принцип работы, из чего состоит, назначение и схема акб

Автор Aluarius На чтение 10 мин. Просмотров 7.2k. Опубликовано 29.05.2020

Принципиально устройство аккумулятора больше чем за 150 лет с момента его изобретения не изменилось, хотя современность внесла серьёзные новшества в технологические процессы их изготовления и используемые материалы, из чего состоит аккумулятор.

Автономный источник энергии

 

Что такое аккумулятор

Аккумулятор – автономный источник электричества, который накапливает, сохраняет и отдает энергию. Аккумуляторная батарея – важный элемент электрооборудования транспортного средства. Назначение акб определяется в запуске двигателя и обеспечении подачи электричества в бортовую сеть. Все электроприборы, когда выключен мотор, и не работает генератор, работают от батареи. Накопитель помогает в пробке, когда энергии генератора не хватает.

 

Устройство и принцип работы аккумулятора

Для того, чтобы разобраться, как работает аккумулятор, необходимо знать устройство акб, что внутри аккумулятора обеспечивает работу прибора. Основной принцип работы аккумулятора заключается в разности потенциалов при погружении двух пластин в электролит. В 12-ти вольтовой батарее объединены шесть аккумуляторов, каждый из которых вырабатывает 2 вольта. Все они объединены совместным корпусом, который образует единое целое конструкции.

Аккумулятор в разрезе

При работе этой конструкции, пластинки из-за действия серной кислоты выделяют сульфат свинца, в результате чего образуется электрический ток. Также выделяется вода, и поэтому концентрация электролита становится менее плотной. Во время зарядки АКБ процесс осуществляется в обратном порядке, свинец снова обретает металлическую форму, электролит становится более концентрированным. Принцип работы аккумулятора основан на методе двойной сульфатации, который позволяет полностью восстанавливать первоначальные свойства батареи. Срок службы аккумулятора зависит от качества используемых материалов, из чего состоит акб.

 

Схема строения

 

Схема строения

Виды аккумуляторов

Классификация акб по составу активного вещества

Свинцовые пластины, используемые в старых аккумуляторах перестали устраивать потребителей. Возникала необходимость по улучшению качества работы акб. Сначала добавили сурьму к свинцу, что позволило заметно продлить срок эксплуатации батареи. На следующем этапе – уменьшили процентное содержания сурьмы до оптимальной концентрации. Такой подход привел к созданию малообслуживаемых аккумуляторов, потому что в них уже намного реже требовался долив воды.

При использовании металлического кальция для покрытия пластин появились кальциевые энергосберегающие источники. В предыдущих моделях потери воды из-за электролиза на 12 вольт требовали постоянного долива, а кальций позволил повысить этот порог до 16 вольт. Так появилась возможность в производстве необслуживаемых аккумуляторов использовать герметичный, неразборной корпус.

• Сурьмянистые батареи относятся к классике из-за повышенного состава сурьмы, которая ускоряет процесс электролиза.
• В малосурьмянистых акб материалом для пластин служит свинец с небольшой примесью сурьмы. В них степень саморазряда значительно меньше, чем в сурьмянистых АКБ.
• При производстве кальциевых источников свинцовые пластины легированы до 0,1% кальцием. Они могут иметь различные заряды, как отрицательный, так и положительный.
• Гибридные источники энергии вытесняют кальциевые. Конструктивные отличия состоят в том, что при их производстве объединили две технологии: одна, когда пластины формируются из сплава свинца и сурьмы, положительные электроды, а другая – когда пластины формируются из сплава свинца и кальция, отрицательные электроды.
• EFB является улучшенной жидкозаполненной батареей. Свинцовые пластины в ЕФБ аккумуляторах в два раза толще, чем у обычных, вследствие чего увеличивается их ёмкость. Каждая из пластин закрыта в пакет из специальной ткани, который наполнен жидким сернокислотным электролитом.
• В гелевых аккумуляторах применяется гелеобразный электролит. Такая технология позволила снизить текучесть электролита, в котором содержится агрессивная серная кислота.
• В литиевых акб используется жидкий электролит, представляющий собой раствор фторсодержащих солей лития в смеси эфиров угольной кислоты.
• Отличительной особенностью AGM является то, что в электролит с помощью специальной технологии между пластинами вставляются стекловолоконные микропористые прокладки.
• Во всех щелочных батареях применяется растворенная в воде щёлочь.

Классификация батарей по типу электролита

Электролиты бывают кислотными, щелочными. Щелочные растворы используются в заправке аккумуляторных батарей. Щелочные аккумуляторные жидкости представляют собой сильные основания, которые проявляют большую активность по отношению к металлам и кислотам. При реакциях с кислотами образуются соль и вода. Растворы щелочей подвергаются гидролизу. Химические свойства позволяют использовать этот тип электропроводящей жидкости для накопления электрической энергии в аккумуляторе.

Кислотные смеси с дистиллированной водой применяются в основном в автомобильных аккумуляторах. Такие составы можно приобрести в специализированных магазинах или же приготовить самостоятельно в домашних условиях. На заводе процесс изготовления таких смесей осуществляется в масштабном производстве по ГОСТу. В домашней обстановке также возможно довольно точно при соблюдении обязательных пропорций и правил техники безопасности смешать кислоту с дистиллированной водой.

Важно! вода при минусовых температурах превращается в лед. Всегда при морозе нужно применять меры, необходимые для предотвращения замерзания аккумулятора.

 

Основные технические характеристики аккумуляторов

Номинальная емкость аккумулятора

Номинальная емкость элемента – способность накапливать и отдавать электроэнергию постоянного тока, определяет время автономной работы ИБП. Емкость электрического аккумулятора показывает время питания подключенной к нему нагрузки.

Важно! Емкость не характеризует полностью энергию аккумулятора, т.е. энергию, которая может быть накоплена в полностью заряженном аккумуляторе. Чем больше напряжение аккумулятора, тем больше накопленная в нем энергия.

Емкость всегда указывается на корпусе АКБ, а также на упаковке, ведь именно по этому критерию большинство пользователей выбирают нужную модель.

Пусковой ток

Величину, характеризующую параметр тока, протекающего в стартере автомобиля в момент пуска силового узла, принято считать пусковым током. Пусковой ток или стартерный возникает в момент, когда в замке зажигания поворачивается ключ и начинает проворачиваться стартер. Единица измерения величины – Ампер. Он же ток холодной прокрутки является показателем, как аккумулятор поведет себя в морозную погоду и сможет запустить двигатель при минусовых показателях. Определяется мощностью тока, которую батарея может выдать в течение первых 30 секунд при температуре -18°С. При высоких показателях пускового тока увеличиваются шансы завести машину при минусовой температуре.

Полярность

Порядок расположения на крышке аккумулятора присоединительных клемм, которые являются токовыводящими соединительными элементами, называется полярностью. Полюса всего два – положительный и отрицательный, вариантов расположения – прямое и обратное.

Прямая полярность – отечественная разработка. Чтобы ее определить, нужно повернуть аккумулятор таким образом, чтобы этикетка была перед глазами. При расположении плюсовой клеммы слева, а минусовой справа, можно утверждать, что акб с прямой полярностью. На иномарках устанавливаются аккумуляторные батареи обратной полярности.

Прямая, обратная полярность

Исполнение корпуса

Корпус большинства аккумуляторов состоит из ударопрочного полипропилена, который характеризуется как материал легкий, не вступающий в химическую реакцию с агрессивным электролитом АКБ. Полипропилен довольно стоек к перепадам температур, возникающих под капотом автомобиля, нагрев может достигать до +60 ̊С, а при морозах до -30°С. Корпус большинства АКБ состоит из ручки для переноса, пробок, индикатора заряда, клемм для подключения к электросети. Вес АКБ емкостью 55Ач около 16,5 кг. Традиционно появились американский, европейский, азиатский и российский типы корпусов.

Европейские корпусы и американские имеют идентичные габариты. Например, у батарей емкостью 60 Ач общая высота от 17,5 до 19 сантиметров. У азиатских этот показатель немного выше, до 22 сантиметров за счет верхнего расположения электродов. Именно поэтому важно корректно анализировать возможности посадочного места под капотом, чтобы надежно закрепить АКБ прижимной планкой и избежать замыкания при случайном касании токоотводами металлических частей кузова.

У АКБ с европейским типом корпуса клеммы находятся в углублении, их верхний край не выступает над плоскостью крышки. Иногда клеммы дополнительно защищены от внешнего воздействия специальными крышечками. Азиатский тип корпуса – это коробка, на которой клеммы расположились на верхней крышке, верхний край клемм является самой высокой точкой аккумулятора. Какую клемму снимать с аккумулятора первой читайте здесь. 

Важно! При приобретении акб нужно знать, что европейские производители указывают габаритные размеры аккумулятора по корпусу. На азиатских корпусах могут указывать высоту батареи с учетом клемм или без них.

Российский стандарт акб

Обозначение	Описание букв
А	АКБ имеет общую крышку для всего корпуса
З	Корпус батареи залит и она является полностью заряженной изначально
Э	Корпус-моноблок АКБ выполнен из эбонита
Т	Корпус-моноблок АБК выполнен из термопластика
М	В корпусе использованы сепараторы типа минпласта из ПВХ
П	В конструкции использованы полиэтиленовые сепараторы-конверты

 

Европейские корпусы и американские имеют идентичные габариты

Тип и размер клемм

Распространены аккумуляторы с клеммами трех разных стандартов: тип Euro – Type 1, и Asia –Type 3, «под болт» – американский стандарт. В типе Euro плюсовая клемма имеет диаметр 19,5 мм, минусовая клемма – 17,9 мм. В типе Asia клемма плюс имеет диаметр 12,7 мм, клемма минусовая – 11,1 мм. Клеммы «под болт» находятся на боковой стенке аккумулятора и сверху. Болт, соединённый с проводом, продевается в отверстие клеммы и фиксируется гайкой.

Американский стандарт

Тип крепления

При выборе акб особое внимание следует обращать на тип крепления АКБ, при котором батарея может крепиться снизу или сверху. Вверху крепится элемент с помощью специальной монтажной рамки, которая охватывает аккумулятор. Крепление аккумулятора происходит с помощью планки и двух шпилек. Чаще такой вид установки и фиксации аккумуляторной батареи встречается на автомобилях китайского или корейского производства.

Тип крепления встречается на «азиатах»

 

Нижнее крепление применимо на европейских автомобилях. На нижней части корпуса акб находится выступ, за который аккумулятор прижимается к платформе с помощью пластины и винта.

Нижнее крепление

Назначение аккумуляторных батарей

Автомобильная аккумуляторная батарея выступает как источником электрического тока, необходимого для пуска двигателя, так и резервным источником питания, в случае, если энергии, вырабатываемой генератором, оказывается мало для электроснабжения авто. Аккумуляторная батарея действует как стабилизатор напряжения, так как она выполняет роль накопителя электроэнергии, отдающего во время пуска двигателя за короткое время большой ток, и пополняемого постепенно генератором автомобиля в процессе подзарядки.

Важно! Перед проверкой системы электроснабжения и электрического пуска, необходимо убедиться в том, что аккумуляторная батарея находится в заряженном состоянии и готова к эксплуатации.

В каких сферах используется

Аккумуляторные батареи используются как дополнительный или основной источник питания. Надежность, простота в использовании позволяет применять батареи в различных областях:

• автомобильная промышленность;
• освещение в аварийном состоянии;
• переносное электрооборудование;
• медицинское оборудование;
• игрушки;
• сигнализация в разных сферах применения;
• телекоммуникационное оборудование.

 

Применение батареи в игрушках

Роль акб в работе приборов не оспорима. Применение источника энергии практически во всех отраслях доказывает значимость и необходимость знаний о внутреннем содержимом батарей. С использованием в автомобилях широкого разнообразия электроприборов, кондиционеров, мультимедийных центров, генераторы не всегда справляются с обеспечением их энергией. В этом случае подпитка энергией поступает от АКБ, который кроме этого выполняет основную функцию, обеспечивает электроэнергией стартер двигателя. Водителю необходимо знать, как устроен аккумулятор, чтобы выявить сбои в работе источника энергии, назначение аккумулятора, чтобы правильно использовать ресурс, подобрать батарею к условиям эксплуатации и автомобилю. О способах и рекомендациях как проверить аккумулятор читай тут.

устройство, принцип работы, как заряжать

Автомобильный гелевый аккумулятор появился на рынке относительно недавно, поэтому еще не многие автолюбители знают, что такое гелевый аккумулятор. Большая часть автолюбители не знает даже о процессах, происходящих в обычных свинцово-кислотных АКБ. Они просто привыкли к тому, что аккумулятор во время зарядки каким-то образом запасают электроэнергию, а потом, когда наступает нужный момент, отдают ее. Начнем с того, что в нашей технической литературе анодом принято называть положительно заряженный электрод, а катодом – отрицательно заряженный. В американской литературе все наоборот: анод – заряжен отрицательно, катод – положительно.

Принцип работы кислотного аккумулятора

Как известно, АКБ состоит из корпуса, разделенного перегородками на несколько элементов (банок) внутри каждого из которых помещаются положительные и отрицательные пластины электродов. Они отделяются друг от друга пористыми прямоугольными листами диэлектрика (сепараторами), не вступающими в реакцию с кислотой электролита. Сепараторы необходимы для того чтобы избежать замыкания между электродами. Электроды АКБ выполняются в виде плоских свинцовых решеток, в которые запрессован порошок либо диоксида свинца для анодных пластин или металлического свинца для катодных. В современных свинцово-кислотных аккумуляторах решетки электродов делают из сплава свинца с сурьмой, это увеличивает их прочность и улучшает другие технические характеристики. Все катодные пластины электродов каждого элемента также как и анодные, соединяются между собой параллельно, это делается для увеличения электрической емкости и максимально возможного отдаваемого АКБ тока. Элементы же подключаются друг к другу последовательно, поэтому при ЭДС на выводах одной банки примерно равной 2,11 V напряжение АКБ в 6 раз (по числу банок) больше, то есть немногим более 12 V.

Работа свинцово-кислотных АКБ, к которым относятся и гелевые аккумуляторы основана на электрохимических реакциях свинца и его диоксида с водным раствором серной кислоты.

