Основи будови та експлуатації акумуляторних батарей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Сумський державний університет

Основи будови та експлуатації акумуляторних батарей

Навчальний посібник

М. Б. ШЕЛЕСТ, П. І. ГАЙДА

Суми

Сумський державний університет-2014

УДК 621.43.044.7(075.8)

ББК 31.251.3я73

Ш42

Рецензенти:

К. Г. Гриценко - кандидат технічних наук, доцент ДВНЗ «Українська академія банківської справи Національного банку України» (м. Суми);

В. Н. Лисенко - кандидат технічних наук, доцент Сумського національного аграрного університету (м. Суми);

Р. Ю. Лопаткін - кандидат фізико-математичних наук, доцент Інституту прикладної фізики АН України (м. Суми)

Рекомендовано до друку вченою радою

Сумського державного університету

(протокол № 4 від 21 листопада 2013 року)

Ш42 Шелест М. Б.

Основи будови та експлуатації акумуляторних батарей : навчальний посібник / М. Б. Шелест, П. І. Гайда. - Суми : Сумський державний університет, 2014. - 210 с.

Навчальний посібник «Основи будови та експлуатації акумуляторних батарей» написаний відповідно до програми підготовки офіцерів запасу.

Посібник може використовуватись як викладачами, слухачами ВНЗ, так і командирами артилерійських підрозділів Сухопутних військ.

УДК 621.43.044.7(075.8)

ББК 31.251.3я73

Вступ

Завдання, що ставляться перед Збройними силами України за нових історичних умов, вимоги щодо підготовки фахівців для Збройних сил, військова реформа, що проводиться в державі, зумовили необхідність зміцнення безпеки і підтримання обороноздатності держави на розумовому та достатньому рівнях. Здійснюється безперервний процес удосконалення військової техніки. Від її стану, правильної організації, експлуатації значною мірою залежить бойова готовність, маневреність військ і успішне виконання ними завдань.

Постійна готовність військової техніки до використання значно залежить від стану її акумуляторних батарей. Підвищені вимоги до боєготовності техніки обумовлюють необхідність створення у військових частинах сучасної системи обслуговування і зберігання акумуляторних батарей, яка забезпечить їх високу працездатність у жорстких умовах, а також швидке та якісне приведення в робочий стан.

У цьому навчальному посібнику на основі узагальнювального досвіду військ містяться рекомендації щодо експлуатації, технічного обслуговування та контролю за акумуляторними батареями.

Розділ 1

ІСТОРІЯ СТВОРЕННЯ АКУМУЛЯТОРІВ

1.1 Історія створення перших акумуляторів

Слово «акумулятор» із латинської мови перекладається як «збирач». Це значення дуже точно характеризує суть акумулятора, адже він являє собою пристрій, який дозволяє накопичувати енергію для її подальшого використання. Поява акумулятора - дуже важлива віха у розвитку електротехніки.

Перші досліди, які показали можливість акумулювати, тобто накопичувати електричну енергію, були зроблені незабаром після відкриття італійським вченим Вольтом явищ гальванічного елемента.

У 1801 році французький фізик Готеро, пропускаючи через воду за допомогою платинових електродів струм, виявив, що після того як струм через воду перерваний, можна, з'єднавши між собою електроди, отримати короткочасний електричний струм.

Вчений Ріттер проробляв потім цей самий дослід, використовуючи замість платинових електродів електроди із золота, срібла, міді і т. д. і відокремлюючи їх один від одного кусками сукна, просоченими розчинами солей. Він отримав перший вторинний, тобто здатний віддавати накопичену в ньому електричну енергію, елемент.

Через півстоліття після Ріттера подібні досліди проводив військовий лікар із Німеччини Вільгельм Зінстеден. Він використовував свинцеві електроди і опускав їх у сірчану кислоту. Пропустивши через ці пластини струм, Зінстеден помітив, що струм зберігався до того часу, поки двоокис свинцю повністю не розчинився у кислоті.

На жаль, на цьому етапі вчені займалися вивченням даного явища, застосовуючи різноманітні досліди, але не роблячи ніяких практичних висновків. А тим часом до створення акумулятора були вже близькі.

Перші спроби створити теорію такого елемента були зроблені Вольтом, Маріаніні та Бекерелом, які стверджували, що дія акумулятора залежить від розкладання електричним струмом розчинів солей на кислоту або луг і що ці останні потім, з'єднуючись, дають знову електричний струм.

Ця теорія була спростована у 1926 році дослідами Деряріва, який перший застосував в акумуляторі підкислену воду.

Підкислена вода при проходженні струму розкладається на кисень і водень, і цьому розкладанню елемент і зобов'язаний своєю подальшою дією. Це положення блискуче довів Грове, побудувавши свій знаменитий газовий акумулятор, що складається з пластин, опущених у підкислену воду і оточених у верхній частині: одна - воднем , інша - киснем. Проте акумулятор у такому вигляді був дуже непрактичний, оскільки для накопичення великих кількостей електрики потрібно зберігати дуже велику кількість газів, які займали великий обсяг.

Велике практичне вдосконалення у розвитку акумуляторів було внесене у 1859 році Гастоном Планте, який у результаті великої кількості дослідів віднайшов такий тип акумулятора, який складається із свинцевих пластин із великою поверхнею, які при зарядженні струмом виділяють кисень і рідину, покриваються окисом свинцю та віддають електричний струм.

Планте брав дві смуги з листового свинцю, прокладав між ними смуги сукна і гортав смуги навколо круглої палиці. Утворений згорток він стягував гумовими кільцями і ставив у посудину з підкисленою водою.

При багаторазовому заряджанні і розряджанні такого акумулятора на поверхні пластин утворювався активний діючий шар, який брав участь у процесі та надавав елементу велику ємність.

Рисунок 1.1 - Фото Гастона Планте

Однак необхідність дуже великого числа зарядів і розрядів акумулятора Планте для надання йому деякої ємності дуже збільшувало вартість акумулятора і ускладнювало його вироблення.

Рисунок 1.2 - Акумулятор Планте

Подальшим удосконаленням, який надав акумулято-ру його сучасного вигляду, було застосування у 1880 році Каміллом Фором решітчастих свинцевих пластин, осередки решіток яких були набиті спеціально приготовленою заздалегідь масою. Цей процес дуже спростив і здешевив виготовлення акумуляторів, звівши формування акумулятора до нетривалого процесу.

