Глава VI
АККУМУЛЯТОРЫ
§ 20. Принцип действия свинцового аккумулятора
Электрическим аккумулятором называют химический источник тока, который обладает способностью накапливать (аккумулировать) электрическую энергию и отдавать ее по мере надобности. При заряде аккумуляторы подключают к постороннему источнику постоянного тока. Потребляемая ими электрическая энергия преобразуется в химическую, которая может сохраняться и легко переходить в электрическую энергию при разряде аккумулятора. Израсходованные при разряде аккумулятора активные вещества легко восстанавливаются при следующем заряде. Заряд и разряд аккумуляторов можно производить сотни раз, в то время как первичные элементы разряжаются только один раз. В этом заключается их принципиальное отличие от первичных элементов.
Для питания устройств связи на железнодорожном транспорте получили распространение свинцовые и щелочные (никель-железные или никель-кадмиевые) аккумуляторы. В стационарных электропитающих установках широко используются свинцовые аккумуляторы, имеющие высокий к. п. д. и незначительное снижение напряжения при разряде. Щелочные аккумуляторы имеют меньший к. п. д. и большее изменение напряжения при разряде, но обладают высокой механической прочностью. Поэтому их обычно применяют в качестве переносных или временных источников питания аппаратуры.
Простейший свинцовый аккумулятор (рис. 49, а) состоит из двух свинцовых пластин, погруженных в водный раствор серной кислоты. Положительная пластина заряженного аккумулятора покрыта перекисью свинца РbО2 — веществом темно-коричневого цвета, а отрицательная — губчатым свинцом Рb светло-серого цвета. Перекись свинца и губчатый свинец являются активными веществами (массами) свинцового (кислотного) аккумулятора. Молекулы серной кислоты под действием растворителя распадаются на ионы водорода 2Н+ и ионы кислотного остатка SO4-. Если к зажимам аккумулятора присоединить нагрузку r, то аккумулятор начнет разряжаться. Разрядный ток Iр проходит через нагрузку сопротивлением r от положительной пластины к отрицательной и затем через электролит от отрицательной пластины к положительной. Положительные ионы водорода перемещаются к положительной пластине и разряжаются па пей. Образующиеся при этом нейтральные молекулы водорода вступают в химическую реакцию с активной массой РbО2 положительных пластин.
Реакция на положительной пластине представлена уравнением
Отрицательные ионы кислотного остатка SO- перемещаются к отрицательной пластине и, отдав ей два электрона, вступают во взаимодействие с губчатым свинцом
Таким образом, при разряде аккумулятора на положительных и отрицательных пластинах образуется сернокислый свинец PbSO4 (сульфат свинца). На образование PbSO4 расходуется часть находящейся в электролите серной кислоты. Поэтому разряд аккумулятора сопровождается уменьшением плотности электролита. При глубоком разряде сернокислый свинец превращается в твердую крупнокристаллическую соль, которая плохо восстанавливается в процессе заряда. Поэтому аккумуляторы разряжают до определенной плотности электролита. Для стационарных аккумуляторов она равна 1,17—1,15 г/см3.
Заряд аккумуляторной батареи Б (рис. 49, б) осуществляется постоянным током, который поступает от выпрямителя В и проходит через электролит аккумулятора от положительной пластины к отрицательной. При заряде к положительной пластине будут подходить отрицательные ионы кислотного остатка
а к отрицательной пластине — положительные ионы водорода 2Н + . После разряда ионы нейтрализуются и вступают в химические реакции с активными массами пластин:
реакция на положительной пластине
реакция на отрицательной пластине
Таким образом, активная масса положительных и отрицательных пластин восстанавливается до первоначального химического состава, а плотность электролита увеличивается. Когда сернокислый свинец PbSO4 восстановится, плотность электролита и напряжение аккумулятора достигнут определенного значения и заряд аккумулятора прекращается. Стационарные свинцовые аккумуляторы заряжают до плотности 1,2— 1,21 г/см3. После этого предела зарядный ток не восстанавливает активных масс на пластинах, а разлагает воду электролита на водород и кислород, которые, смешиваясь, образуют взрывоопасную смесь, называемую гремучим газом.
Рис. 49. Принцип действия и схема включения аккумуляторов при заряде
Разложение воды электрическим током обнаруживается по интенсивному выделению пузырьков водорода и кислорода на поверхности электролита («кипению»).
§ 21. Э. д. с., напряжение и емкость свинцового аккумулятора
Э. д. с. и напряжение. Активные вещества положительных и отрицательных пластин свинцового аккумулятора обладают определенными потенциалами относительно электролита. Большим потенциалом обладает двуокись свинца РbО2, меньшим — губчатый свинец Рb. В результате возникает разность потенциалов между разноименными полюсами аккумулятора. Эта разность потенциалов при отключенной нагрузке равна э. д. с. аккумулятора. Потенциалы электродов, а значит, и э. д. с. аккумулятора не зависят от количества активных, веществ на пластинах.
Э. д. с. свинцового аккумулятора зависит главным образом от плотности его электролита. Эта зависимость выражается эмпирической формулой E-0,85 + d, где d — плотность электролита в порах активной массы пластин.