Разряд

С подключением нагрузки к клеммам АКБ начинается электрохимическая реакция взаимодействия электродов с серной кислотой. В результате чего материал катода и анода преобразуется в сульфат свинца. Вместе с этим на катоде возникает избыток электронов. На аноде же напротив — их недостаток, то есть избыток положительно заряженных ионов. Поэтому между анодом и катодом возникает разность потенциалов, под действием которой через внешнюю нагрузку идет ток. При этом на катоде образуется вода. Расходование кислоты, а также выделение воды приводит к сильному падению концентрации и плотности электролита. Когда большая часть кислоты электролита прореагировала, АКБ становится полностью разряженной и нуждается в зарядке.

Заряд

При подключении к клеммам разряженной аккумуляторной батареи внешнего источника электрического тока начинается процесс зарядки аккумулятора. Он заключается в том, что под действием электрического тока в аккумуляторе происходят обратные процессы. То есть из сульфата свинца и воды получается серная кислота, при этом материал анода преобразуется обратно в диоксид свинца, а катодный в металлический свинец. Если не отключить батарею от источника тока по окончании зарядки, то есть после израсходования сульфата свинца, начинается распад молекул воды на водород и кислород, называемый электролизом. Этого явления следует избегать, так как, во-первых, образуется взрывоопасная смесь водорода и кислорода, во-вторых, вода необратимо расходуется, а концентрация кислоты поднимается значительно выше расчетной – это значит, что батарея будет работать хуже.

Предельно допустимые характеристики и условия работы

• Диапазон рабочих температур – от -40 до +40 ^○C.
• Напряжение, ниже которого нельзя разряжать аккумулятор для авто – 10,5 V. Это ограничение существует, потому как при дальнейшем разряде кислотно-свинцовой аккумуляторной батареи начинается интенсивная сульфатация ее электродов. Сульфатацией называется образование на поверхности электродов нерастворимой пленки из сернокислого свинца, значительно уменьшающей поверхность электродов, соприкасающуюся с электролитом и как следствие электрической емкость батареи.
• Длительность работы до 500 циклов в режиме разряда на 70% и полного заряда.

Гелевые аккумуляторы и их виды

Гелевый аккумулятор для авто отличается от обычного свинцово-кислотного аккумулятора тем, что его электролит больше похож на желе. Плотность электролита в нем не представляется возможным не то что корректировать, а даже измерить, следовательно, он совершенно необслуживаемый. Другие же характеристики, вопреки ожиданиям автолюбителей, отличаются не так сильно, как текучесть электролита. Гелевые аккумуляторы для авто, относящиеся к классу WRLA, производят сегодня, используя две различные технологии:

1. GEL. Для сгущения электролита в него добавляю двуокись кремния.
2. AGM. Сгущения электролита добиваются путем добавления в него сильно измельченного стекловолокна, которое одновременно играет роль сепаратора.

Гелевые аккумуляторы AGM для авто делают, используя спиральную или плоскую компоновку. Спиральная чаще используется при их изготовлении в Северной Америки, а плоская в Европе. Та и другая архитектура имеет свои достоинства и недостатки, поэтому однозначно сказать, какая из них имеет лучшие характеристики, не представляется возможным.

Гелевые аккумуляторы – преимущества и недостатки

Гелевые аккумуляторы для авто, выполненные по любой из технологий, бесспорно, обладают, по крайней мере, шестью преимуществами перед обычными свинцово-кислотными батареями для авто:

1. Даже при нарушении целостности корпуса из них не вытекает электролит.
2. Повышенная устойчивость к вибрациям.
3. Отсутствие необходимости в обслуживании.
4. Более надежная герметизация корпуса, не допускающая попадания электролита на кузов авто и клеммы аккумулятора. Поэтому отсутствие негативного воздействия серной кислоты и на то, и на другое.
5. Возможность устанавливать аккумулятор в моторном отсеке авто в любом положении, кроме позиции «вверх дном».
6. Отсутствие выделения газов в процессе работы.

Гелевый аккумулятор AGM хорош еще и тем, что его стекловолокно пропитано электролитом и лучше удерживает в себе газы, образующиеся при его работе. Они используются для восстановления электролита и электродов в процессе зарядки.

Гелевый аккумулятор со спиральными элементами имеет большую площадь контакта электродов с электролитом. Это позволяет им давать в режиме разряда больший кратковременный ток для мощных потребителей, к примеру, стартера авто и быстрее набирать энергию при зарядке. Недостатком батарей с такой конструкцией элементов является более низкая, чем у аккумуляторов с плоскими элементами, удельная емкость.

Недостатками АКБ для авто класса WRLA являются:

• Большая масса (как и у всех свинцово-кислотных).
• Высокая чувствительность к превышению напряжения заряда (как и у остальных свинцово-кислотных).
• Плохая переносимость полного разряда, когда напряжение одного элемента опускается ниже 1,75 V.
• Значительное падение напряжения на морозе (как и у всех свинцово-кислотных) несмотря на распространенное заблуждение о том, что мороз не оказывает на них негативного влияния.
• Более высокая, чем у батарей с жидким электролитом цена.

§42. Кислотные аккумуляторы | Электротехника

Принцип действия. Аккумулятором называется химический источник тока, который способен накапливать (аккумулировать) в себе электрическую энергию и по мере необходимости отдавать ее во внешнюю цепь. Накапливание в аккумуляторе электрической энергии происходит при пропускании по нему тока от

Рис. 158. Заряд (а) и разряд (б) аккумулятора

постороннего источника (рис. 158,а). Этот процесс, называемый зарядом аккумулятора, сопровождается превращением электрической энергии в химическую, в результате чего аккумулятор сам становится источником тока. При разряде аккумулятора (рис. 158, б) происходит обратное превращение химической энергии в электрическую. Аккумулятор обладает большим преимуществом по сравнению с гальваническим элементом. Если элемент разрядился, то он приходит в полную негодность; аккумулятор же. после разряда может быть вновь заряжен и будет служить источником электрической энергии. В зависимости от рода электролита аккумуляторы разделяют на кислотные и щелочные.

На локомотивах и электропоездах наибольшее распространение получили щелочные аккумуляторы, которые имеют значительно больший срок службы, чем кислотные. Кислотные аккумуляторы ТН-450 применяют только на тепловозах, они имеют емкость 450 А*ч, номинальное напряжение — 2,2 В. Аккумуляторная батарея 32 ТН-450 состоит из 32 последовательно соединенных аккумуляторов; буква Т означает, что батарея установлена на тепловозе, буква Н — тип положительных пластин (намазные).

Устройство. В кислотном аккумуляторе электродами являются свинцовые пластины, покрытые так называемыми активными массами, которые взаимодействуют с электролитом при электрохимических реакциях в процессе заряда и разряда. Активной массой положительного электрода (анода) служит перекись свинца PbO₂, а активной массой отрицательного электрода (катода) — чистый (губчатый) свинец Pb. Электролитом является 25—34 %-ный водный раствор серной кислоты.

Пластины аккумулятора могут иметь конструкцию поверхностного или намазного типа. Пластины поверхностного типа отливают из свинца; поверхность их, на которой происходят электрохимические реакции, увеличена благодаря наличию ребер, борозд и т. п. Их применяют в стационарных аккумуляторных батареях и некоторых батареях пассажирских вагонов.

В аккумуляторных батареях тепловозов применяют пластины намазного типа (рис. 159, а). Такие пластины имеют остов из сплава свинца с сурьмой, в котором устроен ряд ячеек, заполняемых пастой.

Ячейки пластин после заполнения пастой закрывают свинцовыми листами с большим количеством отверстий. Эти листы предотвращают возможность выпадания из пластин активной массы и не препятствуют в то же время доступу к ней электролита.

Исходным материалом для изготовления пасты для положительных пластин служит порошок свинца Pb, а для отрицательных— порошок , перекиси свинца PbO₂, которые замешиваются на водном растворе серной кислоты. Строение активных масс в таких пластинах пористое; благодаря этому в электрохимических реакциях участвуют не только поверхностные, но и глубоколежащие слои электродов аккумулятора.

Для повышения пористости и уменьшения усадки активной массы в пасту добавляют графит, сажу, кремний, стеклянный порошок, сернокислый барий и другие инертные материалы, называемые расширителями. Они не принимают участия в электрохимических реакциях, но затрудняют слипание (спекание) частиц свинца и его окислов и предотвращают этим уменьшение пористости.

Намазные пластины имеют большую поверхность соприкосновения с электролитом и хорошо им пропитываются, что способствует уменьшению массы и размеров аккумулятора и позволяет получать при разряде большие токи.

Рис. 159. Устройство пластин (а) и общий вид (б) кислотного аккумулятора: 1 — блок намазных отрицательных пластин; 2 — выводные штыри; 3 — блок панцирных положительных пластин; 4 — панцирь; 5 — активная масса; 6 — отверстие с пробкой для заливки электролита; 7 — крышка; 8 — эбонитовый сосуд; 9 — пространство для осаждения шлама

При изготовлении аккумуляторов пластины подвергают специальным зарядно-разрядным циклам. Этот процесс носит название формовки аккумулятора. В результате формовки паста положительных пластин электрохимическим путем превращается в перекись (двуокись) свинца PbO₂ и приобретает коричневый цвет. Паста отрицательных пластин при формовке переходит в чистый свинец Pb, имеющий пористую структуру и называемый поэтому губчатым; отрицательные пластины приобретают серый цвет.

В некоторых аккумуляторах применены положительные пластины панцирного типа. В них каждая положительная пластина заключена в специальный панцирь (чехол) из эбонита или стеклоткани. Панцирь надежно удерживает активную массу пластины от осыпания при тряске и толчках; для сообщения же активной массы пластин с электролитом в панцире делают горизонтальные прорези шириной около 0725 мм.

Для предотвращения замыкания пластин посторонними предметами (щупом для измерения уровня электролита, устройством для заливки электролита и др.) пластины в некоторых аккумуляторах покрывают полихлорвиниловой сеткой.

Для увеличения емкости в каждый аккумулятор устанавливают несколько положительных и отрицательных пластин; одноименные пластины соединяют параллельно в общие блоки, к которым приваривают выводные штыри. Блоки положительных и отрицательных пластин обычно устанавливают в эбонитовом аккумуляторном сосуде (рис. 159,б) так, чтобы между каждыми двумя

Рис. 160. Прохождение через электролит положительных и отрицательных ионов при разряде (а) и заряде (б) кислотного аккумулятора

пластинами одной полярности располагались пластины другой полярности. По краям аккумулятора ставят отрицательные пластины, так как положительные пластины при установке по краям склонны к короблению. Пластины отделяют одну от другой сепараторами, выполненными из микропористого эбонита, полихлорвинила, стекловойлока или другого изоляционного материала. Сепараторы предотвращают возможность короткого замыкания между пластинами при их короблении.

Пластины устанавливают в аккумуляторном сосуде так, чтобы между их нижней частью и дном сосуда имелось некоторое свободное пространство. В этом пространстве скапливается свинцовый осадок (шлам), образующийся вследствие отпадания отработавшей активной массы пластин в процессе эксплуатации.

Разряд и заряд. При разряде аккумулятора (рис. 160, а) положительные ионы H₂+ и отрицательные ионы кислотного остатка
S0₄-, на которые распадаются молекулы серной кислоты H₂S0₄ электролита 3, направляются соответственно к положительному
1 и отрицательному 2 электродам и вступают в электрохимические реакции с их активными массами. Между электродами возникает
разность потенциалов около 2 В, обеспечивающая прохождение электрического тока при замыкании внешней цепи. В результате
электрохимических реакций, возникающих при взаимодействии ионов водорода с перекисью свинца PbO₂ положительного
электрода и ионов сернокислого остатка S0₄— со свинцом Pb отрицательного электрода, образуется сернокислый свинец PbS0₄ (сульфат свинца), в который превращаются поверхностные слои активной массы обоих электродов. Одновременно при этих реакциях образуется некоторое количество воды, поэтому концентрация серной кислоты понижается, т. е. плотность электролита уменьшается.

Аккумулятор может разряжаться теоретически до полного превращения активных масс электродов в сернокислый свинец и истощения электролита. Однако практически разряд прекращают гораздо раньше. Образующийся при разряде сернокислый свинец представляет собой соль белого цвета, плохо растворяющуюся в электролите и обладающую низкой электропроводностью. Поэтому разряд ведут не до конца, а только до того момента, когда в сернокислый свинец перейдет около 35 % активной массы. В этом случае образовавшийся сернокислый свинец равномерно распределяется в виде мельчайших кристалликов в оставшейся активной массе, которая сохраняет еще достаточную электропроводность, чтобы обеспечить напряжение между электродами 1,7—1,8 В.

Разряженный аккумулятор подвергают заряду, т. е. присоединяют к источнику тока с напряжением, большим напряжения аккумулятора. При заряде (рис. 160,б) положительные ионы водорода перемещаются к отрицательному электроду 2, а отрицательные ионы сернокислого остатка S0₄— — положительному электроду 1 и вступают в химическое взаимодействие с сульфатом свинца PbS0₄, покрывающим оба электрода. В процессе возникающих электрохимических реакций сульфат свинца PbS0₄ растворяется и на электродах вновь образуются активные массы: перекись свинца PbO₂ на положительном электроде и губчатый свинец Pb — на отрицательном. Концентрация серной кислоты при этом возрастает, т. е. плотность электролита увеличивается.

Электрохимические реакции при разряде и заряде аккумулятора могут быть выражены уравнением

PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄ ? 2PbSO₄ + 2H₂O

Читая это уравнение слева направо, получаем процесс разряда, справа налево — процесс заряда.

Номинальный разрядный ток численно равен 0,1С_НОМ, максимальный при запуске дизеля (стартерный режим) — примерно 3С_НОМ, зарядный ток — 0,2 С_НОМ, где С_НОМ — номинальная емкость.

Полностью заряженный аккумулятор имеет э. д. с. около 2,2 В. Таково же приблизительно и напряжение на его зажимах, так как внутреннее сопротивление аккумулятора весьма мало. При разряде напряжение аккумулятора довольно быстро падает до 2 В, а затем медленно понижается до 1,8—1,7 В (рис. 161), при этом напряжении разряд прекращают во избежание повреждения аккумулятора. Если разряженный аккумулятор оставить на некоторое время в бездействии, то напряжение его снова восстанавливается до среднего значения 2 В. Это явление носит название «отдыха» аккумулятора. При нагрузке подобного «отдохнувшего» аккумулятора напряжение быстро понижается, поэтому измерение напряжения аккумулятора без нагрузки не дает правильного суждения о степени разряда.

