Как измерить плотность электролита в аккумуляторе

Содержание:

• Что такое плотность?
• Какой она должна быть?
• Подготовительная работа
• Техника безопасности при проверке
• Ареометр — это?
• Как использовать для проверки ареометр?
• Можно ли обойтись без прибора?
• Измерение самодельным устройством
• Проверка плотности в необслуживаемом акб
• Типичные неисправности
• Какой ареометр купить в РФ?
• Заключение

Если у автомобиля неисправный аккумулятор, то ездить на нем не рекомендуется. Профессиональные водители прекрасно понимают, какие проблемы за собой несет севшая акб. Чтобы избежать во время езды нештатных ситуаций, необходимо своевременно обслуживать аккумулятор. Для этого требуется знать, как измерить плотность электролита в аккумуляторе. Повышенные и пониженные показатели существенно уменьшают эффективность работы батареи.

Что такое плотность?

Свинцовые батареи включают в себя несколько элементов, одним из которых является электролит. Он представлен в виде серной кислоты, в составе которой присутствует дистиллированная вода. Воду добавляют в электролит из-за того, что концентрированная кислота имеет свойство растворять металлы. Разбавляют ее до такого состояния, чтобы состав не смог разрушить свинец. Плотность кислоты и воды разная — 1,84 г\\Мл и 1 г/мл соответственно.

Электролиз проходит сильнее, если плотность высокая, при этом разрушение свинца проходит еще быстрее. Для аккумуляторов, эксплуатируемых в разных условиях, должна быть своя плотность в диапазоне от 1,25 г/мл и выше. Также электролит можно купить и довести до требуемых значений.

В процессе эксплуатации акб и при постоянном недоразряде на пластинах формируется налет кислоты со свинцом. Иными словами происходит сульфация, которая негативно влияет на работоспособность батареи. Интенсивность электролиза становится низкой. При попытке подзарядить аккумулятор происходит кипение вещества.

Какой должна быть?

С точностью сказать, какой должна быть плотность акб нельзя, поскольку это значение зависит от климата. Если эксплуатация проходит в умеренном климате, то плотность электролита должна соответствовать 1,25-1,27. При работе в холодных регионах это значение должно быть выше на 0,01, а в жаркой местности — ниже на 0,01. Самой высокой должна быть плотность в аккумуляторе в регионах с экстремально низкими температурами (до – 50°С). Каждому автовладельцу стоит знать, что чем ниже плотность в заряженном акб, тем больше он проработает.

Как уже было выяснено, плотность электролита влияет на состояние батареи и на срок ее службы. Если автолюбитель имеет обслуживаемую акб, то он может замерить значение с помощью специального прибора. Но поднимать параметры своими руками не стоит, иначе есть риск испортить пластины.

К примеру, многие автолюбители доливают кислоту, не зная, что ее молекулы находятся и в растворе, и на пластинах. После процедуры зарядки молекулы открепляются и восполняют недостаток кислоты в веществе. Если произвести долив, то кислоты станет чрезмерно много, что приведет к разрушению пластин.

Подготовительная работа

Прежде чем произвести измерение плотности электролита в аккумуляторе самостоятельно, необходимо подготовиться.

Водителю нужно знать следующие нюансы работы:

 Для работы стоит использовать средства защиты.

 Перед измерением следует убедиться, что раствор присутствует. Если его мало, то доливают воду.

 Уровень плотности измеряют только после осмотра устройства со всех сторон.

 Клеммы стоит очистить от грязевого налета с помощью наждачки, щетки.

Иногда требуется произвести демонтаж акб, отключить клеммы и фиксирующие пластины. Перед выключением акб нужно также деактивировать электроприборы и систему зажигания. Чтобы в банки не попала грязь, аккумулятор очищают тряпкой.

Техника безопасности при проверке

Во время проверки плотности идет работа с кислотой. При несоблюдении техники безопасности водитель может получить кожные ожоги. Чтобы провести процедуру правильно, необходимо следовать рекомендациям:

 Работать в специальной одежде, которую не жалко выбросить.

 Замеры производятся только в резиновых перчатках.

 При приготовлении электролита возможно потребуются защитные очки.

 Помещение желательно чтобы было вентилируемое.

Делая замеры, водителю не стоит курить, поскольку кислота взрывоопасна из-за содержания водорода.

Ареометр — это?

Ареометр — прибор, работа которого основывается на законе Архимеда. Иными словами, это устройство помогает исследовать плотность электролита после погружения его в жидкость. Что касается плотности, то она представляет собой удельный вес кислоты и воды по отношению к общему объему.

Ареометр различается по видам, водителю потребуется автомобильный вариант. Его конструкция включает в себя трубку, резиновую грушу, пипетку и сам прибор. Пипетка прикреплена к трубке так, чтобы она доставала до пластин. Внутри трубки — ареометр, который также состоит из трубки, на конце которой находится груз. Другой конец трубки превращается в узкую палочку с измерительной шкалой на поверхности. Резиновая груша прикреплена с другого конца корпуса.

