Вторник, 26.09.2017, 06:50
| RSS

Форма входа

Логин:
Пароль:

Друзья сайта

Конструкция аккумулятора.

На настоящий момент, существует два типа аккумуляторов
герметизированного типа, это гелевый, и так называемый SLA, или его ещё называют AGM. Первый тип содержит
электролит в виде геля (желе), второй тип аккумулятора имеет между положительной
и отрицательной пластиной прослойку, так называемый «сепаратор», из
стекловолокна (стекловаты), которая как мочалка впитала немного электролита. Достигается
это каппилярными силами электролита, он обволакивает стекловолокно, образуя
пористую систему, через крупные поры должен выходить газ.  Если мы сверху разберём  AGM аккумулятор, и открыв клапан посмотрим внутрь, мы не увидим болтающегося
электролита, как в обычных 
аккумуляторах  с жидким
электролитом, а совершенно сухую полость, которая служит для удержания
собравшегося газа.

В электротранспорте, из необслуживаемых батарей, в основном,
применяются только AGM.

 

 

Механизм работы аккумулятора.

Химическая реакция, проходящая внутри свинцового
аккумулятора, герметизированного типа.

 

Самое главное, что нужно запомнить: главным, рабочим
элементом аккумулятора является раствор. В химической реакции в процессе заряда
и разряда аккумулятора участвуют только 
ионы. Раствор состоит из серной кислоты, воды, а также ионов SO4²ˉи Pb²+.
Ионы SO4²ˉи Pb²+ являются продуктом растворения сульфата свинца в
электролите. Сульфат свинца, растворяется до тех пор, пока электролит не
достигнет насыщения. По мере расхода ионов 
SO4²ˉи Pb²+, сульфат свинца растворяется, стараясь поддерживать
постоянной концентрацию SO4²ˉи Pb²+, и продолжает растворение, до тех пор, пока не насытит
электролит. Это процесс нам хорошо известен, на примере растворения пищевой
соли в воде.

 

Процесс заряда происходит так :

  1. Подаётся
    минус на отрицательный электрод, а плюс, соответственно, на положительный.
  2. Из
    раствора, ион Pb²+,
    переходит на поверхность отрицательной пластины, присоединяется и получает
    два электрона, которые пришли из…

Смотрим на положительную
пластину.

Когда мы потянули на
отрицательную пластину, через подзарядное напряжение, эти два электрона с
положительной пластины,  в сульфате PbSO4 произошёл обмен, ион SO4²ˉбыл заменён ионом
кислорода O²ˉ, из
разложившейся молекулы воды, получился PbO. Вот теперь, эти два электрона(это продолжение того, что в
пункте2 обозначено тремя точками …), перешли из этой окиси свинца, в
отрицательную пластину, по проводу. Потом, ещё один отрицательный ион кислорода
O²ˉ, образующийся от
распада молекулы воды, присоединяется к окиси свинца PbO, и получается молекула перекиси
свинца PbO2. Образовавшиеся при этой реакции четыре
положительных иона водорода 4Н+, соединятся в растворе с отрицательными ионами SO4²ˉ, образовав при этом две молекулы серной кислоты, Н2SO4.  

Эта молекула, перекиси свинца PbO2, нестабильная, и при понижении напряжения (когда мы подключим
нагрузку), она снова распадётся на окись PbO, потом потянет на себя, то, ради чего, всё это затевалось:
два электрона, с отрицательной пластины по проводу. Потом, уйдёт ещё один ион
кислорода O²ˉ,
образовавшись в исходный положительный ион свинца Pb²+. Обратим внимание, в этот момент
обе пластины заряжены положительно, и положительная, и отрицательная, так, что
они, становятся привлекательными для иона SO4²ˉ, который и
присоединяется к ним, образуя тонкий слой сульфата свинца.

 

Всё сказанное выше проиллюстрировано
 этими графиками,  рисунком.