При заряде напряжение аккумулятора быстро поднимается до 2,2 В, а затем медленно повышается до 2,3 В и, наконец, снова довольно быстро возрастает до 2,6—2,7 В. При 2,4 В начинают выделяться пузырьки газа, образующегося в результате разложения воды на водород и кислород. При 2,5 В оба электрода выделяют сильную струю газа, а при 2,6—2,7 В аккумулятор начинает как бы кипеть, что служит признаком окончания заряда. При отключении аккумулятора от источника зарядного тока напряжение его быстро снижается до 2,2 В.

Уход за аккумуляторами. Кислотные аккумуляторы быстро теряют емкость или даже приходят в полную негодность при

Рис. 161. Кривые напряжения кислотного аккумулятора при заряде и разряде

неправильной эксплуатации. В них происходит саморазряд, в результате которого они теряют свою емкость (примерно 0,5— 0,7 % в сутки). Для компенсации саморазряда неработающие аккумуляторные батареи необходимо периодически подзаряжать. При загрязнении электролита, а также крышек аккумуляторов, их выводов и междуэлементных соединений происходит повышенный саморазряд, быстро истощающий батарею.

Батарея аккумулятора должна быть всегда чистой, а выводы для предохранения от окисления покрыты тонким слоем технического вазелина. Периодически нужно проверять уровень электролита и степень заряженности аккумуляторов. Аккумуляторы должны периодически заряжаться. Хранение незаряженных аккумуляторов недопустимо. При неправильной эксплуатации аккумуляторов (разряде ниже 1,8—1,7 В, систематическом недозаряде, неправильном проведении заряда, длительном хранении незаряженного аккумулятора, понижении уровня электролита, чрезмерной плотности электролита) происходит повреждение их пластин, называемое сульфатацией. Это явление заключается в переходе мелкокристаллического сульфата свинца, покрывающего пластины при разряде, в нерастворимые крупнокристаллические химические соединения, которые при заряде не переходят в перекись свинца РbO₂ и свинец РЬ. При этом аккумулятор становится непригодным для эксплуатации.

AGM аккумулятор

AGM аккумуляторами сегодня уже никого не удивить. Технология AGM (расшифровывается, как Absorbed Glass Mat) к настоящему времени уже хорошо отработана. Все крупные и средние компании, выпускающие автомобильные аккумуляторы, уже её освоили. Известные бренды обязательно имеют в своей продуктовой линейке семейство AGM батарей. Эти модели позиционируются в качестве аккумуляторов для автомобилей с двигателями «Старт-Стоп», а также имеющими много электрооборудования на борту. AGM аккумуляторы совершеннее свинцово-кислотных АКБ с жидким электролитом, но вытеснить с рынка они их не смогли. Причина – высокая стоимость AGM. В этом материале мы разберём технологию и конструкцию аккумуляторных батарей AGM, их плюсы и минусы, а также особенности эксплуатации.

 

Содержание статьи

Технология и принцип работы AGM аккумуляторов

Перед тем как пояснить технологию Absorbed Glass Mat, стоит пару слов сказать об истории возникновения этих АКБ.

 

Немного истории

Технология Absorbed Glass Mat была запатентована в 1980 году. В 1985 году её внедрили для военных самолётов, где от аккумуляторов требовалась высокая мощность, надёжность и безопасность. Однако первые прототипы аккумуляторных батарей AGM и GEL стали появляться значительно раньше.

Первый прототип современных свинцово-кислотных гелевых батарей в 1934 году разработала компания Elektrotechnische Fabrik Sonneberg. Модель VRLA, которая была максимальна близка к современным, изобрёл в 1957 году Отто Яче из компании Sonnenschein.

Первая AGM батарея была создана компанией Gates Rubber Corporation в 1972 году. Она получила название Cyclon. Теперь современные модификации этого аккумулятора выпускаются EnerSys. Cyclon имел спиральные электроды из тонкой свинцовой фольги. После этого некоторые производители воспользовались новой технологией для создания моделей аккумуляторов с плоскими электродами.

В середине 1980-х годов компании Tungstone и Chloride из Великобритании выпустили модели аккумуляторов AGM с заявленным сроком службы 10 лет. Ёмкость этих моделей была до 400 Ач. Их сертифицировали для использования в телекоммуникационном оборудовании.

Примерно в то же время Gates Rubber Corporation приобретает фирму Varley (Великобритания), которая специализировалась на выпуске АКБ авиационной и военной техники. Специалисты Varley адаптировали модель Cyclon для промышленного производства мощных батарей с прямоугольными электродами. Затем их стали использовать в разных моделях авиалайнеров, среди которых Harrier и AV8B, BAe 125 и 146, некоторые модификации F16. Они стали альтернативой Ni-Cd, используемым до этого.

Первой компанией в США, кто стал выпускать AGM аккумуляторы для коммерческого использования, была Concorde. Её специалисты разработали технологию AGM Concorde Sun-Xtender, которая применима к большинству выпускаемых сегодня моделей.

В 1990-х и 2000-х годах количество электрооборудования на транспортных средствах стало стремительно увеличиваться. Стало понятно, что стандартные свинцово-кислотные батареи (WET) исчерпали свои возможности для удовлетворения возросших требований. Автомобильные аккумуляторы требовали разработки новой конструкции и химических веществ.

Эти аккумуляторные батареи относятся к группе VRSLAB (герметичная свинцово-кислотная батарея с клапанным регулированием). Чаще её можно встретить под названием VRLA (свинцово-кислотная с регулируемым клапаном). Встречается также название SLA (герметичная свинцово-кислотная) или просто необслуживаемые АКБ.

Вернуться к содержанию
 

Принцип работы и особенности

Среди аккумуляторов VRLA можно выделить три типа.

• Герметичные VR-батареи с жидким электролитом.
• Absorbed Glass Mat.
• Гелевый аккумулятор.

В этой статье мы рассмотрим только модели Absorbed Glass Mat. Их часто называют гелевыми, но это неправильно. Гелевые, которые также называют «силиконовыми батареями», имеют электролит, связанный в гель посредством оксида кремния.

Технология AGM имеет другой принцип. В этих батареях между пластинами электродов помещают тонкий слой стекловолокна. Он пропитан электролитом примерно на 95% максимального объёма, который волокно может удерживать в себе. Стекловолокно укладывают между пластинами, немного сжимают и припаивают для удержания его на месте. Благодаря плотной упаковке стекловолокна и электродных пластин, АКБ имеет высокую устойчивость к вибрации.

Вплетённые тонкие волокна стекла увеличивают площадь поверхности, которая удерживает электролит в течение всего срока эксплуатации. Эти волокна не подвержены воздействию кислоты из электролита. Стекловолокно увеличивается в объёме на 2–5% после пропитки электролитом.

Благодаря такой конструкции AGM батареи могут быть установлены практически в любом положении и не требуют обслуживания. На самом деле термин «необслуживаемый» некорректен. Аккумуляторы VRLA не требуют доливки воды и проверке плотности электролита, но их необходимо содержать в чистоте и периодически заряжать от зарядного устройства. Кроме автомобилей, AGM аккумуляторы используются в мотоциклетной технике, портативных электрических устройствах, автономных энергосистемах и т. п.

Среди особенностей AGM аккумуляторных батарей следует отметить низкое внутреннее сопротивление. Благодаря этому, они могут выдавать постоянный ток даже в разряженном состоянии. Кроме того, они имеют длительный срок службы, даже при постоянных глубоких разрядах. В то же время они не требуют регулярного подзаряда, как свинцово-кислотные с жидким электролитом.

Это объясняется тем, что они существенно меньше подвержены сульфатации. Батареи AGM могут довольно долго находиться в разряженном состоянии, а для WET – это губительно. Стоит добавить к этому низкий саморазряд и стабильную работу в условиях низких температур.

Между глубиной разряда и сроком службы AGM батареи есть зависимость. При более глубоких разрядах жизненный цикл аккумулятора сокращается. Отсюда такой разброс по заявленному сроку эксплуатации – от 500 до 1300 циклов.

Что касается электрохимических процессов в батареях AGM, то они аналогичны WET аккумуляторам. В процессе разряда свинец и кислота из электролита реагируют с образованием сульфата свинца и воды. При последующей зарядке сульфат свинца и вода обратно преобразуются в свинец и серную кислоту. Отличия заключаются в работе аккумуляторов при превышении зарядного тока.

Если зарядный ток слишком высокий, то начинается электролиз с разложением воды на водород и кислород. Из-за этого идёт расход воды из электролита. Поэтому WET аккумуляторы требуют регулярной проверки уровня электролита и доливки при необходимости.

В аккумуляторных батареях VRLA выделяющиеся газы (водород и кислород) удерживаются внутри. Но только до тех пор, пока давление остаётся в безопасных пределах. В нормальном режиме работы газы рекомбинируются внутри корпуса батареи. В некоторых случаях для этого используется катализатор. В результате доливка воды не требуется. Но при сильном зарядном токе давление превышает допустимый безопасный предел и открываются предохранительные клапаны для сброса избыточного давления.

Причём вышедший в результате сброса давления кислород и водород в AGM батареях нельзя возместить доливкой дистиллированной воды. Стоит также отметить, что связанный в стекловолокне электролит несколько препятствует электрохимическим реакциям, генерирующим электрический ток. В результате АКБ типа VRLA имеют меньший пусковой ток, чем у WET. Поэтому они чаще применяются там, где цикл разряда идёт медленнее, а не импульсно высоким током, как в случае запуска двигателя автомобиля.

Стоит помнить, что AGM аккумуляторы, как и WET, требуют вентиляции в процессе работы. Это необходимо, чтобы не увеличивалась концентрация водорода и кислорода. Иначе может произойти воспламенение и взрыв. Помимо этого батареи Absorbed Glass Mat требуют адекватного охлаждения.

Вернуться к содержанию
 

Конструкция

Аккумуляторные батареи VRLA, одной из разновидностей которых являются AGM, могут иметь конструкцию двух видов:

• с плоскими электродами;
• с электродами в форме спирали (рулон).

AGM аккумуляторы оснащаются предохранительным клапаном, который сбрасывает избыточное давление. В большинстве случаев это происходит при перезарядке. Стоит помнить, что каждый такой сброс снижает ёмкость батареи, поскольку газообразный водород не восстанавливается. В литературе о настройке клапанов сообщается следующее:

• с прямоугольными электродами 1─2 фунта на кв. дюйм;
• со спиральными ─ 40 фунтов на кв. дюйм.

Клапаны оснащаются диффузорами газа, позволяющими безопасно рассеивать газообразный водород.

В отличие от стандартных WET батарей, которые работают только с вертикальным расположением пластин, AGM допускается монтировать в любом положении. Разливы кислоты не страшны, поскольку её нет.

Вернуться к содержанию
 

Эксплуатация и обслуживание

Зарядка

Как уже говорилось при высоком зарядном токе в свинцово-кислотной АКБ начинается разложение (гидролиз) воды. Для моделей AGM это становится проблемой, поскольку возместить потери доливкой воды нельзя. Поэтому для аккумуляторов этого типа зарядка ведётся при постоянном напряжении. Это наиболее эффективный вариант для VRLA.

Автомобильные AGM аккумуляторы номиналом 12 В можно длительное время безопасно заряжать при напряжении 2,35 вольта на один элемент. Температура при этом должны быть не более 25 C. Большинство производителей рекомендуют прекратить заряд, когда температура достигает отметки 49 градусов Цельсия.

В сети можно найти примеры, когда владельцы AGM батарей быстро заряжают их высоким током. Это возможно, но при жёстком ограничении по времени (не более 1 часа). Длительный заряд при напряжении 2,7 В на один аккумуляторный элемент приводит к выходу аккумулятора из строя.

Нужно помнить, что быстрый заряд (скорость выше, чем скорость восстановления номинальной ёмкости АКБ за три часа) постоянным током может превысить возможность аккумуляторного элемента проводить рекомбинацию кислорода и водорода.

Вернуться к содержанию
 

Применение

Теперь стоит немного подробнее сказать о сферах применения AGM аккумуляторов.

АКБ этого типа широко распространились в современных мотоциклах, вездеходах и прочей мототехнике. Это объясняется тем, что их можно устанавливать в любом положении и нет угрозы розлива кислоты под действием вибрации, резких поворотов, аварий и т. п.

Что касается легковых автомобилей, то AGM используются лишь в моделях сегмента люкс из-за своей высокой стоимости. По умолчанию автомобильные производители устанавливают их на модели, имеющие системы «Старт-Стоп» и рекуперацию тормозной энергии. При этом управление зарядом АКБ в бортовой сети должен управлять компьютер для исключения перезаряда.

Ещё одно направление для использования AGM ─ транспортные средства, участвующие в автогонках. Аккумуляторные батареи этого типа нашли применение в автономных солнечных и ветроэнергетических станциях. Там они используются в роли накопителя электроэнергии. На AGM работает любительская робототехника и удалённые датчики в системах мониторинга льда в Арктике. Они применяются там благодаря своей стабильной работе при низких температурах.

Ещё одно направление – это инвалидные коляски с электроприводом. Они используются внутри помещений. Поэтому требуется низкие выделения газа и кислотных паров, а ещё лучше, их полное отсутствие. VRLA удовлетворяют этим требованиям. AGM батареи можно встретить в источниках бесперебойного питания (ИБП) для различной компьютерной техники.

Можно также отметить их использование в авиамоделировании. Там они успешно применяются наряду с литиевыми батареями. AGM аккумуляторы по-прежнему используются в военной и авиационной технике, для которой они изначально и разрабатывались. Мелкая морская и речная техника также использует эти АКБ. Например, питание троллинговых моторов для рыбацких лодок, водные мотоциклы и т. п.

Ниже приведены ещё некоторые важные направления применения AGM батарей:

• телекоммуникационное оборудование;
• блоки управления производственным оборудованием;
• различное автономное оборудование, где раньше использовались другие типы АКБ.

Вернуться к содержанию
 

Преимущества и недостатки

Преимущества и недостатки AGM аккумуляторов обычно рассматриваются в свете сравнения со стандартными свинцово-кислотными АКБ. Поэтому далее, если что-то написано лучше или хуже, то сравнение идёт именно с ними. Ниже приведена таблица с основными плюсами и минусами технологии Absorbed Glass Mat.