Как использовать для проверки ареометр?

Водители, которых интересует, как замерить плотность электролита в аккумуляторе, должны знать некоторые условия для создания правильных измерений. Перед процедурой нужно убедиться, что аккумулятор заряжен полностью, но после подзарядки замерять плотность запрещено. Значения прибора придется корректировать, отталкиваясь от t электролитической жидкости. Самыми правильными параметрами будут те, что были выполнены при t раствора в +27°С.

Инструкция по измерению плотности прибором:

 Для начала нужно собрать ареометр, то есть соединить корпус с пипеткой, туда же помещают денсимер и закрывают с обратного конца грушей.

 Плотность замеряют в каждой банке. Пипетку устанавливают внутрь и в ареометр набирают кислоту. Для получения информации не потребуется много жидкости.

 Показания прочитать можно, если взглянуть на шкалу прибора и место, где она пересекается с поверхностью жидкости.

Главное, разобраться, в каких измерениях на шкале отмечены значения. Бывают приборы с показаниями г/см3 и кг/см3.

Можно ли обойтись без прибора?

Если в наличии ареометра не оказалось, то проверку плотности осуществляют мультиметром. Сначала нужно собрать инструмент, подключив к корпусу провода с крокодилами. Тестер переключают на режим вольтметра, переводя переключатель на 20В. После этого прибор начнет демонстрировать значения ниже этого.

После этого кабеля присоединяют к выходам акб, то есть черный соединяют с отрицательной клеммой, а красный — с положительной. Далее нужно промониторить значения напряжения и сравнить информацию с «нормой». Заряженный аккумулятор покажет 12,7 вольт. Если значения ниже, то это говорит о том, что плотность ненормированная. В этой ситуации нужно дальнейшая диагностика акб или его замена.

Измерение самодельным устройством

Если у водителя нет ни ареометра, ни мультиметра, ему стоит соорудить прибор самостоятельно. Главной деталью устройства в обоих случаях является поплавок. Вместо емкости часто используют пробирку. Ее наполняют крупой или сыпучей смесью, а в качестве груза берут свинцовый кусок металла.

Емкость помещают в воду и отмечают «1» место, где возникнет уровень. Цифра означает, что жидкость обладает плотностью 1. Для дальнейшей «разметки» потребуется провести замеры с жидкостью более высокой плотности.

В результате, для проверки плотности электролита в аккумуляторе потребуется провести те же самые действия, что и со специальными приборами.

Проверка плотности в необслуживаемом акб

Необслуживаемый аккумулятор представляет собой батарею, у которой нет пробок для залива растворов. Получается, что автовладелец не имеет возможности заполучить доступ к банкам. Однако существует один способ, как проверить плотность электролита в аккумуляторе, не открывая банки.

Для начала водителю нужно открутить глазок индикатора жидкости, находящийся на крышке. Замер осуществляют через отверстие. Но полученные результаты будут соответствовать только одной банке. Из-за конструкции акб повысить плотность не получится никакими способами. Замеры в необслуживаемом аккумуляторе проводятся теми же самыми приборами.

Чаще всего повышение плотности осуществляют через ЗУ (зарядное устройство). Суть процедуры заключается в том, чтобы с помощью подачи минимального тока восстановить плотность электролитической жидкости. АКБ устанавливают на зарядку и ожидают до 3 суток. За это время излишки влаги выпарятся, увеличивая плотность.

Типичные неисправности

Прежде чем проверять значения плотности и повышать (понижать) ее, необходимо изучить типичные неисправности акб.

К ним относят:

 Осыпание. Иногда пластины осыпаются. Об этом свидетельствует присутствие на дне хлопьев или кусков свинца. Восстановить устройство не получится. Требуется замена.

 Низкая плотность жидкости. При обнаружении низких показателей, необходимо повысить их всеми доступными способами, а затем оценить состояние акб.

 Короткое замыкание. Если пластина внутри акб коснется дна, то батарея работать не будет. Обычно это происходит из-за большого количества осадка. Аккумулятор требует замены, поскольку выдать больше 10 вольт без нагрузки не сможет.

Всех этих проблем можно избежать, если правильно эксплуатировать батарею.

Какой ареометр купить в РФ?

Автомобильные ареометры также подразделяются на несколько видов по назначению. К примеру, с их помощью измеряют показатели антифриза. Рассмотрим, какие ареометры предназначены для определения плотности электролита.

 Jonnesway AR030001 — тайваньское изобретение с трехцветной шкалой. Прибор устойчив к агрессивной среде, герметичен и имеет небольшой вес. Отличается высокой стоимостью.

