Материал: Кислотные и щелочные аккумуляторы

Аккумуляторная батарея служит для питания электрическим током стартера при пуске двигателя и всех потребителей электрической энергии при неработающем двигателе, а также для питания потребителей совместно с генератором на малой частоте вращения коленчатого вала двигателя. Если мощность, потребляемая включенными потребителями, превышает мощность, развиваемую генератором, аккумуляторная батарея, разряжаясь, обеспечивает питание потребителей одновременно с работающим генератором.

Аккумуляторная батарея является электрохимическим устройством, в котором электрическая энергия, поступающая в процессе зарядки от внешнего источника постоянного тока, преобразуется в химическую, а в процессе разрядки химическая энергия преобразуется в электрическую.

К современным аккумуляторам выдвигают следующие требования:

1) максимальное рабочее напряжения, которое определяется ЭДС одно аккумулятора и их количеством в последовательном соединении.

2) небольшая общая масса;

3) минимальное внутреннее сопротивление (особенно при понижении температуры);

4) максимальное количество энергии отдаваемой с единицы массы;

5) быстрое восстановления ёмкости в процессе заряда;

6) малые габаритные размеры и механическая прочность;

7) малая стоимость при массовом производстве.

1. Исторические основы происхождения аккумуляторов

В 1800 году Вольта обнаружил, что определенные жидкости могут генерировать непрерывный поток электрического тока, когда они используются как среда для погружения электродов. Это открытие привело к изобретению первого гальванического элемента, более известного под названием электрическая батарея. Вольта также обнаружил, что напряжение можно увеличить, если последовательно соединить несколько гальванических элементов. Рисунок 1.1. демонстрирует такое соединение.

Рисунок 1.1. Эксперименты Вольта с электрическими батареями в 1796 году

Металлы в батарее имеют различное сродство к электрону. Вольта заметил, что чем сильнее разнится значение сродства к электрону у металлов, используемых как материал для электрода, тем сильнее становится и потенциал напряжения между ними. Первое значение в нижеследующем списке демонстрирует сродство к привлечению электронов, второе - степень окисления. Металлы определяли напряжение батареи; они были разделены влажной бумагой, смоченной в соленой воде.

В том же году Вольта представил сконструированный им источник непрерывного электрического тока Лондонскому королевскому обществу. Эксперименты в области электричества больше не были ограничены моментальным разрядом источника электростатического тока. Нескончаемый поток электрического тока стал возможен.

Франция стала одной из первых стран, где открытия Алессандро Вольта получили официальное признание. Это было в то время, когда наука во Франции поддерживалась на самом высоком политическом уровне и новые идеи встречались с распростертыми объятиями. Будучи официально приглашенным, Вольта выступил в Институте Франции с серией лекций, на которых присутствовал и Наполеон Бонапарт.

Открытия Вольта настолько поразили мир, что в ноябре 1800 года он был приглашен Французским Национальным Институтом прочитать ряд лекций, на которых присутствовал Наполеон Бонапарт. Наполеон даже выступил в роли помощника при демонстрации таких явлений как искровой разряд, плавление стальной проволоки, разряжение “электрического пистолета” и разложение воды на элементы.

В 1800 году сэр Гемфри Дэви, изобретатель взрывобезопасной шахтной лампы, начал изучать химические эффекты электричества и выяснил, что, проходя через вещество, электрический ток вызывает его разложение. Этот процесс впоследствии был назван электролизом.

Он сделал множество новых открытий с помощью собранной им самой большой и мощной на тот момент электрической батареи, которая хранилась в запасниках Королевского института в Лондоне. Подключение к батарее угольного электрода породило первый в истории электрический свет. Очевидцы сообщали, что его угольная дуговая лампа производила «самую выдающуюся восходящую арку света из когда-либо виденных

В 1802 году Уильям Крюйкшенк создал электрическую батарею, пригодную для массового производства. Крюйкшенк расположил в длинной прямоугольной коробке спаянные между собой квадратные листы меди и цинка одинакового размера. Прорези в стенках ящика удерживали металлические листы в нужном положении. Затем ящик заполнялся электролитом - морской водой или разбавленной кислотой. Эта конструкция уже была похожа на современную батарею.

