4 − − ионы (анионы) движутся к электроду (аноду), соединенному с положительной клеммой источника постоянного тока, где они отдают свои лишние электроны и становятся радикалами SO 4 . Этот радикал SO 4 не может существовать сам по себе, поэтому он реагирует с PbSO 4 анода и образует перекись свинца (PbO 2 ) и серную кислоту (H 2 SO 4 ).

    Следовательно, при зарядке элемента свинцово-кислотной аккумуляторной батареи

    1. Анод из сульфата свинца превращается в пероксид свинца.
    2. Катодный сульфат свинца превращается в чистый свинец.
    3. Терминал; потенциал клетки возрастает.
    4. Увеличивается удельный вес серной кислоты.

    Видео-презентация принципа работы свинцово-кислотного аккумулятора

    Свинцово-кислотный аккумулятор: работа, конструкция и зарядка/разрядка

    Почти каждое портативное и переносное устройство состоит из аккумулятора.Аккумулятор — это накопительное устройство, в котором хранится энергия для обеспечения питания, когда это необходимо. В этом современном мире электроники доступны различные типы батарей, среди них Свинцовые Кислотные батареи обычно используются для питания высокой мощности. Обычно свинцово-кислотные батареи имеют большие размеры, жесткую и тяжелую конструкцию, они могут хранить большое количество энергии и обычно используются в автомобилях и инверторах.

     

    Даже несмотря на конкуренцию с литий-ионными аккумуляторами, спрос на свинцово-кислотные аккумуляторы растет день ото дня, потому что они дешевле и проще в обращении по сравнению с литий-ионными аккумуляторами.Согласно некоторым исследованиям рынка, рынок свинцово-кислотных аккумуляторов в Индии, по прогнозам, вырастет в среднем на более чем 9% в год в течение 2018–2024 годов. Таким образом, он имеет огромный рыночный спрос в области автоматизации, автомобилестроения и бытовой электроники. Хотя большая часть электромобилей поставляется с литий-ионными батареями, но все же есть много электрических двухколесных транспортных средств, которые используют свинцово-кислотные батареи для питания транспортного средства.

     

    В предыдущем уроке мы узнали о литий-ионных батареях, здесь мы разберемся с работой , конструкцией и применением свинцово-кислотных аккумуляторов. Мы также узнаем о рейтингах заряда/разряда, требованиях и безопасности свинцово-кислотных аккумуляторов.

     

    Конструкция свинцово-кислотной батареи

    Что такое свинцово-кислотная батарея? Если мы сломаем название «Свинцово-кислотная батарея», мы получим «Свинец, кислота» и «Батарея» . Свинец — химический элемент (символ — Pb, атомный номер — 82). Это мягкий и податливый элемент. Мы знаем, что такое Кислота; он может отдавать протон или принимать пару электронов, когда реагирует.Итак, батарея, состоящая из свинца и безводной свинцовой кислоты (иногда ошибочно называемой перекисью свинца), называется свинцово-кислотной батареей.

     

    Итак, какая внутренняя конструкция?

    Свинцово-кислотная батарея состоит из следующих элементов, мы можем видеть это на изображении ниже:

    Свинцово-кислотная батарея состоит из пластин , сепаратора и электролита, твердого пластика и корпуса из твердой резины .

    В аккумуляторах пластины двух типов , положительные и отрицательные.Положительный состоит из диоксида свинца, а отрицательный — из губчатого свинца. Эти две пластины разделены с помощью разделителя , который представляет собой изоляционный материал. Вся эта конструкция хранится в жестком пластиковом корпусе с электролитом. Электролит представляет собой воду и серную кислоту.

    Жесткий пластиковый корпус на одну ячейку. В одной ячейке обычно хранится 2,1 В. По этой причине свинцово-кислотная батарея 12 В состоит из 6 ячеек и обеспечивает 6 x 2,1 В/ячейка = 12.6В обычно.

     

    Итак, какова емкость накопителя заряда?