Heyner PREMIUM 925 010 — качественный прибор с пластиковым корпусом, определяющий плотность при минимальном количестве электролита.

 AUTOPROFI АКБ BAT/TST-118 — российская разработка с небольшим весом и простым управлением. На корпусе имеется цветная шкала. Разобраться в использовании сможет даже новичок. Долговечный прибор по мнению большинства пользователей.

 JTC 1041 — тайваньское бюджетное устройство, определяющее степень зарядки и плотность электролита.

 Вымпел АР-02 5002 — бюджетное российское изобретение. Его главным преимуществом является наличие стеклянной колбы. Способен проработать ни один десяток лет благодаря стеклу, которое не мутнеет.

Эксперты советуют покупать ареометры со стеклянной колбой, которая будет устойчива к органическим соединениям. Пластик также способен выдерживать агрессивную среду, но со временем он тускнеет. Для начинающих водителей понадобится прибор с цветной шкалой, для профессионалов — цифровая.

Заключение

Измерить плотность электролитической жидкости не так сложно, если использовать специальные инструменты. Во избежание получения ожогов, эксперты советуют надевать средства защиты, в том числе очки и перчатки. Если под рукой нет ареометра или мультиметра, то можно смастерить прибор самостоятельно. Однако для частых замеров лучше приобрести прибор отечественного или тайваньского производства. На рынке представлен широкий выбор моделей из разных ценовых категорий.

Выбрать инструктора:

• Автоинструктор Ася
• Автоинструктор Светлана
• Автоинструктор Оксана
• Автоинструктор Лариса
• Автоинструктор Алексей
• Автоинструктор Анатолий
• Автоинструктор Игорь
• Автоинструктор Светлана
• Автоинструктор Виктор
• Автоинструктор Майя

Отзывы:

Все отзывы

Как проверить плотность аккумулятора и какой она должна быть

В качестве электролита в свинцово-кислотных аккумуляторах выступает серная кислота и дистиллированная вода. Плотность электролита представляет собой соотношение этих двух компонентов, которое измеряется с помощью специального прибора под названием ареометр.

Плотность является очень важным параметром аккумулятора, и любой владелец автомобиля обязан следить за ее уровнем и знать, как его поднять при необходимости.  Фото: onlinetrade.ru

Какая плотность является нормой

В свинцовых АКБ плотность может зависеть не только от соотношения кислоты и воды, но и от температуры раствора (при высокой температуре плотность будет низкая и наоборот). Автовладельцу обязательно нужно следить за тем, чтобы показатели плотности электролита всегда были в норме.

Следует учитывать, что данные показатели очень сильно зависят от климатической области.

• Оптимальная плотность в районах с холодным климатом, где температура может понижаться до минуса тридцати градусов и ниже, составляет от 1,26 до 1,30 гм/см3,
• В зонах с умеренным микроклиматом это значение должно быть около 1,24-1,26 гм/см3. В теплой климатической зоне оптимальная плотность равна 1,22-1,24 гм/см3. А там где зима особенно холодная и температура падает до пятидесяти градусов стоит придерживаться значения 1,29-1,31 гр/см3.

[stextbox id=»info»]АКБ обычно заряжена только на восемьдесят-девяносто процентов от ее общей вместимости, так что плотность в этом случае будет несколько меньше, чем если бы аккумулятор был заряжен на 100%.[/stextbox]

Это происходит из-за того, что во время заряда, АКБ поглощает воду из электролита и плотность возрастает. Кроме того, осуществляется разрушение солей сернистой кислоты, оседающей на пластинах. 

У батареи, которая заряжена максимально, плотность равняется 1,26-1,28 г/см3. Через некоторое время аккумулятор начинает разряжаться, и значение падает примерно до 1,17 г/см3.

Во время разряда АКБ происходит поглощение серной кислоты, и она, превращаясь в кристаллы сульфатов, со временем покрывает всю поверхность пластин. Вследствие этого уменьшается емкость, и снижаются электрохимические характеристики АКБ. Этот процесс носит название сульфатации, он является одной из наиболее распространенных причин выхода из строя аккумулятора.

Об особенностях применения смазки Литол 24 можно узнать из этого материала.

Также у нас вы найдете подробности о ремонте резонатора двигателя.

Сульфатация начинается при плотности около 1,16-1,1,18, так что в этой ситуации необходимо незамедлительно зарядить аккумулятор. 

Как плотность влияет на работу АКБ

Плотность АКБ во время эксплуатации подвержена постоянным изменениям. Благодаря измерению плотности электролита, ареометром, совместно с измерением напряжения, можно определить состояние аккумулятора. [stextbox id=»alert»]Значительное понижение уровня плотности, скорее всего, указывает на то, что какая-то из ячеек имеет дефект либо указывает на разрыв цепи или на сильную разрядку АКБ (в этом случае все ячейки будут обладать низкой плотностью).  [/stextbox]

Стоит отметить, что чем ниже плотность электролита, тем более длительный срок сможет проработать батарея.

