Призначення стартерних акумуляторних батарей
Теоретичні основи перетворення хімічної енергії на електричну
Розряд акумулятора
Заряд акумулятора
Витрата основних струмоутворюючих реагентів
Електрорушійна сила
Внутрішній опір
Напруга при заряді та розряді
Місткість акумулятора
Енергія та потужність акумулятора
Саморозряд акумулятора
Призначення стартерних акумуляторних батарей
Основна функція батареї – надійний пуск двигуна. Інша функція – енергетичний буфер при працюючому двигуні. Адже поряд із традиційними видами споживачів, з'явилося безліч додаткових сервісних пристроїв, що покращують комфорт водія та безпеку руху. Батарея компенсує дефіцит енергії під час руху міським циклом з частими і тривалими зупинками, коли генератор який завжди може забезпечити віддачу потужності, необхідну повного забезпечення всіх включених споживачів. Третя робоча функція – енергопостачання при вимкненому двигуні. Однак тривале використання електроприладів під час стоянки з непрацюючим двигуном (або двигуном, що працює на холостому ході), призводить до глибокого розряду батареї та різкого зниження її стартерних характеристик.
Батарея призначена ще й аварійного електроживлення. При відмові генератора, випрямляча, регулятора напруги або обриві ременя генератора вона повинна забезпечити роботу всіх споживачів, необхідних для безпечного руху до найближчої СТО.
Отже, стартерні акумуляторні батареї повинні відповідати наступним основним вимогам:
Забезпечувати потрібний для роботи стартера розрядний струм, тобто мати малий внутрішній опір для мінімальних внутрішніх втрат напруги всередині батареї;
Забезпечувати необхідну кількість спроб пуску двигуна із встановленою тривалістю, тобто мати необхідний запас енергії стартерного розряду;
Мати досить велику потужність та енергію при мінімально можливих розмірах та масі;
Мати запас енергії для харчування споживачів при непрацюючому двигуні або в аварійній ситуації (резервна ємність);
Зберігати необхідну для роботи стартера напругу при зниженні температури в заданих межах (струм холодного прокручування);
Зберігати протягом тривалого часу працездатність за підвищеної (до 70°С) температури навколишнього середовища;
Приймати заряд для відновлення ємності, витраченої на пуск двигуна та живлення інших споживачів, від генератора при працюючому двигуні (прийом заряду);
Не вимагати спеціальної підготовки користувачів, обслуговування у процесі експлуатації;
мати високу механічну міцність, що відповідає умовам експлуатації;
Зберігати зазначені робочі характеристики тривалий час у процесі експлуатації (термін служби);
Володіти незначним саморозрядом;
Мати невисоку вартість.
Теоретичні основи перетворення хімічної енергії на електричну
Хімічним джерелом струму називається пристрій, в якому за рахунок протікання просторово розділених окислювально-відновних хімічних реакцій їхня вільна енергія перетворюється на електричну. За характером роботи ці джерела поділяються на дві групи:
Первинні хімічні джерела струму чи гальванічні елементи;
Вторинні джерела чи електричні акумулятори.
Первинні джерела допускають лише одноразове використання, оскільки речовини, які утворюються за її розряді, неможливо знайти перетворені на вихідні активні матеріали. Цілком розряджений гальванічний елемент, як правило, до подальшої роботи непридатний - він є незворотним джерелом енергії.
Вторинні хімічні джерела струму є оборотними джерелами енергії - після глибокого розряду їх працездатність можна повністю відновити шляхом заряду. Для цього через вторинне джерело достатньо пропустити електричний струм у напрямку, зворотному тому, в якому він протікав при розряді. У процесі заряду речовини, що утворилися при розряді, перетворяться на початкові активні матеріали. Так відбувається багаторазове перетворення вільної енергії хімічного джерела струму на електричну енергію (розряд акумулятора) і зворотне перетворення електричної енергії на вільну енергію хімічного джерела струму (заряд акумулятора).
Проходження струму через електрохімічні системи пов'язане з хімічними реакціями (перетвореннями), що відбуваються при цьому. Тому між кількістю речовини, що вступила в електрохімічну реакцію і зазнала перетворень, і кількістю витраченої або вивільненої при цьому електрики існує залежність, яка була встановлена Майклом Фарадеєм.
Згідно з першим законом Фарадея маса речовини, що вступила в електродну реакцію або в результаті її протікання, пропорційна кількості електрики, що пройшла через систему.
Згідно з другим законом Фарадея, при рівній кількості маси, що пройшли через систему електрики, прореагували речовин відносяться між собою як їх хімічні еквіваленти.
На практиці електрохімічної зміни піддається менше речовини, ніж за законами Фарадея - при проходженні струму крім основних електрохімічних реакцій відбуваються ще й паралельні або вторинні (побічні), що змінюють масу продуктів, реакції. Для обліку впливу таких реакцій запроваджено поняття виходу струму.
Вихід по струму це та частина кількості електрики, що пройшла через систему, яка припадає на частку основної аналізованої електрохімічної реакції
Розряд акумулятора
Активними речовинами зарядженого свинцевого акумулятора, що беруть участь у струмоутворюючому процесі, є:
На позитивному електроді – двоокис свинцю (темно-коричневого кольору);
На негативному електроді – губчастий свинець (сірого кольору);
Електроліт – водний розчин сірчаної кислоти.
