Свинцево-кислотні аккумудяторы
Свинцево-кислотні акумулятори (SLA-sealed lead acid batteries) Принцип роботи Принцип роботи СКА заснований на окислювальних властивостях четирехвалентного свинцю і його переході в більш стійкий двовалентне стан. СКА в найпростішому випадку можна розглянути дві решітчасті свинцеві пластини, осередки яких заповнюються тістоподібної сумішшю окису свинцю з водою. Пластини занурюються в розбавлену сірчану кислоту густиною 1,15-1,20 р. см3(22-28% H2SO4). Внаслідок реакції PbO + H2SO4 = PbSO4 + H2O Окис свинцю перетворюється через деякий час в сірчанокислий свинець. Якщо тепер попустити через ці пластини постійний струм, то акумулятор буде заряджатися, причому у електродів будуть відбуватися такі процеси: ЗАРЯД КАТОД PbSO4 + 2е- = Pb + SO4 АНОД PbSO4 - 2е- + H2O = PbO2 + 4H + SO4-2 Таким чином, по мірі пропускання струму на катоді утворюється пухка маса металевого свинцю, а на аноді – темно-бура окис свинцю. По закінченню зарядки акумулятора розпочнеться енергетичний розкладання води : у катода виділяється водень, у анода – кисень. При з'єднанні пластин провідником з платини покритої свинцем, частина іонів двовалентного свинцю переходить в розчин, вивільнювані при цьому електрони по провіднику переходять до PbO2 і відновлюють чотирьохвалентний свинець у двухвалентный. В результаті у тієї й іншої пластини утворюються іони двовалентного свинцю, які з'єднуються з розташованими в розчині іонами SO4 в нерозчинний сірчанокислий свинець, і акумулятор розряджається. РОЗРЯД НЕГАТИВНИЙ ЕЛЕКТРОД Pb0 - 2e- + SO4-2 = PbSO4 ПОЗИТИВНИЙ ЕЛЕКТРОД PbSO4 + 2е-+ 4H + SO4-2= PbSO4 + 2H2O При розрядці акумулятора концентрація сірчаної кислоти зменшується, так як витрачаються сульфат – іони і іони водню і утворюється вода. Тому про ступінь розрядженості акумулятора можна судити по щільності кислоти. Особливості свинцево-кислотних акумуляторів. Економічніше СКА досі нічого не винайдено. Широке поширення вони отримали завдяки високій надійності та низькою ціною. Перший СКА був винайдений в 1859 р. французьким ученим Гастоном Планте, його конструкція являла електроди з листового свинцю, розділені сепараторами з полотна, які були згорнуті в спіраль і поміщені в посудину з 10% розчином сірчаної кислоти. Спочатку в них була низька ємність, і було потрібно досить велика кількість циклів заряду-розряду, щоб збільшити ємність, для отримання суттєвого результату потрібно до двох років. У 1880р. К. Фор запропонував запропонував технологію виготовлення намазных електродів, шляхом нанесення на пластини оксидів свинцю. А в 1881 р. Е. Фолькмар запропонував використовувати в якості електродів намазную решітку. У тому ж році Седлону був виданий патент на технологію виготовлення решіток із сплавів свинцю і сурми. Однак існувала проблема заряду батарей (для заряду застосовувалися первинні елементи конструкції Бунзена – один ХІТ заряджав інший). Ситуація кардинально змінилася з появою генераторів постійного струму. До 1890 р. був освоєний серійний випуск СКА, а в 1900р. Varta випустила перший стартерний акумулятор. В даний час активно виробляються і використовуються акумулятори трьох поколінь Батареї першого покоління – батареї з рідким електролітом відкритого або закритого типу, що мають ємність від 36 Ач до 5328 Ач і термін служби від 10 до 20 років. Батареї відкритого типу безпосередньо стикається з відкритим повітрям, і основні витрати пов'язані з обслуговуванням (доливання дисцилиронанной води) і витрати на утримання добре вентильованих приміщень. Батареї закритого типу мають спеціальні пробки, що забезпечують затримку аерозолі сірчаної кислоти. Батареї закритого типу можуть бути обслуговуються , тобто вони поставляються залитими і зарядженими , і протягом усього терміну служби немає необхідності доливання води (конструкція пробки забезпечує утримання парів води у вигляді конденсату). Батареї другого покоління – герметизовані гелеві батареї (GEL). У них використовується гелеподібний електроліт, який представляє собою желе, отримане в результаті змішування розчину сірчаної кислоти з загусником (зазвичай двоокис кремнію SiO2 – селикагель). Завдяки своїй в'язкості він добре утримується в порах і сприяє ефективному використанню активних речовин електродів. Транспорт кисню забезпечується по тріщинах, що виникають при усадці тверднучого електроліту. Гелеві батареї протягом всього терміну експлуатації не потребують обслуговування, їх не можна розкривати. Для їх підзаряду необхідно використовувати ЗУ, що забезпечують стабільність напруги заряду не гірше 1% для запобігання рясне газовиділення. Такі акумулятори критичні до температури навколишнього середовища. Батареї третього покоління – геметизированные батареї з абсорбованим сепараторами електроліту (AGM - absorbed in glass mat).. Такий сепаратор з стекловалокна, являє собою пористу систему, в якій капілярні сили утримують електроліт. При цьому кількість електроліту дозується так, щоб дрібні пори були заповнені, а великі залишалися вільними для вільної циркуляції газів виділяються. Завдяки тонкою структурою волокон забезпечується висока швидкість переносу кисню. Використання скловолокнистого сепаратора і щільна збірка блоку електродів сприяє також зменшенню зсувів активної маси позитивного електрода і розбухання губчастого свинцю на негативному електроді. Газоутворення у них суттєво менше, ніж у гелевих, менше впливає на роботу температура навколишнього середовища. Хоча вимоги до ЗУ такі ж, як і для гелевих. Для позначення типу акумуляторної батареї вказують її маркування, яка визначається конструкцією позитивних пластин Маркування Особливості конструкції Стандарт
GroE Стаціонарні батареї з поверхневими позитивними пластинами DIN 40732/ DIN 40738
OPzS Стаціонарні батареї з панцирними позитивними пластинами і роздільниками DIN 40736/ DIN 40737
OGi Стаціонарні батареї з гратчастими позитивними пластинами DIN 40734/ DIN 40739
GiV Моноблочні батареї з гратчастими позитивними пластинами DIN 43534
У СКА електролітом є розчин сірчаної кислоти, активною речовиною позитивних пластин – оксид свинцю, негативних – свинець. У гелевих акумуляторах рідкий електроліт замінили гелеподібні абсорбованим сепараторами електроліт, батареї герметизували, а для відводу газу, що виділяється при заряд або розряд, встановили безпечні клапани. Були розроблені нові конструкції пластин на основі мідно-кальцієвих сплавів, покритих оксидом свинцю, на основі титанових, алюмінієвих і мідних решіток. При виготовленні СКА застосовують хімічні добавки. Наприклад до свинцю додають сурму (частка в сплаві 1-10%), яка забезпечує більш міцний електричний активного контакту матеріалу з гратами, запобігає його осипання, що дозволяє збільшити термін служби батарей. Також використовуються свинцево-кальцієві сплави, що дозволяють зробити пластини більш легкими і міцними при збереженні високих електричних і механічних характеристик. Слід звернути увагу, що збільшити ємність свинцевої батареї можна порівняно легко, наприклад, додавши в батарею нікель, при цьому знизиться також і собівартість, але при цьому погіршиться і безпека. Корпус для батареї виготовляють призматичної форми з пластмаси. Хоча існують батареї циліндричної форми. Вони забезпечують більш високу стабільність у роботі, більший струм розряду, кращу температурну стабільність. Основні проблеми при створенні герметичного варіанти СКА пов'язані з необхідністю забезпечення умов для зменшення газовиділення та сприяння рекомбінації газу, що виділяється. Для цього вжито низку заходів: 1. Використання иммобилизированного (зневодненого) електроліту, який зберігає високу електропровідність сульфатної кислоти. Мала його кількість дозволяє забезпечити кращий транспорт кисню від позитивного електрода до негативного і високий рівень його рекомбінації. 