Устройство кислотного акку­мулятора.

И стория

Примерно в 1859-1860 годах в лаборатории Александра Беккереля – второго представителя славной династии французских физиков - работал в качестве ассистента Гастон Планте. Молодой человек решил заняться улучшением вторичных элементов, чтобы сделать их надежными источниками тока для телеграфии. Сначала он заменил платиновые электроды "газового элемента" Грове свинцовыми. А после многочисленных экспериментов и поисков вообще перешел к двум тонким свинцовым пластинкам. Он их проложил суконкой и навил этот сэндвич на деревянную палочку, чтобы он влезал в круглую стеклянную банку с электролитом. Далее подключил обе пластины к батарее. Через некоторое время вторичный элемент зарядился и сам оказался способен давать достаточно ощутимый постоянный ток. При этом если его сразу не разряжали, способность сохранять электродвижущую силу оставалась в нем на довольно продолжительное время. Это было настоящее рождение накопителя электрической энергии, или аккумулятора.

Первые электрические аккумуляторы Гастона Планет имели небольшую емкость, то есть запасали совсем мало электричества. Но соединив несколько банок последовательно, напряжение батареи можно было повысить, а при параллельном их включении повышалась емкость. При этом ток прибора оказывался тем сильнее, чем большая поверхность пластин соприкасалась с раствором электролита. Аккумулятор Г. Планте превосходил единственный накопитель электроэнергии того времени (лейденскую банку) по емкости в сотни тысяч раз. Изобретатель лишь снисходительно радовался успехам продолжателей своей идеи: для него самого аккумулятор был всего лишь этапом на пути к иной величественной цели - поставить на службу человеку энергию молнии. Именно для того, чтобы накопить ее заряд, Планте и изобрел свой аккумулятор.

Мы описали действие простей­шего аккумулятора; ёмкость такого аккумуля­тора очень мала. Для увеличения ёмкости ак­кумулятора положительные (анодные) и отри­цательные (катодные) пластины его изготов­ляются в виде решётчатых свинцовых пластин, покрытых активной массой (РЬО₂ и губчатым свинцом).

Положительные пластины состоят из целого ряда скреплённых между

собой параллельных вертикальных свинцовых рёбер для увеличения поверхности. С помощью особой электролитической обработки поверхностный слой рёбер превращается в перекись свинца. Положительные пластины имеют бурый цвет. Отрицательные пластины имеют остов в виде свинцовой решётки, ячейки которой за­полняются окисью свинца РЬО.

1-пакет активных, отрицательных пластин. 2,3- сепараторы. 4-активная пластина.

5- активная, пористая масса пластины. 6-отверстия в пластине сепаратора.

7-химически стойкий корпус. 8- ручка.

П ри первой зарядке окись свинца восстанавливается ионами водорода в чистый свинец, имеющий пористую структуру и называемый поэтому губчатым свин­цом. Отрицательные пластины имеют серый цвет.

Для каждого аккумулятора существуют предельные зарядные и разрядные токи, указываемые в прилагаемом к аккумулятору паспорте.

Каждый аккумулятор характеризуется ёмкостью. Емкость аккумулятора измеряется величиной заряда, который может дать заряженный аккумулятор при разрядке. Емкость аккумулятора выражают не в кулонах, а в особых единицах, называемых ампер-часами. Ампер-час — это способность отдавать в нагрузку ток определённой величины в течение одного часа.

В процессе заряда-разряда аккумулятора происходит химическая реакция, основное достоинство которой – возможность восстановления химического состава пластин. Она выглядит таким образом: Напряжение на элементе свинцово-кислотной батареи составляет 2,2 В. Среди всех типов аккумуляторов свинцово-кислотные отличаются наименьшей энергетической плотностью. В них отсутствует "эффект памяти". Их продолжительный заряд не станет причиной выхода батареи из строя. Способность сохранять заряд у этих батарей наилучшая из всех типов аккумуляторных батарей. Если никель-кадмиевые батареи в течение трех месяцев теряют 40 % сохраненной энергии, то свинцово-кислотные батареи теряют 40 % энергии только за год. Они недороги, но эксплуатационные расходы на них выше, чем на те же никель-кадмиевые батареи.

Время заряда свинцово-кислотных батарей составляет 8... 16 часов. Они всегда должны храниться в заряженном состоянии, так как хранение в незаряженном состоянии приведет к сульфатации пластин (образование на пластинах кристаллического, не растворимого в воде сульфата свинца)- причине потери емкости, а в перспективе и к тому, что батарею впоследствии зарядить не удастся вообще.

В отличие от никель-кадмиевых свинцово-кислотные батареи не любят глубоких циклов заряд/разряд. Полный разряд может стать причиной деформации пластин, и каждый цикл заряда/разряда батареи впоследствии ведет к снижению ее емкости. Такие потери относительно невелики, пока батарея работает в нормальных условиях, но даже единственный случай ее перегрузки и, как результат, глубокого разряда приведет к потере ее емкости примерно на 80 %. Для предупреждения таких случаев рекомендуется использовать батареи повышенной емкости.

В зависимости от глубины разряда и рабочей температуры ресурс или срок службы свинцово-кислотной батареи может составлять от 1 года до 20 и более лет. Кроме того, в значительной мере срок службы определяется конструкцией элементов батареи.

Существует несколько способов увеличения емкости и срока службы свинцово-кислотных батарей. Оптимальная рабочая температура для таких батарей составляет 25 °С, и ее увеличение на каждые 10 °С сокращает срок службы батареи наполовину.

Преимущества свинцово-кислотных батарей:

• дешевизна и простота производства - по стоимости 1 Вт * ч энергии эти батареи являются самыми дешевыми;

• отработанная, надежная и хорошо понятная технология обслуживания; • малый саморазряд - самый низкий по сравнению с аккумуляторными батареями других типов;

• низкие требования по обслуживанию - отсутствует "эффект памяти", не требуется доливки электролита;

• допустимы высокие токи разряда. Недостатки свинцово-кислотных батарей:

Недостатки:

• не допускается хранение в разряженном состоянии;

• низкая энергетическая плотность - большой вес аккумуляторных батарей ограничивает их применение в стационарных и подвижных объектах;

• допустимо лишь ограниченное количество циклов полного разряда;

• кислотный электролит и свинец оказывают вредное воздействие на окружающую среду;

• при неправильном заряде возможен перегрев. Свинцово-кислотные батареи имеют настолько низкую энергетическую плотность по сравнению с другими типами батарей, что это делает нецелесообразным использование их в качестве источников питания переносных устройств. Хотя примеры их применения в портативной электронной технике есть. Кроме того, при низких температурах их емкость существенно снижается.