Частина молекул кислоти у водному розчині завжди дисоційована на позитивно заряджені іони водню та негативно заряджені сульфат-іони.
Свинець, який є активною масою негативного електрода, частково розчиняється в електроліті та окислюється у розчині з утворенням позитивних іонів. Надлишкові електрони, що звільнилися при цьому, повідомляють електроду негативний заряд і починають рух по замкнутій ділянці зовнішнього ланцюга до позитивного електрода.
Позитивно заряджені іони свинцю вступають у реакцію з негативно зарядженими сульфат-іонами, з утворенням сульфату свинцю, який має незначну розчинність і тому осаджується на поверхні негативного електрода. У процесі розряду акумулятора активна маса негативного електрода перетворюється з губчастого свинцю на сірчанокислий свинець зі зміною сірого кольору на світло-сірий.
Двоокис свинцю позитивного електрода розчиняється в електроліті значно менше, ніж свинець негативного електрода. При взаємодії з водою дисоціює (розпадається в розчині на заряджені частинки - іони), утворюючи іони чотиривалентного свинцю та гідроксилу іони.
Іони повідомляють електроду позитивний потенціал і, приєднуючи електрони, що прийшли зовнішнім ланцюгом від негативного електрода, відновлюються до іонів двовалентного свинцю
Іони взаємодіють з іонами, утворюючи сірчанокислий свинець, який з вказаної вище причини також осідає на поверхні позитивного електрода, як це мало місце на негативному. Активна маса позитивного електрода в міру розряду перетворюється з двоокису свинцю в сульфат свинцю зі зміною її кольору з темно-коричневого на світло-коричневий.
В результаті розряду акумулятора активні матеріали і позитивного, і негативного електродів перетворюються на сульфат свинцю. При цьому на утворення сульфату свинцю витрачається сірчана кислота і утворюється вода з іонів, що звільнилися, що призводить до зниження щільності електроліту при розряді.
Заряд акумулятора
В електроліті в обох електродів присутні у невеликих кількостях іони сульфату свинцю та води. Під впливом напруги джерела постійного струму, в ланцюг якого включений акумулятор, що заряджається, в зовнішньому ланцюгу встановлюється спрямований рух електронів до негативного виведення акумулятора.
Двовалентні іони свинцю у негативного електрода нейтралізуються (відновлюються) двома електронами, що надійшли, перетворюючи активну масу негативного електрода в металевий губчастий свинець. Іони, що залишилися вільними, утворюють сірчану кислоту.
У позитивного електрода під дією зарядного струму двовалентні іони свинцю віддають два електрони, окислюючись в чотиривалентні. Останні, з'єднуючись через проміжні реакції з двома іонами кисню, утворюють двоокис свинцю, що виділяється на електроді. Іони і так само, як і у негативного електрода, утворюють сірчану кислоту, внаслідок чого при заряді зростає щільність електроліту.
Коли процеси перетворення речовин в активних масах позитивного та негативного електродів закінчені, щільність електроліту перестає змінюватися, що є ознакою закінчення заряду акумулятора. При подальшому продовженні заряду відбувається так званий вторинний процес – електролітичне розкладання води на кисень та водень. Виділяючись з електроліту як бульбашок газу, вони створюють ефект його інтенсивного кипіння, що також є ознакою закінчення процесу заряду.
Витрата основних струмоутворюючих реагентів
Для отримання ємності в один ампер-годину при розряді акумулятора необхідно, щоб у реакції взяло участь:
4,463 г двоокису свинцю
3,886 г губчастого свинцю
3,660 г сірчаної кислоти
Сумарна теоретична витрата матеріалів для отримання 1 А-год (питома витрата матеріалів) електрики становитиме 11,989 г/А-год, а теоретична питома ємність - 83,41 А-год/кг.
При величині номінальної напруги акумулятора 2 теоретичний питома витрата матеріалів на одиницю енергії дорівнює 5,995 г/Втч, а питома енергія акумулятора складе 166,82 Вт-ч/кг.
Однак на практиці неможливо досягти повного використання активних матеріалів, що беруть участь у струмоутворюючому процесі. Приблизно половина поверхні активної маси недоступна для електроліту, оскільки служить основою для побудови пористого об'ємного каркаса, що забезпечує механічну міцність матеріалу. Тому реальний коефіцієнт використання активних мас позитивного електрода становить 45-55%, а негативного 50-65%. Крім того, як електроліт використовується 35-38%-ний розчин сірчаної кислоти. Тому величина реальної питомої витрати матеріалів значно вища, а реальні значення питомої ємності та питомої енергії значно нижчі, ніж теоретичні.
Електрорушійна сила
Електрорушійною силою (ЕРС) акумулятора Е називають різницю його електродних потенціалів, виміряну при розімкнутому зовнішньому ланцюзі.
ЕРС батареї, що складається з n послідовно з'єднаних акумуляторів.
Слід розрізняти рівноважну ЕРС акумулятора та нерівноважну ЕРС акумулятора протягом часу від розмикання ланцюга до встановлення рівноважного стану (період перебігу перехідного процесу).