Но при этом низкое значение нередко приводит к сульфатации пластин. Помимо этого в таких условиях АКБ может и вовсе замерзнуть, а после такого, скорее всего, аккумулятор восстановлению уже подлежать не будет и придется приобретать новый.

• Повышенный уровень плотности электролита способствуют понижению срока эксплуатации АКБ. Пониженная же плотность в батареи может привести к затруднениям с запуском силового агрегата.

Если аккумулятор перестает держать заряд, необходимо осуществить проверку состояния жидкости внутри него. Когда батарея функционирует, происходит испарение воды, вследствие этого электролит становится концентрирование, это также отрицательно влияет на работу аккумулятора.

Как измерить плотность

Плотность электролита оценивают, как правило, используя ареометр – измерительный прибор в виде стеклянной колбы с ареометром внутри, грушей из резины на одном конце и резиновой трубкой на другом. Фото: akbshop.in.ua

Для измерения плотности необходимо проделать следующие действия:

• Прежде чем начать делать замер, нужно нажать на грушу, чтобы выпустить из нее воздух;
• После этого максимально глубоко опускаем трубку в электролит;
• Затем, не спеша, набираем из нее содержимое, понемногу разжимая грушу, при этом ареометр начнет плавать, не прикасаясь ко дну и к стенкам;
• Устанавливаем прибор в вертикальном положении и смотрим на нижнюю градуировку, которая и покажет плотность электролита;
• В завершении осуществляем нажатие на грушу, дабы слить жидкость обратно в электролит;
• Проделываем данную процедуру со всеми оставшимися банками.

Также можно измерить плотность при помощи вольтметра. К клеммам батареи нужно подключить автоматический тестер и померить напряжение. Оно должно составлять двенадцать-двенадцать с половиной вольт. Затем следует повернуть ключ в зажигании и набрать 2500 оборотов. Напряжение должно скакнуть до четырнадцати вольт, но не превысить четырнадцати с половиной. Если изменения отсутствуют, значит нужно просто подзарядить батарею.

[stextbox id=»black»]Большинство аккумуляторов, которые выпускаются сегодня, оборудованы специальным цветным датчиком. [/stextbox]

Зеленый цвет датчика указывает на то, что батарея полностью заряжена, а желтый — что осталось совсем немного зарядки.

Как повысить плотность

Чтобы повысить плотность электролита можно воспользоваться следующими методами:

• Поменять электролит на новый;
• Зарядить аккумулятор;
• Добавить серную кислоту;
• Залить корректирующий электролит.

Перед тем как приступить к процессу, нужно подготовить все то, что нам может потребоваться, а именно – емкость для разведения электролита, клизма-груша, дрель, дистиллированная вода и непосредственно сам корректирующий электролит.

В самом начале рекомендуется осуществить зарядку батареи и проверить ее напряжение. Если после набора оборотов ничего не поменялось, необходимо оставить АКБ подзаряжаться примерно на десять часов. При этом ток должен быть меньше емкости аккумулятора в 10 раз, то есть если емкость составляет шестьдесят ампер/час, хватит тока в шесть ампер.

Эта таблица поможет выбрать плотность аккумулятора в зависимости от времени года и климата. Фото: prosdo.ruует снизить значения в два раза и заряжать батарею еще на протяжении двух часов. Благодаря этому и выравнивается  плотность электролита. Если при запущенном силовом агрегате напряжение становится больше четырнадцати с половиной ватт, залейте в АКБ воду и затем подзарядите его.

[stextbox id=»alert»]Если же это не помогло и заряд батареи продолжает стремительно понижаться, придется работать с электролитом.[/stextbox]

Чтобы повысить плотность аккумулятора самостоятельно, необходимо выполнить следующие действия:

• Отобрать немного электролита с банки АКБ;
• Добавить такой же объем корректирующего электролита, если необходимо прибавить плотность либо воду, если нужно ее понизить;
• Затем около тридцати минут заряжать батарею, чтобы жидкость могла перемешаться;
• После зарядки, нужно подождать 1-2 часа, это позволит плотности всех банок сравняться. За это время также понизиться температура и выйдут все газы;
• Далее нужно проверить плотность и если она не соответствует норме повторить все шаги заново и вновь померить ее.

Обязательно следите за тем, чтобы плотность не превышала 1,35 г/см, в противном случае кислота начнет «съедать» пластины.

Итог

Итак, плотность является очень важным параметром, который оказывает влияние на функционирование аккумулятора и может либо продлить срок его эксплуатации либо наоборот сократить. Поэтому владельцу любого транспортного средства рекомендуется регулярно проверять плотность АКБ и при необходимости поднимать либо понижать ее уровень.

