По суммарной энергетической ёмкости кислотно-свинцовые аккумуляторы занимают первое место. Разработано и используется большое количество вариантов аккумуляторов различающихся как по конструкции, так и по назначению. Разновидностями кислотных аккумуляторов являются достаточно известные гелиевые аккумуляторы, а также аккумуляторы с абсорбированным электролитом, изготовленные по технологии AGM. Однако, все они имеют и много общих особенностей, свойственных только кислотным аккумуляторам. Поэтому для лучшего понимания процессов и особенностей эксплуатации кислотных аккумуляторов необходимо подробнее ознакомиться с аккумуляторами первого поколения с жидким электролитом открытого и закрытого типа.
У таких аккумуляторов проще контролировать и регулировать режим работы и при правильной эксплуатации они служат достаточно долго. Сейчас редко используемые стационарные открытые аккумуляторы, которые имеют очень неплохие даже по современным меркам характеристики. Это связано с трудностями по обслуживанию, для них необходимо специальное помещение, вентиляция. Как правило, прозрачный, доступный для наблюдения стеклянный корпус, лёгкий доступ к пластинам и электролиту при правильной эксплуатации позволяет эксплуатировать такие аккумуляторы десятки лет.
Закрытые аккумуляторы обычно неразборные с пробками для заливки и контроля электролита имеют несколько разновидностей и классифицируются по назначению, способу заряда, особенностям конструкций и материала. Применяются такие аккумуляторы довольно широко, в основном в автотракторной технике как стартерные, как тяговые для некоторых видов электротранспорта и как стационарные источники резервного и аварийного питания. По своим характеристикам подразделяются на предназначенные для работы в буферном режиме работы или в циклическом. В последнее время аккумуляторы с жидким электролитом всё чаще заменяются необслуживемыми аккумуляторами, которые в значительной степени переняли достоинства и недостатки обслуживаемых.
Основные преимущества кислотных батарей, это невысокая стоимость, большой срок службы, допускают большой разрядный ток, небольшой ток саморазряда. К общим недостаткам можно отнести небольшую энергоёмкость на каждый килограмм веса, длительное время заряда, большая зависимость характеристик от температуры, не допускают длительного хранения в разряженном состоянии.
Каждый аккумулятор состоит из разноименных электродов, погруженных в раствор электролита и помещенных в прочный, химически устойчивый корпус.
Разноименные электроды аккумулятора объединены в одну или несколько элементов которые иначе называют банками аккумулятора. Напряжение заряженной банки составляет 2,1 В, а разряженной 1,8 В. Каждая банка может состоять из двух электродов или двух групп из одноименных электродов, которые для большей емкости соединяют параллельно. Так как положительные пластины должны находиться между отрицательными, число отрицательных пластин всегда на одну больше числа положительных. При этом условии обе стороны положительных пластин вступают во взаимодействие с электролитом (при односторонней работе положительные пластины коробятся и при соприкосновении с отрицательными пластинами может произойти короткое замыкание).
В одном корпусе обычно размещают несколько элементов аккумуляторов, которые соединяют в батарею. Напряжение аккумуляторной батареи зависит от количества элементов. Чаще всего изготавливают так называемые двенадцативольтовые батареи аккумуляторов из шести элементов. Реже выпускают шестивольтовые или аккумуляторы на двадцать четыре вольта. Реальное напряжение зависит от степени заряда аккумулятора и от плотности электролита.
