Как называется свинец на аккумуляторе

Кислотные аккумуляторы; чтобы больше не было отвратительно читать то что люди о них пишут

Случайно узрел статью с комментариями к ней, и так злость во мне закипела по поводу безграмотности людей в области кислотных (свинцовых в простонародье) аккумуляторов, что не выдержал и решил написать «гикам» (чтобы быть гиком, как оказывается, мало купить дорогой телефон) краткую статью об аккумуляторах. С рассмотрением тех ошибок, которые мне постоянно мусолят глаза и вызывают праведное желание их исправить.

Начнем с названия. Я очень часто вижу что тремя буквами А-К-Б называют все что можно зарядить, абсолютно любой аккумулятор. Особенно тремя буквами люди любят называть аккумуляторы типа Li-ion. На самом-же деле АКБ аббревиатура от Аккумуляторная Кислотная Батарея. Под ними подразумевается лишь один тип аккумулятора — свинцовый кислотный. С современной точки зрения это название вызывает некоторый когнитивный диссонанс т.к. на данный момент значение слова «батарейка» т.е. гальванического элемента который зарядить нельзя перешло на слово «батарея». И получается как будто бы из-за слова «аккумуляторная» это аккумулятор который зарядить можно, а из-за слова «батарея» это как будто батарейка которую зарядить нельзя. В реальности-же батарея — просто цепь гальванических элементов и со словом «батарейка» имеет общий лишь корень.

Далее перейдем к некоторым мифам, а именно главный миф — АКБ для автомобиля имеет некие существенные отличия от АКБ для ИБП. И вот нельзя их применять и там и там.

С химической точки зрения любые АКБ абсолютно одинаковы. Как-же они устроены? Очень кратко — если аккумулятор заряжен, то один электрод представляет собой свинцовую решетку с нанесенной на нее пастой из PbO₂, второй -такую-же решетку с пастой губчатого свинца. Электролитом служит раствор серной кислоты. В процессе разряда PbO₂ восстанавливается и взаимодействуя с серной кислотой образует PbSO₄. Свинец на другом электроде окисляется и опять-же образует PbSO₄. В конце разрядки мы имеем обе решетчатые пластины заполненные (более или менее) сульфатом свинца. При зарядке аккумулятора происходит электролиз и из сульфата свинца вновь образуется диоксид и металлический свинец. Конечно-же, тут нужно подчеркнуть, что электроды при этом не равны и путать их полярность не стоит т.к. еще на стадии производства в намазку электродов вводятся соответствующие добавки, улучшающие их эксплуатационные свойства. При этом добавки полезные для одного электрода вредны для другого. В очень старые времена, где-то в начале прошлого века, в условиях простых аккумуляторов, вероятно, была допустима переполюсовка аккумулятора по ошибке или с какими-то целями и он какое-то время после этого работал. В том что она допустима сейчас я сомневаюсь.

Таких ячеек в 12В аккумуляторе 6 шт, в 6В — 3 шт. и т.д. Многих вводит в заблуждение значение напряжения на аккумуляторах. Причем значений напряжения номинального, заряда, разряда. С одной стороны, аккумуляторы называются 12В (и 6В, 24В тоже есть, по-моему, даже 4В изредка встречаются) но на корпусе тех-же аккумуляторов для ИБП производитель указывает напряжение выше 13.5В.

Тут мы видим, что в форсированном режиме напряжение заряда может быть аж 15В.

Все разъяснит кривая напряжения на АКБ:

Слева мы видим напряжение для аккумулятора из 12 ячеек (24В номинальных), 6 (12В номинальных) и, самое полезное, для одной ячейки. Там-же отмечены области нежелательных напряжений при разряде/ заряде. Из кривой можно сделать выводы:

1 Напряжение 12В, 24В и т.д. являются номинальными и показывают лишь число гальванических ячеек (путем деления на два) в батарее. Это просто название для удобства.

2 Напряжение при заряде могут достигать 2.5 В/ ячейку что для 12В аккумулятора соответствует 15В.

3 Напряжение заряженной батареи считается допустимым при значении 2.1-2.2 В/ячейку, что для 12В аккумулятора соответствует 12.6-13.2В.

Теоретически, батарею можно зарядить и до значений 2.4 В/ячейку или даже немного выше, однако, такая зарядка будет негативно сказываться как на состоянии электродов, так и на концентрации электролита. Однажды, перед сдачей в утиль, я легко зарядил 12В батарею до напряжения ок. 14.5В (уже не помню точное значение).

Итак, автор статьи с которой я начал, решил, что напряжение заряда автомобильной АКБ и АКБ от ИБП отличаются. Это неверно, у них одинаковый тип электродов и одинаковая концентрация серной кислоты в электролите (подобранная давным-давно экспериментальным путем, чтобы предоставлять максимальное напряжение и минимальном саморазряде). Однако, что-же происходит в батарее, почему ее нельзя заряжать при слишком высоком значении напряжения?

