Принципы работы свинцового аккумулятора

Свинцовые аккумуляторы

Свинцовые аккумуляторы являются вторичными химическими источниками тока, которые могут использоваться многократно. Активные материалы, израсходованные в процессе разряда, восстанавливаются при последующем заряде. Химический источник тока представляет собой совокупность реагентов (окислителя и восстановителя) и электролита. Восстановитель (отрицательный электрод) электрохимической системы в процессе токообразующей реакции отдает электроны и окисляется, а окислитель (положительный электрод) восстанавливается. Электролитом, как правило, является жидкое химическое соединение, обладающее хорошей ионной и малой электронной проводимостью. В свинцовом аккумуляторе в токообразующих процессах участвуют двуокись свинца (диоксид свинца) РЬО₂ (окислитель) положительного электрода, губчатый свинец РЬ (восстановитель) отрицательного электрода и электролит (водный раствор серной кислоты H₂S0₄). Активные вещества электродов представляют собой относительно жесткую пористую электронопроводящую массу с диаметром пор 1,5 мкм у РЬО₂ и 5-10 мкм у губчатого свинца. Объемная пористость активных веществ в заряженном состоянии — около 50%. Часть серной кислоты в электролите диссоциирована на положительные ионы водорода Н⁺ и отрицательные ионы кислотного остатка (SO₄)^2-. Губчатый свинец при разряде аккумулятора выделяет в электролит положительные ионы двухвалентного свинца РЬ²⁺. Избыточные электроны отрицательного электрода по внешнему участку замкнутой электрической цепи перемещаются к положительному электроду, где восстанавливают четырехвалентные ионы свинца РЬ⁴⁺ до двухвалентного свинца РЬ₂+. Положительные ионы свинца РЬ²⁺ соединяются с отрицательными ионами кислотного остатка (SO₂)^2-, образуя на обоих электродах сернокислый свинец РЬSО₄ (сульфат свинца). При подключении аккумулятора к зарядному устройству электроны движутся к отрицательному электроду, нейтрализуя двухвалентные ионы свинца РЬ²⁺. На электроде выделяется губчатый свинец РЬ. Отдавая под влиянием напряжения внешнего источника тока по два электрона, двухвалентные ионы свинца РЬ²⁺ у положительного электрода окисляются в четырехвалентные ионы РЬ⁴⁺. Через промежуточные реакции ионы РЬ⁴⁺ соединяются с двумя ионами кислорода и образуют двуокись свинца РЬO₂. Химические реакции в свинцовом аккумуляторе описываются уравнением: содержание в электролите серной кислоты и плотность электролита уменьшаются при разряде и увеличиваются при заряде. По плотности электролита судят о степени разряженности свинцового аккумулятора: где ΔCp — степень разряженности аккумулятора, %;РЗ и Рр — плотность электролита соответственно полностью заряженного и полностью разряженного аккумулятора при температуре 25°С, г/см²;Р25 — измеренная плотность электролита, приведенная к температуре 25°С, г/см³. Расход кислоты у положительных электродов больше, чем у отрицательных. Если учитывать количество воды, образующейся у положительных электродов, то количество кислоты, необходимое для них в течение разряда, в 1,6 раза больше, чем для отрицательных. При разряде происходит незначительное увеличение объема электролита, а при заряде — уменьшение (около 1 см³ на 1 А·ч). На 1 А·ч электрической емкости расходуется: при разряде — свинца 3,86 г, диоксида свинца 4,44 г, серной кислоты 3,67 г, а при заряде — воды 0,672 г, сульфата свинца 11,6 г.

ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Щелочными аккумуляторами называют такие аккумуляторы, в которых в качестве электролита используется щелочь, например раствор едкого натрия или едкого калия. Электроды (пластины) в щелочных аккумуляторах выполнены из никелированного железа, в которые запрессовывается активная масса. Корпус щелочных аккумуляторов выполняют из никелированного стального листа. В качестве активной массы в щелочных аккумуляторах, к примеру — в кадмиево-никелевых, для положительных пластин используется гидрат закиси никеля в смеси с графитом, а в отрицательных пластинах — кадмий и окись железа. Электролит в щелочных аккумуляторах в процессе работы не расходуется и не меняет своей плотности. Это замечательное свойство позволяет корпус аккумулятора выполнить герметичным. Такая конструкция не требует никакого дополнительного обслуживания, кроме циклических зарядов после разряда. В зависимости от типа применяемой активной массы щелочные аккумуляторы называют: железо-никелевые (окись никеля и железо), кадмиево-никелевые (окись никеля и кадмий), серебряно-цинковые (положительные электроды из чистого серебра, а отрицательные пластины из спрессованной смеси окиси цинка и цинкового порошка, электролит из едкого калия).

Основные характеристики аккумуляторов

Основные характеристики у аккумуляторов такие же, как и у гальванических элементов, дополнительные — это зарядная емкость, коэффициент отдачи, срок службы и годности. Зарядная емкость аккумулятора — количество электричества, преобразованного в химическую энергию, накопленную при полном заряде аккумулятора. Коэффициент отдачи, определяется соотношением разрядной емкости к зарядной емкости. Коэффициент отдачи по энергии — отношение энергии, полученной аккумулятором, к энергии, отданной при разряде. Срок службы — наработка по времени, при которой его разрядная емкость сделается меньше определенной нормативной величины. Срок годности аккумулятора — сумма срока хранения и времени эксплуатации, в течение которого наработка аккумулятора достигает срока его службы.