Добавьте FBM.ru в избранное Яндекс НовостиДобавьте ПроКроссоверы в избранное

Измерение плотности и удельного веса аккумуляторной кислоты в свинцово-кислотных батареях :: Anton Paar Wiki

Что такое аккумуляторная кислота?

Термин «аккумуляторная кислота» относится к электролиту, используемому в батареях. Для свинцово-кислотных аккумуляторов это серная кислота (H ₂ SO ₄ ). Серная кислота бесцветна, не имеет запаха и сильно кислая.

Зачем измерять плотность/удельный вес аккумуляторной кислоты?

Знание удельного веса электролита в батареях дает представление об уровне заряда. Из-за химических реакций при разряде плотность сернокислого электролита (или его удельный вес) уменьшается. Таким образом, измерение плотности аккумуляторной кислоты дает информацию о концентрации H

2 SO ₄ и состоянии зарядки аккумулятора. В зависимости от результата оператор знает, требуется ли аккумулятору обслуживание или замена. Для обнаружения и обслуживания самых слабых элементов батареи обязательна регулярная проверка плотности.

Методы измерения кислотности аккумуляторной батареи

Для проверки удельного веса электролита можно использовать ареометр (также называемый «аэрометр») или цифровой плотномер (также называемый «цифровой ареометр»).

Использование ареометра

Ареометр для свинцово-кислотных аккумуляторов представляет собой специальный тип ареометра, который выглядит как шприц с грушей. Внутри колбы находится поплавок, калиброванный для измерения удельного веса (SG). Чтобы использовать ареометр, нужно высосать немного электролита из аккумулятора (H ₂ SO ₄ ) из батареи в колбу и считайте значение, указанное плавающим в образце поплавком.

Использование цифрового плотномера

Цифровой плотномер (иногда называемый цифровым ареометром) можно использовать для измерения удельного веса сернокислотного электролита, если измерительная ячейка выдерживает воздействие агрессивных кислот. Результат обычно преобразуется в правильную температуру и отображается в желаемых единицах, таких как SG (удельный вес) 80/80 на цифровом дисплее.

Плотномеры (или цифровые ареометры) имеют некоторые преимущества перед ареометрами: они быстрее и отображают результат на цифровом дисплее, уже преобразованный в температуру, а также упрощает очистку. Между измерениями цифровым плотномером чистка ячейки не требуется, так как образцы аналогичны, проводится только промывка перед следующим измерением. Измерение плотности на плотномере требует обработки только небольшого объема 2 мл.

Следуя нескольким простым правилам, можно обеспечить хорошие результаты измерения плотности.

Таблица 1: Обзор методов измерения уровня электролита в аккумуляторных батареях с плюсами и минусами

 

Method	Pros	Cons
Hydrometer	Low price	Not very accurate Error prone due to manually reading off the value Breaks легко Относительно большое количество образцов должно быть извлечено из батареи Для точного считывания значения требуются время и навыки
Цифровой плотномер	1 минута измерения Простое и безопасное заполнение с помощью встроенного ручного насоса Требуется всего 2 мл образца Автоматический расчет удельного веса (SG) на основе измеренной плотности благодаря встроенным таблицам преобразования Высокая точность	Относительно высокая цена по сравнению с ареометрами

Общие единицы измерения

Плотность серной кислоты (H ₂ SO ₄ ) измеряется и преобразуется в удельный вес либо при 70 °F для получения SG 70/70, либо при 80 °F для получения SG 70/70 получить SG 80/80.

Узнайте больше о

• Как измерять содержание серной кислоты и олеума в диапазоне от 0 % по массе до 114 % по массе
• Сколько времени и денег вы можете сэкономить, используя цифровой плотномер
• последние разработки в области цифрового измерения плотности
• Основы плотности и измерения плотности

9.4: Измерения аккумуляторов и топливных элементов

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

18994

• Андреа М. Митофски
• Университет Трине

Напряжение элемента, удельная энергия и связанные с ними показатели

Точно так же, как химики имеют несколько показателей способности протекать зарядов, они имеют несколько показателей энергии или заряда, хранящегося в устройстве. В этом разделе определены следующие параметры батарей и топливных элементов:

• Напряжение элемента в вольтах
• Удельная энергия в \(\frac{J}{g}\) или \(\frac{W \cdot h}{kg}\) 93}\) или \(\frac{W \cdot h}{L}\)
• Емкость в \(мА \cdot h\) или \(C\)
• Удельная емкость в \(\frac{мА \cdot ч}{г}\) или \(\frac{C}{кг}\)
• Плотность заряда в \(\frac{мА \cdot h}{L}\) или \(\frac{C}{L}\)

Определения в этом разделе следуют ссылкам [128, гл. 1] и [140].