Почему в автомобильную АКБ нужно подливать воду, а в АКБ от ИБП не нужно? Эти вопросы позволяют нам плавно перейти в область напряжения разложения воды. Как я написал выше, при зарядке аккумулятора происходит электролиз. Однако, не весь ток расходуется на превращение PbSO₄ в PbO₂ и Pb. Часть тока будет неизбежно расходоваться и на разложение воды, составляющей значительную часть электролита:

Теоретический расчет дает значение напряжения для этой реакции ок. 1.2В. Напоминаю, что напряжение на ячейке при заряде заведомо более 2В. К счастью, активно вода начинает разлагаться только выше 2В, а в промышленности для получения водорода и кислорода из нее процесс ведут и вовсе при 2.1-2.6В (при повышенной температуре). Как бы то ни было, тут мы приходим к выводу, что в конце процесса заряда АКБ будет неизбежно происходить процесс разложения воды в электролите на элементы. Образующиеся кислород и водород попросту улетучиваются из сферы реакции. Про них бытуют следующие мифы:

1. Водород крайне взрывоопасен! Перезарядишь аккумулятор и как минимум лишишься комнаты где тот был!

На самом деле, водорода в процессе электролиза выделяется ничтожно мало по сравнению с объемом комнаты. Водород взрывается при концентрации от 4% в воздухе. Если мы допустим, что электролиз ведется в комнате размером 3*3*3 метра или 27 метров куб., то нам понадобится наполнить помещение 27*0.04=1.1 метров куб. водорода. Для получения такого количества H2 нужно было бы полностью разложить ок. 49 моль воды или 884 грамма ее. Если кто-то наблюдал электролиз, то поймет насколько это много. Или попробуем перейти ко времени. При силе тока в стандартной зарядке для крупногабаритных АКБ в 6А, уравнение Фарадея дает время, необходимое для получения этого количества водорода, аж 437 часов или 18.2 дня. Чтобы наполнить комнату водородом до взрывоопасной концентрации нужно забыть про зарядку на 2 с половиной недели! Но даже если это случится, концентрация серной кислоты просто будет расти пока ее раствор не приобретет слишком высокое сопротивление для жалких 12В зарядки и сила тока не станет ничтожной. Да и водород попросту улетучится.

Очень редко случаются взрывы непосредственно в корпусах крупногабаритных АКБ из-за того, что выделяющийся водород по какой-то причине не может покинуть замкнутого пространства. Но и в этом случае нечего страшного не бывает — чаще всего взрыва хватает только на небольшую деформацию верхней части корпуса, но не на разрыв свинцовых соединений. И АКБ еще может работать дальше даже после таких повреждений.

2. При электролизе может образоваться смертельно ядовитый и, не менее взрывоопасный чем водород, сероводород!

Не наш, периодически попадался миф в англоязычных постах. Теоретически конечно возможно подать такое большое напряжение и создать т.о. такую большую силу тока, что на катоде начнется процесс восстановления сульфат-иона. Напряжение для этого будет достаточным, а продукты восстановления не будут успевать диффундировать подальше от электрода и восстановление будет идти дальше. Но зарядка в пределах десятка-трех вольт и с ограничением силы тока в 6А на такое едва ли способна. Однажды, я наблюдал процесс восстановления сульфата до SO₂, да, это возможно; однокурсницы по ошибке что-то сделали не то во время опыта. Но это большая редкость т.к. там концентрация серной кислоты была заметно выше той, что используется в АКБ, была иная конструкция электрода и иной его материал и, естественно, напряжения и сила тока были были непомерными. И SO₂ не H₂S.

3. При электролизе мышьяк и сурьма из материала решеток будут восстанавливаться до ядовитых арсина и стибина!

Действительно, решетки содержат относительно много сурьмы, мышьяка в современных решетках, вероятно, нет вообще. При работе АКБ та решетка на которой происходит восстановление, т.е. катод, разрушению не может подвергаться. Выделяйся даже каким-то образом стибин, он бы тут-же взаимодействовал с PbSO4, восстанавливая его до металла.

Однако, некоторая практическая неприятность тут есть. Газообразные водород и кислород могут увлекать за собой капельки электролита, создавая аэрозоль серной кислоты. Аэрозоль серной кислоты, даже концентрированной, для человека не опасен и просто вызывает кашель. Однако, серная кислота — кошмар для тканей и бумаги. Стоит даже небольшому количеству серной кислоты попасть на одежду и там обязательно появятся дырки или ткань разорвется по этому месту. Через недели, если кислоты много, через месяц, но одежда истлеет.

Так что газовыделения опасаться не стоит с бытовой точки зрения или стоит, но нужно ориентироваться именно на аэрозоль серной кислоты.

Итак, вода начала разлагаться на водород кислород, ее в электролите становится все меньше, что-же дальше? Если это АКБ в котором электролит просто налит в виде слоя жидкости, то начнется повышение саморазряда из-за повышения концентрации серной кислоты. Занятно, что это будет сопровождаться небольшим повышением напряжения (концентрация кислоты растет) на ячейке. Именно поэтому автовладельцы должны постоянно контролировать концентрацию серной кислоты в своих АКБ (при помощи ареометра) и доливать туда воду. Процедура доливания воды — необходимая часть процесса обслуживания любой АКБ. Кроме одного их типа, и мы сейчас об этом поговорим.

