Конструкция аккумуляторов.
Существует несколько видов щелочных аккумуляторов. По устройству электродов их делят на ламельные и безламельные, по составу активной массы пластин на никель-железные, никель-кадмиевые, серебряно-цинковые, по способу исполнения — на герметичные и негерметичные.
Рис. 216. Никель-железный аккумулятор (а) и пробка щелочного аккумулятора (б)
В стальном никелированном корпусе 1 ламельного никель-железного (НЖ) аккумулятора (рис. 216, а) расположены блоки положительных 2 и отрицательных 4 пластин. Разноименные пластины изолируют друг от друга эбонитовыми палочками 3. На верхней крышке корпуса размещены полюсные выводы и отверстие для заливки электролита, закрываемое пробкой. Пробка (рис. 216, б) имеет Т-образный канал 1 для выхода газов, закрываемый резиновым пояском 2, и прокладку 3. Полюсные выводы положительных и отрицательных пластин изолированы от крышки корпуса.
Пластины аккумулятора состоят из стальных перфорированных ламелей (оболочек), внутри которых находится активная масса. Для повышения электропроводности в активную массу добавляют графит или никель. В аккумуляторах типа НЖ число отрицательных пластин на одну больше, чем положительных, причем крайние отрицательные пластины касаются корпуса. Положительные пластины с торцов изолируют от корпуса листовым эбонитом. В аккумуляторах типа НК положительные пластины крайние, вследствие чего корпус сообщается с положительным полюсным выводом.
Активной массой положительных пластин аккумуляторов типов НЖ и НК является гидрат окиси никеля Ni(OH)3. Активная масса отрицательных пластин у аккумуляторов типа НЖ состоит из губчатого железа, у аккумуляторов типа НК — из губчатого кадмия. Электролитом служит водный раствор едкого кали КОН или едкого натра NaOH плотностью 1,19—1,21 г/см3 с добавкой 20 г едкого лития на 1 л электролита, который препятствует изменению структуры активных масс положительных пластин в условиях высоких температур.
При разряде гидрат окиси никеля переходит в гидрат закиси никеля, а губчатое железо (кадмий) — в гидрат его закиси. На образование этих веществ не затрачивается едкий натр или едкое кали, поэтому плотность электролита во время разряда остается постоянной. Однако в аккумуляторы периодически доливают чистую воду, так как часть ее разлагается зарядным током на кислород и водород и испаряется. При заряде аккумуляторов типов НЖ и НК все химические процессы протекают в обратном порядке и пластины восстанавливаются до первоначального химического состава.
Безламельные никель-кадмиевые аккумуляторы типа НКБ отличаются от ламельных НК конструкцией пластин. Пластины безламельных аккумуляторов состоят из стальной рамки, в которую впрессована порошкообразная активная масса. Применение таких пластин позволило увеличить удельную емкость щелочных аккумуляторов на 30-40%.
Положительные и отрицательные пластины в аккумуляторах типа НКБ изолируют друг от друга гофрированной пленкой из винипласта или специальной комбинированной изоляцией. Благодаря этому уменьшается расстояние между пластинами, а следовательно, и внутреннее сопротивление аккумулятора. Безламельные аккумуляторы не боятся низких температур и имеют малый саморазряд.
Отечественная промышленность выпускает батареи безламельных аккумуляторов типов 4НКБ-15, 4НКБ-20. 10НКБ-60 и т. д. Первые цифры указывают число последовательно соединенных аккумуляторов в батарее, буквы НК— никель-кадмиевая; буква Б — безламельная, а число в конце — номинальную емкость батареи в ампер-часах.
Рис. 217. Герметичный никель-кадмиевый аккумулятор дисковой конструкции
На протяжении всего срока службы герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы не требуют доливки или корректировки электролита. Их заряжают закрытыми и допускается их эксплуатация при любом положении в пространстве. Промышленность выпускает герметичные НК аккумуляторы дисковой, цилиндрической и прямоугольной конструкций. Корпус аккумулятора 3 герметичного аккумулятора типа НК дисковой конструкции (рис. 217) представляет собой стальной никелированный сосуд круглой формы с кольцевым выступом. Стальную никелированную крышку 4 изолируют от корпуса изоляционной прокладкой 7 и герметически запрессовывают верхним краем корпуса. Внутри корпуса находятся положительный 8 и отрицательный 6 электроды, разделенные сепаратором 2. Электроды и сепаратор сжимаются пружиной 5.
Электроды ламельные: они состоят из никелевой сетки 1, в которой упакованы брикеты активной массы. В качестве сепаратора применена капроновая ткань.
Основные характеристики. Э. д. с. заряженного щелочного аккумулятора типа НЖ — 1,5 В, аккумулятора типа НК 1,4 В. При разряде э. д. с. снижается до 1,3 В. Напряжение щелочных аккумуляторов не является постоянным. При разряде оно сначала быстро уменьшается до напряжения 1,3 В, а затем медленно до напряжения 1,15 В, при котором разряд прекращают. Дальнейший разряд нецелесообразен, так как напряжение быстро падает и становится недостаточным для нормальной работы приемника энергии. Среднее напряжение аккумулятора при разряде принимают равным 1,25 В.
Очередной заряд щелочных аккумуляторов проводят током, равным 0,25 Qи в течение 6 ч. Окончание заряда определяется тем, что напряжение на каждом элементе становится равным 1,75—1,8 В и наступает интенсивное «кипение» электролита во всех элементах. Во время заряда нужно следить за тем, чтобы температура электролита не превышала 40 °С. Для снижения температуры уменьшают зарядный ток. Батареи щелочных аккумуляторов заряжают при вывернутых пробках во всех элементах.
В отличие от кислотных щелочные аккумуляторы могут отдать полную емкость при различных режимах разряда. Для этого щелочные аккумуляторы следует разряжать до различного конечного напряжения. Чем больше разрядный ток, тем меньше конечное напряжение, при котором аккумулятор отдает полную емкость. Например, при 8-часовом режиме разряда аккумулятор отдает номинальную емкость при конечном напряжении 1,1 В, а при 5-часовом режиме разряда при конечном напряжении 0,8 В. Большое изменение напряжения щелочных аккумуляторов требует установки специальных устройств, стабилизирующих напряжение электропитающей установки. Поэтому при 1, 3 и 5-часовом режимах разряда используется только часть номинальной емкости щелочных аккумуляторов.
Нормальной температурой электролита щелочного аккумулятора считается д-25 °С. При снижении температуры емкость аккумулятора уменьшается, при повышении — увеличивается. Однако увеличение температуры электролита выше 40 град. резко увеличивает саморазряд аккумулятора.
Внутреннее сопротивление щелочных аккумуляторов приблизительно в 2 раза больше, чем свинцовых аккумуляторов такой же емкости. Вследствие этого они менее чувствительны к коротким замыканиям, но имеют более низкий к. п. д. Внутреннее сопротивление заряженного щелочного аккумулятора r0 = 0,35/QН, где QH — номинальная емкость аккумулятора. Внутреннее сопротивление разряженного аккумулятора в 1,5—2 раза больше, чем заряженного.
Щелочные никель-железные аккумуляторы подвержены значительному саморазряду.
Так, за 30 сут хранения при температуре электролита +20 °С эти аккумуляторы теряют от 30 до 50% номинальной емкости, а при температуре электролита +40 °С— всю емкость. Саморазряд никель-кадмиевых аккумуляторов в 2—2,5 раза меньше, чем никель-железных. Отдача у щелочных аккумуляторов меньше, чем у кислотных, и составляет 0,65 по емкости и 0,5 по энергии.