Ювелирное обозрение

Основные особенности конструкции.В элементах АБ активная масса отрицательного и положительного электродов состоит соответственно из металла и металлического соединения, которые механически закреплены на решетке или гребенке. Она выполнена обычно из того же металла, что отрицательный электрод. Между собой разнополярные электроды разобщены с помощью неметаллического (пластмассового, полимерного) сепаратора. Все аккумуляторные элементы расположены в пластмассовом корпусе и залиты раствором кислотного или щелочного электролита. Элементы имеют внешние разнополяр­ные электрические выводы и соединяются между собой, как правило, по схеме последовательного включения. Корпус АБ обычно снабжен вентиляционным устройством для выхода испаряющихся (газообразных) продуктов реакции. Типичная конструкция АБ показана на рис. 1.3.

Известны также герметичные конструкции АЕ с малым количеством электролита, полностью адсорбированного в порах электродов. В этих АБ не требуются вентиляционные приспо­собления.

Рис. 1.3. Устройство свинцово-кислотной АБ: 1- сепаратор; 2 и 3 – блоки положительных и отрицательных пластин электродов; 4 – соединительная шина; 5 и 6 – положительный и отрицательный выводы; 7 –предохра­нительный щиток; 8 – собирательный мостик (баретка); 9 –опорный выступ; 10 – крышка секции; 11 – пробка заливного отверстия; 12 –моноблок (эбонитовый корпус с электро­литом)

Электрохимические процессы.Принцип работы аккумулятор­ного элемента состоит в электрохимическом взаимодействии двух активных веществ (электродов), помещенных в электролит, при подключении внешнего электрического сопротивления (цепи нагрузки) к разнополярным электродам. Электролит участвует в токообразующей реакции и служит средой для перемещения положительных и отрицательных ионов, замыкающих цепь тока на внутреннем участке аккумулятора.

Электрохимические процессы обратимы. При разряде AБ на сопротивление нагрузки в аккумуляторных элементах проис­ходит токообразующая электрохимическая реакция, которая сопровождается расходом (преобразованием) активных веществ электродов. Процесс заряда АБ при подключении ее к вне­шнему источнику электроэнергии сопровождается восстановлением химического состава активных веществ электродов в результате протекания электрического тока в направлении, обратном току разряда.

При разомкнутой внешней цепи обмен электрическими зарядами между электродами не происходит. Вблизи поверхнос­ти электродов (на границе раздела «твердый электрод – жидкий электролит») идут промежуточные реакции окисления и восста­новления химических веществ с отдачей электронов и образова­нием ионов. Недостаток электронов на одном электроде приводит к появлению на нем положительного заряда, избыток электронов на другом электроде обусловливает его отрицатель­ный заряд. Образуется разность электрических потенциалов, которая при разомкнутой цепи нагрузки равна ЭДС АБ.

Далее кратко рассмотрим работу основных типов кислотных и щелочных АБ, опуская промежуточные химические реакции.

Схема устройства свинцово-кислотного элемента АБ представлена на рис. 1.16. Положительный электрод изготовлен из двуокиси свинца PbO₂, отрицательный электрод– из губчатого свинца РЬ. Электролитом служит водный раствор серной кислоты H₂SO₄. Стехиометрическое уравнение результирующей реакции в этой АБ имеет вид

причем при заряде эта реакция идет справа налево, а при разряде слева на право.

В качестве примера щелочной АБ рассмотрим никель-кадмиевый элемент, схема устройства которого приведена на рис. 1.17. Положительный электрод в этой АБ выполнен из гидрооксида никеля (гидрата закиси никеля NiOOH), упакованного в ламелях из мелкоперфорированных стальных лент. Для повышения электропроводности активной массы электрода в нее добавляют особо чистый графит. Активная масса отрицательного электрода содержит губчатый кадмий Cd (в заряженном состоянии аккумулятора) или гидрооксид кадмия Cd(OH)₂ (в разряженном состоянии). Для предотвращения слипания частиц Cd в плотную массу вводят в электрод небольшое количество добавки из оксида железа. В качестве щелочного электролита используют водный раствор гидроокиси калия КОН .

