Вторник, 23.04.2024, 15:53 Приветствую Вас Гость | RSS
			Главная | Регистрация | Вход
			ТО и ремонт автомобилей Узнай всё про автомобиль

Принцип работы свинцового аккумулятора

Свинцовые аккумуляторы являются вторичными химическими источниками тока, которые могут использоваться многократно. Активные материалы, израсходованные в процессе разряда, восстанавливаются при последующем заряде.

Химический источник тока представляет собой совокупность реагентов (окислителя и восстановителя) и электролита.

Восстановитель (отрицательный электрод) электрохимической системы в процессе токообразующей реакции отдает электроны и окисляется, а окислитель (положительный электрод) восстанавливается.

Электролитом, как правило, является жидкое химическое соединение, обладающее хорошей ионной и малой электронной проводимостью.

В свинцовом аккумуляторе в токообразующих процессах участвуют двуокись свинца (диоксид свинца) Рb0₂ (окислитель) положительного электрода, губчатый свинец Рb (восстановитель) отрицательного электрода и электролит (водный раствор серной кислоты H₂SO₄).

Активные вещества электродов представляют собой относительно жесткую мелкопористую электронопроводящую массу с диаметром пор величиной 1,5 мкм у Рb0₂ и 5-10 мкм у губчатого свинца. Объемная пористость активных веществ в заряженном состоянии составляет около 50 %.

Часть серной кислоты в электролите диссоциирована на положительные ионы водорода и отрицательные ионы кислотного остатка SO_4² .

Губчатый свинец при разряде аккумулятора выделяет в электролит положительные ионы двухвалентного свинца Рb². 

Избыточные электроны отрицательного электрода по внешнему участку замкнутой электрической цепи перемещаются к положительному электроду, где восстанавливают четырехвалентные ионы свинца Рb⁴ до двухвалентного свинца Рb². 

Положительные ионы свинца Рb²  соединяются с отрицательными ионами кислотного остатка SO_4², образуя на обоих электродах сернокислый свинец РbSO₄  (сульфат свинца).

При подключении аккумулятора к зарядному устройству электроны движутся к отрицательному электроду, нейтрализуя двухвалентные ионы свинца Рb². На электроде выделяется губчатый свинец Рb. Отдавая под влиянием напряжения внешнего источника тока по два электрона, двухвалентные ионы свинца Рb² у положительного электрода окисляются в четырехвалентные ионы Рb⁴. 

Через промежуточные реакции ионы Рb⁴ соединяются с двумя ионами кислорода и образуют двуокись свинца  Рb0_2.

Химические реакции, происходящие в автомобильном свинцовом аккумуляторе описываются уравнением:

Содержание в электролите серной кислоты и плотность электролита уменьшаются при разряде и увеличиваются при заряде. По плотности электролита судят о степени разряженности свинцового аккумулятора:

где:   ΔСр  —  степень разряженности аккумулятора, %;

         Рз и Рр   — плотность электролита соответственно полностью заряженного и полностью разряженного аккумулятора при температуре 25°С, г/см²;

         Р₂₅ — измеренная плотность электролита, приведенная к температуре 25°С, г/cм².


Расход кислоты у положительных электродов получается больше, чем у отрицательных. Если учитывать количество воды, образующейся у положительных электродов, то количество кислоты, необходимое для работы в режиме разряда, в 1,6 раза больше, чем для отрицательных.

При разряде происходит незначительное увеличение объема электролита, а при заряде — уменьшение (около 1 см³ на 1 А-ч). На 1 А-ч электрической емкости расходуется: при разряде — свинца 3,86 г, диоксида свинца 4,44 г, серной кислоты 3,67 г, а при заряде — воды 0,672 г, сульфата свинца 11,6 г.

Различные типы стартерных аккумуляторных батарей имеют свои конструктивные особенности, однако в их устройстве много общего.

По конструктивно-функциональному признаку выделяют батареи: обычной конструкции — в моноблоке с ячеечными крышками и межэлементными перемычками над крышками; батареи в моноблоке с общей крышкой и межэлементными перемычками под крышкой; батареи необслуживаемые — с общей крышкой, не требующие ухода в эксплуатации.

Свинцовый аккумулятор как обратимый химический источник тока состоит из блока разноименных электродов, помещенных в сосуд, заполненный электролитом. Стартерная батарея в зависимости от требуемого напряжения содержит несколько последовательно соединенных аккумуляторов.

В стартерных батареях собранные в полублоки 3 и 12 положительные 15 и отрицательные 16 электроды (пластины) аккумуляторов размещены в отдельных ячейках моноблока (корпуса) 2.

Разнополярные электроды в блоках разделены сепараторами 9.

Батареи обычной конструкции выполнены в моноблоке с ячеечными крышками 7.

Заливочные отверстия в крышках закрыты пробками 5.

Межэлементные перемычки 6 расположены над крышками.

В качестве токоотводов предусмотрены полюсные выводы 8.

Кроме того, в батарее может быть размещен предохранительный щиток. В конструкции батареи предусматривают и дополнительные крепежные детали.

Электроды 

Электроды в виде пластин намазного типа имеют решетки, ячейки которых заполнены активными веществами.

В полностью заряженном свинцовом аккумуляторе диоксид свинца положительного электрода имеет темно-коричневый цвет, а губчатый свинец отрицательного электрода — серый цвет.

