Электродвижущая сила аккумулятора. Физика и химия стартерных автомобильных акб

Если замкнуть внешнюю цепь заря­женного аккумулятора, появится элек­трический ток. При этом происходят сле­дующие реакции:

у отрицательной пластины

у положительной пластины

где е - заряд электрона, равный

На каждые две молекулы расходуе­мой кислоты образуются четыре моле­кулы воды, но в то же время расходуют­ся две молекулы воды. Поэтому в итоге имеет место образование только двух молекул воды. Складывая уравнения (27.1) и (27.2), получаем реакцию разряда в окончательном виде:

Уравнения (27.1) - (27.3) следует чи­тать слева направо.

При разряде аккумулятора на пласти­нах обеих полярностей образуется сульфат свинца. Серная кислота расхо­дуется как у положительных, так и у отри­цательных пластин, при этом у поло­жительных пластин расход кислоты больше, чем у отрицательных. У поло­жительных пластин образуются две мо­лекулы воды. Концентрация электро­лита при разряде аккумулятора сни­жается, при этом в большей мере она снижается у положительных пластин.

Если изменить направление тока че­рез аккумулятор, то направление хими­ческой реакции изменится на обратное. Начнется процесс заряда аккумулятора. Реакции заряда у отрицательной и поло­жительной пластин могут быть пред­ставлены уравнениями (27.1) и (27.2), а суммарная реакция - уравнением (27.3). Эти уравнения следует теперь читать справа налево. При заряде сульфат свинца у положительной пластины вос­станавливается в перекись свинца, у от­рицательной пластины - в металличе­ский свинец. При этом образуется серная кислота и концентрация электролита повышается.

Электродвижущая сила и напря­жение аккумулятора зависят от мно­жества факторов, из которых важней­шими являются содержание кислоты в электролите, температура, ток и ею направление, степень заряженности. Связь между электродвижущей силой, напряжением и током может быть запи-

сана следующим образом:

при разряде

где Е 0 - обратимая ЭДС; E п - ЭДС по­ляризации; R - внутреннее сопротивле­ние аккумулятора.

Обратимая ЭДС - это ЭДС идеаль­ного аккумулятора, в котором устра­нены все виды потерь. В таком аккумуля­торе энергия, полученная при заряде, полностью возвращается при разряде. Обратимая ЭДС зависит только от со­держания кислоты в электролите и темпе­ратуры. Она может быть определена аналитически, исходя из теплоты образо­вания реагирующих веществ.

Реальный аккумулятор находится в условиях, близких к идеальным, если ток ничтожно мал и продолжитель­ность его прохождения также мала. Такие условия можно создать, если уравновесить напряжение аккумулятора некоторым внешним напряжением (эта­лоном напряжения) с помощью чувстви­тельного потенциометра. Напряжение, измеренное таким образом, называется напряжением при разомкнутой цепи. Оно близко к обратимой ЭДС. В табл. 27.1 приведены значения этого напряжения, соответствующие плотности электро­лита от 1,100 до 1,300 (отнесены к тем­пературе 15°С) и температуре от 5 до 30 °С.

Как видно из -таблицы, при плотности электролита 1,200, обычной для стацио­нарных аккумуляторов, и температуре 25 °С напряжение аккумулятора при разомкнутой цепи равно 2,046 В. В про­цессе разряда плотность электролита несколько снижается. Соответствующее снижение напряжения при разомкнутой цепи составляет всего несколько сотых долей вольта. Изменение напряжения при разомкнутой цепи, вызванное измене­нием температуры, ничтожно мало и представляет скорее теоретический ин­терес.

Если через аккумулятор проходит некоторый ток в направлении заряда или разряда, напряжение аккумулятора изменяется вследствие внутреннего па­дения напряжения и изменения ЭДС, вызванного побочными химическими и физическими процессами у электродов и в электролите. Изменение ЭДС акку­мулятора, вызванное указанными необ­ратимыми процессами, называется по­ляризацией. Основными причинами поляризации в аккумуляторе являются изменение концентрации электролита в порах активной массы пластин по отно­шению к концентрации его в осталь­ном объеме и вызываемое этим изме­нение концентрации ионов свинца. При разряде кислота расходуется, при заряде образуется. Реакция происходит в порах активной массы пластин, и приток или удаление молекул и ионов кислоты происходит через диффузию. Последняя может иметь место только при наличии некоторой разности концентраций элек­тролита в области электродов и в осталь­ном объеме, которая устанавливается в соответствии с током и температурой, определяющей вязкость электролита. Изменение концентрации электролита в порах активной массы вызывает измене­ние концентрации ионов свинца и ЭДС. При разряде вследствие понижения концентрации электролита в порах ЭДС уменьшается, а при заряде вследствие повышения концентрации электролита ЭДС повышается.

Электродвижущая сила поляризации направлена всегда навстречу току. Она зависит от пористости пластин, тока и

температуры. Сумма обратимой ЭДС и ЭДС поляризации, т. е. Е 0 ± Е п , представ­ляет собой ЭДС аккумулятора под током или динамическую ЭДС. При разряде она меньше обратимой ЭДС, а при заряде - больше. Напряже­ние аккумулятора под током отличается от динамической ЭДС только на значе­ние внутреннего падения напряжения, которое относительно мало. Следова­тельно, напряжение аккумулятора под током также зависит от тока и темпе­ратуры. Влияние последней на напряже­ние аккумулятора при разряде и заряде значительно больше, чем при разомкну­той цепи.