Иметь аккумулятор в котором болтается слой едкой, по отношению к металлам, жидкости конечно-же неудобно, а потому попытки избавиться непосредственно от жидкости предпринимались давно, начались чуть ли не в первой половине 20-го века. К слову сказать, не то чтобы слой серной кислоты прямо плескался вокруг электродов. В реальности она неплохо распределена между электродами и окружающими их сепараторами даже в дешевых моделях. Итак, первым вариантом было использование стекловолокна. Достаточно просто окружить электроды стекловолокном которое пропитано серной кислотой и большинство проблем решится. Этот тип АКБ носит название AGM (absorbent glass mat) и таких АКБ для ИБП подавляющее большинство. Хотя такие АКБ малого форм-фактора и зачастую позиционируются как те, которые можно эксплуатировать в любом положении, с этим нельзя вполне согласиться. Вскрытие крышки стандартного дешевого AGM аккумулятора показывает, что никаких особых крышек там нет, а следовательно, электролит от вытекания удерживают лишь капиллярные силы. Я почти уверен, что если погонять AGM аккумулятор перевернутым вверх дном, то уже после одной зарядки из него польется серная кислота под давление газов.

Второй распространенный тип интереснее, это т.н. гелевые АКБ. А получаются они благодаря следующему. Если подкислять растворимые силикаты, то будет происходить выделение кремневой кислоты:

Если исходный раствор силиката не отличается качеством, то кремневая кислота будет выделяться в виде стекловидной массы, но если он достаточно чист, то кремневая кислота осадится в виде красивого куска однородного полупрозрачного геля. На этом и основан способ получения гелевых АКБ — простое добавление силикатов к электролиту вызывает его затвердение в гелеобразную массу. Соответственно, вытекать оттуда уже нечему и АКБ действительно можно эксплуатировать в любом положении. Сам по себе процесс образования геля не повышает емкости АКБ и не улучшает его качеств, однако, производители его используют при производстве наиболее качественных моделей, а потому эти АКБ отличаются высоким качеством и большей емкостью. Занятно, что в обоих случаях носителем электролита является SiO2 в той или иной форме.

Оба типа АКБ объединяются в славный тип VRLA — valve-regulated lead-acid battery который и применяется в ИБП. Формально они считаются необслуживаемыми и терпящими эксплуатацию в любом положении, но это не совсем так. Более того, многие уже встречались с эффектом, когда буквально несколько мл воды возвращают к жизни, казалось бы, дохлую АКБ от ИБП. Так получается, потому что и эти аккумуляторы не капли не застрахованы от электролиза воды в электролите, а следовательно, и пересыхания. Все происходит точно так-же, как в крупногабаритных АКБ. А вот самые дорогие и крутые необслуживаемые АКБ содержат катализатор для рекомбинации выделяющихся газов обратно в воду и вот уже у них корпус действительно выполнен абсолютно герметичным. Обращаю внимание, что по-настоящему герметичным и необслуживаемым может быть и аккумулятор типа AGM и GEL, но они-же могут ими и не быть и не содержать катализатора рекомбинации кислорода и водорода. Тогда, несмотря на казалось бы продвинутую конструкцию, пользователю придется либо чаще покупать новые аккумуляторы, либо доливать воду при помощи шприца.

Хотелось бы добавить несколько слов о режимах разряда. Производители АКБ указывают какой ток максимально допустим для той или иной модели, но нужно понимать, что аккумулятор — просто смесь химических веществ и ЭДС генерируется исключительно химическим путем. Это не конденсатор который, по электрогидравлической аналогии, можно сравнить с неким механическим сосудом (с гибкой мембраной). Хотя АКБ могут выдавать очень большие значения силы тока, в реальности они лучше всего эксплуатируются как раз при небольших токах, что в разряде, что в заряде. Поэтому ИБП, рассчитанные на заряды небольших АКБ, при работе с крупногабаритными будут заряжать их в наиболее щадящем режиме. Впрочем, в течении далеко не одних суток. Интересно обратить внимание на то, что чем выше мощность ИБП, тем больше аккумуляторов последовательно предпочитает собирать производитель. Тут все логично — большие токи разряда маленькие АКБ выдерживают очень плохо.

1. Малогабаритные и крупногабаритные АКБ идентичны по устройству.

2. Для подавляющего большинства АКБ любого размера доливание воды является необходимой частью текущего обслуживания.

3. Лишь немногие из дорогих моделей АКБ содержат механизм рекомбинации газов и могут быть названы действительно необслуживаемыми.

4. Сам по себе водород, который выделяется при заряде (а это равно постоянной работе в ИБП) АКБ, не является существенной угрозой или проблемой.

5. Нужно очень внимательно работать с АКБ, тщательно избегая пролива даже малейших капель электролита, или лишитесь одежды.

6. Разряд и заряд малыми токами являются наиболее предпочтительными режимами эксплуатации АКБ.