Рисунок 1.3 - Акумулятор Камілла Форома

Подальші удосконалення в історії свинцевих акумуляторів відбувалися шляхом поліпшення застосованого Фором способу заповнення та формування решітчастих пластин, не вносячи різких змін у конструкцію акумулятора. Паралельно з розвитком свинцевих акумуляторів, що мають низку недоліків, як, наприклад, велику вагу на одиницю ємності, неможливість збереження без псування в розрядженому стані і т. д., розроблялися можливості застосування для виготовлення акумуляторів інших металів, крім свинцю.

Найпростішим із цих акумуляторів є елемент Лаланда, але й він має ряд недоліків. При пропусканні через елемент Лаланда струму в зворотному нормальному напрямку відновлена ??мідь перетворюється на окис міді, рідина відновлює свої властивості, а на цинковому електроді осідає цинк у вигляді пухкої маси або порошку. Остання обставина і заважає застосуванню елемента Лаланда як акумулятора, тому що цинк, який осів на електроді, тримається ненадійно, легко відділяється від нього і не дає гарного контакту. Великою перевагою цього елемента є його незначна вага на одиницю ємності порівняно зі свинцевим акумулятором.

Рисунок 1.4 - Фото Жозефа Лаланда

Робота над удосконаленням цього акумулятора була виконана багатьма вченими, такими, як Реньє, Сомеліном, Даріусом та ін. У 1901 році новий тип несвинцевого акумулятора був запатентований одночасно Едісоном і Юнгнером.

Цей акумулятор складається з двох пластин, що містять: одна - окис заліза, інша - чорний окис нікелю, опущених у 20 % розчин їдкого лугу з додаванням 0,5-1 % їдкого літію.

Рисунок 1.5 - Акумулятор Едісона - Лаланда

Елементи Едісона і Юнгнера набули широкого застосування в тих випадках, коли необхідні мала вага і невибагливість акумуляторів до зарядки, оскільки вони можуть перебувати як завгодно довго в розрядженому стані. Витіснити свинцеві акумулятори вони не змогли, завдяки їх високій ціні, малій віддачі ємності та низькій напрузі, що виробляється ними. Таким чином, залізонікелевим акумуляторам відведене значне місце у всіх переносних і рухомих установках, у той час як свинцеві акумулятори почали широко використовуватися у стаціонарних установках.

Рисунок 1.6 - Фото Томаса Едісона біля електромобіля (1912 рік)

1.2 Перші акумулятори

У техніці акумуляторами називають пристрої, які накопичують енергію для її подальшого використання. При цьому акумулятор може бути не тільки електричним. Найбільш простим видом акумулятора можна вважати стислу або розтягнуту пружину, в якій накопичується механічна енергія, або важкий маховик, розкручений до великої кількості обертів і такий, що запасає кінетичну енергію. На гідроакумулюючих станціях надлишок електроенергії використовується для підняття води з нижнього резервуара у верхній. Існують пневматичні, теплові та електричні акумулятори.

Давайте ще раз повернемося до того часу, коли Олександро Вольта створив свою першу батарею. Для більшості це було чудо, яке ще більше привернуло увагу багатьох фізиків до електричних дослідів. Рік чи два тому вчитель музики в Парижі Готеро, який проводив експеримент із розкладання води на кисень і водень за допомогою вольтова стовпа, визначив, що дві золоті пластини нескладного приладу, з'єднані разом, по закінченні експерименту дають таке саме відчуття, як і батарея Вольти, тільки значно слабкіше. Витлумачити це незначне явище ніхто не міг, та воно було й не надто вражаючим. Але кілька років тому до цього досліду повернувся німецький фармацевт Іоганн Вільгельм Ріттер, що став пізніше за сміливість думки і широту поглядів членом Мюнхенської академії. Він спорудив стовпчик із сорока лише мідних штирів, прокладених сукниною, які були змочені підкисленою водою. З'єднав полюси стовпчиків із вольтовою батареєю і через деякий час переконався, що його конструкція зарядилася електрикою. Тепер вторинні штирі, що заряджаються, привернули до себе увагу багатьох. Тим більше, що існуючі гальванічні елементи дуже швидко втрачали свою силу через поляризацію.

У 1839 році Грове винайшов газовий вторинний елемент, який давав струм тільки після зарядження його від якогось стороннього джерела.

Газовий елемент Грове складається з платинових електродів; під час зарядження над одним накопичується водень, над іншим - кисень. Електролітом служить сірчана кислота. При розряді проходить зворотна реакція окиснення водню і відновлення кисню. Напруга становить близько 1В. Цей елемент є прототипом паливних елементів. Але через незручності користування газовий елемент Грове поширення не дістав. (Існує й інший елемент з ім'ям Грове, і бажано їх не плутати).

Приблизно у 1859-1860 роках у лабораторії Олександра Беккереля - іншого представника славної династії французьких фізиків - працював асистентом Гастон Планте. Молодий чоловік вирішив зайнятися поліпшенням вторинних елементів, щоб зробити їх надійними джерелами струму для телеграфії. Спочатку він замінив платинові електроди "газового елемента" Грове свинцевими.



Рисунок 1.7 - Газовий елемент Грове

А після численних експериментів і пошуків взагалі перейшов до двох тонких свинцевих пластин. Він їх переклав сукниною і накрутив цей сендвіч на дерев'яну паличку, щоб він поміщався у круглу скляну банку з електролітом. Далі підключив обидві пластини до батареї. Через деякий час вторинний елемент зарядився і сам виявився здатний давати досить відчутний постійний струм. При цьому, якщо його відразу не розряджали, здатність зберігати електрорушійну силу залишалася на досить тривалий час. Це було справжнє народження накопичувача електричної енергії, або акумулятора.

Перші електричні акумулятори Гастона Планте мали невелику ємність, тобто накопичували зовсім мало електрики. Але, з'єднавши декілька банок послідовно, напругу батареї можна було підвищити, а при паралельному їх увімкненні підвищувалася ємність. При цьому струм приладу ставав тим більшим, чим більша площа поверхні пластин стикалася з розчином електроліту.

Рисунок 1.8 - Один з перших акумуляторів

Потім було виявлено таке: якщо заряджений спочатку прилад розрядити, потім пропустити через нього струм у зворотному напрямку та ще й виконати цю операцію не один раз, то збільшується шар оксиду на електродах, і ємність вторинного елемента зростає. Цей процес отримав назву формування пластин і займав у винахідника Камілла Фора близько трьох місяців.