Преимущества AGM	Недостатки AGM
Герметичность. Защита от попадания влаги. Кроме того, исключено попадание искр внутрь (увеличение безопасности использования).	Более высокие производственные затраты и конечная стоимость.
Низкое внутреннее сопротивление.	Чувствительность к перезаряду.
Более высокая скорость заряда по сравнению с WET.	Ёмкость постепенно снижается в процессе эксплуатации.
Более длительный срок службы.	Желательно хранить в заряженном состоянии. Хотя это менее критично, чем в случае WET.
Нет расхода воды. Происходит рекуперация воды и кислорода (если не нарушены условия заряда).	Менее приспособлены для отдачи высоких токов в момент запуска двигателя.
Стойкость к вибрации.
Отсутствие жидкого электролита даёт возможность устанавливать их в любом положении.
Сохраняет работоспособность при низких температурах.
Меньше процесс сульфатации.
На аккумулятор расходуется меньше свинца и электролита.

Как видите, AGM аккумуляторы не являются лечением всех «болезней» свинцово-кислотных АКБ с жидким электролитом. Конструкция и устройство позволяют использовать их в некоторых случаях более эффективно, чем WET. А также они в ряде устройств могут заменить вредные Ni─Cd батареи. Но из-за высокой стоимости они не получили широкого распространения на рынке, а просто заняли определённые ниши.
Вернуться к содержанию
 

Опрос

Примите участие в опросе!

 Загрузка …
Если статья оказалась для вас полезной, распространите ссылку на неё в социальных сетях. Это поможет развитию сайта. Исправления и дополнения к материалу, а также ваши отзывы об аккумуляторах AGM, оставляйте в комментариях ниже.
Вернуться к содержанию

Назначение и принцип работы

Аккумуляторные батареи тепловозов предназначены для питания током тяговых генераторов или стартер-генераторов при пуске дизелей, питания цепей управления и освещения при неработающем дизеле. Аккумуляторная батарея состоит из последовательно соединенных элементов, работа которых основана на способности электрической энергии преобразовываться в химическую и, наоборот, способности химической энергии преобразовываться в электрическую. На тепловозах применяют кислотные (свинцовые) и щелочные (никель-железные и никель-кадмиевые) аккумуляторы, отличающиеся друг от друга материалом пластин и составом электролита.

Простейший кислотный аккумулятор представляет собой сосуд с водным раствором серной кислоты (электролитом), в который погружены два электрода (свинцовые пластины). В кислотных аккумуляторах активной массой положительных пластин служит перекись (двуокись) свинца (РЬО_>) темно-коричневого цвета, а отрицательных — губчатый (чистый) свинец (РЬ) серого цвета. При разрядке ток внутри элемента протекает от отрицательной пластины к положительной, активная масса переходит в сернокислый свинец, на что расходуется серная кислота, взамен которой образуется вода, плотность электролита понижается.

Во время заряда ток от внешнего источника подводится к положительной пластине и проходит по электролиту к отрицательной пластине. Сернокислый свинец на отрицательной пластине восстанавливается в губчатый свинец, а на положительной пластине превращается в двуокись свинца. При этом образуется серная кислота, а так как на ее образование расходуется вода, то плотность электролита повышается.

Аккумулятор после заряда приходит в то же состояние, в каком он находился до разряда.

Напряжение и э.д.с. кислотного аккумуляторного элемента независимо от размеров аккумулятора при нормальной плотности электролита и средней температуре составляют 2-2,1 В; с увеличением плотности электролита э.д.с. элемента возрастает. Если внешняя цепь разомкнута, то э.д.с. и напряжение аккумулятора равны.

Аккумулятор, как и любой другой источник электрической энергии, обладает внутренним сопротивлением 1?Вн, поэтому напряжение U, подведенное к аккумулятору при заряде, больше э.д.с. аккумулятора Е:

У = £+//?,.,.

При разряде напряжение на зажимах аккумулятора меньше его э.д.с. на значение внутреннего паления напряжения:

U = E-IRm.

Во время заряда напряжение аккумулятора изменяется. Вначале напряжение элемента почти не изменяется, а к копну заряда (примерно через 3,5 ч) поднимается до 2,6 2,7 В, при этом около пластин интенсивно выделяются газы (электролит кипит). После отключения аккумулятора от источника тока напряжение элемента быстро снижается до 2,1 2,2 В. Во время разряда напряжение аккумулятора быстро падает до 2 В, а затем медленно уменьшается до 1,8 В. Нел и продолжать разряд дальше, то напряжение начнет резко падать. Чтобы избежать повреждения аккумулятора, при напряжении 1,7 В разряд прекращают.

Емкостью аккумулятора называется количество электричества, которое можно получить от полностью заряженного аккумулятора при разряде до минимально допустимого напряжения на зажимах. Емкость аккумулятора равна произведению разрядного тока на вре мя разряда и выражается в ампер-часах (А-ч).

Емкость аккумулятора зависит от количества и пористости активной массы пластин (размера и толщины), плотности (концентра чип) и температуры электролита и значения разрядного тока.

Количество электричества и энергии, которое отдает в пень аккумулятор при разряде, всегда меньше, чем полученные им при заряде. Величины, характеризующие степень использования количества электричества и энергии (выраженные в процентах), называются отдачей аккумулятора. Значение, показывающее степень использования количества электричества, называется ампер-часовой отдачей, а показывающее использование энергии ■-ватт-часовой отдачей, или к.п.д. аккумулятора. Для кислотных аккумуляторов ампер-часовая отдача равна 80- 85%, а для щелочных — 60 70%.

При работе аккумуляторов и их храпении с электролитом происходит потеря емкости (на утечки тока, саморастворение электродов и др.), которая называется саморазрядом аккумулятора.

Щелочные аккумуляторы применяются двух типов: никель-железные и никель-кадмиевые. Активная масса положительных пластин в этих аккумуляторах состоит из окисла никеля, смешанного для увеличения электропроводности с графитом. Эта масса помещена в тонкие железные оболочки с мелкой перфорацией. Отрицательные пластины изготовлены из губчатого железа (никель-железные аккумуляторы) или из губчатого кадмия с добавлением губчатого железа, В качестве электролита используют раствор едкого кали в дистиллированной воде. При разряде аккумулятора окислы никеля в положительных пластинах переходят в гидрат окиси железа. Особенностью щелочных аккумуляторов является то, что концентрация раствора едкого кали при разряде остается неизменной. Поэтому напряжение щелочных аккумуляторов почти не зависит от плотности электролита и определяется степенью окисления активной массы. Во время заряда происходит обратный процесс: на положительных пластинах образуются окислы никеля, а на отрицательных восстанавливается губчатое железо.

Полностью заряженный аккумулятор имеет э.д.с, равную примерному 1,45 В. Об окончании заряда щелочного аккумулятора судят по напряжению. После того как напряжение под нагрузкой достигнет 1,83 В, заряд продолжают еще в течение 30-40 мин, а затем прекращают. Длительность заряда составляет 6-7 ч. Вначале разряда напряжение довольно быстро падает до 1,3 В, затем медленно снижается до 1,1 В; при таком напряжении разряд следует прекратить, иначе напряжение начнет резко уменьшаться.

Щелочные аккумуляторы имеют ряд преимуществ перед кислотными: увеличенный срок службы (пять — семь лет вместо двух-трех), использование для изготовления менее дефицитных материалов, они медленнее, чем свинцовые, саморазряжаются (при этом не разрушаются пластины), имеют большую механическую прочность и малую чувствительность к перезаряду и недозаряду, а также к большим разрядным токам, требуют более простого обслуживания и ремонта.

⇐ | Испытания электрических машин | | Рудая К. И., Логинова Е. Ю. Тепловозы. Электрическое оборудование и схемы. Устройство и ремонт | | Устройство тепловозных аккумуляторных батарей | ⇒

Устройство аккумулятора

Автор admin На чтение 5 мин. Просмотров 224

Базовый принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора (АКБ), определяемый термином «двойная сульфатация», был разработан (изобретен) более полутора веков назад в районе 1860 года и с тех пор никаких принципиальных новшеств не претерпел. Появилось достаточное количество специализированных моделей, но устройство аккумулятора выпущенного вчера в Японии или производимого сегодня в России или в Германии, такое же, как и устройство самой первой батареи собранной «на коленке» во Франции, с неизбежными улучшениями и оптимизацией.

Назначение

АКБ в обычном автомобиле предназначен для работы стартера при запуске двигателя и для устойчивого снабжения заданного вольтажа электроэнергией, многочисленного электрооборудования. При этом роль автомобильного аккумулятора, как «энергетического буфера», при недостаточном поступлении энергии от генератора не менее важна. Типичный пример подобного режима – при работе двигателя на холостых оборотах во время стояния в пробке. В такие моменты весь электропакет и дополнительное сервис-оборудование запитаны только от аккумулятора. Критически важна роль кислотного аккумулятора при аварийных форс-мажорах: поломка генератора, регулятора напряжения, выпрямителя тока, при обрыве ремня генератора.

Правила подзарядки

Подзарядка свинцово-кислотного автомобильного аккумулятора в штатном режиме производится от генератора. При интенсивной работе батареи требуется ее дополнительная подзарядка в стационарных условиях через специальное зарядное устройство. Особенно это актуально в зимнее время, когда возможность холодной батареи принимать заряд резко снижается, а потребление энергии на раскрутку мотора на морозе возрастает. Поэтому зарядку автомобильного АКБ необходимо проводить в тепле после его согревания естественным образом.

Важно! Ускорение согревания батареи горячей водой или феном недопустимо, так как реально разрушение пластин вследствие резкого перепада температур. При опадении наполнителя на дно банок, резко возрастает возможность саморазряда за счет замыкания пластин.
Для так называемых «кальциевых» аккумуляторов, недопущение полного или значительного разряда критически важно, потому что ресурс этого типа батарей ограничен 4-5 циклами полной разрядки, после чего аккумулятор приходит в негодность.

В современных гибридных автомобилях и в электромобилях аккумуляторная батарея имеет повышенные размеры и емкость, обеспечивая движение. Их так и называют – тяговые. В «чистых» электромобилях только аккумуляторы являются поставщиком энергии для движения и работы всего электрооборудования, отчего имеют значительные размеры и в разы большую емкость, чем батарея в «классическом» автомобиле с карбюраторным двигателем. Например: танковые, тепловозные, на подводных лодках и так далее. Хотя принцип кислотного аккумулятора во всех случаях одинаков за исключением размеров.

Устройство кислотного АКБ и принцип его работы

Устройство кислотной АКБ (свинцово-кислотного) различного назначения, от разных производителей отличается не принципиально и в тезисной форме выглядит следующим образом:

1. пластиковый контейнер-корпус из инертного, устойчивого к агрессивной среде материала;
2. в общем корпусе располагается несколько модулей-банок (как правило шесть), которые являются полноценными источниками тока и соединяются между собой тем или иным способом в зависимости от основных задач;
3. в каждой банке располагаются плотные пакеты, состоящие последовательно из разделенных диэлектрическими сепараторами отрицательно и положительно заряженных пластин (свинцовый катод и анод из диоксида свинца соответственно). Каждая пара пластин является источником тока, их параллельное соединение кратно увеличивает выдаваемое на напряжение;
4. пакеты залиты раствором химически чистой серной кислоты, разбавленной до определенной плотности дистиллированной водой.

Работа кислотного аккумулятора

В процессе работы кислотного аккумулятора на катодных пластинах образуется сульфат свинца и выделяется энергия в виде электрического тока. За счет выделяемой в процессе электрохимической реакции воды плотность кислотного электролита падает, он становится менее концентрированным. При подаче напряжения на клеммы в процессе зарядки происходит обратный процесс с восстановлением свинца до металлической формы и повышается концентрация электролита.

Как устроена щелочная батарея и принцип ее работы

Устройство щелочной батареи аналогично таковому у кислотного. Но положительно и отрицательно заряженные пластины имеют другой элементный состав, а в качестве электролита используется раствор едкого кали определенной плотности. Есть и другие отличия — в самом корпусе контейнера, выводе клемм и в наличии мелкосетчатой «рубашки» вокруг каждой отдельной пластины.

Отрицательные катоды традиционного щелочного аккумулятора выполнены из губчатого кадмия с примесью губчатого железа, положительные – из гидроокиси трехвалентного никеля с добавлением чешуйчатого графита, добавка которого, обеспечивает лучшую электропроводность катода. Пары пластин параллельно соединяются между собой в банках, которые тоже соединены параллельно. В процессе зарядки щелочного аккумулятора двухвалентный никель в гидрате закиси меняет валентность до значения «8» и превращается в гидрат окиси; соединения кадмия и железа восстанавливаются до металлов. При разрядке процессы противоположны.

Достоинства щелочной АКБ

К достоинствам щелочного типа относятся:

• внутреннее устройство обеспечивает повышенную устойчивость к механическим нагрузкам, в том числе к тряске и ударам;
• разрядные токи могут быть значительно выше, чем у кислотного аналога;
• в принципе отсутствует испарение/выделение вредных веществ с газами;
• легче и меньше при равных емкостях;
• имеют очень высокий ресурс и служат в 7-8 раз дольше;
• для них не является критичными перезаряд или недозаряд;
• эксплуатация их проста.

По достижении максимального возможного заряда и при продолжении подключения к зарядному устройству никаких отрицательных электрохимических процессов с элементами не происходит. Просто начинается электролиз воды на водород и кислород с ростом концентрации едкого кали и падением уровня электролита, что безопасно и легко компенсируется добавлением дистиллированной воды.
Очевидно, что имеются показатели, по которым этот тип аккумуляторов хуже кислотного:

• использование дорогостоящих материалов повышает стоимость на единицу емкости до четырех раз;
• более низкое – 1,25 В против 2 и выше В — напряжение на элементах.

Заключение

Правильная эксплуатация любого типа АКБ обеспечивает его долгую и надежную работу, что не только позволяет экономить финансы, но и гарантирует большую безопасность и комфорт при езде на автомобиле.

Мне нравится1Не нравится

Что еще стоит почитать

Устройство необслуживаемого аккумулятора автомобиля

Аккумуляторная батарея (АКБ) автомобиля представляет собой особо значимый элемент устройства машины. Он является источником тока, имеющего способность запасать энергию, нужную для работы электрических элементов транспортного средства.

Его функции отвечают за:

1. Запуск — подачу энергии стартеру, который отвечает за вращение двигателя при запуске.
2. Выработку тока для работы электронных систем в случае недостаточной мощности генератора.
3. Питание устройств при не заведенном автомобиле.