ЕРС вимірюють високоомним вольтметром (внутрішній опір не менше 300 Ом/В). Для цього приєднують вольтметр до висновків акумулятора або батареї. При цьому через акумулятор не повинен протікати зарядний або розрядний струм.
Рівноважна ЕРС свинцевого акумулятора, як і будь-якого хімічного джерела струму, залежить від хімічних і фізичних властивостей речовин, що беруть участь у струмоутворюючому процесі, і зовсім не залежить від розмірів та форми електродів, а також кількості активних мас і електроліту. Разом з тим, у свинцевому акумуляторі електроліт бере безпосередню участь у струмоутворювальному процесі на акумуляторних електродах і змінює свою щільність в залежності від ступеня зарядженості акумуляторів. Тому рівноважна ЕРС, яка своєю чергою є функцією щільності
Зміна ЕРС акумулятора від температури дуже мало і при експлуатації їх можна знехтувати.
Внутрішній опір
Опір, що робиться акумулятором струму, що протікає всередині нього (зарядному або розрядному), прийнято називати внутрішнім опором акумулятора.
Опір активних матеріалів позитивного та негативного електродів, а також опір електроліту змінюються в залежності від ступеня зарядженості акумулятора. Крім того, опір електроліту дуже суттєво залежить від температури.
Тому омічний опір також залежить від ступеня зарядженості батареї та температури електроліту.
Опір поляризації залежить від сили розрядного (зарядного) струму та температури і не підпорядковується закону Ома.
Внутрішнє опір одного акумулятора і навіть акумуляторної батареї, що складається з кількох послідовно з'єднаних акумуляторів, незначно і становить у зарядженому стані всього кілька тисячних часток Ома. Однак у процесі розряду воно суттєво змінюється.
Електрична провідність активних мас зменшується для позитивного електрода приблизно 20 разів, а негативного - в 10 разів. Електропровідність електроліту також змінюється залежно від його густини. При збільшенні щільності електроліту від 1,00 до 1,70 г/см3 його електропровідність спочатку зростає до максимального значення, а потім знову зменшується.
У міру розряду акумулятора густина електроліту знижується від 1,28 г/см3 до 1,09 г/см3, що призводить до зниження його електропровідності майже в 2,5 рази. В результаті омічний опір акумулятора в міру розряду збільшується. У розрядженому стані опір досягає значення, що більш ніж у 2 рази перевищує його величину в зарядженому стані.
Крім стану зарядженості істотний вплив на опір акумуляторів має температура. Зі зниженням температури питомий опір електроліту зростає і при температурі -40 °С стає приблизно в 8 разів більше, ніж при +30 °С. Опір сепараторів також різко зростає зі зниженням температури й у тому інтервалі температури збільшується майже 4 разу. Це визначальний чинник збільшення внутрішнього опору акумуляторів при низьких температурах.
Напруга при заряді та розряді
Різниця потенціалів на полюсних висновках акумулятора (батареї) у процесі заряду або розряду за наявності струму у зовнішньому ланцюзі прийнято називати напругою акумулятора (батареї). Наявність внутрішнього опору акумулятора призводить до того, що його напруга при розряді завжди менша за ЕРС, а при заряді - завжди більша за ЕРС.
При заряді акумулятора напруга на його висновках має бути більшою за його ЕРС на суму внутрішніх втрат.
На початку заряду відбувається стрибок напруги на величину втрат омічних всередині акумулятора, а потім різке підвищення напруги за рахунок потенціалу поляризації, викликане в основному швидким збільшенням щільності електроліту в порах активної маси. Далі відбувається повільне зростання напруги, зумовлене головним чином зростанням ЕРС акумулятора внаслідок збільшення щільності електроліту.
Після того, як основна кількість сульфату свинцю перетворюється на РЬО2 і РЬ, витрати енергії все більшою мірою викликають розкладання води (електроліз). Це призводить до швидкого зростання зарядної напруги, що викликає прискорення процесу розкладання води. Іони водню і кисню, що утворюються при цьому, не вступають у взаємодію з активними матеріалами. Вони рекомбінують у нейтральні молекули та виділяються з електроліту у вигляді бульбашок газу (на позитивному електроді виділяється кисень, на негативному - водень), викликаючи "кипіння" електроліту.
Якщо продовжити процес заряду, можна побачити, що зростання щільності електроліту і зарядної напруги практично припиняється, тому що вже майже весь сульфат свинцю прореагував, і вся енергія, що підводиться до акумулятора, тепер витрачається тільки на протікання побічного процесу - електролітичне розкладання води. Цим пояснюється і сталість зарядної напруги, яка є однією з ознак закінчення зарядного процесу.
Після припинення заряду, тобто відключення зовнішнього джерела, напруга на виводах акумулятора різко знижується до значення його нерівноважної ЕРС, або величину омічних внутрішніх втрат. Потім відбувається поступове зниження ЕРС (внаслідок зменшення щільності електроліту в порах активної маси), яке продовжується до повного вирівнювання концентрації електроліту в об'ємі акумулятора та порах активної маси, що відповідає встановленню рівноважної ЕРС.
