Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи

 

Наиболее широко используемым на сегодняшний день является свинцово-кислотный аккумулятор, изобретенный французским физиком Гастоном Планте ещё в 1859 году.

Номинальное разрядное напряжение такого аккумулятора – 2В, в зависимости от конструкции, напряжение при заряде – 2,23-2,4В, в конце разряда – 1,6-1,8В, срок службы – от 3-5 лет до 20лет и более.

Активным веществом положительной пластины (анода) такого аккумулятора является двуокись свинца PbO₂, отрицательной (катода) – свинец Pb. Оба электрода изготавливают пористыми, для того, чтобы их площадь соприкосновения с электролитом была как можно большей. Электролитом в данном аккумуляторе выступает H2SO4 – раствор серной кислоты.

Рисунок 1.3 Устройство свинцового-кислотного аккумулятора и электрохимическая схема разрядного процесса

 

Заряд аккумуляторной батареи производится при вводе ее в эксплуатацию или в процессе эксплуатации после разряда. В процессе заряда осуществляется восстановительная химическая реакция, преобразующая энергию электрическую в химическую. Выделяют полный, частичный, ускоренный, выравнивающий и поддерживающий заряды. Режимы заряда определяются характером изменения тока и напряжения.

Химические реакции при заряде-разряде свинцово-кислотного аккумулятора представляются следующей формулой:

 

. (1.1)

При разряде (уравнение реакции слева направо) чистый свинец (Pb) и двуокись свинца (PbO2) превращаются в сульфат свинца (PbSO4). Серная кислота (H2SO4) участвует в реакции в виде отрицательно заряженного кислотного остатка (SO4) и основания – положительно заряженных ионов водорода (2H+) – с образованием сульфата свинца и воды. При заряде (уравнение реакции справа налево) все процессы протекают в обратном направлении. На рисунке 1.3 схематично изображён процесс заряда-разряда.

ЭДС свинцового-кислотного аккумулятора зависит от плотности электролита и может определяться формулой:

 

, (1.2)

 

где E – ЭДС (В), а ϒ – плотность электролита (мг/м³). Согласно формуле (1.2), начальная ЭДС аккумулятора находится в пределах от 2,05 В до 2,10 В (в зависимости типа аккумулятора). В конце разряда напряжение на зажимах аккумулятора может уменьшиться до 1,7 В, а в конце заряда повыситься до 2,6 В.

Основным параметром свинцово-кислотной, как и любой другой аккумуляторной батареи, является электрическая емкость аккумулятора. Она определяется числом ампер-часов электричества, получаемого в процессе его разряда определенным током до заданного конечного напряжения. В соответствие с ГОСТ Р МЭК 896-1-95 номинальная емкость аккумулятора (С₁₀) определяется по времени его разряда током десятичасового режима разряда до конечного напряжения 1,8В/эл при средней температуре электролита 20°С – если она при разряде отличается от 20°С, полученное значение фактической емкости (Сф) с помощью нижеуказанной формулы приводят к температуре 20°С:

 

, (2.3)

 

где z – температурный коэффициент емкости (0,011/°C – для режимов разряда, равных одному часу и менее; 0,0061/°C для режимов разряда более часа); t – фактическое значение средней температуры электролита при разряде, °С.

Каждый цикл заряда-разряда сопровождается некоторыми необратимыми процессами, например – медленным накапливанием невосстанавливающегося сернокислого свинца в электроде. Через некоторое число циклов (около 1000) аккумулятор лишается способности нормально заряжаться, также как и при длительном неиспользовании аккумулятора (из-за процесса медленного саморазряда – 0,5– 1 % своего заряда в сутки).

Согласно классификации МЭК (стандарт МЭК 50 (486) - 1991) аккумуляторы подразделяют на две группы:

– открытые, снабженные крышкой с отверстием, через которое удаляются газообразные продукты. Также такая конструкция позволяет производить периодический замер уровня и плотности электролита и при необходимости доливать дистиллированную воду с проведением уравнительных зарядов;

– закрытые (герметизированные, безуходные) – аккумуляторы, снабженные регулирующим предохранительным клапаном, препятствующим проникновению газа (воздуха) извне и обеспечивающим выпуск газа при превышении внутренним давлением установленного допустимого значения. Аккумуляторы остаются герметично закрытыми в течение всего срока службы и дополнительная доливка электролита в них невозможна.

Принцип безуходности аккумуляторов обеспечивается целым комплексом мер при их изготовлении и эксплуатации. В аккумуляторах используют исходные материалы с малым содержанием примесей. Для формирования основы электродов вместо сурьмы, из-за которой происходит повышенное газоотделение, используют кальций и олово. Применяют технологии «связывания» электролита – GEL или AGM, созданные в 1958г. и в 1980г. соответственно.

При использовании GEL в электролит вводится специальная добавка-загуститель – около 6% SiO₂ – селикогеля. Аккумулятор заполняется хорошо перемешанной текучей массой, которая позже застывает, превращаясь в желе. В нём при этом образуются поры, дающие газообразному кислороду возможность для перемещения при заряде от анода к катоду. В таких аккумуляторах происходит рекомбинация кислорода по замкнутому циклу и при заряде в условиях нормальной эксплуатация практически не происходит потери воды.

AGM, в свою очередь, позволяет осуществить связывание электролита путем его абсорбирования микропористой сепарацией (специальное стекловолокно). В пористой системе пропитанной дозированным количеством электролита сепарации, мелкие поры заполняются электролитом, а более крупные остаются пустыми, обеспечивая тем самым перемещение газа внутри аккумулятора.

Как упоминалось выше, в конструкции таких аккумуляторов присутствуют специальные клапаны, отводящие избыток газа. А также применяются исключающие повышенное газообразование режимы заряда аккумуляторов.

К достоинствам кислотно-свицовых аккумуляторов стоит отнести их минимальную цену; диапазон емкостей, находящийся в пределах от единиц до тысяч ампер-часов; узкий диапазон изменения напряжения; низкий саморазряд; возможность сохранить заряд (емкости) при длительном подзарядке; сравнительно малое внутреннее сопротивление.

Наиболее существенным недостатком таких батарей являются их достаточно большие массогабаритные параметры, в виду низкой удельной плотности запасаемой энергии. Т.к. процесс рекомбинации (восстановления) кислорода в воду проходит под избыточным давлением в аккумуляторе и с выделением тепла, то в целях обеспечения взрывобезопасности должна быть налажена вентиляция, естественная или принудительная. Ещё одним минусом является то, что разряженные свинцово-кислотные аккумуляторы требуют немедленного заряда, в противном случае, возможна безвозвратная потеря их емкости. Следовательно, даже при хранении такие аккумуляторы

Современные ЭПУ часто строятся с использованием герметизированных АБ, что предъявляет жесткие требования к условиям их эксплуатации. Основным элементом ЭПУ, обеспечивающим долгосрочную эксплуатацию АБ, является контроллер. Контроллер необходимо правильно настроить под конкретный тип АБ при вводе ЭПУ в эксплуатацию или при замене АБ.