Рекомендуемая плотность электролита составляет 1,29 при температуре 150С, полном заряде и нормальной температуре. Для кислотных аккумуляторов, работающих в условиях повышенной температуры, плотность электролита снижают примерно до 1,25. При низких температурах плотность электролита рекомендуется повышать примерно до 1,3 и более в зависимости от температуры. Плотность электролита будет различаться в зависимости от его температуры, поэтому при определении плотности нужно учитывать температурные поправки.
| Температура элемента при замере 0С | Поправки, г/см3, для приведения к температуре раствора | ||
|---|---|---|---|
| 150С | 200С | 300С | |
| +60 | 0,031 | 0,024 | 0,021 |
| +45 | 0,021 | 0,014 | 0,01 |
| +30 | 0,01 | 0,004 | 0 |
| +25 | 0,007 | 0 | -0,004 |
| +15 | 0 | -0,007 | -0,001 |
| 0 | -0,01 | -0,017 | -0,021 |
| -15 | -0,021 | -0,028 | -0,031 |
| -25 | -0,28 | -0,035 | -0,038 |
| -30 | 0,01 | 0,004 | 0 |
| -45 | -0,04 | -0,049 | -0,052 |
| -50 | -0,046 | -0,053 | -0,055 |
Плотность, пониженная от нормы на 0,01 г/см3 соответствует разряду 6%. У полностью разряженной батареи плотность электролита составляет 1,10±0,01 г/см3. Следует помнить, однако, что на показания кислотомера нужно делать температурную поправку. Плотность электролита должна быть равна 1,27—1,28 г/см3 при температуре +25 0С. При температуре +5-10 0С она увеличивается примерно на 0,01 г/см3 при температуре -10 °С - на 0,02 г/см3 при - 25 °С - на 0,03 г/см3. Плотность электролита не измеряют при ненормальном уровне электролита, при «кипящем» или слишком горячем электролите. Плотность электролита в аккумуляторах батареи не должна отличаться более чем на 0,01 г/см3. В противном случае батарею необходимо зарядить и произвести корректирование плотности электролита доливкой в аккумуляторы воды или электролита. Если плотность выше нормы - доливают воду, если ниже - электролит плотностью 1,4 г/см3. Доливку производят после предварительного отбора из аккумуляторов нужного количества электролита. После этого аккумуляторную батарею заряжают в течение 25 - 30 мин для полного перемешивания электролита и снова измеряют его плотность.
Надо учитывать, что зимой при пониженной начальной плотности электролита и большой разряженности аккумулятора возможно замерзание электролита. Например, при начальной плотности 1,30 г/см3 в полностью разряженной батарее электролит может замерзнуть при -14 °С, если же начальная плотность электролита 1,24 г/см3, то разряженная батарея замерзнет уже при -5 °С.
| Климатический район | Среднемесячная температура в январе 0С | Время года | Плотность электролита г/см3 приведенная к 200 С | |
|---|---|---|---|---|
| Заливаемая | В конце первого заряда | |||
| Резкоконтинентальный | -40 | Зима | 1,29 | 1,31 |
| Лето | 1,25 | 1,27 | ||
| Северный | -40 | Круглый год | 1,27 | 1,29 |
| Центральный | -30 | 1,25 | 1,27 | |
| Южный | -5 | 1,23 | 1,25 | |
| Тропики | +5 | 1,21 | 1,23 | |
Активными веществами свинцового аккумулятора, принимающими участие в химических токообразующих реакциях, являются:
• на положительном электроде - двуокись свинца PbO2 (темно-коричневого цвета);
• на отрицательном электроде - губчатый свинец Pb (серого цвета);
• электролит - водный раствор серной кислоты H2SO4
При разряде аккумулятора активная масса отрицательного электрода
из губчатого свинца превращается в сульфат свинца, а цвет меняется с серого на светло-серый, отдавая два электрона в электрическую цепь.
Pb + H2SO4 → PbSO4 + H+ + 2e-
Активная масса положительного электрода при разряде превращается из двуокиси
свинца PbO2, так же как и активная масса отрицательного электрода, в сульфат свинца
PbSO4 с изменением цвета с темно-коричневого на светло-коричневый, поглощая два
электрона.
