Аккумуляторные батареи

Химические процессы. Принцип действия простейшего свинцово-кислотного аккумулятора показан на рис.131. Электро­ды 2 аккумулятора установлены в бачке 1, изготовленном из диэлектрика и заполненном электролитом (25-30%-ным раст­вором серной кислоты H₂SO₄, что соответствует плотности электролита 1.25-1,31 г/см³).

В аккумуляторе накапливается электрическая энергия пу­тем превращения ее в химическую. При прохождении тока за­ряда I_з между электродами происходит процесс преобразова­ния электрической энергии в химическую, называемый заря­дом; обратный процесс, при котором химическая энергия пре­вращается в электрическую и ток разряда Т_p идет к потреби­телю, называется разрядом аккумулятора.

Рассмотрение процессов, происходящих в аккумуляторе, начнем с предположения, что имеется полностью заряженный аккумулятор. В этом случае активная масса положительного электрода представляет собой перекись свинца PbO₂, а отри­цательного - губчатый свинец Pb. Процессы разряда и заря­да могут быть объяснены теорией двойной сульфатации, в со­ответствии с которой при разряде (рис.131, а), вследствие восстановления двуокиси свинца PbO₂ на положительном электроде и окисления губчатого свинца РЬ на отрицатель­ном, на обоих электродах происходит образование одного и того же продукта – PbSO₄ (сульфата свинца).

В процессе разряда количество воды в электролите увели­чивается, а количество серной кислоты уменьшается. При этом понижается плотность электролита и падает электродви­жущая сила (ЭДС); когда вся активная масса обоих электро­дов будет покрыта сульфатом свинца, ЭДС может быть рав­ной нулю. Однако это практически не допускается во избежа­ние порчи аккумулятора. Таким образом, анализ процесса разряда аккумулятора позволяет записать следующее хими­ческое уравнение:

Электролит Электролит

PbO₂⁺ + 2H₂SO₄ + Pb^- ® PbSO₄⁺ +2H₂O + PbSO₄^-

Аккумулятор заряжен Аккумулятор разряжен

Во время заряда (рис.131, б) аккумулятор подсоединяют к источнику постоянного тока. При прохождении зарядного то­ка химические процессы происходят в обратном направлении: сульфат свинца отрицательного электрода превращается в губ­чатый свинец РЬ, сульфат свинца положительного электрода - в двуокись свинца (PbO₂). Количество воды в электролите уменьшается, а количество серной кислоты увеличивается, т.е. повышается его плотность. Процесс продолжается до тех пор, пока на обоих электродах сульфат свинца не преобразуется в активные вещества (PbO₂ и Pb), при этом ЭДС воз­растает до максимальной величины.

Следовательно, химическое уравнение заряда аккумулято­ра можно записать следующим образом:

Электролит Электролит

PbSO₄⁺ + 2H₂O + PbSO₄^- ® PbO₂⁺ + 2H₂SO₄ + Pb^-

Аккумулятор разряжен Аккумулятор заряжен

Во время процесса заряда изменяется цвет пластин, при этом положительная пластина приобретает светло-корич­невый цвет, а отрицательная - светло-серый. Наряду с этим при заряде и разряде изменяется и плотность электро­лита, по величине которой судят о степени заряженности аккумулятора.

Сравнивая химические уравнения разряда и заряда, видим, что они тождественны, но реакции в них протекают в различ­ных направлениях. Такая химическая реакция называется об­ратимой и позволяет весь процесс, происходящий в аккуму­ляторе, записать следующим образом:

Заряд ­®

PbO₂⁺ + 2H₂SO₄ + Pb^- « PbSo₄⁺ + 2H₂O + PbSO₄^-

Разряд

Характеристики аккумулятора. Основными характеристика­ми аккумуляторов, определяющими их работоспособность, яв­ляются электродвижущая сила, напряжение, емкость.

Электродвижущей силой (ЭДС) называется величи­на, численно равная работе, совершаемой источником тока при переносе единицы заряда по всей замкнутой цепи, и обоз­начаемая Е. Она измеряется в вольтах (В) и зависит от химических свойств активной массы пластин и плотности электролита. Температура электролита существенно не влия­ет на величину ЭДС, которая на практике определяется по эмпирической формуле Е_a = 0,84 + g, где g - плотность электролита при 15°С, г/см³.

С изменением плотности электролита изменяется и вели­чина ЭДС. Так, при температуре 15°С плотность электроли­та может быть в пределах 1,09-1,31 г/см³, при этом соот­ветственно изменяется и ЭДС в пределах 1,92-2,15 В. ЭДС аккумуляторной батареи, состоящей из нескольких последова­тельно соединенных аккумуляторов, Е_б = nE_a, где n - число аккумуляторов.