Уильям Крюйкшенк, английский химик, сконструировал гальванический элемент путем соединения медных и цинковых пластин в деревянной коробке, заполненной электролитом

В 1836 году Джон Ф. Даниель, английский химик, разработал усовершенствованную модель батареи, которая генерировала более устойчивый ток, чем ранние устройства. К этому времени все электрические батареи были первичными, то есть их нельзя было зарядить. Но в 1859 году французский физик Гастон Планте изобрел первую аккумуляторную батарею. Она была основана на свинцово-кислотной системе, которая используется и по сей день.

В 1899 году ВальдмарЮнгнер из Швеции изобрел никель-кадмиевый аккумулятор (NiCd), в котором никель использовался для положительного электрода (катод), и кадмий для отрицательного (анод). Но высокая себестоимость по сравнению со свинцово-кислотным аккумулятором заметно ограничила его использование.

Два года спустя Томас Эдисон разработал альтернативную конструкцию аккумулятора, заменив кадмий железом. Но низкая удельная энергия, слабая производительность при низких температурах и высокие показатели саморазряда ограничили успех никель-железных аккумуляторов. Так было до 1932 года, когда немецкие ученые Шлехт и Аккерман смогли достичь более высокого показателя тока нагрузки, а также заметно увеличили продолжительность срока эксплуатации NiCd аккумулятора, используя технологию прессованния пластин. В 1947 году французскому ученому Нойману удалось сконструировать герметичный NiCd аккумулятор.

Рисунок 1.2. Герметичный NiCd аккумулятор

В течение многих лет никель-кадмиевые аккумуляторы были единственно возможными аккумуляторами для портативных устройств. В 1990-х экологов стали беспокоить факты загрязнения окружающей среды, вызванные неправильной утилизацией NiCd аккумуляторов; в связи с этим производители стали переходить на более экологически чистые никель-металлгидридные (NiMH) батареи. Вскоре также появилась литий-ионная технология, которая стала теснить никелевые батареи.

Большинство научно-исследовательских усилий сегодня направлены на развитие именно литий-ионной технологии. Эта технология сейчас используется для производства аккумуляторов не только для мобильных телефонов, ноутбуков, фототехники, электроинструмента и медицинского оборудования, но также и для электромобилей и спутников. Литий-ионный аккумулятор имеет ряд преимуществ, таких как высокая удельная энергия, простой процесс заряжания, низкие эксплуатационные расходы и экологическая безопасность.

2. Современное представление о кислотных и щелочных аккумуляторах

Работа на складах, в шахтах, да и просто в замкнутых помещениях зачастую невозможна без электротранспорта, поскольку требования к качеству воздуха не позволяют применять транспортные средства на двигателях внутреннего сгорания. Составной частью любого электротранспорта, определяющей его автономность, мощность и стоимость эксплуатации, является аккумулятор как источник энергии. На рынке присутствуют несколько различных систем аккумуляторов, различающихся по номинальному напряжению аккумуляторного элемента, величине допустимого разрядного и зарядного тока, поэтому еще на этапе закупки оборудования необходимо совершить взвешенный выбор, определяющий значительные капитальные затраты. Наиболее часто стоит проблема выбора между щелочными и свинцовыми аккумуляторами, которые за десятилетия с момента их разработки уже заслужили себе репутацию надежных устройств.

Для того, чтобы определиться с преимуществами и недостатками этих систем, необходимо рассмотреть процессы, происходящие в них.

2.1. Кислотные аккумуляторы

Свинцово-кислотный аккумулятор - тип аккумуляторов, получивший широкое распространение ввиду умеренной стоимости, неплохого ресурса (от 500 циклов и более), высокой удельной мощности. Основные области применения: стартерные аккумуляторные батареи в транспортных средствах, аварийные источники электроэнергии, резервные источники энергии.

Устройство кислотных аккумуляторов

Элемент свинцово-кислотного аккумулятора состоит из электродов и разделительных пористых пластин, изготовленных из материала, не взаимодействующего с кислотой, препятствующих замыканию электродов (сепараторов), которые погружены в электролит. Электроды представляют собой плоские решётки из металлического свинца. В ячейки этих решёток 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.