Если разомкнуть цепь аккумулятора при разряде, напряжение его медленно увеличится до напряжения при разомкну­той цепи вследствие продолжающейся диффузии электролита. Если разомкнуть цепь аккумулятора при заряде, напряже­ние его медленно уменьшится до напря­жения при разомкнутой цепи.

Неравенство концентраций электро­лита в области электродов и в остальном объеме отличает работу реального акку­мулятора от идеального. При заряде аккумулятор работает так, как если бы он содержал очень разбавленный элек­тролит, а при заряде - очень концентри­рованный. Разбавленный электролит все время смешивается с более концентри­рованным, при этом некоторое коли­чество энергии выделяется в виде тепла, которое при условии равенства кон­центраций могло бы быть использовано. В результате энергия, отданная акку­мулятором при разряде, меньше энергии, полученной при заряде. Потеря энергии происходит вследствие несовершенства химического процесса. Этот вид потерь является основным в аккумуляторе.

Внутреннее сопротивление аккумуля­ тора. Внутреннее сопротивление сла­гается из сопротивлений каркаса пластин, активной массы, сепараторов и электро­лита. Последнее составляет большую часть внутреннего сопротивления. Со­противление аккумулятора увеличивает­ся при разряде и уменьшается при заряде, что является следствием изменения кон­центрации раствора и содержания суль-

фата в активной массе. Сопротивле­ние аккумулятора невелико и заметно лишь при большом разрядном токе, когда внутреннее падение напряжения достигает одной или двух десятых долей вольта.

Саморазряд аккумулятора. Самораз­рядом называется непрерывная потеря химической энергии, запасенной в акку­муляторе, вследствие побочных реакций на пластинах обеих полярностей, вызван­ных случайными вредными примесями в использованных материалах или при­месями, внесенными в электролит в про­цессе эксплуатации. Наибольшее практи­ческое значение имеет саморазряд, выз­ванный присутствием в электролите различных соединений металлов, более электроположительных, чем свинец, на­пример меди, сурьмы и др. Металлы вы­деляются на отрицательных пластинах и образуют со свинцом пластин мно­жество короткозамкнутых элементов. В результате реакции образуются свин­цовый сульфат и водород, который выде­ляется на металле загрязнения. Самораз­ряд может быть обнаружен по легкому выделению газа у отрицательных пластин.

На положительных пластинах само­разряд происходит также вследствие обычной реакции между свинцом осно­вы, перекисью свинца и электролитом, в результате которой образуется суль­фат свинца.

Саморазряд аккумулятора проис­ходит всегда: как при разомкнутой цепи, так и при разряде и заряде. Он зависит от температуры и плотности электролита (рис. 27.2), причем с повыше­нием температуры и плотности электро­лита саморазряд увеличивается (потеря заряда при температуре 25 °С и плотности электролита 1,28 принята за 100%). По­теря емкости новой батареи вследствие саморазряда составляет около 0,3% в сутки. С возрастом батареи саморазряд увеличивается.

Ненормальная сульфатация пластин. Свинцовый сульфат образуется на пластинах обеих полярностей при каж­дом разряде, что видно из уравнения реакции разряда. Этот сульфат имеет

тонкое кристаллическое строение и за­рядным током легко восстанавливается в металлический свинец и перекись свин­ца на пластинах соответствующей по­лярности. Поэтому сульфатация в этом смысле - нормальное явление, состав­ляющее неотъемлемую часть работы аккумулятора. Ненормальная сульфата­ция возникает, если аккумуляторы под­вергаются чрезмерному разряду, систе­матически недозаряжаются или остают­ся в разряженном состоянии и бездейст­вии в течение длительного времени, а также если они работают с чрезмерно высокой плотностью электролита и при высокой температуре. В этих условиях тонкий кристаллический сульфат стано­вится более плотным, кристаллы растут, сильно расширяя активную массу, и трудно восстанавливаются при заряде вследствие большого сопротивления. Если батарея находится в бездействии, образованию сульфата способствуют колебания температуры. При повышении температура мелкие кристаллы суль­фата растворяются, а при последующем ее понижении сульфат медленно вы­кристаллизовывается и кристаллы рас­тут. В результате колебаний температу­ры крупные кристаллы образуются за счет мелких.

У сульфатированных пластин поры закупорены сульфатом, активный мате­риал выдавливается из решеток и пласти­ны часто коробятся. Поверхность суль­фатированных пластин становится жест­кой, шероховатой, и при растирании

материала пластин между пальцами ощущается как бы песок. Темно-корич-невые положительные пластины стано-вятся светлее, и на поверхности высту-пают белые пятна сульфата. Отрицательные пластины становятся твердыми, желовато-серыми. Емкость сульфатиро-шнного аккумулятора понижается.

Начинающаяся сульфатация может быть устранена длительным зарядом лалым током. При сильной сульфатации необходимы особые меры для приведе-гая пластин в нормальное состояние.

