Механизм работы аккумулятора
Аккумуляторы — это химические источники тока с обратимым процессом: они могут отдавать энергию, преобразуя химическую энергию в электрическую, или накапливать энергию, преобразуя электрическую энергию в химическую. Таким образом, аккумулятор попеременно то разряжается, отдавая электрическую энергию, то заряжается от какого-либо соответствующего источника постоянного тока.
Схема сборки аккумулятора.
Аккумуляторы, в зависимости от применяемого в них электролита, подразделяются на кислотные и щелочные. Кроме того, аккумуляторы различаются, в зависимости от материала электродов. Широкое применение имеют лишь свинцовые, кадмиево-никелевые, железо-никелевые и серебряно-цинковые аккумуляторы.
Емкость аккумулятора определяется количеством электричества qp, которое он может отдать при разряде в питаемую цепь.
Это количество электричества измеряется не в кулонах, а в более крупных единицах — ампер-часах (а-ч). 1 а-ч = 3600 кл. Но для заряда аккумулятора требуется большее количество электричества q3, чем отдаваемое при разряде. Отношение qp : q3 =ne называется отдачей аккумулятора по емкости.
Напряжение, необходимое для заряда аккумулятора, значительно выше того напряжения на зажимах аккумулятора, при котором он отдает длительно разрядный ток.
Схема устройства аккумулятора.
Важной характеристикой аккумулятора являются его средние зарядное и разрядное напряжения.
Ясно, что из-за ряда потерь энергии аккумулятор отдает при разряде значительно меньшее количество энергии Wp, чем получает при заряде. Отношение Wp : W3= n есть коэффициент полезного действия или отдача по энергии аккумулятора.
Наконец, весьма важной для характеристики аккумулятора величиной является его удельная э н е р г и я, т. е. количество энергии, отдаваемой при разряде, приходящееся на 1 кг веса аккумулятора. Особенно существенно, чтобы удельная энергия была возможно больше у нестационарных аккумуляторов, устанавливаемых, например, на самолетах. В подобных случаях обычно она важнее, чем коэффициент полезного действия и отдача по емкости.
Следует иметь в виду, что при медленном разряде процесс в аккумуляторе протекает равномерно во всей массе пластин, благодаря чему при длительном разряде малым током емкость аккумулятора больше, чем при кратковременном разряде большим током. При быстром разряде процесс в массе пластин отстает от процесса на их поверхности, что вызывает внутренние токи и уменьшение отдачи.
Напряжение аккумулятора существенно изменяется во время разряда. Желательно, чтобы оно было возможно более постоянным. В расчетах обычно указывается среднее разрядное напряжение Up. Но для заряда аккумулятора нужен источник тока, дающий значительно большее зарядное напряжение Uз (на 25— 40%). В противном случае невозможно зарядить аккумулятор полностью.
Схема литиево-кислородного аккумулятора.
Если напряжение одного аккумуляторного элемента недостаточно для данной установки, то необходимое число аккумуляторных элементов соединяется последовательно. Конечно, последовательно соединять можно только аккумуляторы, рассчитанные на одну и ту же разрядную силу тока.
Если разрядный ток одного элемента недостаточен, то применяется параллельное соединение нескольких одинаковых элементов.
Из числа кислотных аккумуляторов практическое значение имеют лишь свинцовые аккумуляторы. В них на положительном электроде активным веществом служит двуокись свинца РЬ02, на отрицательном электроде — губчатый свинец РЬ. Положительные пластины имеют бурый цвет, отрицательные— серый, в качестве электролита применяется раствор серной кислоты H2S04 с с удельным весом 1,18—1,29.
Химический процесс разряда и заряда свинцового аккумулятора относительно сложен. В основном он сводится к восстановлению свинца на положительном электроде и окислению губчатого свинца на отрицательном электроде в закисную соль серной кислоты. При этом образуется вода и, следовательно, плотность электролита уменьшается. При разряде сначала напряжение аккумулятора быстро падает до 1,95 В, а затем медленно понижается до 1,8 В. После чего необходимо прекратить разряд.