Камілл Фор з юних років захоплювався технікою, але він був бідний і не здобув освіти. Вимушений заробляти на життя, Камілл змінив безліч спеціальностей. Був робітником, креслярем, техніком, хіміком на англійському пороховому заводі, працював і у Планте. Різнобічні практичні знання стали в пригоді самоучці.

Після Паризької виставки 1878 року Фору прийшла ідея нового методу формування пластин. Він спробував заздалегідь покривати їх оксидом свинцю, свинцевим суриком. При заряджанні сурик на одній із пластин перетворювався у перекис, а на іншій - відповідно в оксид. При цьому шар оксиду набирав дуже пористої будови, а отже, площа його поверхні істотно збільшувалася. Процес формування проходив значно швидше. Акумулятори Фора при тій самій вазі запасали значно більше електричної енергії, ніж акумулятори Планте. Іншими словами, їх енергоємність була вищою. Ця обставина привернула до них велику увагу електротехніків.

У кінці століття в багатьох країнах, на вулицях і в будинках з'явилося електричне освітлення. Лампи розжарювання живилися на той час енергією ще малопотужних машин постійного струму. Рано вранці та пізно ввечері, коли енергії було потрібно більше, на допомогу машинам приходили акумулятори. Це було істотно дешевше, ніж ставити додаткові генератори. Тим більше що в денні та нічні години акумулятори могли заряджатися, накопичуючи надлишки вироблюваної машинами енергії.

Подальше вдосконалення свинцево-кислотних акумуляторів відбувалося шляхом поліпшення їх конструкції та зміни технології виробництва пластин. Незважаючи на велике поширення, свинцевий акумулятор - досить примхливе дітище електротехніки.

Недоліки кислотних акумуляторів ще на зорі їх розвитку спонукали винахідників шукати заміну свинцю. Спроб було чимало. Більшість безуспішних. Удача випала на долю Томаса Алви Едісона. Після безлічі експериментів американський винахідник створив залізо-нікелевий лужний акумулятор, який широко використовується і в наші дні. У ньому вміщений негативний електрод, виконаний із пористого заліза або кадмію з великою робочою поверхнею. Позитивний електрод - нікелевий, оточений окисом тривалентного нікелю. Як електроліт застосовується 20 % розчин їдкого калію або їдкого натрію. Корпус найчастіше виготовляється зі сталі, щоправда, електрорушійна сила лужного акумулятора трохи нижча, ніж свинцевого. Коефіцієнт корисної дії також менший (приблизно у два рази). Та й коштує лужний акумулятор дорожче. Але він добре витримує перевантаження, не чутливий до надлишкового заряду і глибокого розряду, міцний, легко переносить перегрів і не потребує ремонту.

І зараз у всіх промислово розвинених країнах увагу багатьох науково-дослідних колективів спрямовано на створення нових типів акумуляторів і суперакумуляторів з метою підвищення кількості запасу енергії на одиницю ваги акумулятора.

Професор Петров В. В. ще у 1802 році, вивчаючи явище поляризації, на більше ніж п'ятдесят років раніше від Планте сконструював газовий акумулятор.

Російські вчені Ленц Е. Х. (1804-1865 рр.) і

Якобі Б. С. (1801-1874 рр.) теоретично обґрунтували явище поляризації.

Неодноразово повторюючи досліди з поляризацією свинцевих пластин, Планте виявив на одній пластині утворення перекису свинцю, а на іншій - губчастого свинцю і на основі цього явища сконструював у 1860 р. перший, практично діючий кислотний акумулятор.

Для скорочення часу формування пластин професор Петербурзького університету Лачинов Д. А. (1842-1902 рр.) запропонував застосовувати окиси свинцю, що наносяться на свинцеві пластини, а офіцер російського флоту Тверитинов В. А. за основу використовував для пластин свинцеву решітку, в яку вмазувалася паста із свинцевих окисів, запропонованих Лачиновим Д. А.

Розроблена ними конструкція так званих решітчастих пластин забезпечує велику ємність на одиницю ваги і застосовується в сучасних кислотних акумуляторах.

Висновки до розділу

Зміст цього розділу дозволяє слухачам вивчити історію розвитку акумуляторних батарей, ознайомитись із внеском вчених, які брали участь у розробленні різних видів акумуляторів, а також у ньому розглядається практичне застосування акумуляторів.

Навчальний тренінг

Основні поняття і терміни

Викладено інформацію щодо участі вчених у розробленні теорії властивостей акумуляторів, застосування акумуляторів на практиці, поняття про акумулятор.

Питання для самоперевірки та контролю засвоєння знань

1. Що означає слово „акумулятор”?

2. Хто із вчених уперше створив акумулятор?

3. Хто із вчених розробив перші акумулятори?

4. Як відбувався розвиток акумуляторів?

Розділ 2

БУДОВА АКУМУЛЯТОРІВ

2.1 Призначення акумуляторів

Акумулятором називається електричний пристрій, який при заряді від джерел постійного струму накопичує електричну енергію, а при розряді віддає її споживачам, будучи у цьому разі джерелом постійного струму.

Акумулятор - це хімічне джерело струму, що складається з позитивного та негативного електродів і електроліту, дія якого ґрунтується на використанні оборотних електрохімічних систем.

Простий свинцевий акумулятор (рис. 2.1) складається з позитивного електрода, активною речовиною якого є двоокис свинцю PbO2 (темно-коричневого кольору), і негативного електрода, активною речовиною якого є губчастий свинець РЬ (сірого кольору). Якщо обидва електроди помістити в посудину з електролітом (розчином сірчаної кислоти H2SО4 в дистильованій воді), то між електродами виникне різниця потенціалів. При ввімкненні до електродів електричного опору (споживача) в ланцюзі проходитиме електричний струм, і акумулятор буде розряджатися. При розряді акумулятора губчастий свинець і двоокис свинцю негативного і позитивного електродів перетворяться в сірчанокислий свинець (сульфат свинцю) PbSO4.