PbO2 + H2SO4 + 3H+ + 2e- → PbSO4 + 2H2O
В результате разряда аккумулятора активные материалы и положительного (PbO2), и
отрицательного (Pb) электродов преобразуются в сульфат свинца PbSO4. При этом на
формирование сульфата свинца расходуется серная кислота, что вызывает снижение
концентрации электролита и как следствие снижение его плотности. Суммарная
реакция при разряде аккумулятора:
PbO2 + Pb + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O
При зарядке аккумулятора идут обратные химические процессы в противоположную сторону, в ходе которых кроме всего прочего происходит образование серной кислоты, в результате чего при заряде растет плотность электролита. Суммарное уравнение процесса заряда:
2PbSO4 + 2H2O → PbO2 + Pb + 2H2SO4
Когда реакции преобразования веществ в активных массах положительного и
отрицательного электродов завершены, плотность электролита перестает меняться,
что служит признаком завершения заряда аккумулятора. При дальнейшем
продолжении заряда протекает так называемый вторичный процесс -
электролитическое разложение воды на кислород и водород. Выделяясь из
электролита в виде пузырьков газа, они создают иллюзию кипения электролита, что
тоже служит признаком завершения процесса заряда.
Все аккумуляторы потребляют больше энергии, чем могут отдать при разряде. Честь энергии идёт на нагрев, а часть расходуется на электролиз электролита. Отношение энергии, полученной от аккумулятора при его разряде, к энергии, затраченной на его заряд, называется отдачей аккумулятора по энергии и для кислотных аккумуляторов это отношение составляет в среднем 0,65.
Электроды аккумуляторов имеют пористую структуру для лучшей циркуляции электролита и прохождения химической реакции. Чаще всего электроды выполняют из свинцовой решетки с ячейками, заполненными действующим веществом. Электроды разделены сепаратором из электроизоляционного материала с отверстиями или из сетки. Нижние края электродов приподняты, чтобы осыпающийся шлам не закорачивал электроды. Чтобы наполнение электродов лучше держалось и не осыпалось, применяют дополнительную защиту из стеклоткани или жестких накладок с отверстиями. Такие электроды называют панцирными.
В последнее время всё чаще стали применять добавки к электродам, наполнениям электродов, а также добавки в электролит.
Электроды решеток, изготовленные из чистого свинца имеют небольшую жесткость и при больших токах, а также механических воздействиях могут коробиться, наполнение решеток высыпается. Для повышения механической прочности в свинец добавляют сурьму. Это в свою очередь несколько увеличило склонность электролита аккумуляторов к повышенному выделению водорода и кислорода при работе. В начале 70-х годов в оба электрода стали добавлять кальций. Выделение газов значительно сократилось и производители стали говорить о появлении необслуживаемых аккумуляторов. Свинцово-кальциевые аккумуляторы хуже переносят циклы глубокого заряда и разряда. Для таких аккумуляторов на 6 банок для полного заряда нужно повышать напряжение до 14,8В. Появились компромиссный вариант гибридные аккумуляторы. У таких АКБ положительные решетки выполнены из сплава с сурьмой, а отрицательные - с кальцием. Расход воды значительно уменьшен, хотя регулярные проверки уровня по-прежнему рекомендованы. Гибридные АКБ более стойки к циклированию, чем свинцово-кальциевые, но все же не так хороши как исходные свинцово-сурьмянистые. Большинство автомобилей, комплектуемых гибридными АКБ, имеют выставленное напряжение реле регулятора 14,3 В. В состав электродов могут также входить кобальт, никель, медь.
Некоторые добавки применяют для увеличения рыхлости электродов, например, сажу. Для уменьшения сульфитации пластин при глубоком разряде, в основном в необслуживаемых аккумуляторах применяют дозированные добавки в электролит, например, сульфат бария, сульфат стронция, фосфорную кислоту. Для уменьшения саморазряда вводят органические вещества – ингибиторы, например, альфанафтол. Улучшая одни свойства аккумуляторов, добавки могут ухудшать другие характеристики, поэтому комплект добавок подбирается индивидуально для каждого типа аккумуляторов в зависимости от требуемых свойств.