    Сильно зависит от активного материала (количества электролита) и размера пластины. Возможно, вы видели, что емкость литиевой батареи описывается в мАч или в миллиампер-часах, но в случае свинцово-кислотной батареи это ампер-часов. Мы опишем это в следующем разделе.

     

    Работа свинцово-кислотной батареи

    Работа свинцово-кислотного аккумулятора связана с химией, и узнать об этом очень интересно.В условиях зарядки и разрядки свинцово-кислотных аккумуляторов задействован огромный химический процесс. Молекулы разбавленной серной кислоты H 2 SO 4 при растворении кислоты распадаются на две части. Это создаст положительные ионы 2H+ и отрицательные ионы SO 4 -. Как мы уже говорили ранее, два электрода соединены в виде пластин, анода и катода. Анод улавливает отрицательные ионы, а катод притягивает положительные ионы. Это соединение в аноде и SO 4 — и катоде с 2H+ обмениваются электронами и которые далее реагируют с H3O или с водой (разбавленная серная кислота, серная кислота + вода).

    Аккумулятор имеет два состояния химической реакции: Зарядка и Разрядка .

     

    Зарядка свинцово-кислотного аккумулятора

    Как мы знаем, чтобы зарядить аккумулятор, нам нужно обеспечить напряжение больше, чем напряжение на клеммах. Таким образом, для зарядки аккумулятора 12,6 В можно подать напряжение 13 В.

     

    Но что на самом деле происходит, когда мы заряжаем свинцово-кислотную батарею?

    Ну, те самые химические реакции, которые мы описали ранее.В частности, когда аккумулятор подключен к зарядному устройству, молекулы серной кислоты распадаются на два иона: положительные ионы 2H+ и отрицательные ионы SO 4 -. Водород обменивается электронами с катодом и становится водородом, этот водород реагирует с PbSO 4 на катоде и образует серную кислоту (H 2 SO 4 ) и свинец (Pb). С другой стороны, SO 4 — обмениваются электронами с анодом и становятся радикалами SO 4 . Этот SO 4 реагирует с PbSO 4 анода и образует пероксид свинца PbO 2 и серную кислоту (H 2 SO 4 ).Энергия накапливается за счет увеличения плотности серной кислоты и увеличения потенциального напряжения ячейки.

     

    Как объяснялось выше, в процессе зарядки на аноде и катоде происходят следующие химические реакции.

    На катоде

      PbSO  4  + 2e  -  => Pb + SO  4   2-   

     

    На аноде

      PBSO  4  + 2H  2  O => PBO  2  + так  4   2-  + 4H  -  + 2E  -   3 

    Если объединить два приведенных выше уравнения, общая химическая реакция будет равна

    .
      2PbSO  4  + 2H  2  O => PbO  2  + Pb + 2H  2  SO  4   

     

     

    Существуют различные способы зарядки свинцово-кислотного аккумулятора.Каждый метод можно использовать для конкретных свинцово-кислотных аккумуляторов для конкретных приложений. В некоторых приложениях используется метод зарядки постоянным напряжением , в некоторых приложениях используется метод постоянного тока , в то время как зарядка щекоткой также полезна в некоторых случаях. Обычно производитель аккумуляторов предоставляет надлежащий метод зарядки конкретных свинцово-кислотных аккумуляторов. Зарядка постоянным током обычно не используется при зарядке свинцово-кислотных аккумуляторов .

    Наиболее распространенным методом зарядки, используемым в свинцово-кислотных батареях, является метод зарядки постоянным напряжением , который является эффективным процессом с точки зрения времени зарядки.При полном цикле заряда напряжение заряда остается постоянным, а ток постепенно уменьшается с увеличением уровня заряда аккумулятора.