2. Для зменшення ймовірності виділення водню свинцево-сурм'яні сплави струмоведучих решіток замінюють іншими (сплав свинцю і кальцію до0,1 % Ca, іноді легованого алюмінієм, сплави свинцю з оловом 0,5-2,5 % Sn), що забезпечують більш високу перенапруга виділення водню. 3. В негативний електрод закладається ємність більше, чам позитивний. У цьому випадку при повному заряді позитивного електрода залишилася недозаряженной частина активної маси негативного електрода практично виключає можливість розряду іонів водню. Кисень, що виділяється на діоксиду свинцю, досягає негативного електрода і окислює губчастий свинець до оксиду свинцю, який в кислотному електроліті переходить в сульфат свинцю PbSO4 і воду. Т. о. не виділяються гази і вода не втрачається. І все ж варіанти безуходного СКА забезпечені аварійним клапаном. При порушенні режимів заряду, при підвищеному струмі, в батареї відбувається активне газоутворення (головним чином водню). Коли тиск газів досягне величини 7,1 ... 43,6 кПа відкриється запобіжний клапан для забезпечення вентиляції батареї, і завдяки цьому усувається небезпека вибуху. Тому акумулятори називаються не герметичними, а герметизованими. Інша роль клапана – запобігання потрапляння всередину корпусу атмосферного кисню щоб уникнути його реакції з активним матеріалів негативних пластин. Акумулятори містять запобіжний клапан називають акумулятори VRLA (valve regulated lead acid batteries). Напруга на елементі СКА – В 2,2 Серед усіх типів акумуляторів СКА відрізняються найменшою енергетичною щільністю. Це робить недоцільним їх використання в портативних пристроях. Сучасні герметизовані СКА володіють наступними питомими характеристиками – 40 Втч/год і 100 Втч/дм3. Вони працюють в буферному режимі до 10 років, при циклировании вони забезпечують кілька сотень циклів до безповоротної втрати 20% ємності. Їх тривалий заряд не стане причиною виходу з ладу батареї. Здатність зберігати заряд у цих батарей найкраща з усіх типів акумуляторних батарей ( саморозряд - 40% на рік). Вони недорогі, але експлуатаційні витрати на них вище, ніж на ті ж НКА. Час заряду СКА становить 8...16 годин Номінальною ємністю СКА вважається ємність, отримана при розряді протягом 20 годин, тобто струмом 0,05 С. В залежності від глибини розряду і робочої температури ресурс СКА може становити від 1 року до 20 років. Значною мірою термін служби визначається конструкцією елементів батареї. Головна небезпека експлуатації батареї з неоднорідними акумуляторами визначається тим, що при циклировании з великою кількістю акумуляторів відхилення електричних характеристик одного з них від стандартних непомітні. Але акумулятор з підвищеним опором буде розігріватися значно більше інших, що призводить до підвищених втрат води та швидкої деградації всієї батареї. Переваги СКА: - дешевизна і простота виробництва по вартості 1 Вт год енергії ця батарея є найдешевшою; - відпрацьована надійна і добре зрозуміла технологія обслуговування; - малий саморозряд; - низькі вимоги з обслуговування (відсутність «ефекту пам'яті»); - допустимі високі струми розряду. Недоліки СКА: - не допускається зберігання в розрядженому стані; - низька енергетична щільність; - допустимо лише обмежена кількість циклів