Характеристика необслуживаемого аккумулятора

Маркировка аккумулятора

Сегодняшний уровень технического развития дал возможность фирмам автопроизводителям использовать наиболее совершенные и качественные аккумуляторы — необслуживаемые аккумуляторные батареи.

Устройство необслуживаемого аккумулятора автомобиля имеет характерные особенности, дающие приятную возможность потребителям уделять данной батарее минимум внимания.

Обслуживание автомобильного аккумулятора

Стоит обозначить, что необслуживаемый аккумулятор – это современный источник энергии, который в своем устройстве не предполагает и не имеет специальных отверстий для доливания воды или электролита, корпус данных батарей полностью герметичен.

С момента разработки автомобильного аккумулятора прошло более 150 лет и его базовое устройство остается без изменений для любого типа АКБ по настоящее время. Главными элементами АКБ являются: кислота и свинцовые пластины.

Конструкция аккумуляторной батареи

Современные АКБ состоят из следующих основных элементов:

1. Пластины (гальванические элементы)
2. Сепараторы – прослойки
3. Полюсные выводы
4. Герметичный корпус (моноблок)
5. Крышка корпуса

Элементы аккумулятора

Пластины аккумулятора

В техническое устройство аккумуляторных батарей включены гальванические элементы (пластины) – химические источники электроэнергии. Их количество составляет 6 штук, они соединены друг с другом последовательно, при помощи перемычек. Один отрицательно заряженный вывод блока крепится к положительному выводу другого.

Гальванические элементы располагаются в отдельном корпусе, при этом они разделены перегородками. В своей совокупности аккумуляторы образуют батарею.

Гальванический элемент автомобильного аккумулятора относится к обратимым источникам химического тока – это означает, что цикл «заряд-разряд» можно повторять несколько раз. Он состоит из двух электродов (полублоков) разной полярности – свинцовых решетчатых пластин. Электроды располагаются в растворе серной кислоты (38 %) и дистиллированной воды. Их смесь является электролитом – веществом, способным проводить ток.

Сепараторы — прослойки

Между электродами, во избежание короткого замыкания, находится сепаратор – диэлектрическая прослойка. Сепаратор выполняет функцию изолятора, и не допускает соприкосновения электродов разной полярности, но при этом не нарушает электролитическую проводимость батареи.

Сепаратор изготовлен из пластмассы микропористой структуры, в виде конверта, надетого на гальванические элементы положительного заряда. Такой прием помогает активной массе с положительно заряженных пластин не оседать на дне моноблока и не соприкасаться с пластинами отрицательного заряда.

Разработка устройства сепаратора в форме конверта позволила фирмам производителям АКБ прийти к малообслуживаемым и необслуживаемым аккумуляторам.

Полюсные выводы

Полюсные выводы АКБ изготовлены из свинца. Их размер различается в зависимости от полярности вывода, так положительный является большим по отношению к отрицательному. Данная особенность не случайна и служит защитой от неправильного подключения элементов аккумуляторной батареи, что в свою очередь исключает потерю активных масс и помогает избежать сокращения работоспособности АКБ.

Герметичный корпус АКБ

Корпус аккумулятора (моноблок) прошел свою эволюцию от деревянного, покрытого изнутри листовым свинцом, далее – эбонита.

В 40-х гг. XX века появились первые корпуса из синтетических материалов. Современные АКБ состоят из синтетического полипропилена. К материалам моноблоков предъявляются большие требования относительно его долговечности и безопасности. Корпус рассчитан выдерживать постоянное соприкосновение химических составляющих, вибрацию и изменение температуры.

Крышка корпуса

Назначение крышки корпуса – плотное закрытие межэлементных соединений АКБ. У прежних аккумуляторов ячейками были резьбовые пробки, предназначенные для доливки электролита и отвода газа при эксплуатации аккумулятора. В конструкции необслуживаемого АКБ пробки не установлены вообще, либо плотно закрыты. Вывод газов предусмотрен при помощи центральной системы вентиляции.

Она состоит из двух частей и оборудована лабиринтом. При помощи лабиринта водяные пары образующиеся при зарядке АКБ конденсируются и стекают обратно в батарею. В крышку интегрированы центральный газоотвод и система защиты от воспламенения газов. Защита от воспламенения выполнена на выходе газоотвода из аккумулятора в виде небольшого круглого диска, она получила название — фритта. Принцип действия фритты заключён в свободном прохождении газа в атмосферу, но при воспламенении газа, препятствованию прорыву огня внутрь, чтобы не допустить взрыв аккумулятора.

Типы АКБ

Все автомобильные аккумуляторы как упоминалось ранее одинаковы по конструкции и наполнены электролитом, лишь незначительно отличаются друг от друга. Каждая модификация предназначена для достижения определённой цели в ущерб другим характеристикам.

АКБ с жидким электролитом

Представляют собой открытые системы, т.е. газ, выделяющийся при зарядке может выделяться в атмосферу. У него отличные эксплуатационные характеристики, большой срок хранения до 15 месяцев, но отсутствует защита от вытекания электролита.

АКБ Economy

Этот тип аккумулятора оптимален по стоимости и сроку службы, в нём применяется меньшее количество свинца. У него пониженная мощность холодного пуска двигателя и незначительно уменьшен срок службы (4 года или 80000 км). При этом более выгодная цена, меньшая масса и низкий ток саморазряда, который не увеличивается по мере старения батареи. Могут применяться в автомобилях с системой старт-стоп.

Усовершенствованная АКБ

Они имеют аббревиатуру EFB (Enhanced Flooded Battery) – усиленная АКБ с жидким электролитом. Конструктивно отличаются более толстой решёткой отрицательного электрода, обеспечивающей высокую стойкость к коррозии при нагрузке большим током, а также добавлением углерода в активную массу отрицательного электрода, что приводит к улучшенной способности к зарядке.

Обладает защитой от глубокого разряда и отличными эксплуатационными характеристиками, но отсутствует защита от вытекания электролита.

В его конструкции применяется пассивный перемешивающий элемент, он уменьшает расслоение электролита, т.е. образование слоёв с различной концентрацией серной кислоты, которая концентрируется в нижней части гальванических элементов, что приводит к недостаточной плотности электролита в верхней части. Это происходит при частом повторении процессов зарядки и разрядки.

АКБ AGM

Absorbent Glass Mat – стекловолокно, обладающее очень высокой впитывающей способностью. Ещё их называют рекомбинационными, применяются на автомобилях с системой старт-стоп и функцией рекуперации энергии. В таких аккумуляторах электролит адсорбирован стекловолоконным ковриком. Они представляют собой закрытую систему, т.е. все гальванические элементы изолированы от атмосферы клапанами.

Обладает защитой от вытекания, даже при повреждении корпуса батареи вероятность незначительна и составляет не более нескольких миллилитров. У них большой срок службы, отличные эксплуатационные характеристики и высокая надежность. Но, с другой стороны, обладает высокой стоимостью и более высокой чувствительностью к повышенной температуре.

Гелевые АКБ

Также существуют батареи с гелеобразным электролитом, он образуется путём добавления в него кремниевой кислоты. Представляют собой обычные свинцовые батареи. Они имеют очень малую вероятность потери электролита, высокую циклическую стойкость и сниженное газообразование. Их массовое распространение ограничивает ряд серьезных недостатков, таких как: ухудшенные пусковые свойства при низких температурах, высокая стоимость, непереносимость повышенных температур и связанная с нею непригодность к установке в подкапотном пространстве.

Устройства отключения АКБ

В схеме подключения аккумуляторной батареи для безопасности могут применяться пиропатроны или реле отключения, особенно если она располагается в салоне или в багажнике. Задача этих элементов отсоединить от батареи провод стартера и генератора в момент аварии, т.к. замыкание этих проводов может вызвать возгорание. Но электропитание бортовой сети сохраняется для обеспечения функций безопасности (аварийная сигнализация, освещение и др.)

Процессы заряда и разряда

Процесс заряда АКБ означает накопление аккумулятором электрической энергии. В исходе данного процесса электрическая энергия проходит преобразование в химическую.

Аккумуляторная батарея питается от генератора при заведенном двигателе автомобиля. Напряжение, которое вырабатывает стандартный заряженный аккумулятор во время работы, равно 12,65 В.

Процесс заряда можно описать, как переход сульфата свинца и воды, образованных при разряде АКБ в свинец, двуокись свинца и серную кислоту. При этом количество серной кислоты становится больше, плотность вещества электролита повышается.

В результате накапливается и восстанавливается химическая энергия, которая необходима в дальнейшем для выработки электроэнергии.

Процесс разряда АКБ характеризуется отдачей потребителям батареи электрической энергии. Идет обратный химический процесс – химическая энергия проходит преобразование в электрическую.

Аккумулятор подвергается процедуре разряда при наличии подключенного к нему потребителя электрического тока. В данном случае серная кислота распадается, соответственно, ее содержание в веществе электролита падает.

Протекающие химические реакции способствуют к образованию воды (Н2О). При повышенном уровне воды снижается плотность электролита.

Разряд аккумуляторной батареи приводит к появлению сульфата свинца. Такой эффект одинаков для положительного и отрицательного электродов.

Основные характеристики АКБ

Коэффициент преобразования энергии

Поступающая к батарее энергия во время заряда аккумулятора больше отдаваемой им при разряде. Превышение энергии «заряда» к энергии «разряда» основывается на необходимости покрытия затрат при протекании электрических и химических процессов.

Для полного заряда нужно 105–110 % энергии от количества расходованной ранее. Таким образом, коэффициент преобразования будет иметь значение от 1,05 до 1,10.

Емкость

Емкость АКБ пропорциональна выдаваемому ей количеству электрического тока. Единица измерения емкости—ампер-часы (А-ч).

На показатели емкости влияют разрядный ток и температура. Она имеет свойство снижаться при увеличении разрядного тока и падении температуры, в частности при значениях меньше 0 градусов.

Номинальное напряжение

Стандартное напряжение каждого элемента АКБ соответствует 2 В, а напряжение всей цепи батарей равно количеству гальванических элементов. Аккумулятор машины состоит из 6 батарей, что соответствует номинальной емкости в 12 В.

Ток холодной прокрутки

Данный показатель служит характеристикой пусковых возможностей аккумулятора при его эксплуатации в условиях низкой температуры. Этот параметр замеряется при –18 °С. Напряжение полностью заряженного АКБ не опускается ниже заданного в течение определенного количества времени. Уровень тока влияет на запуск двигателя автомобиля, так как чем выше величина тока в холодной прокрутке, тем легче двигатель будет запускаться в зимнее время года.

Напряжение

Напряжение, значение которого измерено между двумя полюсными выводами аккумулятора – напряжение на клеммах.

Напряжение газовыделения – параметр, при превышении которого в корпусе аккумулятора образуется вода. Это возникает при превышении напряжения всей батареи, максимально допустимое значение при этом 14,4 В.

Разложение воды приводит к образованию водорода и кислорода, которые в соединении образуют газ. Внимание — это взрывоопасно!

Напряжение покоя или напряжение холостого хода – состояние, когда нагрузки на выходах АКБ нет. Циклы заряда и разряда изменяют напряжение холостого хода. При восстановлении количества серной кислоты между гальваническими элементами напряжение холостого хода приходит к окончательному значению – напряжению покоя.

Принцип работы батареи — Электротехника 123

Если мы хотим правильно понять основной принцип батареи , во-первых, мы должны иметь некоторую базовую концепцию электролитов и сродства к электрону. На самом деле, когда два разнородных металла или металлических соединения погружают в электролит, между этими металлами или металлическими соединениями возникает разность потенциалов. Следовательно, возникает протекание тока, которое на самом деле связано с разностью потенциалов.

Было обнаружено, что при добавлении в воду определенных соединений они растворяются и образуют отрицательные и положительные ионы. Этот тип соединения называется электролитом . Популярными примерами электролитов являются почти все виды солей, кислот, оснований и т. Д.

Энергия, выделяемая при приеме электрона нейтральным атомом, известна как сродство к электрону. Поскольку атомная структура для разных материалов различна, сродство к электрону разных материалов будет отличаться.Если два разных типа металлов или металлических соединений погрузить в один и тот же раствор электролита, один из них получит электроны, а другой — высвободит электроны.

Какой металл (или металлическое соединение) получит электроны, а какой потеряет их, зависит от сродства к электрону этих металлов или металлических соединений. Металл с низким сродством к электрону будет получать электроны от отрицательных ионов раствора электролита.

Сродство к электрону в функции батареи

С другой стороны, металл с высоким сродством к электрону высвобождает электроны, и эти электроны выходят в раствор электролита и добавляются к положительным ионам раствора.Таким образом, один из этих металлов или соединений приобретает электроны, а другой теряет электроны. В результате между этими двумя металлами будет разница в концентрации электронов. Эта разница в концентрации электронов вызывает разность электрических потенциалов между металлами. Эта разность электрических потенциалов или ЭДС может использоваться в качестве источника напряжения в любой электронике или электрической цепи. Это общий и основной принцип батареи .

Все аккумуляторные элементы основаны только на этом основном принципе.Как мы знаем из истории аккумуляторов, Алессандро Вольта разработал первый аккумуляторный элемент, который широко известен как простой гальванический элемент. Такой тип простой ячейки можно создать очень легко. Возьмите одну емкость и заполните ее разбавленной серной кислотой в качестве электролита. Теперь погрузите цинк и один медный стержень в раствор и подключите их снаружи с помощью электрической нагрузки. Теперь ваш простой гальванический элемент готов. Ток начнет течь через внешнюю нагрузку.

Цинк в разбавленной серной кислоте отдает электроны, как показано ниже:

Эти ионы Zn ^{+ +} переходят в электролит, и их концентрация очень высока вблизи цинкового электрода.В результате вышеуказанной реакции окисления цинковый электрод остается заряженным отрицательно и, следовательно, действует как катод. Разбавленная серная кислота и вода диссоциируют на ионы гидроксония, как показано ниже: Из-за высокой концентрации ионов Zn ^{+ +} около катода ионы H ₃ O ⁺ отталкиваются к медному электроду и разряжаются за счет удаление электронов из атомов меди. На аноде происходит следующая реакция: в результате реакции восстановления, протекающей на медном электроде, медь остается положительно заряженной и, следовательно, действует как анод.