     

    Разрядка свинцово-кислотного аккумулятора

    Разрядка свинцово-кислотного аккумулятора также связана с химическими реакциями. Серная кислота находится в разбавленной форме, как правило, в соотношении 3:1 с водой и серной кислотой. При подключении нагрузок поперек пластин серная кислота снова распадается на положительные ионы 2H+ и отрицательные ионы SO 4 .Ионы водорода реагируют с PbO 2 и образуют PbO и воду H 2 O. PbO начинает реагировать с H 2 SO 4 и создает PbSO 4 и H 2 3 O. O.

    С другой стороны SO 4 - ионы обмениваются электронами с Pb, образуя радикал SO 4 , который далее создает PbSO 4 , реагируя со Pb.

    Как объяснялось выше, в процессе разрядки на аноде и катоде происходят следующие химические реакции.Эти реакции прямо противоположны реакциям зарядки:

    На катоде

      Pb + SO  4   2-  => PbSO  4  + 2e  -   

     

    На аноде:

      PBO  2  + SO  4   2-  + 4H  -  + 2e  -  => PBSO  4  + 2H  2  O  3 

    Если объединить два приведенных выше уравнения, общая химическая реакция будет равна

    .
      PbO  2  + Pb + 2H  2  SO  4  => 2PbSO  4  + 2H  2  O  

     

     

    Из-за обмена электронами между анодом и катодом нарушается баланс электронов между пластинами.Затем электроны проходят через нагрузку, и батарея разряжается.

    Во время этого сброса плотность разбавленной серной кислоты уменьшается. Также при этом уменьшается разность потенциалов клетки.

     

    Фактор риска и электрические характеристики

    Свинцово-кислотный аккумулятор вреден, если его не обслуживать безопасно. Поскольку батарея выделяет газообразный водород во время химического процесса, она очень опасна, если не используется в вентилируемом помещении.Также неаккуратная зарядка сильно портит батарею.

     

    Каковы стандартные характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов?

    Каждая свинцово-кислотная батарея снабжена спецификацией для стандартного тока заряда и тока разряда. Обычно свинцово-кислотный аккумулятор на 12 В, который подходит для автомобильного применения, может иметь емкость от 100 до 350 Ач. Этот рейтинг определяется как рейтинг разряда с 8-часовым периодом времени.

    Например, батарея емкостью 160 Ач может обеспечить ток питания 20 А для нагрузки в течение 8 часов диапазона .Мы можем потреблять больше тока, но это не рекомендуется делать. Потребление большего тока, чем максимальный разрядный ток в течение 8 часов, приведет к снижению эффективности батареи, а также может измениться внутреннее сопротивление батареи, что еще больше повысит температуру батареи.

    С другой стороны, во время фазы зарядки, , мы должны быть осторожны с полярностью зарядного устройства , оно должно быть правильно подключено к полярности аккумулятора. Обратная полярность опасна для зарядки свинцово-кислотного аккумулятора.Готовое зарядное устройство поставляется с измерителем зарядного напряжения и зарядного тока с возможностью управления. Мы должны обеспечить большее напряжение, чем напряжение батареи, чтобы зарядить батарею. Максимальный зарядный ток должен быть таким же, как максимальный ток питания при 8-часовой скорости разрядки. Если мы возьмем тот же пример 12 В 160 Ач, то максимальный ток питания составляет 20 А, поэтому максимальный безопасный ток зарядки составляет 20 А.

    Не следует увеличивать или обеспечивать большой зарядный ток , так как это приведет к выделению тепла и повышенному газообразованию.

     