При розряді акумулятора напруга на його висновках менша за ЕРС на величину внутрішнього падіння напруги.
На початку розряду напруга акумулятора різко знижується на величину омічних втрат і поляризації, обумовленої зниженням концентрації електроліту в порах активної маси, тобто концентраційної поляризації. Далі при встановленому (стаціонарному) процесі розряду відбувається зниження щільності електроліту в обсязі акумулятора, що зумовлює поступове зниження розрядної напруги. Одночасно відбувається зміна вмісту сульфату свинцю в активній масі, що також викликає підвищення омічних втрат. При цьому частинки сульфату свинцю (має приблизно втричі більший об'єм у порівнянні з частинками свинцю та його двоокису, з яких вони утворилися) закривають пори активної маси, ніж перешкоджають проходженню електроліту в глибину електродів.
Це спричиняє посилення концентраційної поляризації, що призводить до більш швидкого зниження розрядної напруги.
При припиненні розряду напруга на висновках акумулятора швидко підвищується на величину втрат омічних, досягаючи значення нерівноважної ЕРС. Подальша зміна ЕРС внаслідок вирівнювання концентрації електроліту в порах активних мас та обсягом акумулятора призводить до поступового встановлення значення рівноважної ЕРС.
Напруга акумулятора при його розряді визначається в основному температурою електроліту та силою розрядного струму. Як сказано вище, опір свинцевого акумулятора (батареї) незначно і в зарядженому стані становить лише кілька міліом. Однак при струмах стартерного розряду, сила яких у 4-7 разів перевищує значення номінальної ємності, внутрішнє падіння напруги істотно впливає на розрядну напругу. Збільшення омічних втрат зі зниженням температури пов'язані з зростанням опору електроліту. Крім того, різко зростає в'язкість електроліту, що ускладнює процес дифузії його в пори активної маси та підвищує концентраційну поляризацію (тобто збільшує втрати напруги всередині акумулятора за рахунок зниження концентрації електроліту в порах електродів).
При струмі понад 60 А залежність напруги розряду від сили струму практично лінійною при всіх температурах.
Середнє значення напруги акумулятора при заряді та розряді визначають як середнє арифметичне значень напруги, виміряних через рівні проміжки часу.
Місткість акумулятора
Місткість акумулятора - це кількість електрики, отримана від акумулятора при його розряді до встановленої кінцевої напруги. У практичних розрахунках ємність акумулятора прийнято виражати в ампер-годиннику (Ач). Розрядну ємність можна обчислити, помноживши силу розрядного струму тривалість розряду.
Розрядна ємність, на яку розрахований акумулятор і яка вказується виробником, називається номінальною ємністю.
Крім неї, важливим показником є також ємність, що повідомляється батареї при заряді.
Розрядна ємність залежить від низки конструктивних і технологічних параметрів акумулятора, а також умов його експлуатації. Найбільш суттєвими конструктивними параметрами є кількість активної маси та електроліту, товщина та геометричні розміри акумуляторних електродів. Основними технологічними параметрами, що впливають на ємність акумулятора, є рецептура активних матеріалів та їх пористість. Експлуатаційні параметри - температура електроліту і сила розрядного струму - також значно впливають на розрядну ємність. Узагальненим показником, що характеризує ефективність роботи акумулятора, є коефіцієнт використання активних матеріалів.
Для отримання ємності в 1 А-год, як зазначалося вище, теоретично необхідно 4,463 г двоокису свинцю, 3,886 г свинцю губчастого і 3,66 г сірчаної кислоти. Теоретична питома витрата активних мас електродів становить 8,32 г/Аг. У реальних акумуляторах питома витрата активних матеріалів при 20-годинному режимі розряду та температурі електроліту 25 °С становить від 15,0 до 18,5 г/А-год, що відповідає коефіцієнту використання активних мас 45-55%. Отже, практична витрата активної маси перевищує теоретичні величини у 2 і більше разів.
На ступінь використання активної маси, отже, і величину розрядної ємності впливають такі основні чинники.
Пористість активної маси. Зі збільшенням пористості покращуються умови дифузії електроліту в глибину активної маси електрода і збільшується справжня поверхня, на якій протікає струмоутворююча реакція. Зі зростанням пористості збільшується розрядна ємність. Величина пористості залежить від розмірів частинок свинцевого порошку та рецептури приготування активних мас, а також від добавок, що застосовуються. При цьому підвищення пористості призводить до зменшення довговічності внаслідок прискорення процесу деструкції високопористих активних мас. Тому величина пористості вибирається виробниками з урахуванням не лише високих ємнісних характеристик, а й забезпечення необхідної довговічності батареї в експлуатації. В даний час оптимальною вважається пористість у межах 46-60% залежно від призначення батареї.
Товщина електродів. Зі зменшенням товщини знижується нерівномірність навантаженості зовнішніх та внутрішніх шарів активної маси електрода, що сприяє збільшенню розрядної ємності. У товстіших електродів внутрішні шари активної маси використовуються дуже незначно, особливо при розряді великими струмами. Тому зі зростанням розрядного струму відмінності в ємності акумуляторів, що мають електроди різної товщини, різко зменшуються.