Напряжение аккумулятора при заряде больше э. д. с. на величину внутреннего падения напряжения
а при разряде
где Iз и Iр — соответственно ток заряда и разряда;
rв —внутреннее сопротивление аккумулятора.
У разряженного стационарного свинцового аккумулятора d=1,17; E 0,85 + 1,17-2,02 В. У заряженного аккумулятора d 1,21; Е 0,85-1,21-2,06 В. Следовательно, э. д. с. разряженного аккумулятора при отключенной нагрузке мало отличается от э. д. с. заряженного аккумулятора,
Выясним характер изменения напряжения аккумулятора Uз при его заряде. Во время заряда аккумулятора в порах активной массы пластин образуется серная кислота. Часть этой кислоты выделяется из пластин в электролит, а вся остальная накапливается в их активной массе. В результате этого увеличиваются э. д. с. и напряжение аккумулятора. При восстановлении поверхностных слоев пластин серная кислота легко выделяется из пластин, почти не задерживаясь в порах активной массы. Напряжение аккумулятора в это время медленно увеличивается до 2,3—2,4 В.
Заряд внутренних слоев активных масс происходит значительно труднее. Поэтому при напряжении 2,3 - 2,4 В целесообразно уменьшить зарядный ток. Если этого не сделать, то часть тока будет расходоваться на разложение воды, начнется газовыделение и преждевременная порча пластин. При «кипении» электролита частицы активных веществ отпадают от пластин и оседают па дно сосуда аккумулятора, образуя осадок (шлам).
Рис. 50. Кривые изменения напряжения свинцового аккумулятора
Внутренние слои активных масс не соприкасаются с внешним электролитом и в них довольно быстро накапливается серная кислота. Поэтому второй период заряда характеризуется быстрым увеличением напряжения аккумулятора с 2,3—2,4 до 2,8 В.
Кривая изменения напряжения свинцового аккумулятора при заряде его током постоянного значения представлена на рис. 50, а. Если заряженный аккумулятор отключить от зарядного агрегата, его напряжение быстро снизится до 2,3 В, а затем медленно — до значения, соответствующего плотности электролита. Резкое снижение напряжения с 2,8 до 2,3 В объясняется тем, что при выключении тока внутреннее падение напряжения до 0, а напряжение U=Е. Последующее медленное уменьшение напряжения связано с перемещением более плотных частей электролита, находящихся в порах пластин, в общую массу электролита. Так как плотность электролита заряженного стационарного аккумулятора равна 1,21 г/см3, то его конечное напряжение будет равно U=Е - 0,85 + 1,21 - 2,06 В.
При разряде активные массы аккумулятора поглощают из электролита серную кислоту и превращаются в сернокислый свинец. По мере разряда поверхность пластин покрывается сернокислым свинцом, затрудняющим подход серной кислоты к внутренним слоям активных масс. В результате этого снижается плотность электролита в порах пластин, э. д. с. и напряжение свинцового аккумулятора (рис. 50, б). Разряд аккумулятора обычно заканчивается при напряжении 1,8 В. При дальнейшем разряде серная кислота почти не проникает к внутренним слоям активных масс, и напряжение аккумулятора быстро падает. Кроме того, при глубоких разрядах аккумуляторы приходят в негодность. После отключения нагрузки напряжение разряженного аккумулятора постепенно увеличивается, достигая значения U=Е 0,85 4 1,15 2 В. Это объясняется перемещением более плотных слоев электролита в активные массы пластин. Плотность электролита выравнивается и становится равной 1,15 г/см3. Однако при подключении нагрузки напряжение аккумулятора почти сразу уменьшается до 1,8 В. На значение напряжения свинцового аккумулятора оказывает влияние температура электролита. С понижением температуры электролит в аккумуляторе становится более вязким, а его частицы менее подвижными. Это ухудшает диффузию электролита и вызывает более крутой подъем и спад кривой напряжения.
Разряд аккумулятора может производиться различными токами. Чем больше разрядный ток, тем интенсивнее химические процессы в аккумуляторе. Быстрое образование сернокислого свинца приводит к резкому снижению плотности электролита в активных массах пластин. Поэтому увеличение разрядного тока приводит к более резкому уменьшению э. д. с. и напряжения свинцового аккумулятора. Наоборот, снижение разрядного тока позволяет получить от аккумулятора более стабильное напряжение почти на всем интервале времени разряда.
Емкость.
Разрядной емкостью аккумулятора называется количество электричества, отдаваемого им при разряде до установленного конечного напряжения. Конечное разрядное напряжение стационарных свинцовых аккумуляторов составляет 1,8 В при длительных режимах разряда от 10-часового до 2-часового и 1,75 В при ускоренных режимах разряда от 1-часового до 0,25-часового. Разрядная емкость измеряется в ампер-часах (А · ч) и получается умножением значения разрядного тока Iр в амперах на время разряда tр в часах, т. е. Q Iр · tр. Аккумуляторам присуща также зарядная емкость, которую они получают в процессе заряда от других источников электрической энергии.