Під час розряду витрачається сірчана кислота з електроліту, і одночасно в електроліт виділяється вода. Тому у міру розряду свинцевого акумулятора зменшується концентрація сірчаної кислоти, через що щільність електроліту знижується. При заряді відбуваються зворотні хімічні реакції, в результаті яких із сульфату свинцю на позитивному електроді знову утворюється двоокис свинцю, а на негативному електроді - губчастий свинець. Під час заряду в електроліт виділяється сірчана кислота, і витрачається вода. При цьому щільність електроліту у міру заряду зростає.

Таким чином, свинцевий акумулятор має властивість оборотності, тобто здатність накопичувати електричну енергію від стороннього джерела струму в процесі заряду, зберігати її деякий час і віддавати в процесі розряду.

Рисунок 2.1 - Робота простого акумулятора:

а - при заряді; б - при розряді;

1 - двоокис свинцю; 2 - електроліт підвищеної щільності;

3 - губчастий свинець; 4 - сульфат свинцю; 5 - електроліт низької

щільності

Автомобільний акумулятор виконує три функції: по-перше він живить електричним струмом стартер при запуску двигуна, по-друге, живить деякі електричні пристрої, наприклад сигналізацію зовнішніх та внутрішніх світлових приладів, коли двигун не працює. Нарешті, він «допомагає» генератору, коли той не справляється з навантаженням.

2.2 Типи акумуляторів

Розрізняють лужні та кислотні (свинцеві) акумулятори.

Лужний кадмієво-нікелевий акумулятор (залізо і гідрат окису нікелю в розчині їдкого лугу).

Кислотний свинцевий акумулятор (свинець та двоокис свинцю в розчині сірчаної кислоти).

2.2.1 Лужні акумулятори

Переваги: мають великий строк служби, високу механічну міцність та простоту в експлуатації.

Недоліки: мають порівняно великий внутрішній опір і це обмежує потужність, яка може бути їм віддана при розряді великим струмом.

За складом електродів (активної маси) лужні акумулятори поділяють на:

- кадмієво-нікелеві;

- залізонікелеві;

- цинк-нікелеві;

- сріблоцинкові;

а за способом утримання електродів - на:

- ламельні;

- безламельні.

Безламельні акумулятори мають більшу ємність і менші розміри. Останнім часом почали застосовувати стартерні залізонікелеві акумулятори, що працюють при низьких температурах краще, ніж кислотні. Для одержання великих імпульсних струмів при низьких і високих температурах та значних змінах атмосферного тиску застосовують срібло-цинкові акумулятори.

2.2.2 Свинцево-кислотні акумулятори

На базових гусеничних машинах і автомобілях в основному встановлюють сірчанокислотні свинцеві акумуляторні батареї, призначені:

- для запуску двигунів машин за допомогою стартера;

- для живлення електричною енергією ввімкнених споживачів, коли двигун не працює або працює на малих обертах;

- для живлення електричною енергією споживачів, коли потужність увімкнених споживачів перевищує потужність, що віддається генератором.

Цей тип акумуляторів має високу електрорушійну силу (ЕРС), малий внутрішній опір і найголовніше: вони допускають великий розрядний струм, що дуже важливо для живлення стартерних виробів цих машин.

Простіший кислотний свинцевий акумулятор складається із скляної або пластмасової банки, в яку опущені дві свинцеві пластини і залитий електроліт - розчин із хімічно чистої сірчаної кислоти і дистильованої води.

Для того щоб акумулятор міг давати струм, його необхідно завчасно зарядити, тобто пропустити через нього постійний струм від джерела.

Один акумулятор (акумуляторний елемент) розвиває ЕРС близько 2 В, ємність його залежить від розмірів і кількості пластин.

2.3 Герметизовані свинцево-кислотні акумулятори

Перший працездатний свинцево-кислотний акумулятор був винайдений у 1859 р. французьким вченим Гастоном Планте. Конструкція акумулятора являла собою електроди з листового свинцю, розділені сепараторами з полотна, які були згорнуті в спіраль і поміщені в посудину з

10 % розчином сірчаної кислоти. Недоліком перших свинцево-кислотних акумуляторів була їх невисока ємність. Спочатку для її збільшення проводили велику кількість циклів заряду-розряду. Для досягнення істотних результатів було потрібно до двох років таких тренувань. Причина недоліку була явною - конструкція пластин. Тому подальше вдосконалювання конструкції свинцево-кислотних акумуляторів було зосереджене на вдосконалюванні конструкції використовуваних у них пластин і сепараторів.

У 1880 р. К. Фор запропонував методику виготовлення намазаних електродів шляхом нанесення на пластини окислів свинцю. Така конструкція електродів дозволила значно підвищити ємність акумуляторів. А в 1881 р.

Е. Фолькмар запропонував застосовувати як електродно-намазні ґрати. У тому ж році вченому Селлону був виданий патент на технологію виготовлення ґрат зі сплаву свинцю й сурми.

Рисунок 2.2 - Акумулятор із свинцевими пластинами

Спочатку практичне використання свинцево-кислотних акумуляторів було ускладнене через відсутність зарядних пристроїв - для заряду застосовували первинні елементи конструкції Бунзена. Тобто хімічне джерело струму заряджалося від іншого хімічного джерела - батареї гальванічних елементів. Положення кардинально змінилося з появою недорогих генераторів постійного струму.

Саме свинцево-кислотні батареї першими у світі з акумуляторних батарей набули комерційного застосування. До 1890 року в багатьох промислово розвинених країнах був освоєний їх серійний випуск. У 1900 році німецька фірма Varta зробила перші стартерні акумулятори для автомобілів.

У 70-х роках XX століття були створені акумуляторні батареї, що не обслуговують кислотні, здатні працювати в будь-якому положенні. Рідкий електроліт у них замінили гелієвим або адсорбованим (відібраним) сепараторами електролітом, батареї герметизували, а для відведення газів, що виділяються під час заряджання або розряджання, установили клапани. Строго кажучи, абсолютна герметизація свинцево-кислотних акумуляторів не може бути досягнута, тому що не можна забезпечити повну рекомбінацію кисню й водню, які виділяються в них під час заряджання й зберігання. Але спеціальними заходами виділення газів і втрати води в процесі експлуатації вдається звести до мінімуму.

Були розроблені нові конструкції пластин на базі мідно-кальцієвих сплавів, покритих оксидом свинцю, а також на основі титанових, алюмінієвих і мідних ґрат. Свинцеві акумулятори є найпоширенішими серед всіх існуючих на цей час хімічних джерел струму. Їх масштабне виробництво визначається як відносно низькою ціною, обумовленою порівняльною недефіцитністю вихідних матеріалів, так і розробленням різних варіантів цих акумуляторів, що відповідають вимогам широкого кола споживачів.