Пористість та раціональність конструкції матеріалу сепаратора. Зі зростанням пористості сепаратора та висоти його ребер збільшується запас електроліту в міжелектродному зазорі та покращуються умови його дифузії.
Щільність електроліту. Впливає на ємність акумулятора та термін його служби. При підвищенні щільності електроліту ємність позитивних електродів збільшується, а ємність негативних, особливо при температурі, знижується внаслідок прискорення пасивації поверхні електрода. Підвищена щільність також негативно впливає на термін служби акумулятора внаслідок прискорення корозійних процесів на позитивному електроді. Тому оптимальна щільність електроліту встановлюється виходячи із сукупності вимог та умов, у яких експлуатується батарея. Так, наприклад, для стартерних батарей, що працюють у помірному кліматі, рекомендована робоча густина електроліту 1,26-1,28 г/см3, а для районів зі спекотним (тропічним) кліматом 1,22-1,24 г/см3.
Сила розрядного струму, яким акумулятор повинен постійно розряджатися протягом заданого часу (характеризує режим розряду). Режими розряду умовно поділяють на тривалі та короткі. При тривалих режимах розряд відбувається малими струмами протягом кількох годин. Наприклад, 5-, 10- та 20-годинний розряди. При коротких або стартерних розрядах сила струму в кілька разів більша за номінальну ємність акумулятора, а розряд триває кілька хвилин або секунд. При збільшенні розрядного струму швидкість розряду поверхневих шарів активної маси зростає більшою мірою, ніж глибинних. В результаті зростання сірчанокислого свинцю в гирлах пір відбувається швидше, ніж у глибині, і пора закупорюється сульфатом раніше, ніж встигає прореагувати її внутрішня поверхня. Внаслідок припинення дифузії електроліту всередину пори реакція у ній припиняється. Таким чином, чим більший розрядний струм, тим менша ємність акумулятора, а отже, і коефіцієнт використання активної маси.
Для оцінки пускових якостей батарей їх ємність характеризується також кількістю уривчастих стартерних розрядів (наприклад, тривалістю 10-15 з перервами між ними по 60 с). Місткість, яку віддає батарея при переривчастих розрядах, перевищує ємність при безперервному розряді тим самим струмом, особливо при режимі стартерного розряду.
Нині у міжнародній практиці оцінки ємнісних характеристик стартерних акумуляторів застосовується поняття " резервна " ємність. Вона характеризує час розряду батареї (у хвилинах) за силою розрядного струму 25 А незалежно від номінальної ємності батареї. На розсуд виробника допускається встановлювати величину номінальної ємності за 20-годинного режиму розряду в ампер-годинах або за резервною ємністю за хвилини.
Температура електроліту. З її зниженням розрядна ємність акумуляторів зменшується. Причина цього - підвищення в'язкості електроліту та його електричного опору, що уповільнює швидкість дифузії електроліту у пори активної маси. З іншого боку, зі зниженням температури прискорюються процеси пасивації негативного електрода.
Температурний коефіцієнт ємності показує зміна ємності у відсотках при зміні температури на 1 °С.
При випробуваннях порівнюють розрядну ємність, отриману за тривалого режиму розряду з величиною номінальної ємності, що визначається при температурі електроліту +25 °С.
Температура електроліту при визначенні ємності на тривалому режимі розряду відповідно до вимог стандартів повинна бути в межах від +18 до +27 °С.
Параметри стартерного розряду оцінюють тривалістю розряду в хвилинах та напругою на початку розряду. Ці параметри визначаються на першому циклі при +25 °С (перевірка для сухозаряджених батарей) і наступних циклах при температурах -18 °С або -30 °С.
Ступінь зарядженості. Зі збільшенням ступеня зарядженості за інших рівних умов ємність збільшується і досягає свого максимального значення при повному заряді батарей. Це пов'язано з тим, що з неповному заряді кількість активних матеріалів обох електродах, і навіть щільність електроліту не досягають своїх максимальних значень.
Енергія та потужність акумулятора
Енергія акумулятора W виявляється у Ватт-годинах і визначається добутком його розрядної (зарядної) ємності на середню розрядну (зарядну) напругу.
Оскільки зі зміною температури та режиму розряду змінюються ємність акумулятора та його розрядна напруга, то при зниженні температури та збільшенні розрядного струму енергія акумулятора зменшується ще значно, ніж його ємність.
При порівнянні між собою хімічних джерел струму, що розрізняються за ємністю, конструкцією і навіть по електрохімічній системі, а також при визначенні напрямів їх удосконалення користуються показником питомої енергії - енергії, віднесеної до одиниці маси акумулятора або його об'єму. Для сучасних свинцевих стартерних батарей питома енергія при 20-годинному режимі розряду становить 40-47 Вт ч/кг.
Кількість енергії, що віддається акумулятором за одиницю часу, називається його потужністю. Її можна визначити як добуток величини розрядного струму на середню розрядну напругу.
Саморозряд акумулятора
Саморозрядом називають зниження ємності акумуляторів при розімкнутому зовнішньому ланцюзі, тобто при бездіяльності. Це явище викликане окислювально-відновними процесами, які мимоволі протікають як на негативному, так і на позитивному електродах.