При дальнейшем разряде имеет место необратимый процесс образования кристаллического сернокислого свинца PbS4. Последний покрывает пластины белым налетом. Он обладает большим удельным сопротивлением и почти не растворим в электролите. Слой сернокислого свинца увеличивает внутреннее сопротивление активной массы пластин. Такой процесс называется сульфатацией пластин.
При заряде аккумулятора процесс идет в обратном направлении: на отрицательном электроде восстанавливается металлический свинец, а на положительном электроде свинец окисляется до двуокиси РЬ02. Ион S04 переходит в электролит, поэтому плотность серной кислоты при заряде увеличивается, следовательно, возрастает и удельный вес электролита. Для измерения удельного веса электролита применяется специальный ареометр. По его показаниям можно ориентировочно судить, в какой мере аккумулятор заряжен. Среднее разрядное напряжение свинцового аккумулятора 1,98 В, а среднее зарядное напряжение 2,4 В.
Схема зарядки аккумулятора.
Внутреннее сопротивление rBн свинцовых аккумуляторов, благодаря малому расстоянию между пластинами и большой площади их соприкосновения с электролитом, весьма мало: порядка тысячных долей ома у стационарных аккумуляторов и сотых долей у небольших переносных аккумуляторов.
Вследствие малого внутреннего сопротивления и относительно большого напряжения КПД этих аккумуляторов достигает 70— 80 %, а отдача — 0,85—0,95 %.
Однако из-за малого внутреннего сопротивления в свинцовых аккумуляторах при коротких замыканиях возникают токи очень большой силы, что приводит к короблению и распаду пластин.
Свинцовые аккумуляторы обладают рядом существенных недостатков. Они тяжелы из-за большого веса свинца пластин, и их объем велик из-за значительного количества электролита, активно участвующего в процессе. В них неизбежен саморазряд внутренними паразитными электрическими токами с потерей заряда порядка 1 % в сутки. Наконец, они весьма чувствительны к толчкам и сотрясениям. Но их отдача и КПД значительно выше, чем у любых других аккумуляторов.
Из числа щелочных аккумуляторов широкое применение в настоящее время имеют кадмиево-никелевые, железо- никелевые и серебряно-цинковые. Во всех этих аккумуляторах электролитом служит щелочь — примерно двухпроцентный раствор едкого калия КОН или едкого натра NaOH. При заряде и разряде этот электролит почти не претерпевает изменений. Следовательно, от его количества емкость аккумулятора не зависит. Это дает возможность свести к минимуму количество электролита во всех щелочных аккумуляторах и таким путем существенно их облегчить.
Остовы положительной и отрицательной пластин этих аккумуляторов делаются из стальных никелированных рамок с пакетами для активной массы. Благодаря такой конструкции активная масса прочно удерживается в пластинах и не выпадает при толчках.
Схема устройства пластин свинцового аккумулятора.
В кадмиево-никелевом КН аккумуляторе активным веществом положительного электрода служат окислы никеля, смешанные для увеличения электропроводности с графитом; активным веществом отрицательного электрода является губчатый металлический кадмий Cd. При разряде на положительном электроде расходуется часть активного кислорода, содержащегося в окислах никеля, а на отрицательном электроде окисляется металлический кадмий. При заряде обратно обогащается кислородом положительный электрод: гидрат закиси никеля Ni(OH)2 переходит в гидрат окиси никеля Ni(OH)3. На отрицательном электроде гидрат закиси кадмия восстанавливается в чистый кадмий. Приближенно процесс в этом аккумуляторе может быть выражен химической формулой:
разряд
2Ni (ОН)3 + 2КОН + Cd ??2Ni (ОН)2 + 2КОН + Cd (ОН)2.
заряд
Как показывает формула, из электролита при разряде выделяется частица (ОН)2 на отрицательной пластине и такая же частица переходит в электролит на положительной пластине. При заряде процесс идет в обратном направлении, но в обоих случаях электролит не изменяется.