заряду/розряду; - кислотний електроліт та свинець надають шкідливий вплив на навколишнє середовище; - при неправильному заряді можливий перегрів. Режими розряду свинцево-кислотних акумуляторів. Розрізняють чотири режими роботи враховують особливості зарядно-розрядних процесів акумулятора: - буферний (герметизовані акумулятори); - циклічний (тягові акумулятори); - змішаний; - стартерний (стартерні акумулятори). Якщо періоди розряду нетривалі, в порівнянні з періодами заряду, такий режим роботи називається буферним. У цьому режимі акумулятор постійно підзаряджається. Стартерний режим пов'язаний з великими піковими мощностными навантаженнями (запуск двигуна внутрішнього згорання), з наступним заряджанням. Дані батареї погано переносять тривалий розряд на величину більше 25% від загальної ємності батареї. Циклічний режим роботи характеризується тривалими періодами заряд-розряд. Повний цикл на практиці застосовується рідко, наприклад, при контрольних зарядно-розрядних циклів. В цьому випадку акумулятор повністю заряджається, а потім розряджається до мінімально допустимого напруги і знову заряджається. При цьому визначають доступну ємність акумулятора – максимальна кількість електрики в Ампер/годин, яке віддає акумулятор при розряді до вибраного кінцевого напруги, яке обумовлюється виробником. Не рекомендується використовувати режим більш глибокого, а також м'якого розряду. Доступна ємність акумулятора після введення в експлуатацію збільшується (пов'язано з активацією пластин), а потім зі збільшенням циклів, зменшується. Кількість циклів роботи залежить від ступеня розряду акумуляторів. Чим менше глибина розряду, тим більше кількість циклів він прослужить. Вважається, що акумулятор відпрацював строк служби, якщо доступна ємність падає до 80% зазначеної первісної. Віддається ємність СКА істотно залежить від струму розряду, який може досягати декількох С. Від струму розряду залежить також і кінцеве розрядне напруга. Герметизовані СКА працездатні в діапазоні температур від -30 до +50 С, частіше гарантується працездатність при температурі не нижче -15 С, т. к. можливості розряду перешкоджає замерзанню електроліту. Працездатність акумуляторів при низьких температурах може бути забезпечена збільшенням концентрації електроліту, як це робиться в спеціальних варіантах виконання. Доступна ємність акумуляторів нечутлива до розрядів зі швидкістю нижче З/10ю При більш інтенсивних розрядах ємність зменшується по мірі збільшення швидкості розряду. При розімкненої батареї віддається потужність дорівнює нулю, оскільки струм дорівнює нулю. Якщо батарея замкнута накоротко, то потужність, що віддається знову дорівнює нулю, так як напруга близько до нуля, хоча струм може бути дуже великим. Середня напруга залежить від відбору струму, але лінійної залежності між цими величинами немає. Для ХІТ залежність часу розряду від потужності показана на графіку. Максимальна потужність, що віддається має місце при рівності опору навантаження внутрішнього опору батареї. Гранична ємність акумуляторних батарей досягається при нормальній температурі (20°), малих швидкостях розряду і відсічення низьких напругах. Більшість батарей на водній основі зменшують віддається енергію в порівнянні з тією, яку вони можуть віддати при нормальній температурі. Якщо електроліт замерзає, то рухливість іонів може впасти до такої міри, що батарея перестане працювати. При розряді батарей в умовах низьких температур збільшується внутрішній опір, що призводить до виділення додаткового тепла. Воно певною мірою компенсує зниження температури навколишнього середовища. В таких умовах працездатність батареї визначається її конструкцією та умовами розряду.