2.4 Ключові електрохімічні процеси у свинцево-кислотному акумуляторі

Активні речовини акумулятора зосереджені в електроліті й позитивних та негативних електродах, а сукупність цих речовин називається електрохімічною системою. У свинцево-кислотних акумуляторних батареях електролітом є розчин сірчаної кислоти (H2SO4), активною речовиною позитивних пластин - двоокис свинцю (Pb2), негативних пластин - свинець (Pb).

Основні процеси, що проходять на електродах, описують такі реакції:

на негативному електроді:

Pb + HSO > PbSO4 + H+ + 2e- (розряд),
PbSO4 + H+ + 2e- > Pb + HSO4- (заряд);

на позитивному електроді:

PbO2 + HSO + 3H+ + 2e- > PbSO4 + 2H2O (розряд),
PbSO4 + 2H2O > PbO2 + HSO4- + 3H+ + 2e- (заряд).

Сумарна реакція у свинцевому акумуляторі має такий вигляд:

PbO2 + Pb + 2H2SO4 > 2PbSO4 + 2H2O (розряд),
2PbSO4 + 2H2O > PbO2 + Pb + 2H2SO4 (заряд ).

Таким чином, при розрядженні свинцевого акумулятора на обох електродах формується малорозчинний сульфат свинцю (подвійна сульфатація) і відбувається сильне зменшення густини сірчаної кислоти.

Напруга розімкнутого ланцюга зарядженого акумулятора дорівнює 2,05-2,15 В залежно від концентрації сірчаної кислоти. Під час розряджання в міру зменшення густини електроліту напруга розімкнутого ланцюга акумулятора знижується й після повного зарядження дорівнюватиме 1,95-2,03 В.

При заряджанні свинцево-кислотного акумулятора, як і в інших акумуляторах з водним електролітом, мають місце побічні реакції виділення газів. Виділення водню починається при повному зарядженні негативного електрода. Кисень починає виділятися набагато раніше: у звичайних умовах заряджання при 50-80 % зарядженості (залежно від струму зарядження), а при температурі 0 °С уже після зарядження на 30-40 %. Внаслідок цього віддача позитивного електрода за ємністю становить 85-90 %. Для одержання повної розрядної ємності під час заряджання акумулятору повинен бути забезпечений перезаряд на 10-20 %. Цей перезаряд супроводжується істотним виділенням водню на негативному електроді й кисню - на позитивному.

Виділення водню має місце і при зберіганні зарядженого свинцево-кислотного акумулятора. Саморозряд його визначається переважно швидкістю розчинення свинцю відповідно до реакції

Pb + H2SO4 > PbSO4 + H2

Швидкість цього процесу залежить від температури, обсягу електроліту і його концентрації, але найбільше - від чистоти компонентів. За відсутності домішок реакція проходить повільно через велику перенапругу виділення водню на свинці. Але на практиці на поверхні свинцевого електрода завжди багато домішок, серед яких найбільший вплив робить сурма, кількість якої в сплаві для ґрат і струмоведучих деталей доходить до 6 %.

На позитивному електроді може також мимовільно проходити реакція відновлення діоксиду свинцю:

PbO2 + H2SO4 > PbSO4 + O2 + H2O,

у результаті якої виділяється кисень, але швидкість її незначна.

У процесі експлуатації саморозряд акумулятора може збільшуватися через утворення дендритних містків із металевого свинцю. Втрати ємності щойно виготовленого акумулятора за рахунок саморозряду, як правило, не перевищують 2-3 % за 1 місяць. Але при експлуатації вони швидко збільшуються.

2.5 Особливості герметизованого свинцево-кислотного акумулятора

Головні проблеми при створенні герметичного варіанта свинцево-кислотного акумулятора пов'язані з необхідністю забезпечення умов для зменшення газовиділення й сприяння рекомбінації газу, що виділяється. При створенні герметизованого акумулятора, що у звичайних умовах експлуатації не вимагав би доливання води в електроліт упродовж усього терміну служби й не виділяв би газів, був застосований ряд заходів:

1. В акумуляторі застосовується іммобілізований електроліт, що зберігає високу електропровідність сірчаної кислоти. Невелика його кількість дозволяє забезпечити краще транспортування кисню від позитивного електрода до негативного й високий рівень його рекомбінації.

При одному методі іммобілізації електроліту для його заглушення застосовують силікагель (Sі2), що має високу пластичність та заповнює і електроди, і сепаратор. Завдяки своїй в'язкості він добре утримується в порах і сприяє ефективному використанню активних речовин електродів. Перенесення кисню забезпечується по тріщинах, які з'являються при усадці електроліту, що твердіє. При іншому методі іммобілізації застосовують сепаратор зі скловолокна з високою об'ємною пористістю й гарною змочуваністю в розчині сірчаної кислоти. Такий сепаратор не тільки здійснює функцію поділу електродів, але й завдяки тонкій структурі волокон забезпечує утримання електроліту в порах і високу швидкість перенесення кисню. Застосування скловолокнистого сепаратора й щільне збирання блоку електродів сприяють також зменшенню випадання активної маси позитивного електрода й розбухання губчастого свинцю на негативному.

2. Для зниження ймовірності виділення водню свинцево-сурм'яні сплави струмоведучих решіток заміняються іншими, що забезпечують більш високу перенапругу виділення водню. Застосовуються сплави свинцю з кальцієм (до 0,1 % Ca), іноді легованого алюмінієм; сплави свинцю з оловом (0,5-2,5 % Sn), які мають непогані ливарні характеристики, та ін.

3. Ємність негативного електрода більша від ємності позитивного. У цьому разі при повному заряді позитивного електрода, що залишився недозарядженим, частина активної маси негативного електрода практично виключає ймовірність розряду іонів водню. Кисень, який виділяється на діоксид свинцю, досягає негативного електрода й окиснює губчастий свинець до оксиду свинцю, що у кислотному електроліті переходить у сульфат свинцю PbSO4 і воду. Отже, умови для герметизації акумулятора поліпшуються: гази не виділяються, і вода не випаровується.