Саморозряду особливо схильний негативний електрод внаслідок мимовільного розчинення свинцю (негативної активної маси) у розчині сірчаної кислоти.
Саморозряд негативного електрода супроводжується виділенням газоподібного водню. Швидкість мимовільного розчинення свинцю значно збільшується з підвищенням концентрації електроліту. Підвищення густини електроліту з 1,27 до 1,32 г/см3 призводить до зростання швидкості саморозряду негативного електрода на 40%.
Наявність домішок різних металів на поверхні негативного електрода дуже значний вплив (каталітичний) на збільшення швидкості саморозчинення свинцю (внаслідок зниження перенапруги виділення водню). Практично всі метали, що зустрічаються у вигляді домішок в акумуляторній сировині, електроліті та сепараторах, або вводяться у вигляді спеціальних добавок, сприяють підвищенню саморозряду. Потрапляючи поверхню негативного електрода, вони полегшують умови виділення водню.
Частина домішок (солі металів із змінною валентністю) діють як переносники зарядів із одного електрода на інший. У цьому випадку іони металів відновлюються на негативному електроді та окислюються на позитивному (такий механізм саморозряду приписують іонам заліза).
Саморозряд позитивного активного матеріалу обумовлений перебігом реакції.
2РЬО2 + 2H2SO4 -> PbSCU + 2H2O + О2 Т.
Швидкість цієї реакції також зростає зі зростанням концентрації електроліту.
Так як реакція протікає з виділенням кисню, швидкість її значною мірою визначається кисневим перенапругою. Тому добавки, що знижують потенціал виділення кисню (наприклад, сурма, кобальт, срібло), сприятимуть зростанню швидкості реакції саморозчину двоокису свинцю. Швидкість саморозряду позитивного активного матеріалу в кілька разів нижче за швидкість саморозряду негативного активного матеріалу.
Іншою причиною саморозряду позитивного електрода є різниця потенціалів матеріалу струмовідводу та активної маси цього електрода. Виникає внаслідок цієї різниці потенціалів гальванічний мікроелемент перетворює при протіканні струму свинець струмовідводу і двоокис свинцю позитивної активної маси на сульфат свинцю.
Саморозряд може виникати також, коли акумулятор зовні забруднений або залитий електролітом, водою або іншими рідинами, які створюють можливість розряду через електропровідну плівку між полюсними висновками акумулятора або його перемичками. Цей вид саморозряду не відрізняється від звичайного розряду дуже малими струмами при замкненому зовнішньому ланцюзі і легко усунути. Для цього необхідно містити поверхню батарей у чистоті.
Саморозряд батарей значною мірою залежить від температури електроліту. Зі зниженням температури саморозряд зменшується. При температурі нижче 0 ° С у нових батарей він практично припиняється. Тому зберігання батарей рекомендується у зарядженому стані за низьких температур (до -30 °С).
У процесі експлуатації саморозряд залишається постійним і різко посилюється до кінця терміну служби.
Зниження саморозряду можливе за рахунок підвищення перенапруги виділень кисню та водню на акумуляторних електродах.
Для цього необхідно, по-перше, використовувати якомога чистіші матеріали для виробництва акумуляторів, зменшувати кількісний вміст легуючих елементів в акумуляторних сплавах, використовувати тільки
чисту сірчану кислоту та дистильовану (або близьку до неї по чистоті при інших методах очищення) воду для приготування всіх електролітів як при виробництві, так і при експлуатації. Наприклад, завдяки зниженню вмісту сурми в сплаві струмовідводів з 5% до 2% та використанню дистильованої води для всіх технологічних електролітів, середньодобовий саморозряд знижується в 4 рази. Заміна сурми на кальцій дозволяє ще більше зменшити швидкість саморозряду.
Зниженню саморозряду можуть сприяти добавки органічних речовин - інгібіторів саморозряду.
Застосування загальної кришки та прихованих міжелементних сполук значною мірою знижує швидкість саморозряду від струмів витоку, оскільки значно знижується ймовірність гальванічного зв'язку між далеко віддаленими полюсними висновками.
Іноді саморозряд називають швидку втрату ємності внаслідок короткого замикання всередині акумулятора. Таке явище пояснюється прямим розрядом через струмопровідні містки, що утворилися між різноїменними електродами.
Застосування сепараторів-конвертів в акумуляторах, що не обслуговуються.
виключає можливість утворення коротких замикань між різноїменними електродами у процесі експлуатації. Однак така ймовірність залишається внаслідок можливих збоїв у роботі обладнання під час масового виробництва. Зазвичай такий дефект виявляється у перші місяці експлуатації та батарея підлягає заміні за гарантією.
Зазвичай ступінь саморозряду виражають у відсотках втрати ємності за встановлений період.
Стандартами, що діють в даний час, саморозряд характеризується також напругою стартерного розряду при -18 °С після випробування: бездіяльності протягом 21 діб при температурі +40 °С.
З повсюдним використанням акумуляторів, що не обслуговуються, багато автомобілістів вже забули, що означає заряджати свій акумулятор. І коли їм все ж таки доводиться робити цю процедуру, на свій подив вони виявляють киплячу батарею. Чому це відбувається і як цього уникнути, розберемо у цій статті.