Устройство автомобилей

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

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

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

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в водном растворе серной кислоты.

При подключении к электродам аккумулятора внешней нагрузки начинается электрохимическая реакция взаимодействия оксида свинца и серной кислоты, при этом металлический свинец окисляется до сульфата свинца.

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

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

Реакции на аноде:

Реакции на катоде:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Устройство, принцип работы свинцово-кислотных АКБ

Любой автомобиль не может нормально работать без аккумулятора, и дело не только в возможности пуска двигателя – современные гибридные и полностью электрические модели машин используют АКБ в качестве основной движущей силой.

И хотя разработки новых, более ёмких типов аккумуляторов не прекращаются, старые добрые свинцово-кислотные модели всё ещё остаются в тренде, по-прежнему являясь самым распространённым типом автомобильных батарей. Почему аккумуляторы, первые прототипы которых появились ещё в XIX веке, не собираются уходить на пенсию? Давайте разбираться.

Устройство типового свинцово-кислотного аккумулятора

Использование химических реакций для выработки электроэнергии – идея старая. Электролиз как явление был известен со времён Фарадея, и именно он лежит в основе работы АКБ кислотно-свинцового типа. Если конкретнее, то такими реакциями является взаимодействие свинца и водного раствора серной кислоты, а также последней с диоксидом свинца при определённом направлении тока.

Устройство классического свинцово-кислотного аккумулятора нельзя назвать сложным: батарея пластин, заключенная в пластиковом корпусе, погружена в электролит. Когда к аккумулятору подключить нагрузку, то во время разряда на анодных пластинах свинец связывается с сульфатным остатком, образуя сульфат свинца, на катоде происходит реакция восстановления диоксида свинца. Во время зарядки всё меняется: на аноде сульфатированный свинец распадается на чистый металл, а остаток связывается с водой, восстанавливая объёмы серной кислоты в электролите. Эта схема, состоящая из несложных химических операций, выполняемых поочерёдно, позволяет батарее служить источником питания достаточно долго.

Но баланс сил меняется, если одна из операций, зарядка или разрядка, становится превалирующей. При перезаряде количество сульфата свинца уменьшается, что становится причиной старта процесса электролиза. В результате электролит закипает, и такое явление само по себе опасное, поскольку выделяемые при этом газы – взрывоопасны. С этим явлением борются, обеспечивая постепенное падение заряда на клеммах АКБ при увеличении напряжения. Но существует и другая опасность – выкипание электролита, поскольку оголенные пластины быстро начинают разрушаться под воздействием кислорода. При сильном разряде пластины сульфатируются, покрываясь слоем сульфата свинца, который не преобразуется в чистый свинец при зарядке, снижая ёмкость батареи.

Сульфатация пластин в аккумуляторе

Именно ёмкость является главной характеристикой аккумулятора, определяя, какое количество электроэнергии способна отдавать батарея в единицу времени. Поскольку ёмкость находится в прямой зависимости от площади свинцовых пластин, увеличение этого параметра возможно несколькими способами: использование большего количества пластин и увеличением их размера. Но поскольку и то, и другое имеют ограничения, то конструкция и состав свинцово-кислотных АКБ эволюционируют в других направлениях, где добиться существенного прогресса очень сложно. Например, разработчики много экспериментируют с составом пластин, внося в свинец различные добавки.

Принцип работы аккумулятора свинцово-кислотного типа

Востребованность АКБ этого типа обусловлена простотой и надёжностью конструкции. Обладая невысоким внутренним сопротивлением, такие батареи способны генерировать ток номиналом в сотни ампер, а для автомобильного стартера важным являются именно такие характеристики – мощь, выдаваемая на протяжении небольшого отрезка времени.

Нельзя сказать, что с конца 19 века конструкция, характеристики и КПД свинцово-кислотных аккумуляторов не совершенствовались, этот процесс продолжается и поныне.

Но в целом принцип функционирования остался неизменным. Современное устройство состоит из комплекта свинцовых электродов, заключённых в общий корпус. Пластины изготавливаются из пористой, губчатой разновидности свинца, что необходимо для обеспечения химических реакций с участием возможно большего числа молекул, катодные пластины покрыты слоем диоксида свинца. Когда электролитическая жидкость, состоящая из водного раствора серной кислоты, взаимодействует с пластинами при подсоединении к АКБ нагрузки, возникает электрический заряд. При этом свинец присоединяет к себе сульфатный остаток, образуя сульфат свинца и воду, количество серной кислоты в электролите уменьшается со скоростью, пропорциональной нагрузке. Другими словами, при прокручивании стартера ёмкость падает очень быстро, а если в качестве нагрузки выступает магнитола, разряд будет происходить намного медленнее.

При зарядке аккумулятора происходят обратные химические реакции – сульфат свинца разлагается, образуя серную кислоту и чистый свинец, плотность электролита возрастает, теоретически такие циклы могли бы продолжаться бесконечно, но на практике со временем способность пластин к самовосстановлению падает.