Кислотные аккумуляторы могут допускать перезаряд, но тогда лишняя энергия идёт на нагрев аккумулятора и электролиз воды. Поэтому, если уровень электролита быстро снижается, нужно добавить дистиллированной воды и уменьшить напряжение на регуляторе заряда. Для уменьшения выкипания электролита изготавливают пробки с клапанами специальной конструкции, затрудняющей выход аэрозолей электролита. Основное назначение пробок с клапанами, это предотвращение разрушения аккумулятора, а также защита от доступа атмосферного воздуха. У обслуживаемых аккумуляторов пробки служат также для залива электролита или дистиллированной воды. Применяют также пробки с катализаторами, способствующие рекуперации (химическому соединению) атомов водорода и кислорода опять в воду.
Кислотно-свинцовые аккумуляторы невозможно заряжать быстро. По рекомендуемому режиму заряда кислотно-свинцовые аккумуляторы подразделяются на предназначенные для зарядки в буферном режиме и предназначенные для зарядки в циклическом режиме. В буферном режиме аккумуляторы почти всегда находятся в режиме заряда под напряжением от другого источника напряжения и одновременно подключен к нагрузке. Разряд происходит сравнительно редко, при пиковых нагрузках потребителя, когда основной источник энергии не может обеспечить необходимую мощность. Кроме того, аккумулятор должен служить аварийным источником и отдавать энергию при кратковременных перерывах в работе основного источника энергии. В таком режиме напряжение от основного источника энергии совсем немного превышает напряжение полностью заряженного аккумулятора. Если аккумулятор разрядился, например, при аварийном отключении основного источника энергии, то на начальном этапе зарядки ток заряда будет достаточно большим и за несколько часов аккумулятор наберёт больше половины своей ёмкости. Затем разница между подзаряженным аккумулятором и напряжение основного источника энергии станет небольшой и окончательная зарядка будет продолжаться небольшим током длительное время. При точной установке напряжения, аккумулятор после зарядки будет потреблять очень небольшой ток, компенсирующий саморазряд аккумулятора и в таком режиме может оставаться очень большое время. В таком режиме работают аварийные и резервные аккумуляторы для систем связи, автоматики, охранных устройств, блоков бесперебойного питания.
При циклическом режиме заряда аккумулятор ставится на зарядку на определённое время, необходимое для его заряда, а потом отключается от зарядного устройства и ставится на работу в режим разряда. В таком режиме работают переносные устройства, а также электротранспорт. Заряд в таком режиме обычно производится в течение 8-16 часов. Рекомендуемый ток заряда обычно составляет 0,1С (одну десятую от ёмкости аккумулятора). Однако, на начальном этапе заряда, для некоторых марок аккумуляторов допускается зарядный ток до 0,3С. В конце заряда, когда начинается обильное выделение газов, ток рекомендуется уменьшить до 0,05С. Обычно режим заряда проводят установкой нужного напряжения, с ограничением по току. Различные зарядные устройства имеют различные режимы и возможности. Напряжение и ток заряда взаимосвязаны. Поэтому выбирать зарядные устройства надо для определенного типа ёмкости аккумулятора. Для полной и безопасной зарядки рекомендуют заряжать аккумулятор в несколько циклов. Для каждого цикла должно быть своё напряжение и ток заряда. Кроме того, рекомендуют по крайней мере один или два цикла производить импульсным, иногда асимметричным током для удаления и предотвращения сульфитации. Зарядные устройства, запрограммированные на автоматическое переключение несколько таких циклов большая редкость, да и режимы заряда, рекомендованные разными авторами различаются. Просто импульсные зарядные устройства вполне доступны, но особенности зарядки этими устройствами ещё недостаточно изучены и отработаны.
Основные особенности эксплуатации кислотно-свинцовых аккумуляторов. При большем токе разряда емкость меньше, при снижении температуры ёмкость падает. Срок службы уменьшается при повышенных температурах, при больших токах заряда и разряда, при низком уровне электролита и неправильной плотности, а также при глубоком разряде и хранении в разряженном состоянии. При соблюдении этих условий, срок службы кислотных аккумуляторов будет максимальным.
Компонент комментариев CComment