 

Здесь,
мы видим (чёрные, сплошные линии), что перепад в 0,2 вольта, заставляет реакцию
обращаться из PbSO4 в PbO  и обратно из PbO в PbSO4 на
положительном электроде, и перепад в  0,1
вольта, заставляет реакцию меняться из направления образования PbSO4 в Pb  , в обратно направленную Pb в PbSO4 на
отрицательном электроде. На положительном электроде (черная кривая), в реакции образования
сульфата свинца – двуокись свинца, участвует реакция разложения-собрания воды 2H2O>4H+ + 2O²ˉ, внимание, это не пунктирная кривая, пунктирная кривая, будет
рассмотрена ниже. Таким образом, напряжение холостого хода свинцового
аккумулятора слаживается из напряжений, равновесных потенциалов(равновесный потенциал,
означает баланс напряжения, удерживающей ход 
реакции как в ту так и в  другую
сторону её протекания, на графике, это точка пересечения жирной ,сплошной
линии) реакций, проходящих на положительном и отрицательном электроде. Что
соответствут -0,4 вольта на отрицательном, и +1,7 вольта на положительном
электроде, в сумме, около 2,1вольта.

 

 

 

Срок
службы аккумулятора и побочные эффекты.

Выделение
водорода неизбежно, минимально, выделение водорода соответствует току
саморазряда отключённого аккумулятора, по формуле окисления свинца кислотой (Pb+H2SO4 > PbSO4+H2). Реакции
саморазряда, вызванные выделением водорода и кислорода, идут на обоих
электродах независимо друг от друга. Но, в действительности, выделение водорода
больше, за счёт повышения напряжения, зарядом и подзарядом. Смотрим на рис. 6,
мы видим, что равновесный потенциал разложения воды составляет 1,23 вольта,
начиная сильно прогрессировать, как раз, примерно, на точке подзаряда
аккумулятора. При этом, на положительном электроде начинает, интенсивно,
образовываться атомно-молекулярный кислород, а также ионы водорода.

Дальше
происходит следующее. Ионы водорода, будучи положительно заряженными, идут к
отрицательной пластине, а там они обязательно должны встретиться с кислородом,
если этого не произойдёт, то ионы водорода, получив свои электроны, образуются
в атомно-молекулярный водород(см. рис. 6, пунктирная кривая, выделения
водорода), последний, в свою очередь, почти полностью, обречен выйти, через
клапаны батареи, так, как чрезвычайно слабо взаимодействует с положительным
электродом, который,  бы смог, его снова
ионизировать. Но как обеспечить доставку атомно-молекулярного кислорода к
отрицательному электроду, ведь кислород очень слабо диффундирует через
электролит? Вспомним конструкцию герметизированного аккумулятора. Именно через
поры подходит к электроду кислород, он в 100 раз быстрее проникает в
газообразном состоянии, к поверхности электрода, преодолев лишь тонкую плёнку
электролита, чем по электролиту. Благодаря такой конструкции аккумулятора,
удаётся добиться рекомбинации водорода и кислорода в воду, с эффективностью
95-99%. Остальное количество водорода, покидает аккумулятор, через клапан. А
оставшийся не у дел кислород, окисляет положительный электрод, тем самым
укорачивая его жизнь. Образовавшаяся вода, снова поступает к положительному
электроду, методом естественной конвекции. Процесс циркуляции кислорода,
проиллюстрирован на рис.10.

 

 

На
рисунке 12 показано, куда расходуется ток перезаряда.

Коррозия
положительной решётки является ключевым фактором  в старении аккумулятора, именно она
налаживает ограничения в сроке службы аккумулятора.

Коррозия
положительной решётки ведёт к увеличению сопротивления аккумулятора.

Скорость
коррозии зависит от условий эксплуатации:

С увеличением
потенциала электродов на 0,3 вольта, на элемент, скорость коррозии
увеличивается в 10 раз. Коррозия удваивается, с увеличение температуры на 10
градусов.

 

Выделение
водорода и коррозия решётки ведут к потере воды. В результате меняются объём и концентрация
электролита, это приводит к увеличению сопротивления электролита и тем самым к
повышению внутреннего сопротивления батареи. Потери воды при нормальных
условиях так малы, что электрические параметры батареи, в течение всего,
предусмотренного, срока службы меняются незначительно.

Перегрузка
батареи, ведёт к увеличению внутреннего сопротивления аккумулятора.



По материалам книги "Электрохимические накопители энергии".