Классификация свинцово-кислотных АКБ

Как мы уже отмечали, бесконечно улучшать характеристики аккумуляторов невозможно. Изменяя и улучшая одни параметры, приходится мириться с тем, что при этом страдают другие характеристики. Но именно этот принцип послужил основой для создания батарей, обладающих разными свойствами.

Так, в настоящее время все АКБ этого типа подразделяются не негерметичные (обслуживаемые) и герметичные.

У первых благодаря наличию отверстий в пробках может происходить потеря электролита вследствие его испарения, поэтому такие батареи требуют периодической проверки уровня электролитической жидкости и её долива в случае необходимости. Кроме того, негерметичные батареи боятся резких наклонов и тем более переворотов.

Более современная герметичная разновидность лишена этих недостатков, а проблема накопления взрывоопасных газов здесь решается использованием специальной системы их сброса. Но такие аккумуляторы практически не подлежат ремонту и восстановлению, в отличие от обслуживаемых. Впрочем, средний их срок эксплуатации всё равно больше, так что проблема скорее надуманная, чем реальная.

По основным характеристикам свинцово-кислотные батареи подразделяются на следующие типы:

• стартерные. Как следует из названия, предназначены для пуска двигателей, их главной особенностью является способность выдавать большие токи на протяжении короткого периода времени (эта характеристика называется током саморазряда);
• буферные батареи. Используются в качестве аварийного источника питания, их нормальное состояние – постоянно находиться в режиме подзарядки;
• АКБ длительного электроснабжения способны выдавать токи больших номиналов длительное время. Это достаточно массивные и крупные изделия, используемые для аварийного питания в особо важных сферах (например, в реанимационных отделениях).

По конструкции пластин и типу электролита свинцово-кислотные АКБ бывают следующих типов:

• жидкостные, самая распространённая разновидность. Обеспечивают количество циклов заряда-разряда на уровне 260-500;
• батареи EFB обладают в целом лучшими характеристиками, в том числе и ресурсом (до 1000 циклов), но стоят достаточно дорого. Здесь электролит тоже жидкий, но его значительно меньше и пластины имеют другую конструкцию; известны тем, что электроды здесь облачены в стекловолоконные оболочки, препятствующие вытеканию электролита. Их достоинство – возможность быстрой зарядки и больший номинал вырабатываемого тока; – полностью необслуживаемые, электролит здесь находится в гелеобразном виде, такие батареи можно устанавливать даже вертикально, они не боятся тряски и ударов.

Словом, совершенствование свинцово-кислотной технологии продолжается, пускай и эволюционным путём.

Достоинства и недостатки

Если говорить о плюсах и минусах аккумуляторный батарей свинцово-кислотного типа, то они хорошо известны.

Начнём, как обычно, с достоинств:

• благодаря простоте конструкции это самые дешёвые из всех разновидностей автомобильных АКБ;
• их легко утилизировать (в некоторых странах благодаря налаженной системе утилизации уровень повторного использования свинца при производстве аккумуляторов достигает 95-98%);
• по сравнению с батареями, в которых пластины изготовляются с применением других химических элементов, свинцово-кислотные отличаются способностью дольше удерживать заряд;
• необслуживаемые разновидности просты и неприхотливы в эксплуатации и не требует слежения за уровнем электролитической жидкости;
• у таких АКБ пусковой ток достаточно высокий, чтобы использовать их для пуска автомобильных моторов.

Но есть и трудноустранимые недостатки, над которыми исследователи бьются уже больше столетия:

• и свинец, и раствор серной кислоты – вещества, опасные с экологической точки зрения, поэтому такие аккумуляторы подлежат обязательной утилизации;
• при неконтролируемой зарядке возможен перегрев батареи, чреватый её взрывом;
• жизненный цикл относительно небольшой, ограничен максимум 500-1000 циклами зарядки-разряда;
• нельзя допускать длительное хранение в разряженном состоянии – такая АКБ с большой вероятностью станет непригодной для использования;
• для кислотно-свинцовой батареи перезаряд столь же вреден, как и глубокая разрядка.

Если какие-то характеристики и удаётся улучшить, то за счёт ухудшения других, хотя положительные подвижки всё же происходят.

Сфера применения

Было бы неправильным считать, что свинцово-кислотные аккумуляторы используются исключительно в автомобильной отрасли. Да, по количественным показателям именно автомобильные батареи являются несомненными лидерами. Но они успешно применяются и в других сферах:

• при производстве осветительного оборудования;
• в качестве аварийных источников электроснабжения;
• в охранных системах, для обеспечения питанием сигнализаций;
• для приборов КИП;
• ими снабжаются бытовые и промышленные ИБП;
• такие батареи устанавливаются в детские автомобили, инвалидные коляски.

В заключение можно уверенно заявить, что АКБ этого типа не скоро уйдут «в тираж»: их востребованность обусловлена простотой конструкции, невысокой стоимостью, высокой ёмкостью, небольшой величине внутреннего сопротивления и, как следствие, невысокому уровню саморазряда.

Свинцово-кислотный аккумулятор

Свинцово-кислотный аккумулятор — наиболее распространенный на сегодняшний день тип аккумуляторов, изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте. Основные области применения: аккумуляторные батареи в автомобильном транспорте, аварийные источники электроэнергии.

