Свинцево-кислотний акумулятор

1. Історія
2. Принцип дії
3. Пристрій
4. Фізичні характеристики
5. експлуатаційні характеристики
6. експлуатація
7. Свинцево-кислотний акумулятор при низьких температурах
8. зберігання
9. Знос свинцево-кислотних акумуляторів
10. Вторинна переробка

Свинцево-кислотний акумулятор - найбільш поширений на сьогоднішній день тип акумуляторів , Винайдений в 1859 році французьким фізиком Гастоном Планте. Основні області застосування: акумуляторні батареї в автомобільному транспорті, аварійні джерела електроенергії .

Історія

Свинцевий акумулятор розробив в 1859-1860 роках Гастон Планте, співробітник лабораторії Олександра Беккереля . У 1878 році Камілл Фор удосконалив його конструкцію, покривши пластини акумулятора свинцевим суриком .

Принцип дії

Принцип роботи свинцево-кислотних акумуляторів заснований на електрохімічних реакціях свинцю і діоксиду свинцю в кислотною середовищі.

Енергія виникає в результаті взаємодії оксиду свинцю і сірчаної кислоти до сульфату (класична версія). Проведені в СРСР дослідження показали, що всередині свинцевого акумулятора протікає як мінімум ~ 60 реакцій, близько 20 з яких протікають без участі кислоти електроліту (нехімічні) [1]

Під час розряду відбувається відновлення діоксиду свинцю на катоді [2] [1] і окислення свинцю на аноді . При заряді протікають зворотні реакції, до яких в кінці заряду додається реакція електролізу води, що супроводжується виділенням кисню на позитивних пластинах і водню - на негативному.

Хімічна реакція (зліва направо - розряд, справа наліво - заряд):

У підсумку виходить, що при розряді акумулятора витрачається сірчана кислота з електроліту (і щільність електроліту падає, а при заряді, сірчана кислота виділяється в розчин електроліту з сульфатів, щільність електроліту зростає). В кінці заряду, при деяких критичних значеннях концентрації сульфату свинцю у електродів, починає переважати процес електролізу води. При цьому на катоді виділяється водень , на аноді - кисень . При заряді не варто допускати електролізу води, в іншому випадку необхідно її долити для заповнення втраченого під час електролізу кількості.

Пристрій

Елемент свинцево-кислотного акумулятора складається з електродів (позитивних і негативних) і розділових ізоляторів (сепараторів), які занурені в електроліт . Електроди представляють собою свинцеві решітки. У позитивних активною речовиною є перекис свинцю (PbO2), у негативних активною речовиною є губчастий свинець .

Насправді електроди виконані не з чистого свинцю, а зі сплаву з додаванням сурми в кількості 1-2% для підвищення міцності і домішок. Іноді в якості легуючого компонента використовуються солі кальцію, в обох пластинах, або тільки в позитивних. Застосування солей кальцію вносить не тільки позитивні але і багато негативних моментів в експлуатацію свинцевого акумулятора, наприклад, у такого акумулятора при глибоких розрядах істотно і незворотно знижується ємність.

Електроди занурені в електроліт, що складається з розведеною дистильованою водою сірчаної кислоти (H2SO4). Найбільша провідність цього розчину спостерігається при кімнатній температурі (що означає найменшу внутрішній опір і найменші внутрішні втрати) і при його щільності 1,23 г / см³

Однак на практиці, часто в районах з холодним кліматом застосовуються і більш високі концентрації сірчаної кислоти, до 1,29 -1,31 г / см³.

Існують експериментальні розробки акумуляторів де свинцеві решітки замінюють спіненим карбоном , Покритим тонкою свинцевою плівкою. Використовуючи меншу кількість свинцю і розподіливши його по великій площі, батарею вдалося зробити не тільки компактною і легкою, але і значно ефективнішою - крім більшого ККД, вона заряджається значно швидше традиційних акумуляторів. [3]

У батареях для побутових ДБЖ рідкий електроліт згущують водним лужним розчином силікатів натрію (Na2Si2O4) рідке скло до пастоподібного стану.

Фізичні характеристики

• Теоретична енергоємність ( В т.ч / кг ): Близько 133.
• Питома енергоємність ( В т.ч / кг ): 30-60.
• Теоретична питома енергощільність (Вт · год / дм ³) 1250. [4]
• ЕРС зарядженої акумулятора = 2,11 - 2,17 В , Робоча напруга = 2 В (3 або 6 секцій в результаті дають стандартні 6 У або 12 В (12 В)). [1]
• Напруга повністю розрядженого акумулятора = 1,75 - 1,8 В (з розрахунку на 1 секцію). Нижче розряджати їх не можна. [1]
• Робоча температура: від -40 ° C до +40 ° C.
• ККД: близько 80-90%

експлуатаційні характеристики

• Номінальна ємність, показує кількість електрики, яке може віддати даний акумулятор. Зазвичай вказується в ампер-годинах, і вимірюється при розряді [5] малим струмом (1/20 номінальної ємності, вираженої в А * год).
• Струм стартера (для автомобільних акумуляторів ). Характеризує здатність віддавати сильні струми при низьких температурах. У більшості випадків змиритися при -18 ° C (0 ° F) протягом 30 секунд. різні методики [6] виміру відрізняються, головним чином, допускаються кінцевим напругою.
• Резервна ємність (для автомобільних акумуляторів ). Характеризує час, протягом якого акумулятор може віддавати струм 25А до кінцевого напруги 10,5 В згідно ГОСТ Р 53165-2008 [7] .