Рисунок 2.1. Устройство кислотного аккумулятора

Электроды вместе с сепараторами погружены в электролит, представляющий собой водный раствор серной кислоты. Для приготовления раствора кислоты применяют дистиллированную воду.

Электрическая проводимость электролита зависит от концентрации серной кислоты и при комнатной температуре максимальна при массовой доле кислоты 35%, что соответствует плотности электролита 1,26 г/см?. Чем больше проводимость электролита, тем меньше внутреннее сопротивление аккумулятора, и, соответственно, ниже потери энергии на нём. Однако, на практике в районах с холодным климатом применяются и более высокие концентрации серной кислоты, до 1,29?1,31 г/см?, это связано с тем, что при снижении концентрации из-за разряда электролит может замёрзнуть, а при замерзании образуется лёд, который может разорвать банки аккумулятора и повреждает губчатый материал пластин.

В аккумуляторах, применяемых в бытовых ИБП, систем охранной сигнализации и др. жидкий электролит загущают водным щелочным раствором силикатов натрия (Na2Si2O4) до пастообразного состояния. Это так называемые гелевые аккумуляторы (GEL), имеющие длительный ресурс. Другой вариант исполнения ? с пористыми сепараторами из стеклоткани (AGM), допускающими более жёсткие режимы заряда.

Принцип действия кислотных аккумуляторов

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). Проведённые исследования показали, что при разряде аккумулятора протекает как минимум ~60 различных реакций, порядка 20 из которых протекают без участия кислоты электролита.

Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на катоде и окисление свинца на аноде. При заряде протекают обратные реакции. При перезаряде аккумулятора, после исчерпания сульфата свинца, начинается электролиз воды, при этом на аноде выделяется кислород, а на катоде -водород.,

Химические процессы, происходящие при работе кислотных аккумуляторов

Положительный электрод заряженного аккумулятора содержит диоксид свинца PbO2, а отрицательный – губчатый свинец. Электролитом является раствор серной кислоты. Процесс, протекающий при разряде аккумулятора, можно описать уравнением

PbO2 + Pb + 2 H2SO4 = 2 PbSO4 + 2 H2O.

При зарядке процесс протекает в обратном направлении

2 PbSO4 + 2 H2O = PbO2 + Pb + 2 H2SO4,

и в конце заряда на электродах кроме основных реакций образования активных веществ начинают протекать побочные – выделение водорода на отрицательном электроде и кислорода – на положительном. Напряжение полностью заряженного аккумулятора составляет 2,07…2,11 В.

Как видно из уравнений, описывающих химические процессы заряда/разряда, в процессе разряда концентрация кислотного электролита уменьшается, а при зарядке наоборот – увеличивается. Из этого следует, при снижении температуры электролит разряженного аккумулятора может замерзнуть, что приведет к разрушению батареи. Снижение концентрации и соответствующее увеличение сопротивления электролита при разряде приводит к уменьшению энергоэффективности аккумулятора в конце разряда, что подтверждает рисунок 2.2.

Рисунок 2.2. Химические процессы заряда/разрядакислотных аккумуляторов

Также стоит отметить, что конечный продукт разряда обоих электродов – это неэлектропроводный сульфат свинца, а значит, при разряде на величину емкости, большую определенного значения, увеличивается вероятность отслоения кристаллов сульфата и необратимого снижения емкости аккумулятора.

Смотрите также:

«ДОХОДЫ, РАСХОДЫ И ПРИБЫЛЬ КОММЕРЧЕСКОГО БАНКА.»
«ДОХОДЫ, РАСХОДЫ И ПРИБЫЛЬ КОММЕРЧЕСКОГО БАНКА.»
__RGR2
'Духовные песнопения' Уильяма Берда
'Румунський' напрям української дипломатії в 1917-1920 рр.: новітній етап історіографічних досліджень
[БИЛЕТЫ] Спланхнология
0-Технология доступа к данным ADO.NET
01. Основные понятия системного анализа и теории систем
04. Антигены
04. Антигены