Сучасний акумулятор винайдено ще в 19 столітті, і за цей час істотних змін так і не зазнав.
Так само принцип дії АКБ заснований на окисленні свинцю у водному розчині сірчаної кислоти. При цьому під час розрядки батареї металевий свинець електродів, перетворюється на сульфат свинцю.
При зарядці відбувається зворотний процес. Це основні реакції, на основі яких відбувається накопичення та віддача електричної енергії. Однак, крім них, у банках акумулятора відбувається ще 60 різних реакцій.
Загальне пристрій АКБ показано малюнку вище. У пояснення до нього варто відзначити, що свинцеві пластини, виконані у вигляді решітки, комірки яких заповнені в позитивних електродах, діоксидом свинцю (PbO2) у вигляді порошку, негативних - свинцем, так само порошковим.
У проміжку між основними пластинами розташовані інші пластини з пористого пластику, які не взаємодіють з кислотою, які поділяють електроди та перешкоджають їх замиканню.
Отже, заряджаючи акумулятора, сульфат свинцю перетворюється на розряд чистого металу, у своїй витрачається вода і утворюється сірчана кислота. Щільність електроліту у своїй збільшується.
Що вважається кипінням акумулятора?
Цей процес прямо випливає із процесу зарядки. Як написано вище при зарядці витрачається сульфат свинцю, і коли кількість сульфату, стає меншою, деякого критичного рівня, починається процес електролізу води.
При цьому процесі виділяється водень та кисень, які, як відомо, гази. І весь процес зовні нагадує кипіння.
Як правильно заряджати батарею, щоб уникнути цього неприємного процесу? Далі про це докладніше.
Як правильно заряджати акумулятор
Сьогодні існує два основних способи зарядки батареї, і обидва їх опишемо.
Варто пам'ятати, що для заряджання використовується спеціальний зарядний пристрій із можливістю зміни зарядного струму.
Заряджання малим струмом
При цьому способі ви повинні вибрати зарядний струм напругою 0,1 від ємності батареї.
Тобто якщо у вас найпоширеніший акумулятор ємністю 60 ампер/год, то зарядний струм повинен становити напругу 6 Ампер.
Заряджання АКБ таким методом відбувається приблизно добу. Про те, що зарядка закінчена, ви дізнаєтеся про початок кипіння батареї.
Заряджання великим струмом
Зарядку потрібно почати напругою в 14,5 Вольт, після того, як батарея перестане брати зарядку, вона буде заряджена десь на 80%. Щоб довести зарядку до 90% ємності, зарядну напругу потрібно підняти до 15 Вольт.
Ну і останній етап – це доведення зарядки до 100%. Він здійснюється шляхом додавання напруги до 16,5 Ст.
При цьому методі необхідно не тільки постійно спостерігати за батареєю, але і мати професійний зарядний пристрій.
У яких випадках АКБ почне кипіти
Як було написано вище кипіння електроліту, це зовсім кипіння, у звичному розумінні, це лише фігура промови.
Таким виразом називають процес виділення газу з електроліту, який відбувається під час заряджання акумулятора. У цьому процесі немає нічого страшного, проте, по тому, як він відбувається можна оцінити стан батареї.
Якщо цей процес розпочався відразу після старту зарядки, це дуже поганий сигнал. З більшою ймовірністю можна сказати, що акумулятор у вас вже відпрацював свій ресурс.
- Кипіння після закінчення ресурсу служби АКБ. У цьому випадку кипіння починається відразу при підключенні зарядного пристрою. При цьому процес зазвичай починається не у всіх, а лише у деяких банках. Це може свідчити про те, що у цих банках знаходяться короткозамкнуті пластини. У такому разі вам батарею не врятувати, і її час міняти.
- Кипіння, коли батарея повністю заряджена. Якщо кипіння починається через тривалий час, через 8 годин і більше, це нормально. Це говорить про те, що густина електроліту вже піднялася до штатного значення і батарея заряджена. У цьому випадку потрібно просто припинити заряджання батареї.
Чому акумулятор закипає на машині?
Якщо кипіння АКБ при зарядці процес, найчастіше, нормальний і ні про що погане не свідчить, то кипіння на працюючому двигуні це однозначно погано.
Такий момент свідчить про несправність електроустаткування автомобіля.
Нижче буде розглянуто, в яких випадках кипить батарея на працюючому моторі.
Способи визначення киплячого акумулятора
Якщо у вас батарея, що обслуговується, то цей процес найпростіше визначити візуально. Наприклад, оскільки це показано на відео нижче:
Якщо ж у вас найпоширеніша сьогодні АКБ, що не обслуговується, то процес кипіння можна визначити за непрямими ознаками.