Напряжением аккумулятора называется разность потенциалов положительных и отрицательных пластин (элект­родов) при замкнутой внешней цепи. Напряжение на клеммах аккумулятора отличается от его ЭДС на величину падения на­пряжения в самом аккумуляторе, обусловленную его внутрен­ним сопротивлением. При разряде напряжение на клеммах ак­кумулятора меньше его ЭДС, а при заряде - больше его ЭДС. В среднем можно считать, что напряжение на клеммах аккумулятора равно примерно 2 В. Для того чтобы получить напряжение, соответствующее принятой на автомобиле систе­ме энергоснабжения, несколько двухвольтовых аккумуляторов объединяют в батарею с номинальным напряжением 6, 12 или 24 В.

Емкость аккумуляторной батареи является наиболее важной величиной, характеризующей ее работоспособность. Под емкостью понимается такое количество электричества, которое отдает полностью заряженная батарея при непрерыв­ном разряде ее до определенного конечного разрядного на­пряжения. Емкость С измеряется в ампер-часах (А*ч) и оп­ределяется как произведение силы разрядного тока I_p в ам­перах на время разряда t в часах: С = I_p*t. Она зависит от силы разрядного тока, плотности и температуры электролита, типа пластин и количества вещества (активной массы), участ­вующего в реакции, т.е. от размеров используемой поверхно­сти пластин.

Емкость аккумуляторной батареи при параллельном соеди­нении входящих в нее аккумуляторов равна сумме их емкос­тей, а ЭДС батареи равна ЭДС одного аккумулятора. При по­следовательном соединении аккумуляторов емкость батареи равна емкости одного аккумулятора, а ЭДС равна сумме ак­кумуляторов, входящих в батарею. Номинальная емкость ба­тареи по ГОСТ 959.0-79 определяется при 20-часовом ре­жиме разряда. Разряд должен проводиться постоянным током I_p = 0,05 С₂₀A (где С₂₀ - номинальная емкость батареи при 20-часовом режиме разряда и температуре электролита 25°С) и прекращаться по достижении конечного напряжения на выходах, равного 5,25В у 6-вольтной батареи и 10,5В у 12-вольтной батареи.

С увеличением силы разрядного тока емкость батареи уменьшается, а при пуске двигателя стартером снижается в 3-6 раз, так как сила разрядного тока в этом случае воз­растает до нескольких сотен ампер. При понижении темпера­туры электролита емкость батареи также уменьшается вслед­ствие увеличения вязкости электролита. При этом снижается скорость протекания химических процессов и замедляется проникновение электролита в поры активной массы пластин. В пределах температур от 18°С до 27°С емкость батареи должна изменяться в среднем на 1% на каждый градус.

Устройство аккумуляторной батареи. Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи состоят из трех, шести или двенад­цати отдельных аккумуляторов, соединенных последовательно между собой. Каждая такая батарея (рис.132) состоит из моноблока 3 с отсеками для аккумуляторов; крышек 4 с за­ливными отверстиями, закрываемыми пробками 5; отрицатель­ных 14 и положительных 17 пластин, собранных соответст­венно в полублоки 7 и 13; сепараторов 16; токоведущих береток 12 с выводными штырями и межэлементных перемы­чек 8, служащих для последовательного соединения аккуму­ляторов в батарею.

Пластины аккумулятора являются наиболее ответствен­ной частью батареи и представляют собой решетки, в ячейки которых вмазывается активная масса. Решетки положитель­ных и отрицательных пластин отливаются из свинцово-сурмянистого сплава (94% - Pb и 6% - Sb). Присадка сурьмы по­вышает литейные качества и прочность пластин. Выпускают­ся также пластины, сплав решеток которых имеет понижен­ное содержание сурьмы (1,5-2%), но увеличенное количест­во других присадок, позволяющих создавать так называемые необслуживаемые батареи с повышенным сроком службы.

Активной массой для положительных пластин является свинцовый сурик Pb₃O₄ (порошок ярко-красного цвета) и свинцовый глет PbO, а для отрицательных - свинцовый поро­шок, свинцовый глет и раствор серной кислоты с добавлени­ем специальных расширителей. После нанесения активной массы она высушивается и затвердевает, прочно скрепляясь с решеткой. Пластины помещают в банки с электролитом, где они проходят заводскую формовку - зарядку электричес­ким током, в результате которой вещества, вмазанные в пластины, переходят на положительной пластине в перекись свинца PbO₂, темно-коричневого цвета, а на отрицательных пластинах - губчатый свинец Pb светло-серого цвета.

После формировки поверхность пластин становится порис­той, вследствие чего в сотни раз увеличивается поверхность соприкосновения электролита с активным веществом по срав­нению с видимой поверхностью пластины, что обеспечивает возможность повышения их емкости до заданной величины. После окончания формировки пластины могут быть оставлены в заряженном или разряженном состоянии. На автомобили, как правило, устанавливаются батареи с сухозаряженными пластинами.

Отрицательные и положительные пластины мостиками-баретками 12 объединяются в группы, называемые полублока­ми. Отрицательных пластин в полублоках 7 ставят на одну больше и так, чтобы каждая положительная пластина находи­лась между отрицательными. Это вызвано тем, что положи­тельные пластины легко коробятся, если они подвержены дей­ствию тока лишь с одной стороны.