Батарейный элемент Daniell

Элемент Daniell состоит из медного сосуда, содержащего раствор сульфата меди. Сам медный сосуд действует как положительный электрод. В медный сосуд помещают пористую емкость с разбавленной серной кислотой. Амальгамированный цинковый стержень, погруженный в серную кислоту, действует как отрицательный электрод.

Когда цикл замкнут, разбавленная серная кислота в пористом резервуаре вступает в реакцию с цинком с выделением газообразного водорода. Реакция протекает следующим образом:

Образование ZnSO ₄ в пористой емкости не влияет на работу ячейки до тех пор, пока не осаждаются кристаллы ZnSO ₄ .Газообразный водород проходит через пористый резервуар и вступает в реакцию с раствором CuSO ₄ , как показано ниже: Медь, образованная таким образом, осаждается на медном резервуаре.

Как работает литий-ионный аккумулятор?

Представьте себе мир без литий-ионных батарей (часто называемых литий-ионными батареями или LIB ). Нужна помощь? Мобильные устройства не будут выглядеть так, как сейчас. Представьте себе огромные, тяжелые сотовые телефоны и ноутбуки. Также представьте, что обе эти вещи настолько дороги, что их могут себе позволить только очень богатые люди.Вы представляете 1980-е. Страшно, правда?

Знаете ли вы?

Литий-ионные батареи были впервые произведены SONY в 1991 году.

Литий-ионные батареи

стали огромной частью нашей мобильной культуры. Они обеспечивают питание большей части технологий, которые использует наше общество.

Из чего состоит литий-ионный аккумулятор?

Батарея состоит из нескольких отдельных ячеек , которые соединены друг с другом.Каждая ячейка содержит три основные части: положительный электрод (катод ), отрицательный электрод (анод ) и жидкий электролит .

Части литий-ионного аккумулятора (© Let’s Talk Science, 2019 г., на основе изображения ser_igor с iStockphoto).

Литий-ионные батареи, подобно сухим щелочным батареям, используемым в часах и пультах дистанционного управления от телевизора, обеспечивают питание за счет движения ионов. Литий в своей элементарной форме чрезвычайно реактивен.Вот почему в литий-ионных батареях не используется элементарный литий. Вместо этого литий-ионные батареи обычно содержат оксид лития-металла, такой как оксид лития-кобальта (LiCoO ₂ ). Это поставляет литий-ионы. В катоде используются оксиды лития-металла, а в аноде — литий-углеродные соединения. Эти материалы используются, потому что они допускают интеркаляцию. Интеркаляция означает, что молекулы могут что-то в них вставлять. В этом случае электроды могут легко перемещать ионы лития в свою структуру и выходить из нее.

Каков химический состав литий-ионных аккумуляторов?

Внутри литий-ионного аккумулятора протекают окислительно-восстановительные реакции.

Восстановление происходит на катоде. Здесь оксид кобальта соединяется с ионами лития с образованием оксида лития-кобальта (LiCoO ₂ ). Половина реакции:

CoO ₂ + Li ⁺ + e ^— → LiCoO ₂

Окисление происходит на аноде.Здесь соединение интеркаляции графита LiC ₆ образует графит (C ₆ ) и ионы лития. Половина реакции:

LiC ₆ → C ₆ + Li ⁺ + e ^—

Вот полная реакция (слева направо = разрядка, справа налево = зарядка):

LiC ₆ + CoO ₂ ⇄ C ₆ + LiCoO ₂

Как работает подзарядка литий-ионного аккумулятора?

Когда литий-ионный аккумулятор в мобильном телефоне питает его, положительно заряженные ионы лития (Li +) перемещаются от отрицательного анода к положительному катоду.Они делают это, перемещаясь через электролит, пока не достигнут положительного электрода. Там они хранятся. С другой стороны, электроны движутся от анода к катоду.

Что происходит в литий-ионной батарее при разряде (© Let’s Talk Science, 2019 г., на основе изображения ser_igor с iStockphoto).

Иллюстрация — текстовая версия

Когда батарея используется, ионы лития текут от анода к катоду, а электроны движутся от катода к аноду.

Когда вы заряжаете литий-ионный аккумулятор, происходит прямо противоположный процесс. Ионы лития возвращаются от катода к аноду. Электроны движутся от анода к катоду.

Что происходит с литий-ионным аккумулятором при зарядке (© Let’s Talk Science, 2019 г., на основе изображения ser_igor с iStockphoto).

Иллюстрация — текстовая версия

Когда батарея заряжается, ионы лития текут от катода к аноду, а электроны движутся от анода к катоду.

Пока ионы лития переходят от одного электрода к другому, существует постоянный поток электронов. Это дает энергию для работы вашего устройства. Поскольку этот цикл может повторяться сотни раз, этот тип батареи перезаряжаемый .

Знаете ли вы?

Иногда литий-ионные батареи называют «батареями для кресел-качалок». Это потому, что ионы лития «качаются» между электродами.

Что делает литий-ионные аккумуляторы подходящими для мобильных технологий?

Все просто. Литий-ионные батареи имеют самую высокую плотность заряда среди всех сопоставимых систем. Это означает, что они могут дать вам массу энергии, не будучи очень тяжелыми.

Это по двум причинам. Во-первых, литий — это самый электроположительный элемент из . Электроположительность — это мера того, насколько легко элемент может отдавать электроны для образования положительных ионов. Другими словами, это показатель того, насколько легко элемент может производить энергию.Литий очень легко теряет электроны. Это означает, что он может легко производить много энергии.

Литий также самый легкий из всех металлов. Как вы узнали, в качестве электродов в литий-ионных батареях используются интеркаляционные материалы, а не настоящий металлический литий. Тем не менее, эти батареи весят намного меньше, чем батареи других типов, в которых используются такие металлы, как свинец или никель.

Есть ли риски при использовании литий-ионных батарей?

Хотя эти батареи впечатляют, у них есть свои недостатки.Самая большая жалоба заключается в том, что они довольно быстро изнашиваются, независимо от того, используете вы их или нет. Обычный литий-ионный аккумулятор прослужит около 2–3 лет, прежде чем его потребуется заменить. Это может обойтись дорого! Производство и утилизация литий-ионных батарей также оказывает большое влияние на окружающую среду, поэтому чем дольше эти батареи могут прослужить, тем лучше.

Как вы узнали, литий чрезвычайно реактивен. Когда производители производят литий-ионные батареи, они должны принимать определенные меры предосторожности, чтобы их можно было безопасно использовать.Однако вы, возможно, слышали о некоторых электронных устройствах, таких как ноутбуки или сотовые телефоны, которые загорелись из-за своих батарей. Хотя это может быть хорошим предлогом для того, чтобы не сдать эссе на английском вовремя, это довольно опасная ситуация. По соображениям безопасности литий-ионные батареи включают сепаратор. Это предотвращает соприкосновение электродов элементов батареи друг с другом. Но если этот разделитель будет порван или поврежден, электроды могут соприкоснуться. Это может вызвать сильное перегревание. Если это нагревание вызывает искру, легко воспламеняющийся электролит может загореться.

Как только в одной камере возникает пламя, оно может быстро распространиться на другие. И прежде чем вы это заметите, ваш ноутбук представляет собой лужу расплавленного пластика. Накопление тепла также может вызвать очень быстрое повышение давления в вашем ноутбуке и БУМ!

Посмотрите, что происходит при коротком замыкании литий-ионного аккумулятора (1:13 мин.).

Однако не стоит особо беспокоиться. Эти события очень редки. На самом деле литий-ионные батареи очень безопасны. Кроме того, прямо сейчас ведется много исследований по улучшению каждой части этих батарей.Например, исследователи создали жидкий электролит, который при ударе превращается в твердое тело. Это поможет предохранить батареи от нагрева или возгорания в случае их повреждения! Вскоре литий-ионные батареи, вероятно, станут еще безопаснее, прослужат дольше и будут стоить еще дешевле.

Знаете ли вы?

Большинство электромобилей работают на литий-ионных батареях. Мы начинаем видеть все больше и больше автомобилей, которые подключаются к сети вместо того, чтобы заправляться бензином!

Схема принципа работы литий-ионного аккумулятора.

Контекст 1

… батареи — это электрохимические обратимые устройства, широко известные своей удельной мощностью, отсутствием необходимости в обслуживании, надежностью и длительным сроком службы. Энергия литий-ионных аккумуляторов хранится в материалах электродов. Центральный электролит обеспечивает перенос ионов, а два сепаратора электрически изолируют электроды и электролит (рис. 4). Электроны передаются от одного электрода к другому через внешнюю электрическую цепь.OCV литий-ионного элемента обычно близко к 4,2 В. Напряжение литий-ионного элемента в основном зависит как от тока нагрузки, так и от состояния заряда (SoC). Диапазон напряжения ячейки зависит от используемых химических реагентов, но обычно составляет от 4,2 В до 3 или 2,5 В. Поскольку реагенты накапливаются в электродах, характеристика напряжения сильно зависит от кинетики и истории электрохимической реакции. Как следствие, репрезентативная числовая модель литий-ионной батареи должна зависеть от времени. емкость аккумулятора.В модели зависимости от напряжения емкость, сопротивление и источник напряжения зависят от SoC. Чтобы смоделировать характеристику напряжения конкретной батареи, необходимо согласовать параметры с экспериментальными измерениями. Экспериментально исследована чувствительность характеристик PEMFC к высоте. Ожидается, что реакция системы по напряжению будет уменьшаться по мере падения давления окружающей среды, как описано в разделе 2.1. Аэробная система PEMFC мощностью 1 кВт, 24 элемента, названная Bahia и изготовленная Helion (французский производитель FC), испытывается при пяти различных стехиометрических факторах воздуха (от 1 до 1).5–2,5) и на трех разных высотах (200 м, 1 200 м и 2 200 м) [14]. В ограниченном диапазоне известно, что увеличение стехиометрического фактора воздуха увеличивает отклик напряжения FC (слишком высокие стехиометрические факторы могут привести к дегидратации мембраны и снижению протонной проводимости). Как показано на рис. 6, на расстоянии 200 м отклик по напряжению может быть улучшен за счет увеличения стехиометрического фактора воздуха с 1,5 до 2,5. Однако увеличение стехиометрического фактора воздуха приводит к увеличению энергопотребления компрессора.Испытания, проведенные на больших высотах, выявили ту же тенденцию, показав, что наилучшие характеристики достигаются при стехиометрическом коэффициенте 2,5. Как показано на рис. 7, характеристика напряжения блока FC уменьшается с увеличением высоты. После глубокого анализа было обнаружено, что избыточное давление воздушного компрессора также уменьшается с увеличением высоты. Следовательно, три параметра играют основную роль в значении парциального давления кислорода: давление окружающей среды, избыточное давление компрессора и средняя мольная доля кислорода в катодных каналах (которая зависит от стехиометрического фактора воздуха), как показано уравнением (9): ( 9) наблюдается мощность (от 50 до 65%).Это падение выходной мощности в основном связано с резким снижением парциального давления кислорода. Как следствие, оказывается, что системы PEMFC актуальны для наземных применений (электропривод носового колеса), приложений на малых высотах, в качестве замены ВСУ или для силовых установок легких самолетов на малых высотах. Что касается приложений на больших высотах, представляется необходимым оценить потери мощности в стеке FC. Экспериментальные исследования на высотах более 2 500 м материально затруднены. Поэтому модель, представленная в разделе 2.1 сначала соответствует экспериментальным данным, полученным на расстояниях 200 м, 1 200 м и 2 200 м, а затем используется для экстраполяции зависимости напряжения батареи FC на высоте 5 000 м. Результаты, представленные на рис. 9, показывают резкое падение напряжения в ячейке на высоте 5000 м. Отклик по напряжению при максимальном токе уменьшается на 19%, а его значение близко к 0,5 В, что является нижним пределом напряжения элемента, определяющим максимальный рабочий ток. Следовательно, в дополнение к резкой потере выходной мощности может возникнуть явление обезвоживания мембраны и уменьшение максимального тока (не учитываемое в модели), что еще больше снизит выходную мощность пакета FC.Как следствие, представляется необходимым рассмотреть конкретные разработки для подачи реагентов катода. Чтобы улучшить работу системы FC на большой высоте, необходимо будет интегрировать воздушный компрессор, отвечающий конкретным потребностям авиационных приложений. Центробежный компрессор с коэффициентом давлений более 2 компенсирует падение давления из-за высоты. Компрессоры этого типа нуждаются в доработке, чтобы соответствовать требованиям по массе и объему.В этой области ведутся исследования [16], поэтому мы решили сконцентрировать наши усилия на альтернативе использованию чистого кислорода в качестве окислителя. Это решение было впервые использовано несколько десятилетий назад для пространственных приложений. Сравнение проводится между аэробной системой PEMFC (на основе свойств системы Bahia), включающей воздушный компрессор, соответствующий целевым показателям спецификации DoE на 2010 год, и анаэробной системой PEMFC (на основе системы IMHOTEP, разработанной Helion для проекта APACHE) плюс чистый кислород. бак. Для обеих систем были рассмотрены хранилища водорода при давлении 350 и 700 бар.Номинальная полезная мощность 20 кВт на крейсерской высоте была основной спецификацией. Результаты для крейсерского полета на высоте 5 000 м представлены на рис. 10. Сравнение проводилось для 1 000 м, 2 500 м и 5 000 м как по массе, так и по объему. Основное различие между аэробными и анаэробными PEMFC …

Принцип работы, использование и преимущества твердотельной батареи — StudiousGuy

Твердотельные батареи очень похожи на литий-ионные. Единственное отличие состоит в том, что твердотельный аккумулятор состоит из твердого электролита вместо жидкого электролита.Для этого можно использовать такие материалы, как стекло, керамика и т. Д.

Указатель статей (Нажмите, чтобы перейти)

Конструкция твердотельной батареи

В твердотельной батарее используются твердые электроды, а также твердые электролиты. К твердым электролитам относятся оксиды, сульфиды, фосфаты, простые полиэфиры, сложные полиэфиры, на основе нитрила, полисилоксана, полиуретана и т. Д. Производительность батареи зависит от типа используемого электролита. Керамика подходит для жестких аккумуляторных систем благодаря своим высоким модулям упругости, а низкие модули упругости полимеров делают их пригодными для гибких устройств.