Если эти меры рассчитываются с использованием знаний о химических реакциях и количествах, найденных в периодической таблице, они называются теоретическими значениями. Если эти величины экспериментально измерены, они называются практическими значениями. Практические значения обязательно меньше, потому что ни одно устройство преобразования энергии никогда не бывает полностью эффективным. Меры, которым предшествует слово «конкретный», даны на единицу массы. Меры, за которыми следует плотность слова, даны на единицу объема. Например, удельная энергия измеряется в единицах СИ джоулей на грамм, а плотность энергии измеряется в единицах СИ джоулей на кубический метр. Однако эти правила не соблюдаются, поэтому термин плотность энергии иногда используется для обозначения энергии на единицу веса, а не на единицу объема. Безопаснее всего явно указать единицы измерения, чтобы избежать путаницы. 90\) также используются в литературе. Как обсуждалось в Приложении C, слово «потенциал» перегружено множеством значений. Слово напряжение и символ \(V_{ячейка}\) используются здесь, чтобы подчеркнуть, что эта величина по существу является напряжением. Поскольку окислительно-восстановительные потенциалы для многих полуреакций сведены в таблицу [128, прил. B] [137], для многих реакций можно быстро рассчитать теоретическое напряжение ячейки. Хотя мы можем рассчитать теоретическое напряжение ячейки, мы можем измерить практическое напряжение ячейки с помощью вольтметра. Теоретическое напряжение ячейки всегда будет немного больше, чем практическое напряжение ячейки, потому что теоретическое напряжение ячейки не учитывает ряд эффектов, включая внутреннее сопротивление и другие факторы, обсуждаемые в следующем разделе. 3}\), впервые было введено в разделе 1.6.1, и оно проявляется в законе Гаусса, один уравнений Максвелла. Однако слово «емкость» не имеет ничего общего с введенным ранее словом «емкость». См. Приложение C для получения дополнительной информации об этом и других перегруженных терминах. 93}\) или \(\frac{W \cdot h}{L}\) — это мера энергии, хранящейся в устройстве на единицу объема. Теоретическая плотность энергии является произведением теоретического напряжения ячейки и плотности заряда. Эти меры могут быть рассчитаны на основе знаний о химических реакциях с использованием информации из периодической таблицы. Практическая удельная энергия и практическая плотность энергии обычно на 25-35% ниже теоретических значений [128, гл. 1.5]. Удельная энергия и плотность энергии являются важными показателями батареи. Часто желательны высокие значения, чтобы небольшие и легкие батареи можно было использовать для питания устройств как можно дольше. Однако по мере увеличения удельной энергии и плотности энергии возрастают требования безопасности. 9{4} \frac{\mathrm{C}}{\mathrm{mol}} \nonumber \]

[68]. Эта величина не будет использоваться ниже, поскольку постоянная Авогадро \(N_a\) и величина заряда электрона \(q\) уже определены, а также потому, что в этом тексте уже слишком много переменных.

Мы можем рассчитать теоретическую удельную емкость в \(\frac{A \cdot h}{g}\) и теоретическую удельную энергию в \(\frac{J}{g}\) для реакций, заданных уравнением 9.3. .1 и 9.3.2. Окислительно-восстановительный потенциал полуреакции Mg равен \(V_{rp} = 2,68\) В, а окислительно-восстановительный потенциал полуреакции Ni равен \(V_{rp} = 0,49).\) V [140] [137]. Общее напряжение ячейки составляет

\[V_{ячейка} = 2,68 + 0,49 = 3,17 \text{В}. \nonumber \]

Реакция происходит самопроизвольно, когда она настроена, потому что \(V_{ячейка} > 0\).

Переводя единицы измерения, мы можем рассчитать вес единицы заряда для каждой полуреакции. Из периодической таблицы атомный вес Mg равен 24,31 \(\frac{g}{mol}\), атомный вес Ni равен 58,69 \(\frac{g}{mol}\), а атомный вес O составляет 16,00 \(\ frac{g}{mol}\). Сначала рассмотрим полуреакцию Mg по уравнению 9.{-19} \mathrm{C}} \cdot \frac{1 \mathrm{C}}{1 \mathrm{A} \cdot \mathrm{s}} \cdot \frac{3600 \mathrm{s}}{ 1 \mathrm{h}} = 1,69 \frac{\mathrm{g}}{\mathrm{A} \cdot \mathrm{h}} \nonumber \]

Для общей реакции

\[0,454+1,692 = 2,146 \ frac {\ mathrm {g}} {\ mathrm {A} \ cdot \ mathrm {h}}. \nonumber \]

Общая теоретическая удельная емкость является обратной величиной.

\[\frac{1}{2,146} = 0,466\frac{\mathrm{A} \cdot \mathrm{h}}{\mathrm{g}} \nonumber \]

Добавление плотностей зарядов для каждой полуреакции не имеет смысла, но мы можем просуммировать значения веса на единицу заряда в единицах \(\frac{g}{A \cdot h}\).