Сепараторы 16 - изоляторы, которые помещают меж­ду положительными и отрицательными пластинами. Сепарато­ры исключают образование токопроводящих мостиков между пластинами разной полярности при выпадении из них частиц активной массы. Сепараторы в основном изготовляют из мипора или мипласта. Чтобы лучше предохранить пластины ак­кумулятора от замыканий, сепараторы делают несколько боль­шего размера, чем пластины. Поверхность сепараторов со стороны отрицательной пластины гладкая, а со стороны поло­жительной - ребристая. Ребристая поверхность улучшает до­ступ электролита к положительной пластине, что весьма важ­но при работе аккумулятора в режиме стартерного разряда.

Электролит, которым заполняют отсеки аккумуляторной батареи, состоит из химически чистой серной кислоты и дис­тиллированной воды. В крайнем случае при отсутствии дис­тиллированной воды допускается применение дождевой или снеговой воды, собранной в стеклянную тару непосредствен­но из атмосферы. Серную кислоту плотностью 1,83 г/см³ для удобства пользования разводят в дистиллированной воде до плотности 1,40-1,45 г/см³. Затем плотность электроли­та понижают до требуемой величины в зависимости от време­ни года и района, в котором эксплуатируется аккумуляторная батарея.

Плотность электролита, приведенная к температуре 25°С, для полностью заряженной батареи должна составлять 1,23-1,30 г/см³. В центральных районах плотность электро­лита в летнее и зимнее время должна быть 1,2 г/см³, а в южных 1,25 г/см³, В районах Крайнего Севера ее увеличи­вают зимой до 1,30 г/см³, а летом уменьшают до 1,27г/см³ При полном разряде батареи плотность электролита снижает­ся на 0,15-0,17 г/см³.

Электролит необходимо приготовлять в керамической, эбо­нитовой или другой кислотостойкой таре. Сначала в тару за­ливают дистиллированную воду, а затем серную кислоту. Смесь должна быть тщательно перемешана. При этом нужно соблюдать меры предосторожности, так как попадание на ко­жу электролита и тем более серной кислоты вызывает тяже­лые ожоги тела. Уровень электролита, залитого в аккумуля­тор, должен быть на 10-15 мм выше верхних кромок сепараторов или предохранительного щитка 11. При эксплуатации автомобилей для доведения уровня электролита до нормы сле­дует доливать только дистиллированную воду или электролит.

Моноблок 3 представляет собой бак, в отсеках 1 кото­рого установлены собранные полублоки аккумуляторов бата­реи. Его изготовляют из эбонита, асфальтопековой пластмас­сы или термопласта. Для увеличения прочности и кислотостойкости в отсеки моноблока запрессовывают кислотоупор­ные полихлорвиниловые вставки 2. На дне каждого отсека имеются призмы 15, на которые опираются положительные и отрицательные пластины. Между этими призмами образуется шламовая камера 18, в которой оседают мелкие частицы ак­тивной массы (шлам), выпадающей из пластин по мере рабо­ты аккумуляторной батареи.

Каждый отсек моноблока закрывается крышкой 4, в кото­рой имеется отверстие для заливки электролита и контроля его уровня. Заливочные отверстия закрываются вентиляцион­ной пробкой 5 с отражателем, 10, предохраняющим электро­лит от выплескивания во время движения. Полюсные выводы отдельных аккумуляторов соединяют межэлементными пере­мычками 8 последовательно, т.е. положительный вывод одно­го аккумулятора соединяют с отрицательным выводом друго­го. К крайним выводам, батареи приваривают выводные шты­ри 6, на которых имеются знаки «+» и «-» обозначающие полюсы батареи. Выводной штырь 9 положительного полюса имеет несколько больший диаметр, чем штырь 6 отрицатель­ного полюса.

Маркировка батарей указывает их типы в соответ­ствии с условными обозначениями ГОСТ 959.0-79. Типы ба­тарей характеризуются назначением, числом аккумуляторов в батарее, номинальной емкостью; их условные обозначения со­стоят из цифр и букв, написанных на перемычке, моноблоке или крышке в определенной последовательности.

Например, на автомобиле ЗИЛ-130 устанавливается акку­муляторная батарея 6СТ-90ЭМН. Первая цифра маркировки обозначает число последовательно соединенных аккумуляторов в батарее; буквы СТ - батарея стартерного типа; число после букв - номинальная емкость батареи в ампер-часах при 20-часовом режиме разряда; последние буквы обознача­ют материал моноблока (Э - эбонит, Т - термопласт) и се­параторов (М - мипласт, Р - мипор, С - стекловолокно); по­сле обозначения материала сепаратора ставится буква «Н», это означает, что батарея несухозаряженная. Кроме того, ус­ловное наименование батарей, поставляемых в страны с тро­пическим климатом, должно содержать букву «Т».