Работа твердотельной батареи

Работа твердотельной батареи очень похожа на работу литий-ионной батареи. Анод и катод батареи сделаны из электропроводящего материала. Между двумя электродами, содержащими заряженные ионные частицы, находится электролит. Ионы лития перемещаются через электролит между электродами. Это движение заряженных частиц в определенном направлении производит ток. Когда ионы перемещаются от катода к аноду, т.е.е., от положительного электрода к отрицательному, говорят, что он заряжается. Точно так же движение ионов в обратном направлении, то есть от анода к катоду, разряжает аккумулятор и подает ток на нагрузку.

Преимущества твердотельной батареи

1. Твердотельные батареи способны обеспечивать в 2,5 раза большую плотность энергии по сравнению с литий-ионными батареями.

2. Твердотельные батареи сравнительно более долговечны и безопасны.

3. Твердый электролит, используемый в твердотельных батареях, негорючий по своей природе, поэтому они менее подвержены возгоранию.

4. Твердотельные батареи сравнительно менее дороги и компактны.

5. Большая электрохимическая стабильность твердотельных аккумуляторов делает их более надежными.

6. Твердотельные батареи сравнительно легче по весу.

7. Скорость перезарядки твердотельных аккумуляторов в 4-6 раз больше, чем у обычных аккумуляторов.

8. Твердотельный аккумулятор не содержит летучих элементов.

Недостатки твердотельной батареи

1. Массовое производство и изготовление твердотельных батарей довольно сложны.

2. Исследования в области твердотельных аккумуляторов все еще продолжаются, и идеальный материал для электролита с идеальной ионной проводимостью еще не найден.

Использование твердотельной батареи

1. Твердотельные батареи широко используются в медицинских устройствах, таких как кардиостимуляторы, дефибрилляторы и т. Д.

2. В некоторых садовых инструментах и ​​оборудовании, например, в газонокосилках и т. Д., Используются твердотельные батареи.

3. Автомобильная промышленность широко использует твердотельные батареи для питания различных электромобилей.

4. Твердотельные батареи находят множество применений в обрабатывающей промышленности и производстве.

5. В аэрокосмической отрасли и спутниках твердотельные батареи обычно используются для питания различных гаджетов и устройств, поскольку они легкие и негорючие.

Что такое свинцово-кислотный аккумулятор? Строительство, работа, разгрузка и подзарядка

Определение: Батарея, в которой используется губчатый свинец и перекись свинца для преобразования химической энергии в электрическую, такой тип батареи называется свинцово-кислотной батареей. Свинцово-кислотные батареи чаще всего используются на электростанциях и подстанциях, поскольку они имеют более высокое напряжение элементов и более низкую стоимость.

Строительство свинцово-кислотной батареи

Различные части свинцово-кислотной батареи показаны ниже.Емкость и пластины являются основной частью свинцово-кислотного аккумулятора. В контейнере хранится химическая энергия, которая с помощью пластин преобразуется в электрическую.

1. Контейнер — Контейнер свинцово-кислотной батареи изготовлен из стекла, облицованного свинцом дерева, эбонита, твердой резины или битумного компаунда, керамических материалов или формованных пластиков и установлен сверху, чтобы избежать разряда электролита. Внизу контейнера есть четыре ребра, на два из которых опирается положительная пластина, а другие поддерживают отрицательные пластины.

Призма служит опорой для пластин и в то же время защищает их от короткого замыкания. Материал, из которого изготовлены контейнеры для аккумуляторов, должен быть стойким к серной кислоте, не должен деформироваться, не иметь пористости или содержать примеси, которые могут повредить электролит.

2. Пластина — Пластина свинцово-кислотного элемента имеет разнообразную конструкцию, и все они представляют собой некоторую форму сетки, которая состоит из свинца и активного материала. Сетка необходима для проведения электрического тока и равномерного распределения тока по активному материалу.Если ток распределяется неравномерно, активный материал ослабнет и выпадет.

Сетки изготовлены из сплава свинца и сурьмы. Обычно их делают с поперечным ребром, которое пересекает места под прямым углом или по диагонали. Решетки для положительных и отрицательных пластин имеют одинаковую конструкцию, но сетки для отрицательных пластин сделаны легче, поскольку они не так важны для равномерного прохождения тока.

Пластины аккумулятора бывают двух типов.Они представляют собой формованные пластины или пластины для растений, а также наклеенные пластины или пластины.

Пластины

Plante используются в основном для стационарных аккумуляторов, поскольку они тяжелее и дороже наклеенных пластин. Но пластины более прочные и менее подвержены потере активного материала из-за быстрой зарядки и разрядки. Плита саженцев имеет низкую удельную массу.

Процесс Faure больше подходит для изготовления отрицательных пластин, чем положительных пластин. Отрицательный активный материал довольно прочен и претерпевает сравнительно небольшие изменения при зарядке и разрядке.

3. Активный материал — Материал в элементе, который принимает активное участие в химической реакции (поглощение или выделение электрической энергии) во время зарядки или разрядки, называется активным материалом элемента. Активные элементы свинцово-кислотной

1. Пероксид свинца (PbO ₂ ) — Он образует активный положительный материал. PbO ₂ — это метла из темного шоколада.
2. Губчатый свинец — Форма отрицательного активного материала.Он серого цвета.
3. Разбавленная серная кислота (H ₂ SO ₄ ) — Используется в качестве электролита. Он содержит 31% серной кислоты.

Пероксид свинца и губчатый свинец, которые образуют отрицательные и положительные активные материалы, имеют небольшую механическую прочность и поэтому могут использоваться отдельно.

4. Сепараторы — Сепараторы представляют собой тонкие листы непроводящего материала, состоящие из химически обработанного свинцового дерева, пористой резины или матов из стекловолокна, которые помещаются между положительным и отрицательным полюсом, чтобы изолировать их друг от друга.Сепараторы имеют вертикальные канавки с одной стороны и гладкие с другой.

5. Клеммы аккумулятора — Аккумулятор имеет две клеммы: положительный и отрицательный. Положительный вывод диаметром 17,5 мм вверху немного больше отрицательного вывода, диаметр которого составляет 16 мм.

Принцип работы свинцово-кислотной батареи

Когда серная кислота растворяется, ее молекулы распадаются на положительные ионы водорода (2H ⁺ ) и отрицательные ионы сульфата (SO ₄ ^–) и свободно перемещаются.Если два электрода погружены в растворы и подключены к источнику постоянного тока, тогда ионы водорода заряжаются положительно, перемещаются к электродам и подключаются к отрицательному выводу источника питания. Отрицательно заряженные ионы SO ₄ ^— перемещаются к электродам, подключенным к положительной клемме питающей сети (т. Е. Аноду).

Каждый ион водорода забирает один электрон с катода, а каждый ион сульфата забирает два отрицательных иона с анодов и реагирует с водой с образованием серной и водородной кислоты.

Кислород, который образуется из приведенного выше уравнения, реагирует с оксидом свинца и образует пероксид свинца (PbO ₂ ). Таким образом, во время зарядки свинцовый катод остается свинцом, но свинцовый анод превращается в пероксид свинца шоколадного цвета.

Если источник питания постоянного тока отключен и вольтметр подключается между электродами, он покажет разность потенциалов между ними. Если провод соединяет электроды, то ток будет течь от положительной пластины к отрицательной через внешнюю цепь i.е. ячейка способна поставлять электрическую энергию.

Химическое воздействие во время разряда

Когда ячейка полностью разряжена, анодом является перекись свинца (PbO ₂ ), а катодом — металлический губчатый свинец (Pb). Когда электроды соединены через сопротивление, разряд ячейки и электроны текут в направлении, противоположном направлению заряда.

Ионы водорода движутся к аноду и, достигая анодов, получают один электрон от анода и становятся атомом водорода.Атом водорода контактирует с PbO ₂ , поэтому он атакует и образует сульфат свинца (PbSO ₄ ) беловатого цвета и воду в соответствии с химическим уравнением.

Каждый сульфат-ион (SO ₄ ^— ) движется к катоду и, достигнув там двух электронов, становится радикальным SO ₄ , атакует металлический свинцовый катод и образует сульфат свинца беловатого цвета в соответствии с химическим уравнением.

Химическое воздействие при подзарядке

Для подзарядки анод и катод подключаются к положительной и отрицательной клеммам сети постоянного тока.Молекулы серной кислоты распадаются на ионы 2H ⁺ и SO ₄ ^— . Положительно заряженные ионы водорода движутся к катодам, получают оттуда два электрона и образуют атом водорода. Атом водорода реагирует с катодом из сульфата свинца, образуя свинец и серную кислоту в соответствии с химическим уравнением.

SO ₄ ^{— Ион} движется к аноду, отдает свои два дополнительных электрона, становится радикалом SO ₄ , вступает в реакцию с анодом из сульфата свинца и образует пероксид свинца и серную кислоту свинца в соответствии с химическим уравнением.Зарядка и разрядка представлены одним обратимым уравнением, приведенным ниже.

Уравнение должно быть направлено вниз при разрядке и вверх при подзарядке.

Что такое твердотельный аккумулятор и зачем он вам нужен

Обеспечивая надежное и продолжительное хранение энергии для автономных приложений, технология литий-ионных аккумуляторов действительно изменила наш мир. Однако даже с этими достижениями есть потенциал для улучшения литий-ионной батареи.Одно из достижений, которое может снова изменить способ хранения энергии, — это разработка твердотельной батареи.

Давайте погрузимся в этот уникальный дизайн и узнаем больше!

Что такое твердотельный аккумулятор?

Прежде чем мы узнаем, что такое твердотельный аккумулятор, нам нужно понять, как работает современная литий-ионная технология. Литий-ионные батареи работают, позволяя ионному литию проходить через электролитный барьер между анодом и катодом батареи (положительный и отрицательный концы).Этим электролитом является жидкость в стандартных литий-ионных батареях.

В твердотельной батарее используется твердый электролит для регулирования ионов лития вместо жидкого.

Итак, основное различие между литий-ионным аккумулятором и твердотельным аккумулятором заключается в электролите. В то время как литий-ионные батареи (и большинство других батарей) используют жидкий электролит, твердотельные батареи используют твердый электролит.

Прочтите, чтобы узнать, что это важно и что это значит для пользователя батареи.

Как работает твердотельный аккумулятор?

Каждая батарея имеет два электрода — анод (отрицательная сторона) и катод (положительная сторона). Эти два электрода изготовлены из электропроводящего материала.

Между этими двумя электродами (и внутри них) находится электролит, содержащий электрически заряженные частицы (ионы). Электролит позволяет ионам лития проходить через него и соединяться с анодом или катодом (в зависимости от заряда или разряда). Эта химическая реакция обеспечивает прохождение электрического заряда между катодом и анодом (через цепь), позволяя батарее генерировать электрический ток для питания вашего устройства.

Процесс заряда и разряда батареи LiFePo4 осуществляется путем перемещения литий-ионных ионов через электролит, в то время как электроны проходят через цепь.

Итак, когда к батарее подключено какое-либо устройство, например, электрическая лампочка, между анодом, катодом и электролитом происходит химическая реакция, создавая поток электрической энергии для питания лампочки.

В литий-ионной батарее используется жидкий электролит для регулирования тока, а в твердотельной батарее используется твердый электролит.

И ЭТА разница будет иметь значение! Вот как:

Преимущества твердотельных аккумуляторов (также известные, почему они вам понадобятся)

Технология твердотельных аккумуляторов дает множество преимуществ. Короче говоря, твердый электролит, используемый в твердотельной батарее, обеспечивает более высокую плотность энергии, более длительный срок службы и повышенную безопасность при меньших размерах!

Давайте подробнее рассмотрим, как это влияет на выгоду пользователя от технологии твердотельных аккумуляторов:

Меньше и легче

Плотность энергии измеряет количество энергии, которое батарея содержит, пропорционально ее весу.Утверждается, что твердотельные батареи способны обеспечить на 2,5 раза в большую удельную энергию на по сравнению с нынешними литий-ионными батареями. Это колоссальное увеличение плотности энергии твердотельных батарей означает, что они будут намного меньше и легче.

Более высокая плотность энергии означает, что батареи могут быть намного легче и хранить такое же количество энергии. Вес — критическая проблема для мобильных приложений питания, поэтому он может изменить правила игры. Легковые автомобили, грузовики, дома на колесах, лодки и самолеты — все выиграют от легкости.

Электромобили также могут получить большую выгоду от этой технологии, поскольку они могут получить гораздо больший запас хода при меньшем весе и месте для хранения аккумуляторов.

Более быстрое время зарядки

Твердотельные батареи могут работать с очень высокой мощностью. Исследования показывают, что они смогут безопасно перезарядить в 4-6 раз быстрее, чем , чем современные технологии.

Более безопасный аккумулятор

Жидкие электролиты литий-ионных аккумуляторов чрезвычайно летучие и легковоспламеняющиеся.Эти электролиты также нельзя подвергать воздействию воздуха. Твердотельные батареи не содержат жидких компонентов и летучих компонентов.

Таким образом, в то время как литий-ионные батареи подвержены таким явлениям, как тепловой разгон, ведущий к взрыву и возгоранию, твердые электролиты, используемые в твердотельных батареях, негорючие и, следовательно, представляют меньший риск возгорания. Несмотря на то, что аккумулятор может нагреваться, в нем нет ничего легковоспламеняющегося, что могло бы загореться.

Глазурь на этом торте заключается в том, что эти батареи потребуют меньше систем безопасности, чем литий-ионные батареи.Устранение дополнительной электроники может способствовать уменьшению размера и веса аккумуляторных блоков, что еще больше увеличивает удельную энергию твердотельных аккумуляторов.

Эти батареи могут даже не потребовать внешней BMS в определенных ситуациях, что значительно упрощает их конструкцию.

Производить намного проще

Работа с летучей жидкостью, которая не может подвергаться воздействию воздуха, представляет собой огромную проблему, которую можно полностью устранить с помощью технологии твердотельных аккумуляторов.Твердый электролит может обеспечить гораздо более быстрое производство при меньшем расходе материалов и энергии.

Твердотельные батареи слишком хороши, чтобы быть правдой?

Абсолютно нет! Исследования ведутся по всему миру, и регулярно выходят новые публикации и статьи о достижениях. Так как твердотельные технологии могут принести огромную пользу, многие исследовательские фирмы и компании проявляют к ним значительный интерес.

В заключение, по сравнению с традиционными литий-ионными аккумуляторами твердотельные аккумуляторы будут легче, меньше, мощнее, заряжаются быстрее, служат дольше и безопаснее.Теперь вы знаете, что такое твердотельный аккумулятор, на что он способен и зачем он вам нужен!