Решетки электродов выполняют функции подвода тока к активному веществу и механического удержания активного вещества.

Решетки электродов имеют рамку 2, вертикальные ребра и горизонтальные жилки 4, ушки 1 и по две опорные ножки 3 (кроме решеток отрицательных электродов необслуживаемых батарей).

Ребра могут быть и наклонными. Профиль ребер и жилок обеспечивает легкое извлечение решетки из литейной формы.

Горизонтальные жилки по толщине обычно меньше вертикальных ребер и располагаются в шахматном порядке.

Рамка, как правило, намного массивнее жилок.

Освинцованная сетка металлической решетки с увеличенной поверхностью  имеет лучшее сцепление с активным веществом электрода, уменьшая действие коррозии и увеличивая срок службы батареи.

Решетка электрода должна обеспечивать равномерное распределение тока по всей массе активных материалов, поэтому имеет форму, близкую к квадратной.

Толщина решеток электродов выбирается в зависимости от режимов работы и установленного срока службы аккумуляторной батареи. Решетки отрицательных электродов имеют меньшую толщину, так как они в меньшей степени подвержены деформации и коррозии.

Масса решетки составляет до 50 % массы электрода.

Решетки электродов изготавливают методом литья из сплава свинца и сурьмы с содержанием сурьмы от 4 до 5 % и добавлением мышьяка (0,1-0,2 %). Сурьма увеличивает стойкость решетки против коррозии, повышает ее твердость, улучшает текучесть сплава при отливке решеток, снижает окисление решеток при хранении. Добавка мышьяка снижает коррозию решеток. Однако сурьма оказывает каталитическое воздействие на электролиз воды, содержащейся в электролите, снижая потенциалы разложения воды на водород и кислород до рабочих напряжений генераторной установки. Наличие сурьмы в решетках положительных пластин приводит в процессе эксплуатации батареи к переносу части сурьмы на поверхность активной массы отрицательных пластин и в электролит, что сказывается на повышении потенциала отрицательной пластины и понижении электродвижущей силы (ЭДС) в процессе эксплуатации.

При постоянном напряжении генератора понижение ЭДС батареи приводит к повышению зарядного тока, расходу воды и обильному газовыделению.

Для снижения интенсивности газообразования решетки электродов для необслуживаемых аккумуляторных батарей изготавливают из свинцово-кальциево-оловянистых или малосурьмянистых (до 2,5 % сурьмы) сплавов.

Содержание 0,05-0,09 % кальция, 0,5-1 % олова, а также добавление 1,5 % кадмия обеспечивают повышение напряжения начала газовыделения до 2,45 В и в 15-17 раз снижает потерю воды от электролиза. Это позволяет контролировать и корректировать уровень электролита в необслуживаемой батарее не чаще одного раза в год. Отсутствие выделений взрывоопасных смесей водорода и кислорода облегчает задачу утепления и обогрева батарей.

Ячейки решеток электродов заполнены пористым активным веществом (пастой).

Основой пасты электродов является свинцовый порошок, замешиваемый в водном растворе серной кислоты, с целью увеличения прочности активного вещества в пасту для положительных электродов добавляют полипропиленовое волокно. Уплотнение активного вещества отрицательных электродов в процессе эксплуатации предотвращается благодаря добавлению в пасту расширителей (сажа, дубитель БНФ, гумматы, получаемые из торфа и т. д.) в смеси с сернокислым барием.

Тестообразная паста при производстве аккумуляторной батареи внедряется в решетки электродов. После намазки, прессования и сушки электроды подвергают электрохимической обработке (формированию).

Пористая структура активного вещества после формирования электродов обеспечивает лучшее проникновение электролита в глубинные слои и повышает коэффициент использования активных материалов. Активная поверхность пористого вещества (поверхность, непосредственно контактирующая с электролитом) в сотни раз превышает геометрическую поверхность электрода.

Отрицательные и положительные электроды с помощью бареток соединяют в полублоки.

Баретки имеют мостики, к которым своими ушками привариваются решетки электродов и выводные штыри (борны).

Борны являются токоотводами полублоков пластин.

Мостики обеспечивают необходимый зазор между электродами.

Число параллельно соединенных электродов в полублоках увеличивается с возрастанием номинальной емкости аккумулятора.

Полублоки объединены в блоки электродов, в зависимости от предъявляемых к батарее требований соотношение между количеством положительных и отрицательных электродов может быть различным, однако число разнополярных электродов отличается не более чем на единицу.

Число отрицательных электродов в блоках на один больше, чем положительных.

В токообразующих реакциях участвует относительно большее количество активного вещества положительных электродов. Находясь между двумя отрицательными электродами, положительный электрод при заряде и разряде меньше деформируется. При таком счете пластин положительные электроды, как правило, на 10-20 % толще отрицательных, а крайние отрицательные электроды имеют толщину на 40 % меньше положительных.

В некоторых батареях количество разнополярных электродов одинаково или больше числа положительных электродов, в этих случаях электроды имеют одинаковую толщину.

Электродный блок с большим числом положительных пластин имеет меньшую материалоемкость.

В некоторых конструкциях батарей блок электродов  дополнительно крепится к баретке 1 с помощью полиуретана 2, что значительно повышает стойкость батареи к вибрации.

1,2,3,4