Разрядная емкость свинцового аккумулятора зависит от количества и формы его активных веществ, режима разряда и заряда, температуры электролита. С увеличением количества активных веществ РbО2 и Рb емкость аккумулятора возрастает. Активные вещества должны быть равномерно распределены по всей поверхности пластин достаточно тонким слоем. При этом условии обеспечивается хороший доступ электролита ко всей массе активных веществ, достигается максимальная разрядная емкость.
На значение разрядной емкости свинцовых аккумуляторов оказывает влияние режим заряда. При ускоренном заряде активные вещества восстанавливаются не полностью. В результате уменьшаются зарядная, а значит, и разрядная емкости. В условном обозначении аккумуляторных батарей в приведенных электрических характеристиках различных типов аккумуляторов указывается номинальная емкость. Она соответствует определенному разрядному режиму.
Номинальная емкость стационарных свинцовых аккумуляторов определяется при 10-часовом разряде до напряжения 1,8 В при средней температуре электролита 20 °C.
Номинальная емкость стационарного аккумулятора типа СК-1 составляет 36 А · ч. Этой емкости соответствует разрядный ток Iр = 36|10 = 3,6 А. Если изменить значение разрядного тока или температуру электролита, то изменится и емкость аккумулятора. С увеличением разрядного тока емкость аккумулятора уменьшается. Это объясняется тем, что при большом разрядном токе поверхностные слои активных масс быстро переходят в сернокислый свинец PbSO4, который ограничивает доступ электролита к внутренним слоям, активных веществ, не позволяет отдать этим слоям накопленную энергию. В результате активные вещества пластин используются не полностью, аккумулятор преждевременно разряжается до конечного напряжения.
Таблица 1
Примечание. N — номер аккумулятора.
Степень использования активных масс аккумулятора характеризуется коэффициентом ρυ который показывает, какую часть номинальной емкости (в процентах) можно получить от аккумулятора в данном режиме разряда. Например, при разряде током А аккумулятор типа СК-1 имеет емкость 27 А · ч, а коэффициент
Чем короче время разряда и больше разрядный ток, тем хуже используются активные массы аккумулятора и тем меньше коэффициент (табл. 1).
Емкость аккумулятора зависит от температуры электролита: чем ниже температура, тем меньше подвижность частиц электролита и емкость аккумулятора. Повышение температуры способствует увеличению емкости аккумуляторов. Однако при температуре +40 °C происходит коробление положительных пластин и резко увеличивается саморазряд аккумуляторов. Поэтому в аккумуляторных помещениях должна поддерживаться температура не ниже +15 °C и не выше +35 °C.
Таким образом, при указанных условиях аккумулятор с номинальной емкостью 101 А · ч может отдать нагрузке только 50 А · ч.
Емкость аккумулятора в течение срока его службы не остается постоянной. В начале эксплуатации происходит дополнительное образование активных масс на пластинах аккумулятора и его емкость увеличивается до 130 % номинального значения. При дальнейшей эксплуатации емкость аккумулятора снижается из-за выкрошивания активной массы положительных пластин. Снижение емкости до 80— 75 % номинального значения принято считать окончанием срока службы аккумулятора.
§ 22. Отдача и саморазряд свинцового аккумулятора
Отдача аккумулятора — одна из основных его электрических характеристик. Различают отдачу по емкости и по энергии.
Отдачей аккумулятора по емкости называется отношение количества электричества, отданного аккумулятором при разряде, к количеству электричества, полученному во время заряда. Если заряд и разряд аккумулятора производятся токами постоянного значения, отдача аккумулятора по емкости выразится формулой
Для свинцовых аккумуляторов принимают UР = 2 В, а Uз = 2,4 В.
Кроме потерь энергии на разложение воды и саморазряд, отдача аккумулятора по энергии учитывает потери энергии на внутреннем сопротивлении аккумулятора. Поэтому отдача аккумулятора по энергии меньше отдачи по емкости. Для стационарных свинцовых аккумуляторов 0,65-0,7.
Аккумуляторы, как и первичные элементы, подвержены саморазряду. Этот процесс приводит к бесполезному расходованию активных веществ пластин, снижает отдачу аккумулятора. Саморазряд вызывается неоднородностью пластин, наличием в электролите вредных примесей (хлора, мышьяка, железа и др.), коррозией электродов, несовершенством изоляции внешних выводов, неодинаковой плотностью электролита в сосуде. Свинцовая основа пластины и ее активное вещество имеют различные химические свойства. Поэтому между ними возникает разность потенциалов и местные токи, вызывающие изменение активных веществ пластин, снижение разрядной емкости.
Местные токи в пластинах возникают также в результате неодинаковой плотности электролита в различных частях сосудов. Плотность электролита в нижней части сосудов обычно выше, чем в верхней части. Саморазряд свинцовых аккумуляторов зависит от температуры электролита. При положительной температуре (до +30 °C) неработающие свинцовые аккумуляторы теряют за сутки приблизительно 1 % своей емкости. При температурах, больших +30 °C, саморазряд свинцовых аккумуляторов резко увеличивается. Интенсивность саморазряда снижается при отрицательных температурах (от 0 до —30 °C).