Активные вещества положительных и отрицательных пластин обладают определенными потенциалами относительно электролита. Разность этих потенциалов определяет ЭДС аккумулятора, которая не зависит от количества активного вещества в пластинах. ЭДС аккумулятора зависит в основном от плотности электролита, эта зависимость определяется эмпирической формулой:

где d – плотность электролита в порах активной массы пластин. Напряжение аккумулятора при заряде больше, чем величина ЭДС, на величину внутреннего падения напряжения:

U З = E + I З ∙ r 0 ,

где r 0 – внутреннее сопротивление аккумулятора, а при разряде соответственно:

U Р = E – I Р ∙ r 0 .

У разряженного свинцового аккумулятора плотность составляет d = 1,17, тогда Е = 0,85 + 1,17 = 2,02 В. У заряженного аккумулятора d = 1,21, тогда Е = 0,85 + 1,21 = 2,06 В => ЭДС разряженного аккумулятора при отключенной нагрузке мало отличается от ЭДС заряженного аккумулятора. При заряде аккумулятора, его напряжение заряда составляет 2,3 – 2,8 В. Напряжение разряда составляет примерно 1,8 В.

Емкость свинцового аккумулятора

Номинальная емкость определяется при десятичасовом разряде до напряжения 1,8 В, при температуре электролита 25°С. Номинальная емкость свинцового аккумулятора составляет 36 А/ч. Этой емкости соответствует ток разряда I Р = Q/10 = 3,6 А.

Если изменить ток разряда I Р и температуру электролита, то изменится и его емкость. Повышение температуры окружающей среды способствует повышению емкости, но при температуре 40°С происходит коробление положительных пластин и резко увеличивается саморазряд аккумулятора, поэтому для нормальной эксплуатации аккумулятора должна поддерживаться температура + 35°С – 15°С.

Номинальная емкость при температуре 25°С и десятичасовом разряде определяется формулой:

где P t – коэффициент использования активной массы аккумулятора, %;

Т – фактическая температура электролита при разряде.

Типы кислотно – свинцовых аккумуляторов

Стационарные аккумуляторы маркируются буквами С, СК, СЗ, СЗЭ, СН и другими:

С – стационарный аккумулятор;

К – аккумулятор, допускающий кратковременный разряд;

З – аккумулятор в закрытом исполнении;

Э – эбонитовый сосуд;

Н – аккумулятор с намазанными пластинами.

Число, которое ставится после буквенного обозначения, означает номер аккумулятора:

С-1 – 36 А/ч;

С-4 – 4 х 36 А/ч;

и другие...

Типы щелочных аккумуляторов

Маркировка Н–Ж (Никель – Железо), Н–К (Никель – Кадмий), С – Ц (Серебро – Цинк). Электродвижущая сила (ЭДС) Н–Ж аккумуляторов составляет: E З = 1,5 В; E Р = 1,3 В. ЭДС Н–К аккумуляторов составляет: E З = 1,4 В; E Р = 1,27 В. Среднее напряжение заряда составляет U З = 1,8 В; разряда U Р = 1 В.

СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Общие положения

Питание стационарной аппаратуры автоматики и связи на же­лезнодорожном транспорте осуществляется от источников посто­янного тока с номинальными напряжениями, например, 24, 60, 220 В и др. Источники с номинальным напряжением 24 В ис­пользуют для питания аппаратуры на транзисторах, цепей сигна­лизации, релейных схем автоматики и др.; источники с номи­нальным напряжением 60 В - для автоматических телефонных стан­ций, телеграфной коммутационной аппаратуры; источники с на­пряжением 220 В - для питания аппаратуры связи, двигателей стре­лочных переводов и т.д. Источники тока, имеющие определенное номинальное напряжение, обычно выполняют в виде самостоятель­ного оборудования, входящего в общий комплекс электропитающей установки дома связи, поста ЭЦ или другого объекта, где раз­мещены централизованные источники электропитания.

К основным системам электропитания относятся автономная, буферная, безаккумуляторная и комбинированная системы питания (рис. 2.1). Автономная система предназначена для питания пере­носной и стационарной аппаратуры автоматики и связи, а ос­тальные - для питания стационарной аппаратуры.

Рис. 2.1. Структурная схема систем электропитания

Автономная система питания

Систему питания от первичных элементов в основном исполь­зуют для обеспечения работы переносной аппаратуры (радиостан­ций, измерительной аппаратуры и др.). Для питания стационарной аппаратуры автономную систему питания применяют в местах, где отсутствуют сети переменного тока. Система питания от акку­муляторов по способу «заряд-разряд» (рис. 2.2) предназначена для случаев, когда энергия от сетей переменного тока подается не­регулярно. Сущность этого способа питания заключается в том, что для каждой градации напряжения имеется отдельный выпрямитель и две (или более) аккумуляторные батареи . От одной батареи питается аппаратура, а другая заряжается от выпрямителя или находится в резерве заряженной. Как только батарея разрядится до определенного состояния, ее отключают и подсоединяют к выпрямителю для заряда, а для питания аппаратуры подключают заряженную батарею. При работе по этому способу аккумуляторы чаще всего заряжаются в режиме неизменяющегося тока. Емкость аккумуляторов определяется ис­ходя из продолжительности питания аппаратуры в течение 12 -24 ч, поэтому аккумуляторные батареи очень громоздкие и для их установки требуются специально оборудованные помещения боль­ших размеров. Срок службы таких аккумуляторов 6-7 лет, так как глубокие и частые циклы заряда и разряда приводят к быстрому разрушению пластин. Необходимость постоянного наблюдения за процессами заряда и разряда приводит к большим эксплуата­ционным расходам.

