Свинцово-кислотный аккумулятор

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
(перенаправлено с «Свинцовый аккумулятор»)
Перейти к: навигация, поиск

Свинцо́во-кисло́тный аккумуля́тор — наиболее распространенный и широко применяемый на сегодняшний день тип аккумуляторов, изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте. Основные области применения: стартёрные аккумуляторные батареи в транспортных средствах, аварийные источники электроэнергии, резервные источники энергии.

История[править | править вики-текст]

Свинцовый аккумулятор изобрёл 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[править | править вики-текст]

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в водном растворе серной кислоты.

При подключении к электродам аккумулятора внешней нагрузки начинается электрохимическая реакция взаимодействия оксида свинца и серной кислоты, при этом металлический свинец окисляется до сульфата свинца (в классическом варианте аккумулятора). Вообще говоря, электрохимические процессы в аккумуляторе сложны. Проведенные в СССР исследования показали, что при разряде аккумулятора протекает как минимум ~60 различных реакций, порядка 20 из которых протекают без участия кислоты электролита (нехимические реакции)[1]

Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на аноде[1][2] и окисление свинца на катоде. При заряде протекают обратные реакции. При перезаряде аккумулятора, после исчерпания сульфата свинца начинается электролиз воды, при этом на аноде (положительный электрод) выделяется кислород, а на катоде (отрицательный электрод) — водород.

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

PbO_2 + SO_4^{2-} + 4 H^+ + 2 e^- \longrightarrow PbSO_4 + 2 H_2O
Pb + SO_4^{2-} - 2 e^- \longrightarrow PbSO_4

В результате, при разряде аккумулятора расходуется серная кислота из электролита (при этом плотность электролита падает, так как концентрация раствора кислоты снижается, а при заряде, когда серная кислота выделяется в раствор электролита реакциями с сульфатом свинца, плотность электролита растёт). В конце заряда, когда количество сульфата свинца на электродах снижается ниже некоторого критического значения, начинает преобладать процесс электролиза воды. Газообразные водород и кислород выделяются из электролита в виде пузырьков — так называемое «кипение» при перезаряде. Это нежелательное явление, при заряде его следует, по-возможности, избегать, так как при этом расходуется вода, концентрация и плотность электролита нарастает. Потери воды в результате электролиза восполняет доливкой в банки аккумулятора дистиллированной воды.

Устройство[править | править вики-текст]

Brockhaus-Efron Electric Accumulators 6.jpg

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

В современных аккумуляторах электродные решётки изготавливаются не из чистого свинца, а из сплава свинца с сурьмой с содержанием её 1—2 % для повышения прочности и эксплуатационных характеристик. Иногда в сплав добавляют металлический кальций, для изготовления анодных и катодных электродных решёток, или только для анодных решёток. Добавление кальция имеет как преимущества, так и недостатки. Например, у аккумулятора с пластинами, легированными кальцием при глубоких разрядах существенно и необратимо снижается емкость.

Электроды вместе с сепараторами погружены в электролит, представляющий собой водный раствор серной кислоты(H2SO4). Соли кальция и магния (жесткая вода), всегда присутствующие в обычной воде ухудшают параметры аккумулятора и снижают срок его службы. Поэтому для приготовления раствора кислоты применяют дистиллированную воду. Электрическая проводимость электролита зависит от концентрации серной кислоты и при комнатной температуре минимальна при плотности электролита 1,23 г/см³. Чем больше проводимость электролита, тем меньше внутреннее сопротивление аккумулятора, и, соответственно, ниже потери.

Однако, на практике, часто в районах с холодным климатом применяются и более высокие концентрации серной кислоты, до 1,29−1,31 г/см³, это связано с тем, что при низких концентрациях электролит может замёрзнуть, при замерзании образуется лёд, который может разорвать банки аккумулятора.

Существуют экспериментальные разработки аккумуляторов, где свинцовые решетки заменяют пластинами из переплетённых нитей углеродного волокна карбоном, покрытых тонкой свинцовой пленкой. При этом используется меньшее количество свинца, распределённого по большой площади, что позволяет изготовить аккумулятор не только компактным и легким, при прочих равных параметрах, но и значительно более эффективным — помимо большего КПД, заряжается значительно быстрее традиционных аккумуляторов[3].

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

Электрические и эксплуатационные параметры[править | править вики-текст]

Аккумулятор электромобиля.
  • Удельная предельная 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 элемент). Ниже разряжать их нельзя[1].
  • Рабочая температура: от −40 °C до +40 °C.
  • КПД: порядка 80—90 %.

Эксплуатационные характеристики[править | править вики-текст]

  • 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, поэтому дают различные результаты.
  • Резервная емкость (для автомобильных аккумуляторов). Характеризует время, в течение которого аккумулятор может отдавать ток 25 А до конечного напряжения 10,5 В согласно ГОСТ Р 53165-2008[7].

Эксплуатация[править | править вики-текст]

Ареометр может быть использован для проверки плотности электролита каждой секции.

При эксплуатации «обслуживаемых» аккумуляторов (с открываемыми пробками на банках) на автомобиле при движении по неровной дороге неизбежно происходит просачивание электролита из-под пробок на корпус аккумулятора. Через электропроводную невысыхающую пленку электролита происходит саморазряд 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, или количество воды в электролите уменьшается при перезаряде за счёт электролиза, что увеличивает его плотность, увеличивая напряжение на аккумуляторе. При существенной потере воды уровень электролита в банках может упасть ниже верха электродов, что снижает ёмкость. Поэтому необходимо следить за уровнем электролита и при необходимости доливать дистиллированную воду.

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

Работа свинцово-кислотного аккумулятора при низких температурах[править | править вики-текст]

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

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

Разряженный аккумулятор в мороз может раздуться из-за замерзания электролита низкой плотности (близкой к 1.10) и образования льда.

Хранение[править | править вики-текст]

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

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

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

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

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

В случае необходимости поездки зимой — перенесите аккумулятор в отапливаемое помещение и в течение 7—9 часов (например, на ночь) он придёт в пригодное для использования состояние.

Износ свинцово-кислотных аккумуляторов[править | править вики-текст]

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

При реакциях в аккумуляторе образуется нерастворимое вещество — сульфат свинца 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 материала электродов в электролите, что вызывает осыпание материала электродов;
  • слабая механическая прочность или плохое сцепление активной массы с электродными решётками, что приводит к опаданию активной массы[1][9];
  • оползание и осыпание активной массы положительных электродов, связанное с разрыхлением, нарушением однородности[1].

Хотя батарею, вышедшую из строя по причине физического разрушения пластин в домашних условиях отремонтировать нельзя, в литературе описаны химические растворы и прочие способы, позволяющие «десульфатировать» пластины. Простой, но чреватый полным отказом аккумулятора способ предполагает использование раствора сульфата магния[1]. Раствор сульфата магния заливается в секции, после чего батарею разряжают и заряжают несколько раз. Сульфат свинца и прочие остатки химической реакции осыпаются при этом на дно банок, это может привести к замыканию элемента, поэтому обработанные банки желательно промыть и заполнить новым электролитом номинальной плотности. Это позволяет несколько продлить срок использования устройства.

Вторичная переработка[править | править вики-текст]

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 токсичным 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.

Свинец из изношенных аккумуляторов часто используются для кустарной переплавки, например, при изготовлении грузил рыболовных снастей, охотничью дробь или гири. Для безопасности из аккумулятора следует слить электролит, для нейтрализации его остатков банки заливаются раствором какого-либо безвредного основания (например, питьевой содой), после чего корпус батареи разрушают и извлекают свинцовые электроды.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]