Зниженню газовиділення сприяють і рекомендують для герметизованних акумуляторів режими заряду, при яких струм знижується в міру їх заряджання. І все-таки всі реалізовані варіанти безвідхідного свинцево-кислотного акумулятора оснащені клапаном, що час від часу відкривається для скидання зайвої кількості газу, головним чином водню. Саме тому акумулятор називається не герметичним, а герметизованим.

Успіхи дослідників і технологів, досягнуті за минулі два десятиліття, ретельний контроль процесу виготовлення й співробітництво зі споживачами дають можливість зробити висновок, що безвідхідність цих батарей не виключає контролю за їх роботою, дозволяють у цей час випускати на ринок продукцію, що у ряді випадків може конкурувати з більш дорогими герметичними лужними акумуляторами.

Герметизовані свинцево-кислотні акумуляторні батареї ємністю до 10-20 Ач застосовуються як джерела живлення для різноманітних портативних приладів й інструментів у тих випадках, коли маса не є визначальним критерієм для вибору джерела струму, а також у системах безперебійного живлення, телекомунікацій, інформаційних системах, для аварійного устаткування та ін., де вони працюють у буферному режимі.

2.6 Конструкція герметизованих свинцево-кислотних акумуляторів

Портативні герметизовані свинцево-кислотні акумулятори випускають у вигляді батарей, зібраних в єдиному призматичному контейнері із пластмаси або гуми (моноблокова конструкція). Позитивні й негативні електроди акумуляторів роблять, як правило, нанесенням решіткостільникової структури. Контейнер і кришка загерметизовані. Міжелементні з'єднання занурюють у поглиблення кришки й заливають мастикою. Виводи акумуляторної батареї (у вигляді вушка або борна) також загерметизовані. Клапанне пристосування для скидання газу при зайвому тиску складається з гумового клапана і відбивача, що служить для вловлювання крапель електроліту. Повітря в акумулятор через нього не надходить.

Рисунок 2.3 - Акумуляторна батарея герметизована

1 - корпус; 2,3 - позитивні та негативні пластини;

4 - сепаратори; 5 - перегородки; 6 - міжелементні з'єднання;

7 - кришка

На електричних й експлуатаційних характеристиках герметизованих свинцевих акумуляторних батарей великої ємності позначаються розходження в конструкції електродів (поверхневого типу, панцирного або стрижневі), а також розходження в сплавах, використовуваних для виготовлення струмоведучих основ.

При виборі герметизованої свинцевої акумуляторної батареї великої ємності варто уважно поставитися до використаного в ній способу іммобілізації електроліту, оскільки відомо, що у високих акумуляторах зі скловолокнистим сепаратором (технологія AGM) згодом відзначається розшарування електроліту. Такі акумулятори намагаються проектувати висотою не більше 35 см.

Рисунок 2.4 - Розрядні характеристики акумуляторів

Номінальною ємністю свинцево-кислотного акумулятора вважається ємність, отримана при розряді впродовж 20 годин, тобто струмом 0,05 А. Ємність, що віддається акумулятором, залежить від струму розряду, що може досягати декількох А. Типові розрядні характеристики при різних струмах навантаження показані на рис. 2.4. З рисунка бачимо, що від струму розряду залежить також і кінцева розрядна напруга свинцевого акумулятора.

Герметизовані свинцеві акумуляторні батареї працездатні в інтервалі температур від -30 до +50 °С, частіше гарантується працездатність при температурі не нижче

-15 °С. При більш низьких температурах можливості розряду заважає замерзання електроліту. Працездатність акумуляторів при низьких температурах може бути забезпечена збільшенням концентрації електроліту, як це й робиться в спеціальних акумуляторах.

2.7 Заряд свинцево-кислотного акумулятора

Заряджання батарей, як було вищезазначено, повинне здійснюватися в режимі, при якому струм повинен значно знижуватися до кінця заряджання. Використовується кілька методів заряджання, які вимагають устаткування різної складності й вартості. Найбільш просте й дешеве устаткування здійснює заряджання при постійній напрузі 2,4-2,45 В/ак. Заряджання є закінченим, якщо зарядний струм залишається незмінним упродовж 3 годин.

Але частіше застосовують комбінований режим, при якому початковий струм обмежують, а по досягненні заданої напруги заряджання проводиться при стабілізації напруги (рис. 2.5). Заряджання проводиться при постійному струмі 0,1 А на першому етапі й при постійній напрузі джерела струму - на другому. Більшість виробників радять проводити заряджання циклованих батарей при постійній напрузі 2,4 В на акумулятор.



Рисунок 2.5 - Зарядні криві герметизовані свинцевокислотної акумуляторної батареї при комбінованому режимі заряджання нормованим струмом 0,1 А і но-рмованою напругою 2,45 В/ак:

1 - напруга; 2 - зарядна ємність; 3 - струм заряджання.

Прискорення процесу заряджання досягається при підвищенні струму на першій стадії заряджання, але відповідно до порад виробників не більше ніж до 0,3 А. Наприкінці заряджання для більшої безпеки може бути застосований ще один ступінь заряду: при зниженні напруги джерела живлення до напруги підзарядки акумулятора 2,30-2,35 В. Заряджання акумуляторних батарей, використовуваних для роботи в буферному режимі, проводиться, як правило, при більш низькій напрузі (2,23-2,275 В). Зазначені напруги зарядження не вимагають зміни під час заряджання в деякому інтервалі температури (звичайно від 5 до 35 °С). За межами зазначеного температурного інтервалу потрібна компенсація впливу температури: підвищення напруги при знижених температурах і зниження - при більш високих.

Рисунок 2.6 - Напруга рекомендованого заряду при різних температурах для герметизованого свинцево-кислотного акумулятора

2.8 Саморозряд свинцево-кислотної акумуляторної батареї

Саморозряд у герметизованих свинцево-кислотних акумуляторах значно зменшений порівняно з вентильованими акумуляторами і становить 40 % за 1 рік при 20 °С та 15 % - при 5 °С. При більш високих температурах зберігання саморозряд збільшується: при 40 °С батареї втрачають 40 % ємності за 4-5 місяців.

Рисунок 2.7 - Характеристики саморозряду акумуляторів

При тривалому зберіганні в зарядженому стані батареї рекомендують періодично підзаряджати. Якщо вони зберігалися при температурі нижче -20 °С, то підзарядження повинне проводитися 1 раз на рік упродовж 48 годин при постійній напрузі 2,275 В/ак. При зберіганні в умовах кімнатних температур - 1 раз на 8 місяців упродовж 6-12 годин при постійній напрузі 2,4 В/ак. Зберігання при температурі вище 30 °С не бажане.