Рис.2.2. Схема системы питания от аккумуляторов по способу «заряд – разряд»:

Ф – фидер; ШПТ – шина переменного тока; ЗШ – зарядные шины; РШ–рязрядные шины; 1, 2, 3 – группы аккумуляторов

Перечисленные недостатки наряду с низким к. п. д. установки (30-45%) ограничивают использование этого режима. К достоинст­вам способа относятся отсутствие пульсации напряжения на на­грузке и возможность использования для заряда различных ис­точников тока.

Буферная система питания

При такой системе питания параллельно выпрямителю UZ и нагрузке включена аккумуляторная батарея GB (рис. 2.3). В случае аварии в сети переменного тока или повреждения выпрямителя дальнейшее питание нагрузки обеспечивает батарея без перерыва в подаче энергии. Аккумуляторная батарея обеспечивает надежное резервирование источников электрической энергии, и, кроме того, она совместно с фильтром питания осуществляет необходимое сглаживание пульсации. При буферной системе питания различают три режима работы: среднего тока, импульсного и непрерывного подзаряда.

При режиме среднего тока (рис. 2.4) выпрямитель UZ, вклю­ченный параллельно с аккумуляторной батареей GВ, обеспечивает постоянный ток I в независимо от изменения тока I н в нагрузке R н. Когда ток нагрузки I н мал, выпрямитель питает нагрузку и за­ряжает аккумуляторную батарею током I 3 , а когда ток нагрузки велик, выпрямитель совместно с батареей, которая разряжается током I р, питает нагрузку. Во время заряда напряжение на каждом аккумуляторе батареи увеличивается и может достигать 2,7 В, а во время разряда уменьшается до 2 В. Для осуществления данного режима могут быть использованы простейшие выпрямители без устройств автоматической регулировки. Ток выпрямителя рассчи­тывают исходя из количества электрической энергии (ампер-часы), затрачиваемой на питание нагрузки в течение суток. Это значение должно быть увеличено на 15-25% для компенсации потерь, ко­торые всегда существуют при заряде и разряде аккумуляторов .

К недостаткам режима относятся: невозможность точно опре­делить и установить необходимый ток выпрямителя, так как дей­ствительный характер изменения тока нагрузки никогда точно неизвестен, что приводит к недозаряду или перезаряду аккуму­ляторов; небольшой срок службы аккумуляторов (8-9 лет), вызы­ваемый глубокими циклами заряда и разряда; значительные коле­бания напряжения на нагрузке, так как напряжение на каждом аккумуляторе может изменяться от 2 до 2,7 В.

При режиме импульсного подзаряда (рис. 2.5) ток выпрямителя изменяется скачкообразно в зависимости от напряжения на акку­муляторной батарее GВ. При этом выпрямитель UZ обеспечивает питание нагрузки R н совместно с батареей GВ или питает нагрузку

Рисунок 2.3 – Схема буферной системы питания

Рисунок 2.4 – Режим среднего тока:

а – схема; б – диаграмма токов; в – зависимости токов и напряжений от времени; I З и I Р – соответственно токи заряда и разряда аккумуляторной батареи

Рисунок 2.5 – Режим импульсного подзаряда:

а – схема; б – диаграмма токов и напряжений; в, г – зависимости токов и напряжений от времени

и подзаряжает батарею. Максимальный ток выпрямителя устанавливают несколько больше тока, имеющего место в час наибольшей нагрузки, а минимальный ток нагрузки I В max - меньше минимального тока нагрузки I н.

Предположим, что в исходном положении выпрямитель отдает минимальный ток. Батарея аккумуляторов разряжается, и напря­жение на ней падает до 2,1 В на элемент. Реле Р отпускает якорь и контактами шунтирует резисторR. Ток на выходе выпрямителя возрастает скачкообразно до максимального. С этого момента вы­прямитель питает нагрузку и заряжает батарею. В процессе заряда напряжение на аккумуляторной батарее увеличивается и достигает 2,3 В на элемент. Вновь срабатывает реле Р, и ток выпрямителя падает до минимального; батарея начинает разряжаться. Далее циклы повторяются. Длительность интервалов времени максималь­ного и минимального тока выпрямителя изменяется в соответствии с изменением тока в нагрузке.

К достоинствам режима относятся: простота системы регули­рования тока на выходе выпрямителя; небольшие пределы изме­нения напряжения на аккумуляторной батарее и на нагрузке (от 2,1 до 2,3 В на элемент); увеличение срока службы аккумуляторов до 10-12 лет в связи с менее глубокими циклами заряда и разряда. Этот режим используют для питания устройств автоматики.