GroE Стаціонарні батареї з поверхневими позитивними пластинами DIN 40732/ DIN 40738
OPzS Стаціонарні батареї з панцирними позитивними пластинами і роздільниками DIN 40736/ DIN 40737
OGi Стаціонарні батареї з гратчастими позитивними пластинами DIN 40734/ DIN 40739
GiV Моноблочні батареї з гратчастими позитивними пластинами DIN 43534
У СКА електролітом є розчин сірчаної кислоти, активною речовиною позитивних пластин – оксид свинцю, негативних – свинець. У гелевих акумуляторах рідкий електроліт замінили гелеподібні абсорбованим сепараторами електроліт, батареї герметизували, а для відводу газу, що виділяється при заряд або розряд, встановили безпечні клапани. Були розроблені нові конструкції пластин на основі мідно-кальцієвих сплавів, покритих оксидом свинцю, на основі титанових, алюмінієвих і мідних решіток. При виготовленні СКА застосовують хімічні добавки. Наприклад до свинцю додають сурму (частка в сплаві 1-10%), яка забезпечує більш міцний електричний активного контакту матеріалу з гратами, запобігає його осипання, що дозволяє збільшити термін служби батарей. Також використовуються свинцево-кальцієві сплави, що дозволяють зробити пластини більш легкими і міцними при збереженні високих електричних і механічних характеристик. Слід звернути увагу, що збільшити ємність свинцевої батареї можна порівняно легко, наприклад, додавши в батарею нікель, при цьому знизиться також і собівартість, але при цьому погіршиться і безпека. Корпус для батареї виготовляють призматичної форми з пластмаси. Хоча існують батареї циліндричної форми. Вони забезпечують більш високу стабільність у роботі, більший струм розряду, кращу температурну стабільність. Основні проблеми при створенні герметичного варіанти СКА пов'язані з необхідністю забезпечення умов для зменшення газовиділення та сприяння рекомбінації газу, що виділяється. Для цього вжито низку заходів: 1. Використання иммобилизированного (зневодненого) електроліту, який зберігає високу електропровідність сульфатної кислоти. Мала його кількість дозволяє забезпечити кращий транспорт кисню від позитивного електрода до негативного і високий рівень його рекомбінації. 2. Для зменшення ймовірності виділення водню свинцево-сурм'яні сплави струмоведучих решіток замінюють іншими (сплав свинцю і кальцію до0,1 % Ca, іноді легованого алюмінієм, сплави свинцю з оловом 0,5-2,5 % Sn), що забезпечують більш високу перенапруга виділення водню. 3. В негативний електрод закладається ємність більше, чам позитивний. У цьому випадку при повному заряді позитивного електрода залишилася недозаряженной частина активної маси негативного електрода практично виключає можливість розряду іонів водню. Кисень, що виділяється на діоксиду свинцю, досягає негативного електрода і окислює губчастий свинець до оксиду свинцю, який в кислотному електроліті переходить в сульфат свинцю PbSO4 і воду. Т. о. не виділяються гази і вода не втрачається. І все ж варіанти безуходного СКА забезпечені аварійним клапаном. При порушенні режимів заряду, при підвищеному струмі, в батареї відбувається активне газоутворення (головним чином водню). Коли тиск газів досягне величини 7,1 ... 43,6 кПа відкриється запобіжний клапан для забезпечення вентиляції батареї, і завдяки цьому усувається небезпека вибуху. Тому акумулятори називаються не герметичними, а герметизованими. Інша роль клапана – запобігання потрапляння всередину корпусу атмосферного кисню щоб уникнути його реакції з активним матеріалів негативних пластин. Акумулятори містять запобіжний клапан називають акумулятори VRLA (valve regulated lead acid batteries). Напруга на елементі СКА – В 2,2 Серед усіх типів акумуляторів СКА відрізняються найменшою енергетичною щільністю. Це робить недоцільним їх використання в портативних пристроях. Сучасні герметизовані СКА володіють наступними питомими характеристиками – 40 Втч/год і 100 Втч/дм3. Вони працюють в буферному режимі до 10 років, при циклировании вони забезпечують кілька сотень циклів до безповоротної втрати 20% ємності. Їх тривалий заряд не стане причиною виходу з ладу батареї. Здатність зберігати заряд у цих батарей найкраща з усіх типів акумуляторних батарей ( саморозряд - 40% на рік). Вони недорогі, але експлуатаційні витрати на них вище, ніж на ті ж НКА. Час заряду СКА становить 8...16 годин Номінальною ємністю СКА вважається ємність, отримана при розряді протягом 20 годин, тобто струмом 0,05 С. В залежності від глибини розряду і робочої температури ресурс СКА може становити від 1 року до 20 років. Значною мірою термін служби визначається