    Правила обслуживания свинцово-кислотных аккумуляторов
    1. Полив — наиболее часто игнорируемая функция обслуживания залитых свинцово-кислотных аккумуляторов. Поскольку избыточная зарядка уменьшает количество воды, нам необходимо часто ее проверять. Меньшее количество воды вызывает окисление пластин и сокращает срок службы батареи. При необходимости добавьте дистиллированную или ионизированную воду.
    2. Проверьте вентиляционные отверстия, их нужно доработать резиновыми заглушками, часто резиновые заглушки слишком плотно прилегают к отверстиям.
    3. Подзаряжайте свинцово-кислотные батареи после каждого использования. Длительный период без подзарядки обеспечивает сульфатацию пластин.
    4. Не замораживайте аккумулятор и не заряжайте его при температуре выше 49 градусов по Цельсию. При низких температурах окружающей среды аккумуляторы необходимо полностью заряжать, так как полностью заряженные аккумуляторы безопаснее, чем разряженные аккумуляторы в отношении замерзания.
    5. Не допускайте глубокой разрядки аккумулятора менее 1,7 В на элемент.
    6. Для хранения свинцово-кислотного аккумулятора его необходимо полностью зарядить, а затем слить электролит.Тогда батарея станет сухой и может храниться в течение длительного периода времени.

    Свинцово-кислотная батарея: принципы работы

    Свинцово-кислотная батарея: принципы работы

    Свинцово-кислотный аккумулятор: принципы работы
    John Denker

    *   Содержание

    1  Реакции полуэлементов

    Фабрика изготавливает каждый элемент батареи следующим образом: клемма «-» представляет собой толстую пористую пластину металлического свинца. Связан с клемма «+» представляет собой пластину, состоящую в основном из пористого диоксида свинца пасты, поддерживаемой тонкой металлической сеткой.В между пластинами находится довольно концентрированная серная кислота (около 4М).

    В качестве предварительных отметим, что серная кислота является сильная кислота по отношению к ее первому протону, поэтому даже до того, как кислота была добавлена ​​в аккумулятор, завершилась следующая реакция:

    H 2 SO 4  →  H + + HSO 4
    (1)

    Эта реакция связана с объемом электролита, независимо от пластины аккумулятора.Это не электрохимическая реакция и не зависит от зарядки и разрядки аккумулятора. Мы делаем не ожидайте, что серная кислота высвободит свой второй протон с любым большая вероятность – всего доли процента – поскольку К а2 всего 0,012.

    При разрядке батареи происходит следующая реакция полуэлемента происходит на пластине «-»:

    Pb + HSO 4 - PbSO 4 + Н + + 2e -
    (ы)
    (AQ) (AQ) disch (ы) (AQ) (ы)
    (2)

    Эта реакция имеет большой смысл.Как обсуждалось в ссылка 1, когда ячейка находится под нагрузкой, есть электрическое поле в электролите, вызывающее появление отрицательных ионов (в этом казебисульфат) дрейфовать в сторону «-» пластины. См. рисунок 2. Отрицательный ион расходуется в результате реакции с пластина. В реакции также образуется положительный ион (протон), который дрейфует под действием упомянутого поля. Два электроны остаются в пластине, чтобы быть доставленными к Терминал. В этом нет ничего удивительного.

    «Прямое» направление уравнения 2 представляет разрядка аккумулятора.Для представления зарядки (она же подзарядка) операции, просто измените направление стрелки. Результат делает смысл тоже.

    Между тем, вторая половина реакции разряда происходит на Табличка "+". Это может быть записано по-разному, из которых следующее условно:

    РЬО 2 + 3H + + HSO 4 - + 2e - PBSO 4 + 2H 2 O
    (ы) (AQ) (AQ) (AQ) (ы) (с)  
    (3)

    Некоторые детали уравнения 3 требуют особого внимания. анализ, как будет обсуждаться в разделе 2 и раздел 3.Однако сначала давайте обсудим несколько вещей. относительно легко понять.

    На каждой пластине соединения свинца нерастворимы и остаются прикрепленными к плита; в растворе никогда не бывает значительного количества свинца. Остальные продукты реакции (вода и серная кислота) полностью растворимый. Эти свойства являются важной частью того, почему клетка перезаряжаемый. (Напротив, в неперезаряжаемых батареях обычно продукты реакции, которые становятся недоступными для повторного использования, выходящий в виде газа или нерастворимого осадка.)