При режиме непрерывного подзаряда (рис. 2.6) нагрузка R н пи­тается полностью от выпрямителя UZ. Заряженная аккумуляторная батарея GБ получает от выпрямителя небольшой постоянный ток подзаряда, компенсирующий саморазряд. Для осуществления ука­занного режима необходимо на выходе выпрямителя установить напряжение из расчета (2,2 ± 0,05) В на каждый аккумулятор и поддерживать его с погрешностью не более ±2%. При этом ток подзаряда для кислотных аккумуляторов I п = (0,001-0,002) С н и для щелочных аккумуляторов I п = 0,01С Н. Следовательно, для вы-

Рисунок 2.6 – Режим непрерывного подзаряда:

а – схема; б – диаграмма токов; в – зависимости токов и напряжений от времени

полнения этого режима выпрямители должны иметь точные и надежные устройства стабилизации напряжения. Невыполнение этого требования приводит к перезаряду аккумуляторов или к их глубокому разряду и сульфатации.

К достоинствам режима относится: достаточно высокий к. п. д. установки, определяемый только выпрямителем (η = 0,7÷0,8); большой срок службы аккумуляторов, достигающий 18-20 лет благодаря отсутствию циклов заряда и разряда; высокая стабиль­ность напряжения на выходе выпрямительного устройства; умень­шение эксплуатационных расходов благодаря возможности автома­тизации и упрощению обслуживания аккумуляторов.

Нормально аккумуляторы находятся в заряженном состоянии и не требуют непрерывного наблюдения. Отсутствие циклов заряда и разряда и правильно выбранный ток подзаряда уменьшают сульфатацию и позволяют увеличить периоды между перезарядами и контрольными разрядами.

Недостатком режима является необходимость усложнения пи­тающих устройств за счет элементов стабилизации и автомати­зации. Режим используют в устройствах для питания аппаратуры связи.

ЭДС аккумулятора (Электродвижущая сила) это разность электродных потенциалов при отсутствии внешней цепи. Электродный потенциал складывается из равновесного электродного потенциала. Он характеризует состояние электрода в состоянии покоя, то есть отсутствии электрохимических процессов, и потенциала поляризации, определяющемуся как разность потенциалов электрода при зарядке (разрядке) и при отсутствии цепи.

Процесс диффузии.

Благодаря процессу диффузии, выравниванию плотности электролита в полости корпуса аккумулятора и в порах активной массы пластин, электродная поляризация может сохраняться в аккумуляторе при отключении внешней цепи.

Скорость прохождения диффузии напрямую зависит от температуры электролита, чем выше температура, тем быстрее проходит процесс и может сильно отличаться по времени, от двух часов до суток. Наличие двух составляющих электродного потенциала при переходных режимах привело к разделению на равновесную и не равновесную ЭДС аккумулятора .
На равновесную ЭДС аккумулятора влияет содержание и концентрация ионов активных веществ в электролите, а так же химические и физические свойства активных веществ. Главную роль в величине ЭДС играет плотность электролита и практически не влияет на неё температура. Зависимость ЭДС от плотности можно выразить формулой:

Где Е – ЭДС аккумулятора (В)

Р – плотность электролита приведённая к температуре 25 гр. С (г/см3) Эта формула истинна при рабочей плотности электролита в пределах 1,05 – 1,30 г/см3. ЭДС не может характеризовать степень разрежённости аккумулятора напрямую. Но если замерить его на выводах и сравнить с расчётным по плотности, то можно, с долей вероятности, судить о состоянии пластин и ёмкости.
В состоянии покоя плотность электролита в порах электродов и полости моноблока одинаковы и равны ЭДС покоя. При подключении потребителей или источника заряда, изменяется поляризация пластин и концентрация электролита в порах электродов. Это приводит к изменению ЭДС. При заряде значение ЭДС увеличивается, а при разряде уменьшается. Это связано с изменением плотности электролита, который участвует в электрохимических процессах.

Аккумулятор (элемент) - состоит из положительных и отрицательных электродов (свинцовых пластин) и сепараторов разделяющих эти пластины, установленных в корпус и погруженных в электролит (раствор серной кислоты). Накопление энергии в аккумуляторе происходит при протекании химической реакции окисления - восстановления электродов.

Аккумуляторная батарея состоит из 2 и более последовательно или (и) параллельно соединенных между собой секций (аккумуляторов, элементов) для обеспечения нужного напряжения и тока. Она способна накапливать, хранить и отдавать электроэнергию, обеспечивать запуск двигателя, а также питать электроприборы при неработающем двигателе.

Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея - аккумуляторная батарея, в которой электроды изготовлены главным образом из свинца, а электролит представляет собой раствор серной кислоты.

Активная масса - это составляющая часть электродов, которая претерпевает химические изменения при прохождении электрического тока во время заряда-разряда.

Электрод - проводящий материал, способный при реакции с электролитом производить электрический ток.

Положительный электрод (анод) - электрод (пластина) активная масса которого у заряженной батареи состоит из двуокиси свинца (PbO2).

Отрицательный электрод (катод) - электрод, активная масса которого у заряженной батареи состоит из губчатого свинца.

Решетка электрода служит для удерживания активной массы, а также для подвода и отвода тока к ней.

Сепаратор - материал, используемый для изоляции электродов друг от друга.

Полюсные выводы служат для подвода зарядного тока и для его отдачи под общим напряжением батареи.