Стехиометрическое уравнение итоговой зарядно-разрядной реакции в ни­кель-кадмиевой АБ имеет вид

причем вправо стрелка указывает направление реакции разряда, а влево – заряда.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: При сдаче лабораторной работы, студент делает вид, что все знает; преподаватель делает вид, что верит ему. 9399 – | 7311 – или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Аккумуляторные батареи

Принцип работы свинцового аккумулятора

Источником электроэнергии на автомобиле при неработающем или работающем с малой частотой вращения коленчатого вала двигателе является аккумуляторная батарея. В настоящее время на автомобилях наиболее широко применяются свинцовые аккумуляторные батареи, состоящие из нескольких последовательно соединенных аккумуляторов. Применение кислотных аккумуляторов объясняется тем, что они обладают небольшим внутренним сопротивлением и способны в течение короткого промежутка времени (несколько секунд) отдавать ток силой в несколько сотен ампер, что необходимо для питания стартера при пуске двигателя.

Свинцовый аккумулятор электрической энергии был изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте. В последующие годы конструкция аккумулятора, особенно – химический состав его электродов (пластин) постоянно совершенствовалась. В настоящее время свинцовые аккумуляторы и аккумуляторные батареи широко применяются в разных областях техники в качестве накопителей электроэнергии (стартерные батареи, аварийные и резервные источники энергии и т. п.).

Конструктивно аккумулятор представляет собой емкость, наполненную электролитом, в которой размещены свинцовые электроды. В качестве электролита используется раствор серной кислоты и дистиллированной воды. Электроды выполнены в виде пластин, одна из которых изготовлена из губчатого свинца Pb, а вторая – из диоксида свинца PbO₂. При взаимодействии электродов с электролитом между ними возникает разность потенциалов.

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.

Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на положительном электроде (аноде) и окисление свинца на отрицательном электроде (катоде). При пропускании через электроды аккумулятора зарядного тока в нем протекают обратные реакции. При перезаряде аккумулятора, после исчерпания сульфата свинца начинается электролиз воды, при этом на аноде выделяется кислород, а на катоде – водород.

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

Реакции на аноде:

Реакции на катоде:

Физические процессы, происходящие в аккумуляторе, объясняются свойством электролитического растворения металлов, которое заключается в переходе положительно заряженных ионов металла в раствор. Легкоокисляющиеся металлы (например, свинец) обладают этим свойством в большей степени, чем инертные металлы.
При погружении свинцового электрода в раствор электролита от него начнут отделяться положительно заряженные ионы свинца и переходить в раствор, при этом сам электрод будет заряжаться отрицательно.

По мере протекания процесса растет разность потенциалов раствора и электрода, и переход положительных ионов в раствор будет замедляться.
При какой-то определенной разности потенциалов электрода и раствора наступит равновесие между силой электролитической упругости растворения свинца, с одной стороны, и силами электростатического поля и осмотического давления – с другой.
В результате переход ионов свинца в электролит прекратится.

При погружении электрода, изготовленного из двуокиси свинца, в раствор серной кислоты наблюдается такой же процесс, но результат получается иной. Двуокись свинца в ограниченном количестве переходит в раствор, где при соединении с водой ионизируется на четырехвалентные ионы свинца Рв4+ и одновалентные ионы гидроксила ОН.
Четырехвалентные ионы свинца, осаждаясь на электроде, создают положительный потенциал относительно раствора. Серная кислота образует в воде практически только на ионы НO + и HSO₄.
Таким образом, при разряде аккумулятора расходуется серная кислота, образуется вода, а на обоих электродах – сульфат свинца. При заряде процессы протекают в обратном направлении.

При подключении потребителей в аккумуляторе возникает разрядный ток. При этом ионы сернокислотного остатка SO₄ соединяются со свинцом электродов и образуют на них сернокислый свинец PbSO₄, а ионы водорода соединяются с кислородом, выделяясь на положительной пластине в виде воды.
В результате электроды покрываются сернокислым свинцом, а серная кислота разбавляется водой, т. е. при разряде аккумулятора плотность электролита уменьшается. Поэтому по плотности электролита можно судить о степени заряженности аккумуляторной батареи.

При прохождении электрического (зарядного) тока через аккумуляторную батарею протекают обратные электрохимические процессы. Ионы водорода, образующиеся в результате распада воды, взаимодействуют с сернокислым свинцом электродов.
Водород, соединяясь с сернистым осадком, образует серную кислоту, а на электродах восстанавливается губчатый свинец. Выделяющийся из воды кислород, соединяется со свинцом положительной пластины, образуя перекись свинца.
В результате этих процессов содержание воды в электролите уменьшается, а содержание кислоты увеличивается, что приводит к повышению плотности электролита.

По завершению процессов восстановления свинца на электродах заряд аккумулятора прекращается. При дальнейшем прохождении электрического тока через электролит начинается процесс электролиза (разложения) воды, при этом аккумулятор «закипает», и выделяющиеся пузырьки образуют смесь водорода и кислорода. Смесь этих газов является взрывоопасной, поэтому следует избегать перезаряда до появления электролизных явлений по разложению воды.

