10.5.2 АкумуляторИ

Акумулятор (від лат. accumulatio – накопичення) – пристрій для накопичення енергії за рахунок оборотного хімічного процесу з метою подальшого використання.

Акумулятор  це прилад тривалого багаторазового використання, в якому під дією зовнішнього джерела струму накопичується хімічна енергія, здатна перетворюватися в електричну.

Процес перетворення хімічної енергії в електричну при роботі акумулятора називається розрядка акумулятора; при цьому акумулятор поводить себе як гальванічний елемент. Зарядка акумулятора – це накопичування хімічної енергії при пропусканні через систему зовнішнього електричного струму.

У процесі зарядки акумулятор працює як електролізер, а реагенти у ньому піддаються регенерації. Здатність до регенерації забезпечується підбором таких речовин, які в окисненій та відновленій формах фактично не розчиняються в електроліті, завдяки чому продукти регенерації осаджуються на тих електродах, на яких вони утворилися. Тому в акумуляторі продукти реакції не змішуються і цілісність електродів не порушується.

Найбільше практичне значення одержали свинцеві акумулятори, які іноді називають кислотними, оскільки в них використовується сульфатна кислота.

При роботі, тобто під час розрядки цього типу акумуляторів роль анода виконує негативно заряджений електрод із свинцевих перфорованих пластин, заповнених губчастим свинцем, а катода  позитивно заряджений електрод із PbO₂. Схема гальванічного елемента, що утворюються при роботі акумулятора:

() Pb | H⁺, SO₄^2 | PbO₂ (+).

Коли відбувається розрядка, на аноді проходить окиснення, а на катоді  відновлення:

()А: Pb⁰+ SO₄^2  2ē PbSO₄, = 0,36В,

(+)K: PbО₂ + 4H⁺ + SO₄^2 + 2ē  PbSO₄ + 2H₂O, = +1,68В.

Як видно з рівняння розрядки, і анод, і катод покриваються плівкою плюмбум(ІІ) сульфату, при цьому витрачається сульфатна кислота і одночасно утворюється вода (що приводить до зменшенню густини розчину електроліту).

Електрорушійна сила акумулятора, як і будь-якої електрохімічної системи, визначається різницею між потенціалами катода і анода:

(10.13)

де Е⁰  стандартна ЕРС, що дорівнює

Е⁰ =  = 1,68 (0,36) = 2,02В.

Коли напруга на електродах спадає до 1,8В, акумулятор вважається розрядженим. При його зарядці полярність електродів не змінюється, але реакції перебігають у зворотному напрямку: негативний електрод, що при розрядці був анодом, тепер стає катодом, на ньому відбувається реакція відновлення. І навпаки, позитивний електрод, який був катодом, під час зарядки відіграє роль анода і окиснюється:

()K: PbSO₄ + 2ē  Pb + SO₄^2,

(+)А: PbSO₄ + 2H₂O  2ē  Pb₂ + 4H⁺ + SO₄^2.

Сумарна реакція у свинцево-кислотному акумуляторі:

У процесі зарядки акумулятора вода «витрачається» на утворення Н₂SO₄, тому підвищується густина електроліту. Зростання концентрація сульфатної кислоти приводить до збільшення ЕРС, яка залежить від концентрації (точніше, активності а) згідно з рівнянням (10.13). Здавалось би, можна підвищити ЕРС свинцевого акумулятора, використовуючи більш концентровані розчини Н₂SO₄. Однак при збільшенні концентрації кислоти знижується її електрична провідність і одночасно покращується розчинність самого свинцю, тому оптимальними вважаються 3239% розчини Н₂SO₄ ( = 1,241,30г/мл).

Під час зарядки на акумулятор подається напруга, яка перебільшує ЕРС. У міру перебігу процесу вона поступово зростає, досягаючи значень, достатніх для електролізу води, який супроводжується різким стрибком напруги (до 2,52,7В) і виділенням бульбашок газу (Н₂ на катоді та О₂ на аноді). Це і свідчить про закінчення зарядки.

У лужних акумуляторах електролітом є розчин КОН. Серед них найбільш поширеними є такі типи:

• нікель-кадмієві

• нікель-залізні

• срібно-цинкові

Акумулятори використовуються для живлення автокар, апаратури зв’язку, радіоприймачів, магнітофонів та електронних приладів. До самих поширених належать кислотні (наприклад, автомобільні) та «сухі» (для портативних комп’ютерів, сотових телефонів і т. і.) акумулятори, в яких електроліт або загерметизований, або зв’язаний твердим матеріалом, або перебуває в гелеподібному стані. Серед побутових акумуляторних елементів найчастіше зустрічаються три типи: нікель-кадмієві, нікель-металгідридні та літій-іонні. Однак останнім часом через велику токсичність кадмію нікель-кадмієві акумулятори стали менше застосовуватися.