Свинец - (Рb) - химический элемент четвертой группы периодической системы Д. И. Менделеева, порядковый номер 82, атомный вес 207,21, валентность 2 и 4. Свинец - синевато - серый металл, удельный вес его, в твердом виде составляющий 11,3 г/см 3 , уменьшается при расплавлении в зависимости от температуры. Самый пластичный среди металлов, он хорошо прокатывается до тончайшего листа и легко куётся. Свинец легко подвергается механической обработке, относится к числу легкоплавких металлов.

Окси́д свинца́(IV) (диоксид свинца́) PbO 2 представляет собой тёмно-коричневый тяжёлый порошок, имеющий тонкий характерный запах озона .

Сурьма представляет собой металл серебристо-белого цвета с сильным блеском, кристаллического строения. В противоположность свинцу - это твердый металл, но очень хрупкий и легко дробящийся на куски. Сурьма значительно легче свинца, ее удельный вес 6,7 г/см 3 . Вода и слабые кислоты на сурьму не действуют. Она медленно растворяется в крепкой соляной и серной кислотах.

Пробки ячеек закрывают отверстия ячеек в крышке батареи.

Пробка центральной вентиляции служит для перекрытия газоотводного отверстия в крышке батареи.

Моноблок - это полипропиленовый корпус батареи, разделенный перегородками на отдельные ячейки.

Дистиллированная вода доливается в батарею для возмещения ее потерь в результате разложения воды или испарения. Для доливки аккумуляторных батарей следует использовать только дистиллированную воду!

Электролит представляет собой раствор серной кислоты в дистиллированной воде, который заполняет свободные объемы ячеек и проникает в поры активной массы электродов и сепараторов.

Он способен проводить электрический ток между погруженными в него электродами. (Для средней полосы России плотностью 1.27-1.28 г/см3 при t=+20°С).

Малоподвижный электролит: Чтобы снизить опасность от вылившегося из батареи электролита, применяют средства, снижающие его текучесть. К электролиту могут быть добавлены вещества, которые превращают его в гель. Другим способом снижения подвижности электролита является применение стекломатов в качестве сепараторов.

Открытый аккумулятор - аккумулятор, имеющий пробку с отверстием, через которое доливается дистиллированная вода, и удаляются газообразные продукты. Отверстие может быть снабжено системой вентиляции.
Закрытый аккумулятор - аккумулятор, который закрыт в обычных условиях, но имеет устройство, позволяющее выделяться газу, когда внутреннее давление превышает установленное значение. Обычно дополнительная заливка электролита в такой аккумулятор невозможна.
Сухозаряженная батарея - аккумуляторная батарея, хранящаяся без электролита, пластины (электроды) которой находятся в сухом заряженном состоянии.

Трубчатая (панцирная) пластина - положительная пластина (электрод), которая состоит из комплекта пористых трубок, заполненных активной массой.

Предохранительный клапан - деталь вентиляционной пробки, которая позволяет выходить газу в случае избыточного внутреннего давления, но не допускает поступления воздуха в аккумулятор.

Ампер-час (А·ч) - это мера электрической энергии, равная произведению силы тока в амперах на время в часах (емкости).

Напряжение аккумулятора - разность потенциалов между выводами аккумулятора при разряде.
Емкость аккумуляторной батареи - количество электрической энергии, отдаваемой полностью заряженным аккумулятором при его разряде до достижения конечного напряжения.

Внутреннее сопротивление - сопротивление току через элемент, измеренное в Омах. Оно складывается из сопротивления электролита, сепараторов и пластин. Главной составляющей является сопротивление электролита, которое изменяется с изменением температуры и концентрации серной кислоты.

Плотность электролита - э то характеристика физического тела, равная отношению его массы к занимаемому объему. Она измеряется, например, в кг/л или в г/см3.

Срок службы батареи - период полезной работы батареи в заданных условиях.
Газовыделение - газообразование в процессе электролиза электролита.

Саморазряд - самопроизвольная потеря емкости аккумулятором в покое. Скорость саморазряда зависит от материала пластин, химических примесей в электролите, его плотности, от чистоты батареи и продолжительности ее эксплуатации.

ЭДС батареи (электродвижущая сила) - это напряжение на полюсных выводах полностью заряженной аккумуляторной батареи при разомкнутой цепи, т. е. при полном отсутствии токов заряда или разряда.

Цикл - одна последовательность заряда и разряда элемента.

Образование газов на электродах свинцового аккумулятора. Особенно обильно выделяется в конечной фазе заряда свинцового аккумулятора.

Гелевые аккумуляторы - это герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы (не герметичные, т.к. небольшое выделение газов при открытии клапанов все-таки происходит), закрытые, полностью необслуживаемые (недоливаемые) с гелеобразным кислотным электролитом (технологии Dryfit и Gelled Electrolite-Gel).

Технология AGM (Absorbed Glass Mat) - впитывающие прокладки из стекловолокна.

Отдача по энергии - отношение количества энергии, отдаваемой при разряде аккумулятора, к количеству энергии, необходимой для заряда до первоначального состояния при определенных условиях. Отдача по энергии для кислотных аккумуляторов при обычных условиях эксплуатации равна 65%, а для щелочных 55 - 60%.
Энергия удельная - энергия, отдаваемая аккумулятором при разряде в расчете на единицу его объема V или массы m, т. е. W= W/V или W= W/m. Удельная энергия кислотных аккумуляторов равна 7-25, никель-кадмиевых 11-27, никель-железных 20-36, серебряно-цинковых 120-130 Вт*ч/кг.