Содержание

История

Свинцовый аккумулятор разработал в 1859—1860 годах Гастон Планте, сотрудник лаборатории Александра Беккереля. В 1878 году Камилл Фор усовершенствовал его конструкцию, покрыв пластины аккумулятора свинцовым суриком.

Принцип действия

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в сернокислотной среде.

Энергия возникает в результате взаимодействия оксида свинца и серной кислоты до сульфата (классическая версия). Проведенные в СССР исследования показали, что внутри свинцового аккумулятора протекает как минимум

60 реакций, порядка 20 из которых протекают без участия кислоты электролита (нехимические) [1]

Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на катоде [2] [1] и окисление свинца на аноде. При заряде протекают обратные реакции, к которым в конце заряда добавляется реакция электролиза воды, сопровождающаяся выделением кислорода на положительном электроде и водорода — на отрицательном.

Химическая реакция (слева направо — разряд, справа налево — заряд):

В итоге получается, что при разряде аккумулятора расходуется серная кислота из электролита (и плотность электролита падает, а при заряде, серная кислота выделяется в раствор электролита из сульфатов, плотность электролита растёт). В конце заряда, при некоторых критических значениях концентрации сульфата свинца у электродов, начинает преобладать процесс электролиза воды. При этом на катоде выделяется водород, на аноде — кислород. При заряде не стоит допускать электролиза воды, в противном случае необходимо её долить для восполнения потерянного в ходе электролиза количества.

Устройство

Элемент свинцово-кислотного аккумулятора состоит из электродов (положительных и отрицательных) и разделительных изоляторов (сепараторов), которые погружены в электролит. Электроды представляют собой свинцовые решётки. У положительных активным веществом является перекись свинца (PbO₂), у отрицательных активным веществом является губчатый свинец.

На самом деле электроды выполнены не из чистого свинца, а из сплава с добавлением сурьмы в количестве 1-2 % для повышения прочности и примесей. Иногда в качестве легирующего компонента используются соли кальция, в обеих пластинах, или только в положительных. Применение солей кальция вносит не только положительные но и много отрицательных моментов в эксплуатацию свинцового аккумулятора, например, у такого аккумулятора при глубоких разрядах существенно и необратимо снижается емкость.

Электроды погружены в электролит, состоящий из разбавленной дистиллированной водой серной кислоты (H₂SO₄). Наибольшая проводимость этого раствора наблюдается при комнатной температуре (что означает наименьшее внутреннее сопротивление и наименьшие внутренние потери) и при его плотности 1,23 г/см³

Однако на практике, часто в районах с холодным климатом применяются и более высокие концентрации серной кислоты, до 1,29 −1,31 г/см³.

Существуют экспериментальные разработки аккумуляторов где свинцовые решетки заменяют вспененным карбоном, покрытым тонкой свинцовой пленкой. Используя меньшее количество свинца и распределив его по большой площади, батарею удалось сделать не только компактной и легкой, но и значительно более эффективной — помимо большего КПД, она заряжается значительно быстрее традиционных аккумуляторов. [3]

В батареях для бытовых ИБП жидкий электролит сгущают водным щелочным раствором силикатов натрия (Na₂Si₂O₄)жидкое стекло до пастообразного состояния.

Физические характеристики

• Теоретическая энергоёмкость (Вт·ч/кг): около 133.
• Удельная энергоёмкость (Вт·ч/кг): 30-60.
• Теоретическая удельная энергоплотность (Вт·ч/дм³): 1250. [4]
• ЭДС заряжённого аккумулятора = 2,11 — 2,17 В, рабочее напряжение = 2 В (3 или 6 секций в итоге дают стандартные 6 В или 12 В (12 В)). [1]
• Напряжение полностью разряженного аккумулятора = 1,75 — 1,8 В (из расчета на 1 секцию). Ниже разряжать их нельзя. [1]
• Рабочая температура: от −40 °C до +40 °C.
• КПД: порядка 80-90 %

Эксплуатационные характеристики

• Номинальная ёмкость, показывает количество электричества, которое может отдать данный аккумулятор. Обычно указывается в ампер-часах, и измеряется при разряде [5] малым током (1/20 номинальной емкости, выраженной в А*ч).
• Стартерный ток (для автомобильных аккумуляторов). Характеризует способности отдавать сильные токи при низких температурах. В большинстве случаев замеряется при −18 °C (0 °F) в течение 30 секунд. Различные методики [6] замера отличаются, главным образом, допускаемым конечным напряжением.
• Резервная емкость (для автомобильных аккумуляторов). Характеризует время, в течение которого аккумулятор может отдавать ток 25А до конечного напряжения 10,5В согласно ГОСТ Р 53165-2008 [7] .

