6. Свинцовая аккумуляторная батарея

Аккумуляторами называют гальванические элементы, которые можно полностью регенерировать, производя их зарядку.

Наиболее распространены аккумуляторы:

свинцовый	никель – железный	никель – кадмиевый
Pb | PbSО4 | PbO2 | Pb	Fe | KOH | NiOOH | Ni	Cd | KOH | NiOOH | Ni

Разработаны и применяются серебряно–цинковые аккумуляторы:

Zn | KOH + K₂ ZnO₂ | AgO или Ag₂ O | Ag.

Одной из наиболее распространённых является свинцовая аккумуляторная батарея, которая используется в автомобилях. Такая батарея напряже­нием 12 В состоит из шести элементов (аккумуляторов), каждый из которых даёт напряжение 2В. Анод каждого элемента выполнен из свинца, катод – из диоксида свинца РbО₂, заполняю­щего металлическую решётку. Оба электрода погружены в серную кислоту.

В процес­се разрядки в батарее протекают электродные реакции:

	А: Pb + HSO4–  PbSO4 + H+ + 2ē
	К: PbO2 + HSO4– + 3H+ + 2ē  PbSO4 + 2H2O
	Pb + PbO2 + 2H+ + 2HSO4–  2PbSO4 + 2H2O.

Реагенты Рb и РbО₂, между которыми происходит перенос электронов, служат элек­тродами. Поскольку это твёрдые вещества, то отпадает необходи­мость в разделении электрохимического элемента на анодное и катодное отделения. Между Рb и РbО₂ нет прямого физического контакта, если конечно одна электродная пластина случайно не соприкоснётся с другой. Чтобы предотвратить соприкосновение электродов, между ними помещают перегородки из стекловолокна. Для повышения силы снимаемого электрического тока в каждом элементе помещено несколько анодных и катодных пластин, как это показано на рис. 5.

Из приведённых уравнений видно, что в процессе разрядки свинцовой аккумуляторной ба­тареи и на катоде, и на аноде образуется одно и то же вещество – нерастворимая соль PbSO₄, и расходуется серная кислота. Раствор электролита в свежезаряжённой батарее имеет плотность 1,25–1,30 г/см³, которая в процессе разрядки уменьшается.

	Рис. 6. Ареометр, предназначенный для изме­рения плотности электролита в свинцовом акку­муляторе
Рис. 5. Свинцовая аккумуляторная батарея

Если плотность раствора электролита становится ниже 1,20 г/см³, батарея нуждается в перезарядке. Плот­ность электролита измеряют при помощи ареометра. Этот прибор, изображённый на рис. 6, снабжён поплавком, который погружается в жидкость на глубину, завися­щую от её плотности. Существует разновидность свинцовых аккумуляторов, в ко­торых роль электролита играет гель, пропитанный H₂SO₄; такие батареи используют­ся в запаянном виде.

Свинцовая аккумуляторная батарея удобна тем, что её можно перезаряжать. Для этого аккумуляторную батарею подключают к внешнему источнику энергии, который позволяет обращать напра­вление окислительно-восстановительной реакции. Во время зарядки в батарее протекает реакция

2PbSO₄ + 2H₂O  Pb + PbO₂ + 2H⁺ + 2HSO₄^–.

В автомобиле необходимую для перезарядки батареи энергию получают от генерато­ра, который приводится в действие двигателем. Перезарядка возможна благодаря то­му, что PbSO₄, образующийся во время разрядки батареи, не отделяется от электро­дов. Поэтому при подключении внешнего источника тока на одном электроде PbSO₄ превращается в Рb, а на другом – в РbО₂, то есть вновь образуются вещества, имевшиеся в свежезаряжённой бата­рее.

При слишком быстрой зарядке батареи возможно разложение воды на водород и кислород и образование взрывоопасной газообразной смеси Н₂ и О₂. Кроме того, эта вторичная реакция приводит к сокраще­нию срока службы батареи. Выделение Н₂ и О₂ вызывает механиче­ское удаление Рb, РbО₂ и PbSO₄ с поверхности электродов и накопление этих веществ в виде шлама в нижней части батареи. Со временем это может вызвать короткое за­мыкание в батарее и вывести её из строя.