    Аналогично, свободные электроны, которые высвобождаются по уравнению 2 и расходуются по уравнению 3, не растворим в электролите. Ионы H + и HSO 4 являются растворимы, а электроны нет. Это может показаться очевидным, но это не банально. Если бы электроны были растворимы, батарея не работала бы. Это закоротило бы себя.

    Если мы сложим вместе две реакции полуэлемента, мы получим реакцию полного элемента реакция разряда:

    Pb + РЬО 2 + 2H 2 SO 4 2PbSO 4 + 2H 2 O
    (S) (ы) (AQ) disch (ы)
    (4)

    При разгрузке потребляется кислота и образуется вода.В процессе заряда расходуется вода и образуется кислота. Поскольку серная кислота намного плотнее воды, широко используемый Метод проверки состояния заряда аккумулятора заключается в измерении удельный вес электролита. (Неспециалисты иногда догадываются что изменение плотности связано с присутствием тяжелого свинца соединения в растворе, как будто произошла какая-то реакция свинцового покрытия. участие, но это не так.) См. рисунок 1.

    Во время разряда на пластине «–» происходит окисление свинца из металлический Pb в двухвалентный Pb(II).Это высвобождает отрицательный заряд в табличка «-». При этом на пластине «+» свинец восстанавливается из четырехвалентного Pb(IV) в двухвалентный Pb(II). Это освобождает Положительный заряд в пластину «+».

    Разумеется, при перезарядке происходят противоположные окислительно-восстановительные реакции.

    Остерегайтесь сложной терминологии:

    • Во время операции разряда пластина «-» называется анод (поскольку материал пластины окисляется), а Пластина «+» называется катодом (поскольку материал пластины уменьшенный).
    • Во время зарядки пластина «–» теперь должна быть называется катодом (поскольку материал пластины теперь уменьшается), а пластину «+» теперь надо называть анодом (поскольку пластина материал окисляется).

    Ситуация представлена ​​в следующей таблице:

    зарядки разрядка
    - пластина: катодом
    сокращается
    анода
    окисляется
    + пластина:       анод
    окисленный
          катод
    восстановленный
    9000 никогда не маркируйте слова «катод» или «анод» на клеммах.Видеть ссылка 2 для правильного определения «анода» и «катод», а также сопутствующие вопросы.

    2 Дрейф и диффузия

    2.1 Предварительная притча

    В качестве основы рассмотрим гетерогенный катализ, такой как каталитическое окисление паров ацетона на поверхности меди. Если есть без перемешивания реакция будет протекать медленно, т.к. реагенты должны диффундировать на поверхность, а продукты должны рассеиваться. Диффузия — довольно медленный процесс, особенно диффузия на большие расстояния.

    Обратите внимание, что это изображение реагентов (или продуктов), протекающих по градиент концентрации несовместим с вашими интуитивными представлениями о протекание электрического тока в цепи постоянного тока. Рассмотрим следующее контраст:

    Химическая реакция   Цепь постоянного тока
    Реагенты и продукты не являются неразрушимыми. реагенты истощаются в ходе реакции. Продукты накапливать.   Заряд течет несжимаемым, нерушимым жидкость, без скопления или истощения в любом месте.

    2.2 Ионы бисульфата

    Обратите внимание, что в свинцово-кислотном аккумуляторе во время разрядки ионы бисульфата потребляется в обоих местах, как на «-» тарелке, так и на «+» пластины, как указано в уравнении 2 и уравнении 3. Во время разряда электролит становится значительно более разбавленным, так как расходуется бисульфат, а вода освобожден.Одним из практических следствий является то, что вы можете измерить, насколько полностью заряженный аккумулятор измеряется плотностью электролита с помощью ареометра, возможно, простого типа, показанного на рис. рисунок 1.

    Сначала рассмотрим условия разомкнутой цепи, нулевой нагрузки и равновесия. Там отсутствует электрическое поле в объеме электролита. Это означает причина. Если бы существовало электрическое поле, ионы двигались бы поле. Положительные ионы будут течь в одном направлении, а отрицательные ионы будут течь в другом направлении, что противоречит предположение, что это ситуация равновесия с нулевым током.