експлуатація

При експлуатації «обслуговуються» акумуляторів (з їх відкриває кришками над банками) на автомобілі при русі по нерівностях неминуче відбувається просочування проводить електроліту на корпус акумулятора. Щоб уникнути сильного саморозряду необхідно періодично нейтралізувати електроліт протиранням корпусу, наприклад слабким розчином харчової соди або розведеним у воді до стану консистенції рідкої сметани господарським милом. Крім того, особливо в жарку погоду, відбувається випаровування води з електроліту, що збільшує його щільність, збільшуючи напругу на акумуляторі, і може оголити свинцеві пластини. Тому необхідно стежити за рівнем електроліту і своєчасно доливати дистильовану воду.

Такі нехитрі операції разом з перевіркою автомобіля на витік струму і періодичної підзарядкою акумулятора можуть на кілька років продовжити термін експлуатації батареї.

Свинцево-кислотний акумулятор при низьких температурах

У міру зниження навколишньої температури, параметри акумулятора погіршуються, однак на відміну від інших типів акумуляторів, свинцево-кислотні знижують їх відносно повільно, що не в останню чергу зумовило їх широке застосування на транспорті. Вважається що свинцево-кислотний акумулятор втрачає ~ 1% ємності на кожен градус від + 20 ° C. Тобто в -30 ° C свинцево-кислотний акумулятор буде мати 50% ємності.

Зниження ємності і токоотдачи при низьких температурах обумовлено, в першу чергу, зростанням в'язкості електроліту, який вже не може в повному обсязі надходити до електродів, і вступає в реакцію лише в безпосередній близькості від них, швидко виснажуючи.

Чи не повністю заряджений акумулятор в мороз може роздутися через замерзання електроліту низької щільності (близькою до 1.10)

зберігання

Свинцево-кислотні акумулятори необхідно зберігати тільки в заряджених стані. При температурі нижче -20 ° C заряд акумуляторів повинен проводитися постійною напругою 2,45 В / секцію 1 раз в рік протягом 48 годин. При кімнатній температурі - 1 раз в 8 місяців постійною напругою 2,35 В / секцію протягом 6-12 годин. Зберігання акумуляторів при температурі вище 30 ° C не рекомендується.

Шар бруду і накипу на поверхні акумулятора створює провідник для струму від одного контакту до іншого і призводить до саморазряду акумулятора, після чого починається передчасна сульфатізація пластин і тому поверхня акумулятора необхідно підтримувати в чистоті. Зберігання свинцево-кислотних акумуляторів в розрядженому стані призводить до швидкої втрати їх працездатності.

При тривалому зберіганні акумуляторів і розряді їх великими струмами (в стартерном режимі), або при зменшенні ємності акумуляторів, потрібно проводити контрольно-тренувальні цикли, тобто розряд-заряд струмами номінальної величини.

Знос свинцево-кислотних акумуляторів

При використанні технічної сірчаної кислоти і не дистильованої води , Прискорюються саморазряд, сульфатация, руйнування пластин і зменшення ємності акумуляторної батареї. [8]

В результаті кожної реакції утворюється нерозчинна речовина - сірчанокислий свинець PbSO4, осаждающийся на пластинах, який утворює діелектричний шар між струмовідводами і активною масою. Це один з факторів, що впливає на термін служби свинцево-кислотної акумуляторної батареї.

Основними процесами зносу свинцево-кислотних акумуляторів є:

• сульфатация пластин [1] , Яка полягає в утворенні великих кристалітів сульфату свинцю , Який перешкоджає протіканню оборотних токообразующіх процесів;
• корозія електродів, тобто електрохімічні процеси окислення і розчинення в електроліті, що викликає опадання матеріалу електродів;
• слабка механічна міцність або погане зчеплення активної маси з струмовідводами, що призводить до обпадання активної маси; [9] [1]
• оползание і осипання активної маси позитивних електродів, пов'язане з розпушуванням, порушенням однорідності. [1]

Хоча батарею, що вийшла з ладу через фізичного руйнування пластин, самому полагодити не можна, деякі джерела описують хімічні розчини та інші способи здатні «десульфатіровать» пластини. Простий але шкідливий для життя акумулятора спосіб передбачає використання розчину сульфату магнію . [1] Розчин заливається в секції після чого батарею розряджають і заряджають кілька разів. Сульфат свинцю та інші залишки хімічної реакції осипаються при цьому на дно батареї, що може призвести до замикання секції тому оброблені секції бажано промити і заповнити новим електролітом номінальної щільності. Це дозволяє дещо продовжити термін використання пристрою. Якщо батарея має одну або кілька секцій які не працюють (тобто не дають 2.17 вольта - наприклад якщо корпус має тріщини) можливо поєднати дві (або більше) батареї послідовно: до плюсового контакту першої батареї підключаємо плюсової провід споживача, до мінусової контакту другої батареї - мінусовій провід споживача, а дві залишилися контакту батареї з'єднуються кабелем. Така батарея має сумарне напруга працюючих секцій і тому кількість працюючих секцій має бути не більше шести - тобто необхідно злити електроліт з зайвих секцій. Такий варіант підходить для транспортних засобів з великим моторним відсіком.

Вторинна переробка

Вторинна переробка для цього виду акумуляторів грає важливу роль, так як свинець, що міститься в акумуляторах є важким металом і завдає серйозної шкоди при попаданні в навколишнє середовище. Свинець і його солі повинні бути перероблені на спеціальних підприємствах для можливості його вторинного використання.

Викинуті акумулятори часто використовуються як джерело свинцю для кустарної переплавки, наприклад, в рибальські грузила, дріб або гирі. Для цього з акумулятора зливається електроліт, залишки нейтралізуються промиванням будь-яким нешкідливим підставою (наприклад, гідрокарбонатом натрію ), Після чого корпус батареї розбивається і витягується металевий свинець .

Див. також

Примітки

посилання