Короткое замыкание в аккумуляторах происходит при электрическом соединении пластин разной полярности.

Если замкнуть внешнюю цепь заря­женного аккумулятора, появится элек­трический ток. При этом происходят сле­дующие реакции:

у отрицательной пластины

у положительной пластины

где е - заряд электрона, равный

На каждые две молекулы расходуе­мой кислоты образуются четыре моле­кулы воды, но в то же время расходуют­ся две молекулы воды. Поэтому в итоге имеет место образование только двух молекул воды. Складывая уравнения (27.1) и (27.2), получаем реакцию разряда в окончательном виде:

Уравнения (27.1) - (27.3) следует чи­тать слева направо.

При разряде аккумулятора на пласти­нах обеих полярностей образуется сульфат свинца. Серная кислота расхо­дуется как у положительных, так и у отри­цательных пластин, при этом у поло­жительных пластин расход кислоты больше, чем у отрицательных. У поло­жительных пластин образуются две мо­лекулы воды. Концентрация электро­лита при разряде аккумулятора сни­жается, при этом в большей мере она снижается у положительных пластин.

Если изменить направление тока че­рез аккумулятор, то направление хими­ческой реакции изменится на обратное. Начнется процесс заряда аккумулятора. Реакции заряда у отрицательной и поло­жительной пластин могут быть пред­ставлены уравнениями (27.1) и (27.2), а суммарная реакция - уравнением (27.3). Эти уравнения следует теперь читать справа налево. При заряде сульфат свинца у положительной пластины вос­станавливается в перекись свинца, у от­рицательной пластины - в металличе­ский свинец. При этом образуется серная кислота и концентрация электролита повышается.

Электродвижущая сила и напря­жение аккумулятора зависят от мно­жества факторов, из которых важней­шими являются содержание кислоты в электролите, температура, ток и ею направление, степень заряженности. Связь между электродвижущей силой, напряжением и током может быть запи-

сана следующим образом:

при разряде

где Е 0 - обратимая ЭДС; E п - ЭДС по­ляризации; R - внутреннее сопротивле­ние аккумулятора.

Обратимая ЭДС - это ЭДС идеаль­ного аккумулятора, в котором устра­нены все виды потерь. В таком аккумуля­торе энергия, полученная при заряде, полностью возвращается при разряде. Обратимая ЭДС зависит только от со­держания кислоты в электролите и темпе­ратуры. Она может быть определена аналитически, исходя из теплоты образо­вания реагирующих веществ.

Реальный аккумулятор находится в условиях, близких к идеальным, если ток ничтожно мал и продолжитель­ность его прохождения также мала. Такие условия можно создать, если уравновесить напряжение аккумулятора некоторым внешним напряжением (эта­лоном напряжения) с помощью чувстви­тельного потенциометра. Напряжение, измеренное таким образом, называется напряжением при разомкнутой цепи. Оно близко к обратимой ЭДС. В табл. 27.1 приведены значения этого напряжения, соответствующие плотности электро­лита от 1,100 до 1,300 (отнесены к тем­пературе 15°С) и температуре от 5 до 30 °С.

Как видно из -таблицы, при плотности электролита 1,200, обычной для стацио­нарных аккумуляторов, и температуре 25 °С напряжение аккумулятора при разомкнутой цепи равно 2,046 В. В про­цессе разряда плотность электролита несколько снижается. Соответствующее снижение напряжения при разомкнутой цепи составляет всего несколько сотых долей вольта. Изменение напряжения при разомкнутой цепи, вызванное измене­нием температуры, ничтожно мало и представляет скорее теоретический ин­терес.

Если через аккумулятор проходит некоторый ток в направлении заряда или разряда, напряжение аккумулятора изменяется вследствие внутреннего па­дения напряжения и изменения ЭДС, вызванного побочными химическими и физическими процессами у электродов и в электролите. Изменение ЭДС акку­мулятора, вызванное указанными необ­ратимыми процессами, называется по­ляризацией. Основными причинами поляризации в аккумуляторе являются изменение концентрации электролита в порах активной массы пластин по отно­шению к концентрации его в осталь­ном объеме и вызываемое этим изме­нение концентрации ионов свинца. При разряде кислота расходуется, при заряде образуется. Реакция происходит в порах активной массы пластин, и приток или удаление молекул и ионов кислоты происходит через диффузию. Последняя может иметь место только при наличии некоторой разности концентраций элек­тролита в области электродов и в осталь­ном объеме, которая устанавливается в соответствии с током и температурой, определяющей вязкость электролита. Изменение концентрации электролита в порах активной массы вызывает измене­ние концентрации ионов свинца и ЭДС. При разряде вследствие понижения концентрации электролита в порах ЭДС уменьшается, а при заряде вследствие повышения концентрации электролита ЭДС повышается.

Электродвижущая сила поляризации направлена всегда навстречу току. Она зависит от пористости пластин, тока и

температуры. Сумма обратимой ЭДС и ЭДС поляризации, т. е. Е 0 ± Е п , представ­ляет собой ЭДС аккумулятора под током или динамическую ЭДС. При разряде она меньше обратимой ЭДС, а при заряде - больше. Напряже­ние аккумулятора под током отличается от динамической ЭДС только на значе­ние внутреннего падения напряжения, которое относительно мало. Следова­тельно, напряжение аккумулятора под током также зависит от тока и темпе­ратуры. Влияние последней на напряже­ние аккумулятора при разряде и заряде значительно больше, чем при разомкну­той цепи.