Мы можем рассчитать теоретическую удельную энергию, умножив теоретическое напряжение ячейки на теоретическую удельную емкость.

\[3,17 \mathrm{V} \cdot 0,466 \frac{\mathrm{A} \cdot \mathrm{h}}{\mathrm{g}}=1,48 \frac{\mathrm{W} \cdot \mathrm {h}}{\mathrm{g}} \nonumber \]

Теоретическая удельная энергия может быть преобразована в единицы \(\frac{J}{g}\). 9{3} \frac{\mathrm{J}}{\mathrm{g}} \nonumber \]

В расчетах выше учитывались только веса электродов. Однако упаковка, сепаратор и другие компоненты батареи имеют некоторую массу, которая увеличивает вес батареи.

Практическое напряжение и эффективность

Мы можем смоделировать как аккумулятор, так и топливный элемент как идеальный источник напряжения. Это полезная модель, но иногда она недостаточно хороша по нескольким причинам. Лучшая модель включает некоторое внутреннее сопротивление [128, с. 9.27]. Однако даже эта модель неадекватна, поскольку напряжение любой практической батареи зависит от температуры, нагрузки, тока через батарею, доли используемой емкости, количества перезарядок и других факторов [128, с. 3.2]. Еще более совершенная модель включает и эти варианты, как показано на рис. \(\PageIndex{1}\).

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Модели батареи.

Для описания напряжения на аккумуляторе или топливном элементе используется множество показателей. Номинальное напряжение — это типичное напряжение во время использования, и часто это напряжение указано на этикетке. Конечное или отсечное напряжение — это напряжение в конце срока службы батареи. Напряжение холостого хода — это напряжение без нагрузки, приблизительно равное начальному напряжению батареи. Напряжение замкнутой цепи – это напряжение под нагрузкой. Оно меньше напряжения холостого хода из-за внутреннего сопротивления батареи [128, с. 3.2]. 97 \frac{1}{\Omega \cdot m}\) [106]. Каждый раз, когда ток протекает через физический материал с конечной электропроводностью, энергия преобразуется в тепло. Фактическое напряжение является функцией тока, потребляемого от батареи, поскольку при больших токах этот эффект больше. Кроме того, фактическое напряжение является функцией температуры, потому что ионы движутся быстрее при более высоких температурах, поэтому внутреннее сопротивление при более высоких температурах меньше [128, с. 3.9]. Однако при более высоких температурах химические реакции могут протекать быстрее, поэтому срок службы батарей может быть меньше, поскольку реакции протекают быстрее.

Фактическое напряжение на аккумуляторе или топливном элементе также зависит от накопления продуктов химической реакции. В примере, представленном уравнениями 9.3.1 и 9.3.2, реагентами были Mg и NiO\(_2\), а продуктами реакции были Mg(OH)\(_2\) и Ni(OH)\(_2\) . Фактическое напряжение на устройстве падает по мере использования, потому что реагенты накапливаются в электролите по мере протекания реакции. Эти реагенты препятствуют протеканию дальнейших реакций [128, с. 3.2]. Влияние накопления продуктов на напряжение батареи можно смоделировать с помощью

\[V_{cell\,theor}-V_{cell\,prac} = \frac{k_{B} T}{N_{v} q} \ln \left(\frac{[\text { products } ]}{[\text { реагенты }]}\right) \nonumber \]

известное как уравнение Нернста [12, с. 750 789]. Многие авторы заменяют постоянную Больцмана в этом выражении, используя \(\mathbb{R} = N_ak_B\), где \(N_a\) — постоянная Авогадро, а \(\mathbb{R}\) — молярная газовая постоянная. В этом выражении \(V_{cell\,theor}\) — теоретическое напряжение ячейки, а \(V_{cell\,prac}\) — практическое напряжение ячейки, учитывающее влияние продуктов реакции. Количество \(N_v\) представляет собой количество валентных электронов, участвующих в химической реакции. Для примера уравнения 9.3.1 и 9.3.2 участвуют два электрона. Итак, величина \(\frac{k_BT} {N_v}\) представляет собой внутреннюю энергию, приходящуюся на один валентный электрон, участвующий в реакции. Количество \(\frac{[\text { продукты }]}{[\text { реагенты }]}\) известно как коэффициент активности, и его натуральный логарифм находится между нулем и единицей.

\[0 \leq \ln \left(\frac{[\text { products }]}{[\text { реагенты }]}\right) \leq 1 \nonumber \]

При первой установке батареи вверх, имеется много реагентов, но мало продуктов, и

\[\ln \left(\frac{[\text { продукты }]}{[\text { реагенты }]}\right) \приблизительно 0. \nonumber \]