Тривале зберігання батареї у розрядженому стані призводить до швидкої втрати її працездатності.

2.9 Зміни характеристик свинцево-кислотних акумуляторів при експлуатації

Термін служби герметизованих свинцево-кислотних акумуляторних батарей, як і вентильованих, здебільшого визначається деградацією позитивного електрода, що виявляється корозією його решіток і змінами в активній масі.

Швидкість корозії решіток залежить як від складу сплаву, конструкції й умов виготовлення, так і від температури, при якій працюють батареї. Корозія решіток зі сплаву без сурми або з низьким її змістом істотно менша порівняно з корозією традиційних решіток вентильованих акумуляторів. У якісно відлитих решітках зі сплавів

Pb-Ca-Sn швидкість корозії маленька, але в погано відлитих - окремі ділянки спричиняє глибокої корозії, що викликає локальний її ріст і деформацію. Деформація решіток може призвести до короткого замикання різних за полярністю пластин. Корозія решіток позитивних пластин - найчастіший дефект батарей, експлуатованих у буферному режимі.

При експлуатації в режимі циклування відбувається також розпушення активних мас позитивного електрода, що призводить до втрати контакту між частинками Pb2. Ємність джерела струму при цьому зменшується. Процес розпушення прискорюється при розряді більшими імпульсами струму.

У герметизованих акумуляторах можуть проходити й специфічні корозійні процеси на струмоведучих деталях негативних пластин, які перебувають вище від рівня електроліту, і на борні. Тому що продукти корозії мають більший обсяг, ніж свинець, у результаті можуть мати місце видавлювання компаунда і ушкодження борну, кришки й навіть бака. Дефекти такого роду часто відзначалися в акумуляторах різних виробників на ранніх етапах розробок і виробництва. Зараз більша частина виробників вирішила цю проблему підбором сплавів для всіх компонентів акумулятора й контролем за металургійним процесом їх виготовлення.

У плані експлуатації герметизованих акумуляторів через неминучі втрати води при відкриванні клапана для скидання зайвого тиску газу відбуваються деяке осушення сепаратора й підвищення внутрішнього опору акумулятора. При експлуатації в буферному режимі кількість відмов, спровокованих висиханням акумулятора, стає порівнянним із відмовами через корозію ґрат позитивних електродів. В акумуляторах із гелієвим електролітом зниження кількості електроліту менш критичне, ніж в акумуляторах із сепаратором зі скловолокна.

2.10 Фактори, що впливають на термін служби свинцево-кислотних акумуляторів

Найбільше впливають на термін служби герметизованого свинцево-кислотного акумулятора робоча температура, глибина розряду й величина перезаряду, а також періодичність спрацьовування клапана для скидання газу.

На рис. 2.7 й 2.8 зображена зміна терміну служби залежно від глибини розряду й температури навколишнього середовища.

Рисунок 2.7 - Залежність терміну служби герметизованої свинцево-кислотної батареї від глибини розряду

Рисунок 2.8 - Залежність терміну служби герметизованої свинцево-кислотної батареї від температури при роботі в буферному режимі

Рисунок 2.9 - Вплив режиму заряду на термін служби герметизованої свинцево-кислотної акумуля-торної батареї при роботі в буферному режимі

Герметизовані свинцево-кислотні акумулятори дуже чутливі до перезаряду. На рис. 2.9 зображено, як швидко зменшується строк їх служби при роботі в режимі постійного підзарядження при підвищенні напруги (і, отже струму підзарядження) джерела живлення, ввімкненого в акумулятор.

Варто пам'ятати, що при заряджанні герметизованих акумуляторів їх температура може бути значно вищою від температури навколишнього середовища. Це пов'язано як із розігріванням акумуляторів через реакцію рекомбінації кисню, так і з незадовільним відведенням тепла від щільно впакованої батареї. Різниця температур особливо відчутна при прискореному режимі заряду. Якщо не можна уникнути істотного збільшення температури, то при заряджанні варто вводити коректування напруги джерела живлення. Перерозряд також шкідливий для кислотної батареї, як і перезаряд. При багаторазових перерозрядах зменшується розрядна ємність і знижується термін служби акумулятора. Такі ж зміни можуть відбуватися й при тривалому зберіганні батарей у розрядженому стані.

У зв'язку з розширенням сфери застосування герметизованих свинцевих акумуляторів спеціального призначення, де повинні застосовуватися потужні джерела струму з більшою напругою, стало необхідним дослідження наслідків виникнення аварійних ситуацій в експлуатації. Такі ситуації можуть відбуватися як при розбалансуванні характеристик акумуляторів, що становлять батарею, так і у результаті помилкового обслуговування батарей або відмови керувального устаткування. У цьому випадку при перезаряді або перерозряді батарей, що приводить до переполюсування найбільш слабких акумуляторів, може відбутися розгерметизація акумуляторів або навіть руйнування їх баків.

При розкритті 5 % площі контейнера акумулятори залишалися придатними для циклування при зниженні розрядної ємності на 15-20 %.

При тривалому перезаряді (струмом 0,25 мА) як свіжих акумуляторів, так і після півтора року експлуатації в режимі постійного підзаряду, а також при зарядженні акумуляторів при підвищеній напрузі (2,6 В) надзвичайного розігріву акумуляторів не відбувалося. Температура стабілізується через 4-6 годин на рівні 50-70 °С або потім повільно знижується. Але внаслідок викиду газів через аварійний клапан відбуваються осушення акумуляторів і швидка їх деградація.

Сучасні герметизовані свинцево-кислотні акумуляторні батареї мають досить високі питомі енергетичні характеристики (до 40 Втгод/кг і 100 Втгод/л). Вони працездатні в буферному режимі при нормальній температурі впродовж тривалого періоду (більше 10 років), а при циклуванні забезпечують кілька сотень циклів до втрати 20 % ємності.

2.11 Способи контролю зарядження акумуляторів

Основна проблема, що виникає при зарядженні акумуляторів, полягає в пошуку параметра, вимірювання якого дозволило б із достатньою точністю визначити стан повного заряду.