Эксплуатация

При эксплуатации «обслуживаемых» аккумуляторов (с открываемыми крышками над банками) на автомобиле при движении по неровностям неизбежно происходит просачивание проводящего электролита на корпус аккумулятора. Во избежание сильного саморазряда необходимо периодически нейтрализовывать электролит протиранием корпуса, например слабым раствором пищевой соды или разведенным в воде до состояния консистенции жидкой сметаны хозяйственным мылом. Кроме того, особенно в жаркую погоду, происходит испарение воды из электролита, что увеличивает его плотность, увеличивая напряжение на аккумуляторе, и может оголить свинцовые пластины. Поэтому необходимо следить за уровнем электролита и своевременно доливать дистиллированную воду.

Такие нехитрые операции вместе с проверкой автомобиля на утечку тока и периодической подзарядкой аккумулятора могут на несколько лет продлить срок эксплуатации батареи.

Свинцово-кислотный аккумулятор при низких температурах

По мере снижения окружающей температуры, параметры аккумулятора ухудшаются, однако в отличие от прочих типов аккумуляторов, свинцово-кислотные снижают их относительно медленно, что не в последнюю очередь обусловило их широкое применение на транспорте. Считается что свинцово-кислотный аккумулятор теряет

1% ёмкости на каждый градус от +20°C. Т.е. в -30°C свинцово-кислотный аккумулятор будет иметь 50% ёмкости.

Снижение ёмкости и токоотдачи при низких температурах обусловлено, в первую очередь, ростом вязкости электролита, который уже не может в полном объёме поступать к электродам, и вступает в реакцию лишь в непосредственной близости от них, быстро истощаясь.

Не полностью заряженный аккумулятор в мороз может раздуться из-за замерзания электролита низкой плотности (близкой к 1.10)

Хранение

Свинцово-кислотные аккумуляторы необходимо хранить только в заряжённом состоянии. При температуре ниже −20 °C заряд аккумуляторов должен проводиться постоянным напряжением 2,45 В/секцию 1 раз в год в течение 48 часов. При комнатной температуре — 1 раз в 8 месяцев постоянным напряжением 2,35 В/секцию в течение 6-12 часов. Хранение аккумуляторов при температуре выше 30 °C не рекомендуется.

Слой грязи и накипи на поверхности аккумулятора создаёт проводник для тока от одного контакта к другому и приводит к саморазряду аккумулятора,после чего начинается преждевременная сульфатизация пластин и поэтому поверхность аккумулятора необходимо поддерживать в чистоте. Хранение свинцово-кислотных аккумуляторов в разряженном состоянии приводит к быстрой потере их работоспособности.

При длительном хранении аккумуляторов и разряде их большими токами (в стартерном режиме), или при уменьшении ёмкости аккумуляторов, нужно проводить контрольно-тренировочные циклы, то есть разряд-заряд токами номинальной величины.

Износ свинцово-кислотных аккумуляторов

При использовании технической серной кислоты и не дистиллированной воды, ускоряются саморазряд, сульфатация, разрушение пластин и уменьшение ёмкости аккумуляторной батареи. [8]

В результате каждой реакции образуется нерастворимое вещество — сернокислый свинец PbSO₄, осаждающийся на пластинах, который образует диэлектрический слой между токоотводами и активной массой. Это один из факторов, влияющий на срок службы свинцово-кислотной аккумуляторной батареи.

Основными процессами износа свинцово-кислотных аккумуляторов являются:

пластин [1] , заключающаяся в образовании крупных кристаллитов сульфата свинца, который препятствует протеканию обратимых токообразующих процессов; электродов, то есть электрохимические процессы окисления и растворения в электролите, что вызывает осыпание материала электродов;
• слабая механическая прочность или плохое сцепление активной массы с токоотводами, что приводит к опаданию активной массы; [9][1]
• оползание и осыпание активной массы положительных электродов, связанное с разрыхлением, нарушением однородности. [1]

Хотя батарею, вышедшую из строя по причине физического разрушения пластин, самому починить нельзя, некоторые источники описывают химические растворы и прочие способы способные «десульфатировать» пластины. Простой но вредный для жизни аккумулятора способ предполагает использование раствора сульфата магния. [1] Раствор заливается в секции после чего батарею разряжают и заряжают несколько раз. Сульфат свинца и прочие остатки химической реакции осыпаются при этом на дно батареи, что может привести к замыканию секции поэтому обработанные секции желательно промыть и заполнить новым электролитом номинальной плотности. Это позволяет несколько продлить срок использования устройства. Если батарея имеет одну или несколько секций которые не работают (то есть не дают 2.17 вольта — например если корпус имеет трещины) возможно соединить две (или больше) батареи последовательно: к плюсовому контакту первой батареи подключаем плюсовой провод потребителя, к минусовому контакту второй батареи — минусовой провод потребителя, а две оставшихся контакта батареи соединяются кабелем. Такая батарея имеет суммарное напряжение работающих секций и поэтому количество работающих секций должно быть не более шести — то есть необходимо слить электролит из излишних секций. Такой вариант подходит для транспортных средств с большим моторным отсеком.

Вторичная переработка

Вторичная переработка для этого вида аккумуляторов играет важную роль, так как свинец, содержащийся в аккумуляторах является тяжелым металлом и наносит серьёзный вред при попадании в окружающую среду. Свинец и его соли должны быть переработаны на специальных предприятиях для возможности его вторичного использования.