    Также в равновесии отсутствует значительный градиент концентрации в основная масса электролита.

    Теперь рассмотрим операцию разрядки, как показано на рис. 2. Синяя пластина — это пластина «+», а красная тарелка — это тарелка «-». Фиолетовые стрелки показывают направление текущий поток. Они также показывают направление электрического поля. Это энергетически выгодно, чтобы положительные заряды протекали в направление стрелок.


    Рис. 2. Ток и поля во время разряда

    В то же время он энергетически выгоден для отрицательных видов. течь в направлении, противоположном стрелкам.В частности, это означает, что ионы бисульфата будут перемещаться слева направо на рисунке 2, обеспечивая подачу реагентов в соответствии с требованиями уравнение 2. Пока все хорошо.

    Увы, мы не можем использовать эту цепочку рассуждений, чтобы объяснить, как бисульфат ионы попадают на положительный полюс. Уравнение 3 будет вскоре поглощают все ионы бисульфата в непосредственной близости. Если реакция должна продолжаться, они должны быть восполнены из где-то. Это требует, чтобы ионы текли вверх (против градиента электрохимического потенциала).

    Единственное возможное объяснение состоит в том, что некоторые ионы диффундируют в гору. Это, безусловно, возможно, учитывая очень большой концентрациях и коротких расстояниях. Распределение маленькие черные кружки на рисунке 2 означают сильно преувеличенное представление концентрации бисульфата анионы. Диффузия заставит анионы течь из объема в сторону плиты в обе стороны.

    Давайте проясним: на пластине «-» жизнь проста, потому что дрейф и диффузия работают вместе, чтобы привести реагенты к пластине.Напротив, на клемме «+» ситуация неразбериха, т.к. дрейф работает в бесполезном направлении, и мы должны полагаться на диффузия для доставки реагентов на пластину. Это намного хуже, чем реакция с ацетоном, рассмотренная в разделе 2.1, где распространение не встретило сопротивления.

    Легко предположить, что все, что происходит вблизи положительного пластина накладывает существенное ограничение на то, какой ток мы можем получить из батареи. Мы также можем предсказать, что перемешивание электролит повысит производительность батареи.Много перемешивания схемы обсуждаются в литературе, но обычно только при феноменологический, недетализированный уровень.

    Трудно найти количественные данные о любых микроскопических процессы, происходящие в электролите вблизи Табличка "+". Стандартная книга по свинцово-кислотным аккумуляторам ссылка 3, но в ней не рассматривается этот вопрос. Некоторый дразнящие веб-страницы – эталон 4 и эталон 5. Если кто-нибудь знает хорошие ссылки на эту тему, пожалуйста, дайте мне знать.

    Подведем некоторые цифры: Ячейка имеет напряжение холостого хода 2,2 вольты такие. Предположим, что мы поместили его под большую нагрузку, так что там составляет Δv = 0,4 В «ИК» падение на электролите. В виде всегда комнатная температура соответствует 25 мэВ, т.е. 0,025 электрон-вольт. Мы можем использовать это для вычисления коэффициента Больцмана, т. е. доля ионов бисульфата успевает подняться до потенциала exp(q Δv/kT) = exp(0,4/0,025) = 9 000 000. Итак, под сильноточные условия, если скорость реакции ограничена наличия бисульфат-ионов, ожидаем реакцию на «+» пластина двигаться в миллионы раз медленнее, чем это было бы «идеально».

    Напротив, в слаботочных условиях реакция скорость ограничена наличием электронов, поэтому доступность Ионы бисульфата не проблема.