Кроме того, длительный перезаряд приводит к потере электролитом воды (испарению), в результате чего его плотность повышается и для корректировки требуется доливка дистиллированной воды.
При доливке воды необходимо помнить, что вода, попадающая в концентрированную серную кислоту, закипает и сильно разбрызгивает кислотные капли, что при попадании на открытое тело или одежду может привести к ожогам кожи, слизистых оболочек, прожигу одежды и другим неприятным последствиям.

При постоянном напряжении источника зарядного тока по мере увеличения степени заряженности аккумулятора повышается его ЭДС и, следовательно, уменьшается сила зарядного тока. Когда напряжение на клеммах источника тока будет равно ЭДС полностью заряженного аккумулятора плюс ЭДС поляризации, зарядный ток прекратится.

Среднее значение напряжения аккумулятора – 2 В. Поскольку электрооборудование современных автомобилей рассчитано для работы при напряжении в бортовой сети 12 или 24 В, аккумуляторы соединяют в батареи (по 6 или 12 шт.).

Важным параметром аккумулятора является его емкость, т. е. количество электрической энергии, которую способен отдать аккумулятор. Емкость – это произведение силы разрядного тока на продолжительность разрядки до предельно допустимого разряженного состояния. Измеряется емкость аккумулятора в ампер-часах (А×ч). Емкость аккумулятора зависит, в первую очередь, от активной площади его электродов.
Поэтому повышения емкости можно достичь увеличением поверхности электродов, что достигается использованием нескольких параллельно соединенных между собой пластин, а также применением пористого материала для их изготовления, что позволяет использовать в качестве активной массы не только поверхность, но и внутренний объем пластин.

Емкость аккумулятора не постоянна, она зависит от силы разрядного тока, температуры электролита и состояния активной поверхности пластин. При увеличении разрядного тока и понижении температуры электролита емкость аккумулятора уменьшается, что объясняется неполным протеканием электрохимических реакций разрядки в этих условиях, вследствие сокращения времени разрядки и повышения вязкости электролита при низких температурах.

Понятия и определения

Аккумулятор является обратимым источником тока. Он способен отдавать в нагрузку во внешней цепи ранее запасенную энергию. На легковые автомобили устанавливаются аккумуляторные батареи, состоящие из шести последовательно включенных аккумуляторов. Они способны обеспечивать большие разрядные токи и относятся к классу стартерных аккумуляторных батарей. Это отражено в маркировке батарей. Например, батарея 6СТ-55 содержит 6 аккумуляторов, стартерная, номинальная энергоемкость составляет 55 ампер-часов.

Приведем некоторые основные понятия и определения, характеризующие аккумуляторную батарею в различных режимах работы.

Электродвижущая сила (ЭДС) – это разность электродных потенциалов при разомкнутой электрической цепи. ЭДС аккумулятора зависит от плотности температуры электролита и состава активной массы пластин. Выражается ЭДС в вольтах и обычно обозначается буквой Е. Измерить ЭДС можно вольтметром с большим внутренним сопротивлением, превышающим 20 кОм.

ЭДС покоя (Е0) – это ЭДС аккумулятора, находящегося длительное время (более 2-3 часов) без нагрузки.

ЭДС аккумулятора под нагрузкой отличается от ЭДС покоя. Это вызвано том, что при прохождении тока в цепи на электродах и в электролите происходят необратимые физические и химические процессы, связанные с потерей энергии. Один из них – это процесс поляризации.

ЭДС поляризации (Еп) – это ЭДС аккумулятора при наличии поляризации пластин.

Еп всегда направлена навстречу току.

аккумуляторная батарея аккумулятор зарядка

При заряде ЭДС аккумулятора равна сумме ЭДС покоя и ЭДС поляризации:

Е = Е0 + Еп, а при заряде Е = Е0 – Еп.

Величину Е называют динамической ЭДС, или просто ЭДС аккумулятора.

В замкнутой электрической цепи постоянного тока, когда к аккумулятору подключены потребители, связи между ЭДС, проходящим по цепи током и сопротивлением цепи определяется по закону Ома:

I – сила тока в цепи, А;

R – активное сопротивление внешней цепи, Ом;

r – полное сопротивление участка электрической цепи внутри самого источника тока, Ом.

Выражение (1) можем переписать в виде:

т.е. ЭДС аккумулятора компенсирует падение напряжения на внешней цепи U=IR и падение напряжения внутри самого источника тока на его полном внутреннем сопротивлении Ur=I*r.