конструкцією елементів батареї. Головна небезпека експлуатації батареї з неоднорідними акумуляторами визначається тим, що при циклировании з великою кількістю акумуляторів відхилення електричних характеристик одного з них від стандартних непомітні. Але акумулятор з підвищеним опором буде розігріватися значно більше інших, що призводить до підвищених втрат води та швидкої деградації всієї батареї. Переваги СКА: - дешевизна і простота виробництва по вартості 1 Вт год енергії ця батарея є найдешевшою; - відпрацьована надійна і добре зрозуміла технологія обслуговування; - малий саморозряд; - низькі вимоги з обслуговування (відсутність «ефекту пам'яті»); - допустимі високі струми розряду. Недоліки СКА: - не допускається зберігання в розрядженому стані; - низька енергетична щільність; - допустимо лише обмежена кількість циклів заряду/розряду; - кислотний електроліт та свинець надають шкідливий вплив на навколишнє середовище; - при неправильному заряді можливий перегрів. Режими розряду свинцево-кислотних акумуляторів. Розрізняють чотири режими роботи враховують особливості зарядно-розрядних процесів акумулятора: - буферний (герметизовані акумулятори); - циклічний (тягові акумулятори); - змішаний; - стартерний (стартерні акумулятори). Якщо періоди розряду нетривалі, в порівнянні з періодами заряду, такий режим роботи називається буферним. У цьому режимі акумулятор постійно підзаряджається. Стартерний режим пов'язаний з великими піковими мощностными навантаженнями (запуск двигуна внутрішнього згорання), з наступним заряджанням. Дані батареї погано переносять тривалий розряд на величину більше 25% від загальної ємності батареї. Циклічний режим роботи характеризується тривалими періодами заряд-розряд. Повний цикл на практиці застосовується рідко, наприклад, при контрольних зарядно-розрядних циклів. В цьому випадку акумулятор повністю заряджається, а потім розряджається до мінімально допустимого напруги і знову заряджається. При цьому визначають доступну ємність акумулятора – максимальна кількість електрики в Ампер/годин, яке віддає акумулятор при розряді до вибраного кінцевого напруги, яке обумовлюється виробником. Не рекомендується використовувати режим більш глибокого, а також м'якого розряду. Доступна ємність акумулятора після введення в експлуатацію збільшується (пов'язано з активацією пластин), а потім зі збільшенням циклів, зменшується. Кількість циклів роботи залежить від ступеня розряду акумуляторів. Чим менше глибина розряду, тим більше кількість циклів він прослужить. Вважається, що акумулятор відпрацював строк служби, якщо доступна ємність падає до 80% зазначеної первісної. Віддається ємність СКА істотно залежить від струму розряду, який може досягати декількох С. Від струму розряду залежить також і кінцеве розрядне напруга. Герметизовані СКА працездатні в діапазоні температур від -30 до +50 С, частіше гарантується працездатність при температурі не нижче -15 С, т. к. можливості розряду перешкоджає замерзанню електроліту. Працездатність акумуляторів при низьких температурах може бути забезпечена збільшенням концентрації електроліту, як це робиться в спеціальних варіантах виконання. Доступна ємність акумуляторів нечутлива до розрядів зі швидкістю нижче З/10ю При більш інтенсивних розрядах ємність зменшується по мірі збільшення швидкості розряду. При розімкненої батареї віддається потужність дорівнює нулю, оскільки струм дорівнює нулю. Якщо батарея замкнута накоротко, то потужність, що віддається знову дорівнює нулю, так як напруга близько до нуля, хоча струм може бути дуже великим. Середня напруга залежить від відбору струму, але лінійної залежності між цими величинами немає. Для ХІТ залежність часу розряду від потужності показана на графіку. Максимальна потужність, що віддається має місце при рівності опору навантаження внутрішнього опору батареї. Гранична ємність акумуляторних батарей досягається при нормальній температурі (20°), малих швидкостях розряду і відсічення низьких напругах. Більшість батарей на водній основі зменшують віддається енергію в порівнянні з тією, яку вони можуть віддати при нормальній температурі. Якщо електроліт замерзає, то рухливість іонів може впасти до такої міри, що батарея перестане працювати. При розряді батарей в умовах низьких температур збільшується внутрішній опір, що призводить до виділення додаткового тепла. Воно певною мірою компенсує зниження температури навколишнього середовища. В таких умовах працездатність батареї визначається її конструкцією та умовами розряду.
Інші статті