    В предыдущем расчете мы не учитывали влияние диэлектрической скрининг. Это могло или не могло быть правильным поступком. Аргумент за: энергия сохраняется. В конце дня, чтобы перейти на бисульфат ион вверх по холму высотой 0,4 вольта, вы должны сделать 0,4 эВ работы. Аргумент минус: большая часть высоты холма связана с диполем слой у кромки воды, в месте, где электролит встречается с тарелкой; в объеме электролита поле меньше.Ионы могут с относительно разумной вероятностью получить замкните на пластину «+», сразу за дипольным слоем. Вопрос без ответа: если они подойдут так близко, достаточно ли этого?

    В любом случае экранирование не устраняет полностью энергию барьер. По обычному аргументу Клаузиуса-Моссотти (ссылка 6), поле внутри сферического отверстия в диэлектрическая проницаемость составляет 1/3 пути между полностью экранированным значением и неэкранированное значение. Итак, если мы подставим числа, мы получим куб корень предыдущего числа, т.е.е. коэффициент 200. Это намного меньше более 9 миллионов, но это все же достаточно много, чтобы заслуживать внимания к. Я предполагаю, что это ограничивает количество тока, которое батарея может потушить.

    3  Порядок реакции

    Является ли реакция действительно третьего порядка по концентрации протонов, как предложено уравнением 3? Я в этом сомневаюсь. я подозреваю это придаст батарее очень своеобразную вольт-амперную характеристику, в отличие от что наблюдается.

    Если реакция протекает через некоторую последовательность промежуточных стадий, возможно, в соответствии с гипотетическими реакциями, приведенными в этом сечения, будет иметь место зависимость более низкого порядка от активности H + .

    Возможная последовательность:

    91 024 91 024
    РЬО 2 + Н + + е - PbOOH (5а)
    (с)   (водный)   Диш (ы)
    PbOOH + Н + + е - Pb ( OH) 2                    (5б)
    (с)   (водный)   Диш (ы)
    Pb (ОН) 2 + HSO 4 - PbSO 4 + OH   + H 2 O          6 910       6 910        (5с)
    (ы) (водно) Диша (ы) (водно)
    Н + + OH - H 2 O (5д)
    (AQ) (AQ) (AQ) disch

    Как обсуждалось в разделе 2, он энергетически неблагоприятно чтобы анионы бисульфата двигались к положительной пластине, что ограничение на уравнение 5c.Напротив, такого ограничения нет применяется к анионам OH в уравнении 5d, поскольку они производятся на положительной пластине. Им не нужно двигаться к тарелке. Ионам H + энергетически выгодно дрейфовать к положительной пластине.

    С точки зрения заряда чистый эффект уравнения 5 заключается в том, что два электроны переходят с пластины в электролит, поэтому что две единицы положительного заряда доставляются к терминалу.

    Вот еще одна гипотетическая последовательность, использующая PbO вместо Pb(OH) 2 как промежуточный:

    РЬО 2 + Н + + е - PbOOH (6а)
    (с)   (водный)   Диш (ы)
    PbOOH + Н + + е - РЬО + H 2 O              (6б)
    (с)   (водный)   Диш (ы)
    РЬО + HSO 4 - PbSO 4 + ОН                (6с)
    (ы) (водно) Диша (ы) (водно)
    Н + + OH - H 2 O (6д)
    (AQ) (AQ) (AQ) disch

    У меня нет данных о том, перечислены ли какие-либо гипотетические реакции выше играют какую-либо роль в реальных батареях.

    4  Номера по каталогу

    «Как работает батарея», то есть микроскопия того, как она работает. производит напряжение: www.av8n.com/physics/battery.htm
    Джон Денкер, «Как определить анод и катод» ./анод-катод.htm
    Ганс Боде Свинцово-кислотные батареи Wiley (1977).
    «Отчет о батареях подводных лодок» http://www.mcs.vuw.ac.nz/~markm/preprints/SubBatteriesReport.pdf
    «Свинцово-кислотные аккумуляторы» http://www.accuoerlikon.com/html/accud02.htm
    «Внутри диэлектриков» Фейнмановские лекции по физике, том II глава 11.
    .

Leave a Reply

Ваш адрес email не будет опубликован.

2019 © Все права защищены.