Узнайте о технологии Dragonfly Energy и о том, как мы революционизируем не только достижения в области твердотельных батарей, но и производственный процесс.

Свинцово-кислотная батарея

: принципы работы Свинцово-кислотная батарея

: принципы работы

Свинцово-кислотная батарея: принципы работы
John Denker

* Содержание

1 Реакции полуэлементов

Каждая ячейка в батарее изготавливается на заводе следующим образом: клемма «-» представляет собой толстую пористую пластину из металлического свинца.Подключен к клемма «+» представляет собой пластину, состоящую в основном из пористого диоксида свинца. паста, нанесенная на тонкую металлическую сетку. В между пластинами довольно концентрированная серная кислота (около 4М).

Предварительно отметим, что серная кислота является сильная кислота по отношению к своему первому протону, поэтому даже перед добавлением кислоты в аккумулятор завершилась следующая реакция:

H 2 SO 4 → H + + HSO 4 —

(1)

Эта реакция связана с объемным электролитом, независимо от пластины аккумулятора.Это не электрохимическая реакция и не зависит от зарядки и разрядки аккумулятора. Мы делаем не ожидайте, что серная кислота высвободит свой второй протон с любым большая вероятность — лишь доли процента — поскольку K _a2 составляет всего 0,012.

По мере разряда батареи происходит следующая реакция полуэлемента. занимает место у знака «-»:

(2)

Pb + HSO 4 — → PbSO 4 + H + (вод.) (вод.) диск (вод.) (вод.) (с)

Эта реакция имеет большой смысл.Как обсуждалось в ссылка 1, когда ячейка находится под нагрузкой, есть электрическое поле в электролите, которое вызывает отрицательные ионы (в этом case bisulfate), чтобы сместиться к пластине со знаком «-». См. Рисунок 2. Отрицательный ион расходуется при реакции с пластина. В реакции также образуется положительный ион (протон), который уносится под действием упомянутого поля. Два электроны остаются в пластине и доставляются в Терминал. В этом нет ничего удивительного.

«Вперед» в уравнении 2 представляет разрядка аккумулятора.Чтобы представить зарядку (также известную как подзарядка) операции, просто измените направление стрелки. Результат делает смысл тоже.

Между тем, другая половина реакции разряда происходит на Табличка «+». Это можно записать по-разному, из которых следующие условно:

PbO 2 + 3H + + HSO 4 — + 2e 2e 9048 PbSO 4 + 2H 2 O (с) (водный) (водный) (т)

(3)

Некоторые детали уравнения 3 требуют особой осторожности. анализ, как будет обсуждаться в разделе 2 и Раздел 3.Однако сначала давайте обсудим несколько вещей. относительно легко понять.

На каждой пластине соединения свинца нерастворимы и остаются прикрепленными к плита; в растворе никогда не бывает значительного количества свинца. Остальные продукты реакции (вода и серная кислота) полностью уничтожаются. растворимый. Эти свойства являются важной частью того, почему клетка аккумуляторная. (Напротив, в неперезаряжаемых батареях есть обычно продукты реакции, которые становятся недоступными для повторного использования, уходит в виде газа или нерастворимого осадка.)

Точно так же свободные электроны, которые высвобождаются по уравнению 2 и потребляются по уравнению 3, не растворим в электролите. Ионы H ⁺ и HSO ₄ ^— являются растворимы, но электроны нет. Это может показаться очевидным, но это нетривиально. Если бы электроны были растворимы, батарея не работала бы. Это закоротило бы себя.

Если мы сложим две реакции полуэлементов вместе, мы получим полноклеточные реакции. реакция разряда:

2 2 2 O Pb + PbO 2 + 2H 2 SO 4 → 2PbSO → 2PbSO 2PbSO (с) (с) (водн.) диск (с)

(4)

Во время операции слива потребляется кислота и образуется вода.Во время зарядки расходуется вода и образуется кислота. Поскольку серная кислота намного плотнее воды, широко используемый Методика проверки состояния заряда батареи заключается в измерении удельный вес электролита. (Иногда неспециалисты догадываются что изменение плотности связано с наличием тяжелого свинца соединений в растворе, как если бы происходила какая-то реакция свинца. (но это не так.) См. рисунок 1.

Во время разряда на пластине «-» свинец окисляется от металлический Pb в двухвалентный Pb (II).Это высвобождает отрицательный заряд в табличка со знаком «-». Между тем, у пластины «+» опережение восстанавливается от четырехвалентного Pb (IV) до двухвалентного Pb (II). Это освобождает положительный заряд в пластину «+».

Конечно, при перезарядке происходят противоположные окислительно-восстановительные реакции.

Остерегайтесь сложной терминологии:

• Во время операции разряда пластина «-» называется анод (поскольку материал пластины окисляется), а «+» Пластина называется катодом (поскольку материал пластины подвергается уменьшенный).
• Теперь во время зарядки пластина «-» должна быть называется катодом (так как материал пластины теперь уменьшается), в то время как пластина «+» теперь должна называться анодом (поскольку пластина материал сейчас окисляется).

Ситуация резюмируется в следующей таблице:

904 9048 окисленный 9048

		зарядка		разгрузка
— пластина:		катод 4 9048 окисленный
+ пластина:		анод окисляется		катод восстанавливается

Из этого можно сделать вывод, что для аккумуляторной батареи необходимо никогда не наносите на клеммы слова «катод» или «анод».Видеть ссылка 2 для правильного определения «анода» и «Катод», а также связанные с этим вопросы.

2 Дрейф и диффузия

2.1 Предварительная притча

В качестве фона рассмотрим гетерогенный катализ, такой как каталитическое окисление паров ацетона на поверхности меди. Если есть без перемешивания, реакция будет протекать очень медленно, потому что реагенты должны диффундировать на поверхность, а продукты должны рассеиваются прочь. Распространение — довольно медленный процесс, особенно распространение на большие расстояния.

Обратите внимание, что это изображение реагентов (или продуктов), протекающих по градиент концентрации не соответствует вашей интуиции о протекание электрического тока в цепи постоянного тока. Рассмотрим следующие контраст:

Химическая реакция

Цепь постоянного тока

Реагенты и продукты не являются неразрушаемыми. В реагенты истощаются во время реакции. Продукты накапливать.

Заряд течет как несжимаемый, нерушимый жидкость, без накопления или истощения где-либо.

2.2 Бисульфат-ионы

Обратите внимание, что в свинцово-кислотной батарее во время разряда ионы бисульфата потребляется в обоих местах, как на тарелке «-», так и на «+» пластину, как указано в уравнении 2 и уравнении 3. Во время разряда электролит становится значительно более разбавленный, так как бисульфат расходуется, а вода освобожден.Одним из практических следствий этого является то, что вы можете измерить, насколько полностью заряжен аккумулятор путем измерения плотности электролита с помощью ареометра, возможно простого типа, показанного на рисунок 1.

Сначала рассмотрим условия равновесия при разомкнутой цепи, нулевой нагрузке. Там отсутствует электрическое поле в объеме электролита. Это означает причина. Если бы было электрическое поле, ионы двигались бы поле. Положительные ионы будут течь в одном направлении, а отрицательные ионы будут течь в другом направлении, что противоречит предположение, что это ситуация равновесия при нулевом токе.

Кроме того, в равновесии нет значительного градиента концентрации в основная масса электролита.

Теперь рассмотрим операцию разряда, как показано на рисунке 2. Синяя пластина — это пластина «+», а красная пластина — это пластина со знаком «-». Фиолетовые стрелки показывают направление текущий поток. Они также показывают направление электрического поля. Это энергетически благоприятен для протекания положительного заряда в направление стрелок.

Рисунок 2: Ток и поля во время разряда

Точно так же он энергетически благоприятен для отрицательных видов. течь в направлении, противоположном стрелкам.В частности, это означает, что ионы бисуфата будут перемещаться слева направо на рисунке 2, обеспечивая подачу реагентов в соответствии с требованиями уравнение 2. Пока все хорошо.

Увы, мы не можем использовать эту цепочку рассуждений, чтобы объяснить, как бисульфат ионы попадают на положительный вывод. Уравнение 3 будет вскоре потребляют все ионы бисульфата в непосредственной близости. Если реакция должна продолжаться, их нужно пополнять из где-то. Это требует, чтобы ионы текли вверх по склону (против градиента электрохимического потенциала).

Единственное возможное объяснение состоит в том, что некоторые из ионов диффундируют в гору. Это, безусловно, возможно, учитывая очень большие концентрации и короткие расстояния. Распределение маленькие черные кружки на рисунке 2 предназначены для обозначения сильно преувеличенное представление концентрации бисульфата анионы. Диффузия заставит анионы течь из основной массы в направлении пластины в обоих направлениях.

Давайте проясним: срок службы пластины со знаком «-» прост, потому что дрейф и диффузия работают вместе, чтобы доставить реагенты к пластине.Напротив, ситуация на терминале «+» — беспорядок, потому что дрейф работает в бесполезном направлении, и мы должны полагаться на диффузия для доставки реагентов к пластине. Это намного хуже, чем реакция с ацетоном, рассмотренная в разделе 2.1, где диффузия не встретила сопротивления.

Легко предположить, что все, что происходит рядом с положительным пластина накладывает существенное ограничение на то, сколько тока мы можем получить из батареи. Мы также можем предсказать, что перемешивание электролит повысит производительность аккумулятора.Много перемешивания схемы обсуждаются в литературе, но обычно только на феноменологический, недетализированный уровень.

Трудно найти количественные данные о микроскопических в электролите в непосредственной близости от Табличка «+». Стандартная книга по свинцово-кислотным аккумуляторам ссылка 3, но не вникает в этот вопрос. Некоторые дразнящие веб-страницы — это ссылка 4 и ссылка 5. Если кто-нибудь знает какие-либо хорошие ссылки на эту тему, пожалуйста, позвольте мне знать.

Обозначим несколько цифр: ячейка имеет напряжение холостого хода 2,2. вольт такие. Предположим, мы поместили его под большую нагрузку, так что там составляет Δv = 0,4 В «ИК» падение через электролит. В качестве всегда комнатная температура соответствует 25 мэВ, т.е. 0,025 электрон-вольт. Мы можем использовать это для вычисления фактора Больцмана, т.е. фракции бисульфат-ионов удается увеличить потенциал равно exp (q Δv / kT) = exp (.4 / .025) = 9,000,000. Так что под сильноточных условиях, если скорость реакции ограничена наличие бисульфат-ионов, ожидаем реакцию на отметке «+» плита продвигалась в миллионы раз медленнее, чем «в идеале».

Напротив, в условиях слабого тока реакция скорость ограничена наличием электронов, поэтому наличие ионы бисульфата не проблема.

В предыдущем расчете мы проигнорировали влияние диэлектрической проницаемости. скрининг. Это могло быть, а могло и не быть правильным. Аргумент за: энергия сохраняется. В конце дня, чтобы переместить бисульфат иона на холме высотой 0,4 В, вы должны выполнить работу 0,4 эВ. Аргумент минус: большая часть высоты холма связана с диполем слой у кромки воды, в том месте, где электролит встречает тарелку; в объеме электролита поле равно меньше.Ионы могут с относительно разумной вероятностью получить близко к пластине «+», сразу за дипольным слоем. Вопрос без ответа: если они подойдут так близко, достаточно ли этого?

В любом случае экранирование не устраняет полностью энергию барьер. Согласно обычному аргументу Клаузиуса-Моссотти (ссылка 6), поле внутри сферического отверстия в диэлектрическая проницаемость составляет 1/3 расстояния между полностью экранированным значением и неэкранированное значение. Итак, если мы введем числа, мы получим куб корень предыдущего числа, т.е.е. в 200 раз. Это намного меньше более 9 миллионов, но все же достаточно, чтобы на нее обращать внимание к. Я предполагаю, что это ограничивает количество тока, которое аккумулятор можно потушить.

3 Порядок реакции

Действительно ли реакция третьего порядка по концентрации протонов, как предложено уравнением 3? Я сомневаюсь. Я подозреваю это придаст батарее очень своеобразную ВАХ, в отличие от что наблюдается.

Если реакция протекает через некоторую последовательность промежуточных стадий, возможно, в соответствии с гипотетическими реакциями, приведенными в этом в разделе, будет зависимость более низкого порядка от активности H ⁺ .

Вот возможная последовательность:

9048 PbO 2 + H + + e — → PbOOH (5а) (с) (водн.) диск (с) PbOOH + H + + e ОН) 2 (5b) (с) (водн.) диск (с) Pb (OH) 2 + HSO 4 —4 4 + OH — + H 2 O (5c) (с) (водн.) диск (с) (вод. + OH — → H 2 O (5д) (водн.) (водн.) disch

Как обсуждалось в разделе 2, это энергетически невыгодно для бисульфат-анионов двигаться к положительной пластине, которая ограничение на уравнение 5c.Напротив, такого ограничения нет. применяется к анионам OH ^— в уравнении 5d, потому что они производятся на положительной пластине. Им не нужно двигаться к тарелке. Для ионов H ⁺ энергетически выгодно дрейфовать к положительной пластине.

С точки зрения затрат чистый эффект уравнения 5 состоит в том, что два электроны переносятся с пластины в электролит, поэтому что две единицы положительного заряда доставлены на терминал.

Вот еще одна гипотетическая последовательность, использующая PbO вместо Pb (OH) ₂ в качестве промежуточного:

9048 — PbO 2 + H + + e — → PbOOH (6а) (с) (водн.) диск (с) PbOOH + H + + e 0 e 9004 + H 2 O (6b) (с) (водн.) диск (s) PbO + HSO 4 — PbO 4 — → (6c) (с) (водн.) диск (с) (вод. + OH — → H 2 O (6д) (водн.) (водн.) disch

У меня нет данных о перечисленных гипотетических реакциях. Вышеупомянутые играют какую-либо роль в реальных батареях.

4 Ссылки

«Как работает батарея», т. Е. Микроскопическое изображение того, как она работает. выдает напряжение: www.av8n.com/physics/battery.htm

Джон Денкер, «Как определить анод и катод» ./anode-cathode.htm

Свинцово-кислотные батареи Ханса Боде Wiley (1977).

«Отчет о подводных батареях» http://www.mcs.vuw.ac.nz/~markm/preprints/SubBatteriesReport.pdf

«Свинцово-кислотные батареи» http: // www.