Выброшенные аккумуляторы часто используются как источник свинца для кустарной переплавки, например, в рыболовные грузила, дробь или гири. Для этого из аккумулятора сливается электролит, остатки нейтрализуются промыванием каким-либо безвредным основанием (например, гидрокарбонатом натрия), после чего корпус батареи разбивается и извлекается металлический свинец.

См. также

Примечания

1. ↑ 12345678Свинцовые аккумуляторы. Эксплуатация: Правда и вымыслы.
2. ↑Н. Ламтев. Самодельные аккумуляторы. Москва: Государственное издательство по вопросам радио, 1936 год.
3. ↑http://auto.lenta.ru/news/2006/12/19/battery/ Американцы облегчили и уменьшили аккумуляторы
4. ↑Расчет идеального свинцового аккумулятора.
5. ↑ГОСТ 26881-86 Методика проверки свинцовых АКБ
6. ↑Краткий аналитический обзор существующих способов оценки емкости ХИТ и приборов, реализующих эти способы
7. ↑ГОСТ Р 53165-2008: Батареи аккумуляторные свинцовые стартерные для автотракторной техники. Общие технические условия
8. ↑Вредные добавки к электролиту свинцовых аккумуляторов
9. ↑О противоречиях в теории работы свинцового кислотного аккумулятора к. т. н., проф. Кочуров А. А. Рязанский военный автомобильный институт

Ссылки

• ГОСТ 15596-82 Источники тока химические. Термины и определения
• ГОСТ Р 53165-2008 Батареи аккумуляторные свинцовые стартерные для автотракторной техники. Общие технические условия. Взамен ГОСТ 959—2002 и ГОСТ 29111-91 на YouTube

Химические источники тока
Гальванический элемент	Гальванический элемент Даниеля | Щелочной элемент | Ртутно-цинковый элемент | Сухой элемент | Концентрационный элемент | Воздушно-цинковый элемент | Нормальный элемент Вестона
Электрические аккумуляторы	Свинцово-кислотный | Серебряно-цинковый | Никель-кадмиевый | Никель-металл-гидридный | Никель-цинковый аккумулятор | Литий-ионный | Литий-полимерный | Литий-железо-сульфидный | Литий-железо-фосфатный | Литий-титанатный | Ванадиевый | Железо-никелевый
Топливные элементы	Прямой метанольный | Твердооксидный | Щелочной
Модели	Батарея | Электрический аккумулятор | Топливный элемент
Устройство	Анод | Катод | Электролит

• Электрические аккумуляторы
• Устройство автомобиля

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое «Свинцово-кислотный аккумулятор» в других словарях:

Аккумулятор (значения) — Аккумулятор (лат. accumulator собиратель, от лат. accumulo собираю, накопляю) устройство для накопления энергии с целью её последующего использования. Автомобильный аккумулятор аккумуляторная батарея, используемая на автомобильном… … Википедия

аккумулятор — 1.3.7. аккумулятор : Устройство, представляющее собой источник электрической энергии, полученной путем прямого преобразования химической энергии, состоящее из электродов, сепараторов, электролита, корпуса и выводов и сконструированное так, чтобы… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

аккумулятор типа С — 3.9 аккумулятор типа С: Стационарный свинцово кислотный аккумулятор открытого типа. Источник: СТО Газпром 2 6.2 086 2006: Методика по техническому диагностированию систем постоянного тока энергохозяйства ОАО … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

аккумулятор типа СК — 3.10 аккумулятор типа СК: Стационарный свинцово кислотный аккумулятор. Рассчитан и на короткий разряд от 1 до 2 часов. Источник: СТО Газпром 2 6.2 086 2006: Методика по техническому диагностированию систем п … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

аккумулятор типа СН — 3.11 аккумулятор типа СН: Стационарный свинцово кислотный аккумулятор с намазанными электродными пластинами. Источник: СТО Газпром 2 6.2 086 2006: Методика по техническому диагностированию систем постоянного … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

АККУМУЛЯТОР — (вторичный элемент или накопительная батарея), гальванический элемент, или батарея, которую можно многократно подзаряжать. Широко известный автомобильный аккумулятор представляет собою свинцово кислотный элемент … Научно-технический энциклопедический словарь

Свинцовый аккумулятор — Автомобильный свинцово кислотный аккумулятор Аккумулятор электромобиля Свинцово кислотный аккумулятор наиболее распространенный на сегодняшний день тип аккумуляторов, изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте. Основные области… … Википедия

Автомобильный аккумулятор — 12В Автомобильный аккумулятор (для краткости может именоваться АКБ)  тип электрического аккумулятора, применяемый на автомобильном или мототранспорте. Энергия аккумулятора используется в первую очере … Википедия

Железо-никелевый аккумулятор — Железо никелевый аккумулятор  это вторичный химический источник тока, в котором железо  анод, электролитом является водный раствор гидроксида натрия или калия (с добавками гидроксида лития), катод  гидрат окиси никеля(III).… … Википедия