Если разомкнуть цепь аккумулятора при разряде, напряжение его медленно увеличится до напряжения при разомкну­той цепи вследствие продолжающейся диффузии электролита. Если разомкнуть цепь аккумулятора при заряде, напряже­ние его медленно уменьшится до напря­жения при разомкнутой цепи.

Неравенство концентраций электро­лита в области электродов и в остальном объеме отличает работу реального акку­мулятора от идеального. При заряде аккумулятор работает так, как если бы он содержал очень разбавленный элек­тролит, а при заряде - очень концентри­рованный. Разбавленный электролит все время смешивается с более концентри­рованным, при этом некоторое коли­чество энергии выделяется в виде тепла, которое при условии равенства кон­центраций могло бы быть использовано. В результате энергия, отданная акку­мулятором при разряде, меньше энергии, полученной при заряде. Потеря энергии происходит вследствие несовершенства химического процесса. Этот вид потерь является основным в аккумуляторе.

Внутреннее сопротивление аккумуля­ тора. Внутреннее сопротивление сла­гается из сопротивлений каркаса пластин, активной массы, сепараторов и электро­лита. Последнее составляет большую часть внутреннего сопротивления. Со­противление аккумулятора увеличивает­ся при разряде и уменьшается при заряде, что является следствием изменения кон­центрации раствора и содержания суль-

фата в активной массе. Сопротивле­ние аккумулятора невелико и заметно лишь при большом разрядном токе, когда внутреннее падение напряжения достигает одной или двух десятых долей вольта.

Саморазряд аккумулятора. Самораз­рядом называется непрерывная потеря химической энергии, запасенной в акку­муляторе, вследствие побочных реакций на пластинах обеих полярностей, вызван­ных случайными вредными примесями в использованных материалах или при­месями, внесенными в электролит в про­цессе эксплуатации. Наибольшее практи­ческое значение имеет саморазряд, выз­ванный присутствием в электролите различных соединений металлов, более электроположительных, чем свинец, на­пример меди, сурьмы и др. Металлы вы­деляются на отрицательных пластинах и образуют со свинцом пластин мно­жество короткозамкнутых элементов. В результате реакции образуются свин­цовый сульфат и водород, который выде­ляется на металле загрязнения. Самораз­ряд может быть обнаружен по легкому выделению газа у отрицательных пластин.

На положительных пластинах само­разряд происходит также вследствие обычной реакции между свинцом осно­вы, перекисью свинца и электролитом, в результате которой образуется суль­фат свинца.

Саморазряд аккумулятора проис­ходит всегда: как при разомкнутой цепи, так и при разряде и заряде. Он зависит от температуры и плотности электролита (рис. 27.2), причем с повыше­нием температуры и плотности электро­лита саморазряд увеличивается (потеря заряда при температуре 25 °С и плотности электролита 1,28 принята за 100%). По­теря емкости новой батареи вследствие саморазряда составляет около 0,3% в сутки. С возрастом батареи саморазряд увеличивается.

Ненормальная сульфатация пластин. Свинцовый сульфат образуется на пластинах обеих полярностей при каж­дом разряде, что видно из уравнения реакции разряда. Этот сульфат имеет

тонкое кристаллическое строение и за­рядным током легко восстанавливается в металлический свинец и перекись свин­ца на пластинах соответствующей по­лярности. Поэтому сульфатация в этом смысле - нормальное явление, состав­ляющее неотъемлемую часть работы аккумулятора. Ненормальная сульфата­ция возникает, если аккумуляторы под­вергаются чрезмерному разряду, систе­матически недозаряжаются или остают­ся в разряженном состоянии и бездейст­вии в течение длительного времени, а также если они работают с чрезмерно высокой плотностью электролита и при высокой температуре. В этих условиях тонкий кристаллический сульфат стано­вится более плотным, кристаллы растут, сильно расширяя активную массу, и трудно восстанавливаются при заряде вследствие большого сопротивления. Если батарея находится в бездействии, образованию сульфата способствуют колебания температуры. При повышении температура мелкие кристаллы суль­фата растворяются, а при последующем ее понижении сульфат медленно вы­кристаллизовывается и кристаллы рас­тут. В результате колебаний температу­ры крупные кристаллы образуются за счет мелких.

У сульфатированных пластин поры закупорены сульфатом, активный мате­риал выдавливается из решеток и пласти­ны часто коробятся. Поверхность суль­фатированных пластин становится жест­кой, шероховатой, и при растирании

материала пластин между пальцами ощущается как бы песок. Темно-корич-невые положительные пластины стано-вятся светлее, и на поверхности высту-пают белые пятна сульфата. Отрицательные пластины становятся твердыми, желовато-серыми. Емкость сульфатиро-шнного аккумулятора понижается.

Начинающаяся сульфатация может быть устранена длительным зарядом лалым током. При сильной сульфатации необходимы особые меры для приведе-гая пластин в нормальное состояние.