У ході заряду герметичних лужних акумуляторів змінюється кілька параметрів: напруга, температура, внутрішній тиск. Характер їх змін у процесі заряду герметичного нікель-кадмієвого акумулятора зображений на рис. 2.10. Ці параметри забезпечують різну чутливість і мають різні обмеження при використанні. Характер зміни зазначених параметрів у нікель-металогідридних акумуляторів подібний, але вони більш чутливі до перегріву при перезаряді.



Рисунок 2.10 - Зміна характеристик герметичного нікель-кадмієвого акумулятора при зарядженні

Зарядження стандартним режимом, як правило, проводиться впродовж регламентованого часу. Контроль напруги при такій стратегії заряду малоефективний, тому що при низьких густинах струму заряду напруга наприкінці процесу (U кін) змінюється незначно, і контроль процесу за його величиною, обраною відповідно до рекомендованого виробника як типовою для даного типу джерела струму, може привести до недозаряду одних і перезаряду інших акумуляторів (залежно від їх індивідуальних зарядних характеристик). Паспортна величина кінцевої напруги показує тільки статистичний параметр, а розкид його в акумуляторах у партії може бути помітним. До того ж ця величина залежить від температури й напрацювання акумулятора. При швидкому зарядженні використання напруги як контрольного параметра, виявилося більш результативним. Це визначається зміною виду зарядної кривої. У цьому випадку немає потреби орієнтуватися на конкретну величину граничної зарядної напруги, потрібно лише встановити момент досягнення його максимальної величини. Для цього пристроями контролю періодично визначається величина d/dt або d2U/dt2. Максимум зарядної напруги спостерігається, як правило, при заряді до 110-120 % Сн.

У разі припинення зарядження при наступному розряді в стандартному режимі вдається відновити близько

95 % номінальної ємності акумулятора. Для забезпечення більшого перезаряду (до 140-160 %) потрібно або необхідний час зберігати заряд тим самим струмом, або забезпечити перехід до більш безпечного режиму підзарядження меншим струмом.

У цей час для контролю ходу швидкого заряду частіше використовують інший критерій: переривання зарядження роблять після того, як напруга акумулятора зменшиться на ДU після досягнення максимуму. Це забезпечує потрібний рівень перезаряду акумуляторів.

Такий контроль рекомендується для швидкого зарядження (впродовж 1 години) циліндричних лужних рулонних акумуляторів, якщо виготовлювач дозволяє такий заряд для конкретного типу акумуляторів. У літературі він називається детекцією -ДU. Величина -ДU для акумуляторів різних виробників може становити від 5-10 до

10-20 мВ. Для контролю заряду частіше пропонується використовувати величину 10 мВ/акумулятор при температурі зарядження від 0 до 30 °С. При цьому на початку заряджання (упродовж 5-10 хв) рекомендується не проводити вимірювання напруги джерела струму, щоб уникнути спрацьовування системи контролю через можливий стрибок напруги (і подальшого його невеликого спаду) після тривалого зберігання.

Іншим параметром, що застосовується при контролі зарядження сучасних герметичних лужних акумуляторів, є температура. Контроль температури найбільше потрібний при зарядженні нікель-металогідридних акумуляторів. Температурний датчик установлюється не на кожному акумуляторі, а на одному з них у батареї. Зрозуміло, що вплив конструктивних особливостей батареї й реалізованих у ній умов теплообміну роблять контроль зарядження за абсолютною величиною температури Т досить проблематичним, тому що непросто однозначно визначити величину цього параметра. Фахівці компанії GP, наприклад, детально досліджували процес зарядження батареї ємністю

2,5 Ач струмом 0,5 А при температурі навколишнього середовища (T) від 15 до 45 °С. Вивчалося відключення при температурі батареї (Tбат), що дорівнює 55 і 60 °С. Було показано, що якщо температура навколишнього середовища вище 35 °С, то при Tбат = 55 °С має місце істотний недозаряд. При Тбат = 60 °С недозаряд трохи зменшується. Збільшувати ще більше значення контрольованого параметра (Tбат > 60 °C) не можна без ризику збільшення небезпеки відмови акумулятора.

Усі виробники, як правило, рекомендують макси-мальну величину температури при швидкому зарядженні - не більше 55 °С. Варто розуміти, що при підвищених температурах навколишнього середовища уникнути недозаряду при такому способі контролю зарядного процесу не вийде. Більш раціональним є контроль іншого параметра: швидкості зміни температури (ДT/Дt), що дозволяє при будь-якій температурі навколишнього середовища діагностувати інтенсифікацію побічних процесів, що має місце при перезаряді. Величина ДT/Дt, при якій різні виробники рекомендують вимкнути герметичні лужні акумулятори, перебуває в інтервалі від 1 до 2 °С/хв, а при меншому струмі заряду - 1С і 0,8 °С/хв.

Більша частина виробників вважає, що найкращі результати досягаються при контролі зарядження за двома критеріями (оцінка -ДU і ДT/Дt) одночасно. Такий метод контролю універсальний як для акумуляторів різних типів, так і для різного рівня їх зарядженості. Варто помітити, що другий із цих параметрів забезпечує більш сприятливі умови роботи акумуляторів при тривалій експлуатації.

Знайдений ще один електричний параметр, що за величиною значно більший від змін напруги. Цей параметр - реакція джерела струму на тестовий сигнал змінного струму.

Для контролю ступеня зарядженості свинцево-кислотних акумуляторів можна використовувати напругу розімкнутого кола, що змінюється від 2,05-2,15 В/ак при зарядженому стані (залежно від концентрації кислоти) до 1,95-2,03 В/ак після повного розрядження. Ця залежність показана на рис. 2.11.

Рисунок 2.11 - Залежність напруги розімкнутого кола свинцево-кислотного акумулятора від рівня зарядженості

При контролі зарядженості свинцево-кислотного акумулятора в ході заряджання, заряд вважається завершеним якщо струм заряду (при незмінній стандартній напрузі заряду) залишається незмінним упродовж 3 годин. При заряді літій-іонних акумуляторів орієнтуються також на напругу акумулятора. У початковий період, коли лише з'явилися літій-іонні акумуляторні батареї, що використовують графітову систему, було потрібне обмеження напруги зарядження з розрахунку 4,1 В на елемент. У цей час літій-іонні елементи можна заряджати до напруги 4,20 В. Припустиме відхилення напруги становить усього лише близько ±0,05 В на елемент. Рисунок 2.12 відображає стандартний процес заряду літій-іонного акумулятора.