Величина U=I*R – это напряжение аккумулятора. Это напряжение на зажимах аккумулятора, которое используется для работы потребителей тока.

Из уравнения (2) видно, что при работе аккумулятора его напряжение U всегда меньше чем ЭДС, так как

По мере износа аккумулятора его внутреннее сопротивление возрастает. Это одна из причин пониженного напряжения на зажимах аккумулятора под нагрузкой. поскольку увеличивается Ur. У разряженного аккумулятора ситуация подобная.

Различают зарядное напряжение, равное

и разрядное напряжение:

где Iз – зарядный ток, А;

Iр – разрядный ток, А;

r – внутреннее сопротивление аккумулятора, Ом.

Нормальный зарядный ток – величина зарядного тока (А).

численно равная 0.1 емкости аккумуляторной батареи, выраженная в ампер-часах.

Внутреннее сопротивление аккумулятора складывается из сопротивления электродов, электролита и сопротивления, обусловленного сепараторами (прокладками между пластинами). Внутреннее сопротивление – величина непостоянная. Оно зависит от конструкции электродов, состояния активной массы, плотности электролита, температуры. В полностью заряженном аккумуляторе внутреннее сопротивление значительно меньше, чем у разряженного. Объясняется это тем, что электропроводность активной массы заряженного аккумулятора выше, чем у разряженного.

Емкость аккумулятора – это количество электричества, которое может запасти или отдать аккумулятор.

Емкость зависит от величины тока разряда. Емкость аккумулятора определяется как величина, равная произведению постоянного тока на время при 20-часовом режиме разряда до напряжения 1.7 В:

Q20 = Ip*tp = Ip*20 (А*ч),

где Iр – величина разрядного тока, tр – время разряда.

Емкость по току разрядная Qр – номинальная емкость аккумулятора при разряде:

где Ip – величина разрядного тока, А;

tp – время разряда.

Зарядная емкость аккумулятора – характеризует количество электричества, полученное аккумулятором в процессе заряда:

где Qз – зарядная емкость, А*ч;

Iз – зарядный ток, А;

tз – время заряда, ч.

У современных аккумуляторов КПД по емкости равно 0.85.

Емкость по энергии – характеризует способность аккумулятора выполнить электрическую работу за определенное время.

Измеряется в ватт-часах.

Емкость по энергии при разряде:

где Up – разрядное напряжение (среднее), В;

Ip – ток разряда, А;

tp – время разряда, ч.

Емкость по энергии при заряде:

где Uз – среднее зарядное напряжение, В;

Iз – ток заряда, А;

tз – время заряда, ч.

КПД аккумулятора по энергии (отдача аккумулятора) определяется как отношение емкости по энергии при разряде к емкости при разряде:

Современный аккумулятор имеет КПД по энергии, равный 0.68* По мере износа аккумулятора эта величина уменьшается.

Емкость аккумулятора сильно зависит от режима разряда. При больших токах разряда она падает в несколько раз по сравнению с разрядом током 20-часового режима разряда. Например, в стартерных режимах, когда ток достигает 150-200 А емкость батареи падает в 2-3 раза.

При снижении температуры емкость аккумулятора также уменьшается.

С повышением температуры емкость аккумулятора увеличивается, однако при температурах выше 45 С аккумуляторы необратимо теряют емкость и сокращается их срок службы.

Саморазряд аккумулятора – потеря заряда заряженным аккумулятором.

Саморазряд внутренний – обусловлен химическими реакциями в аккумуляторе. У исправных аккумуляторов при t=+1. +20 С за 1 сутки составляет 1% от номинальной емкости, или 30% за месяц. При снижении температуры ток саморазряда уменьшается.

Очевидно, что неработающий аккумулятор необходимо заряжать 1-2 раза в месяц. По мере старения аккумулятора саморазряд протекает более интенсивно.

Саморазряд внешний – обусловлен электропроводностью загрязненной поверхности между клеммами аккумулятора. Может достигать величин 0.5 А и более.

Очевидно, что батарею необходимо очищать от загрязнений.

Срок службы аккумулятора – время безотказной работы, в течение которого обеспечивается и стартерный режим.

Срок службы аккумулятора зависит от очень многих внутренних и внешних факторов. Гарантийный срок (который может быть уменьшен при неправильном уходе) указывается в паспорте и зависит от конструкции и технологии изготовления.

Обычно это 200-300 циклов заряда-разряда для намазных пластин и 1500-2000 для панцирных пластин.

Понятно, что следует избегать длительных стартерных режимов разряда, глубоких разрядов.