Устройство железо-никелевого аккумулятора отличается лишь тем, что в нем в отрицательных пластинах кадмий заменен мелким порошком железа (Fe). Химический процесс этого аккумулятора можно проследить по вышеприведенному для кадмиево-никелевого аккумулятора уравнению путем замены Cd на Fe.
Применение железа вместо кадмия удешевляет аккумулятор, делает его более прочным механически и увеличивает срок его службы. Но с другой стороны, у железо-никелевого аккумулятора при том же примерно разрядном напряжении зарядное напряжение на 0,2 В выше, вследствие чего КПД этого аккумулятора ниже, чем кадмиево-никелевого. Затем очень важным недостатком железо-никелевого аккумулятора является относительно быстрый саморазряд. У кадмиево-никелевого аккумулятора саморазряд мал, и поэтому ему отдается предпочтение в тех случаях, когда аккумулятор должен длительно находиться в заряженном состоянии, например для питания радиоустановок. Среднее разрядное напряжение обоих этих аккумуляторов равно 1,2 В.
Схема железоникелевого аккумулятора.
Герметически закрытые сосуды вышеописанных щелочных аккумуляторов выполняются из листовой никелированной стали. Болты, через которые пластины аккумуляторов соединяются с внешней целью, пропускаются через отверстия в крышке сосуда, причем болт, с которым соединены отрицательные пластины, тщательно изолирован от стального корпуса; но болт, соединенный с положительными пластинами, от корпуса не изолируется.
Внутреннее сопротивление щелочных аккумуляторов значительно больше, чем кислотных, благодаря этому они лучше переносят короткие замыкания. Но по той же причине КПД щелочных аккумуляторов (порядка 45%) значительно ниже, чем кислотных, также существенно меньше их удельная энергия и отдача по емкости (0,65). Так как состояние электролита у щелочных аккумуляторов при работе не изменяется, то определить их степень заряженности по внешним признакам нельзя. Вследствие чего за зарядом приходится следить на основании их емкости и напряжения. При заряде нужно сообщить аккумулятору количество электричества It=q значительно большее, чем его емкость, примерно в 1,5 раза. Например, аккумулятор емкостью 100 а-ч желательно заряжать током силой в 10 а в течение 15 час.
http://fazaa.ru/www.youtube.com/watch?v=DuZSNfTNDyg
Серебряно-цинковые аккумуляторы являются новейшими из числа современных аккумуляторов. Электролитом в них служит водный раствор едкого калия КОН с удельным весом 1,4, с активным веществом положительного электрода (окисью серебра Ag20) и отрицательного электрода (цинком Zn). Электроды изготавливаются в виде пористых пластин и отделяются друг от друга пленочной перегородкой.
При разряде аккумулятора окись серебра восстанавливается до металлического серебра, а металлический цинк окисляется до окиси цинка ZnO. Обратный процесс происходит при заряде аккумулятора. Основная химическая реакция выражается формулой
разряд
AgsO + КОН + Zn ?? 2Ag + КОН + ZnO.
заряд
http://fazaa.ru/www.youtube.com/watch?v=0jbnDTRtywE
Устойчивое разрядное напряжение составляет около 1,5 В. При небольших токах разряда это напряжение почти не изменяется в течение примерно 75— 80% времени работы аккумулятора. Затем оно довольно быстро падает, и при напряжении 1 в разряд следует прекращать.
Внутреннее сопротивление серебряно-цинковых аккумуляторов существенно меньше, чем остальных щелочных аккумуляторов. При равной емкости первые значительно легче. Они удовлетворительно работают как при пониженной (—50° С), так и при повышенной ( + 75° С) температурах. Наконец, они допускают большие разрядные токи. Например, некоторые типы таких аккумуляторов можно разогреть током короткого замыкания в течение одной минуты.
http://fazaa.ru/www.youtube.com/watch?v=bW_5q7saSR8
Выше изложены только основные сведения по аккумуляторам. При практической работе с аккумуляторами, в особенности со свинцовыми, необходимо тщательно выполнять соответствующие заводские инструкции. Нарушение их вызывает быстрое разрушение аккумуляторов.