В этом случае коэффициент активности равен очень мало, поэтому практическое напряжение элемента между клеммами очень близко к теоретическому напряжению элемента. После того, как аккумулятор разряжается в течение длительного времени, коэффициент активности становится большим, поскольку присутствует много продуктов.

\[\ln \left(\frac{[\text { продукты }]}{[\text { реагенты }]}\right) \приблизительно 1 \номер \]

Как и ожидалось, эта модель показывает, что по мере разрядки батареи разница между теоретическим и практическим напряжением элемента увеличивается. Мы никогда не сможем использовать всю емкость, хранящуюся в батарее. По мере разрядки аккумулятора напряжение между клеммами падает. В какой-то момент уровень напряжения становится слишком низким, чтобы его можно было использовать, и достигается конечное напряжение. В этот момент батарею следует заменить, даже если в ней еще есть запас заряда.

Уравнение Нернста полезно для химиков, потому что его можно использовать для решения количественной концентрации продуктов реакции и реагентов. Теоретическое напряжение ячейки можно рассчитать или найти в таблице, а практическое напряжение ячейки можно измерить вольтметром. В [137] представлены компоненты коэффициента активности в зависимости от температуры для различных реакций.

Инженеров-электриков может больше заинтересовать уравнение Нернста, потому что оно дает информацию об эффективности батарей и топливных элементов. Эффективность определяется как выходная мощность по сравнению с входной мощностью или выходная энергия по сравнению с входной энергией.

\[\eta_{ef\,f} = \frac{E_{out}}{E_{in}} \nonumber \]

Энергия, запасенная в электрическом компоненте, определяется уравнением 2.2.7, где Q — заряд и V напряжение. Количество заряда, участвующего в каждой реакции, определяется количеством вовлеченных электронов, умноженным на их заряд для каждой, \(Q = qN_v\).

\[E_{in} = \frac{1}{2}qN_vV_{cell\,theor} \label{9.4.14} \]

Также указана внутренняя энергия реакции при температуре \(T\) by

\[E_{in} = \frac{1}{2}k_BT \label{9.4.15} \]

Мы можем смоделировать теоретическое напряжение элемента батареи, комбинируя уравнения \ref{9.4.14} и \ref{9.4.15}.

\[k_BT = qN_vV_{cell\,theor} \nonumber \]

\[V_{cell\,theor} = \frac{k_BT}{qN_v} \nonumber \]

Выходная энергия, производимая батареей пропорциональна практическому напряжению элемента, измеренному между клеммами.

\[E_{out} = \frac{1}{2}qN_vV_{cell\,prac} \nonumber \]

Затем можно переписать эффективность.

\[\eta_{ef\,f} = \frac{V_{cell\,prac}}{V_{cell\,theor}} \nonumber \]

С некоторой алгеброй мы можем использовать уравнение Нернста для запишите эту величину как функцию коэффициента активности.

\[\eta_{ef\,f} = \frac{V_{cell\,prac}+V_{cell\,theor}-V_{cell\,theor}}{V_{cell\,theor}} \ нечисло \]

\[\eta_{ef\,f} = 1-\left( \frac{V_{cell\,theor}-V_{cell\,prac}}{V_{cell\,te}}\ справа) \номер\]

Числитель можно заменить уравнением Нернста.

\[\eta_{ef\,f} =1- \frac{1}{V_{cell\,theor}} \left( \frac{k_BT}{N_vq} \ln \left(\frac{[\ text { продукты }]}{[\text { реагенты }]}\right) \right) \nonumber \]

\[\eta_{ef\,f} =1- \ln \left(\frac{[\ text { продукты }]}{[\text { реагенты }]}\right) \label{9.4.23} \]

Уравнение \ref{9.4.23} показывает, что эффективность является функцией коэффициента активности. Как описано выше, коэффициент активности различен для разных реакций и зависит от температуры. Коэффициент активности является мерой эффекта накопления продуктов в электролите батареи или топливного элемента.

Уравнение \ref{9.4.23} описывает эффективность батарей и топливных элементов. Это еще один способ выражения уравнения Нернста. Это аналогично уравнениям, которые мы встречали, описывая эффективность других устройств преобразования энергии. Более конкретно, оно имеет форму, аналогичную уравнению для эффективности Карно, уравнению 8.6.6. Эффективность Карно описывает температурную зависимость эффективности всех устройств, преобразующих разность температур в другую форму энергии. Он был введен в связи с термоэлектрическими устройствами, но применим и к пироэлектрическим устройствам, паровым турбинам и другим устройствам. Эти уравнения также имеют форму, аналогичную уравнению 7.3.4, которое моделирует влияние коэффициента отражения зеркала и оптического поглощения на эффективность лазера.

---

Эта страница под названием 9.4: Измерения батарей и топливных элементов распространяется под лицензией CC BY-NC 4.