- Перша найпоширеніша ознака кипіння - це поява зеленуватого нальоту і рясних оксидів на клемах акумулятора, таких які показані на малюнку нижче;
- Іншою ознакою кипіння є запах електроліту, що з'явився в підкапотному просторі. Він досить різкий і може почути навіть люди без гострого нюха;
- Ще однією ознакою може бути поява іржі на капоті в районі акумулятора і сильна корозія підакумуляторної полиці;
- Існують ще екзотичні методи визначення процесу кипіння. Деякі водії, коли з'являється підозра на киплячий акумулятор, приєднують до його газовідвідної трубки повітряну кульку або презерватив. Якщо батарея кипить, він почне надуватися;
- Іншим екзотичним способом використання медичного стетоскопа. Якщо його прикласти до окропу, то можна почути характерне булькання;
Причини кипіння АКБ на машині
- Найпоширенішою причиною кипіння батареї на працюючому двигуні є коротке замикання в одній із банок.
На жаль, це ознака того, що акумулятор в автомобілі вийшов з ладу. Варто зазначити, що останнім часом це сталося не лише на старих АКБ, а й на порівняно свіжих.
Дуже часто банки замикають від вібрації силового агрегату. Або через банальний шлюб пристрою. Так що якщо ви купили нову батарею, подбайте про оформлення гарантії на неї.
Ну і коли термін гарантії добігає кінця, проведіть її всебічне тестування. Можливо, це допоможе вам заощадити гроші, які ви витратите на покупку нової батареї.
- Другою за поширеністю проблемою є той випадок, коли відбувається перезаряд.
Перезаряд — це процес зарядки від генератора струмами, напруга яких вища за штатні.
Це зазвичай відбувається через несправність генератора автомобіля. Зазвичай штатна напруга зарядки з генератора не повинна перевищувати значення 14,5 Вольт.
Більше воно може бути у тих випадках, коли на генераторі несправний регулятор напруги. Усувається ця несправність шляхом ремонту генератора.
- На старих АКБ процес перезаряду може відбуватися не тільки при замиканні пластин у банку, але і при сульфатації пластин.
Сульфатація - це хімічний процес, при якому утворюється сірчанокислий свинець на поверхні пластин.
У старих акумуляторах сірчанокислого свинцю накопичується стільки, що струм заряджання знижується. У цьому випадку, якщо генератор продовжує видавати напругу 14,5 В, АКБ починає кипіти.
- Іншою поширеною причиною, особливо якщо АКБ вже не нова, є велике навантаження на акумулятор.
Тобто, якщо у вас багато електроспоживачів і всі вони включені, наприклад, дальнє світло, кондиціонер, двірники та інші, а батарея при цьому вже не першої свіжості, вона не справлятиметься з навантаженням і грітиметься і кипітиме.
- Та й найменш поширеною причиною, але не такою вже рідкісною є недостатня вентиляція акумулятора. Це відбувається в тому випадку, якщо у АКБ забився вентиляційний отвір або через використання нештатного акумулятора біля нього недостатньо місця для вентиляції.
Власне, це основні причини кипіння АКБ.
Профілактика кипіння електроліту на працюючому моторі
Для того щоб ваша АКБ, прослужила максимально довго, потрібно дотримуватися простих і нехитрих правил профілактики кипіння електроліту:
- Перш за все, влітку перевіряйте рівень електроліту в батареях, що обслуговуються.
- Необхідно пам'ятати, що пластини повинні завжди бути покриті електролітом. І якщо рівень знижується, потрібно просто долити дистильованої води. Потрібно знати, що звичайну воду в АКБ доливати не можна.
- Крім цього, регулярно проводьте візуальний контроль стану пристрою. Воно має бути чистим, а на клемах не повинно бути нальоту.
- Ну і останнє, при відвідуванні станцій технічного обслуговування не полінуйтеся попросити перевірити зарядний струм, який видає генератор автомобіля.
На цьому все, удачі на дорогах і ніколи не ламайтеся.
Явище поляризації, шкідливе в гальванічних елементах, знаходить, проте, корисне застосування. У 1895 р. Планте показав, що е. д. с. поляризації можна використовувати для практичного отримання електричного струму. Він побудував елемент із двома свинцевими електродами, зануреними в розчин сірчаної кислоти. Елемент у такому вигляді не має ще е. д. с., так як обидва його електроди однакові. Якщо, однак, через такий елемент пропускати певний час струм, то на його електродах виділяються продукти електролізу, які вступають у хімічну реакцію з електродами. Завдяки цьому електроди виявляються різними за хімічним складом, і виникає певна е. д. с. - Саме, е. д. с. поляризації, рівна приблизно 2 В. Елемент у такому стані є вже сам джерелом струму і при замиканні на будь-який ланцюг може створювати в ній протягом деякого часу електричний струм. Отже, появи е. д. с. в елементі Планті через нього необхідно пропускати протягом певного часу струм від стороннього джерела. Цей процес називається зарядкою елемента.
Елемент Планте і подібні до нього, що використовують явище поляризації, називаються вторинними елементами або акумуляторами, оскільки в них можна запасати (акумулювати) енергію. Після витрат енергії акумулятора його можна знову зарядити пропусканням струму і повторювати цей процес багато разів.
З енергетичної точки зору справа така. Реакції, що протікають в акумуляторі при його зарядці і що роблять спочатку однакові електроди хімічно різними, є реакціями, які можуть здійснюватися лише при зливі енергії. Цю енергію доставляє генератор, з якого ми змушуємо іони переміщатися у розчині і виділятися на відповідних електродах. Навпаки, при розрядженні акумулятора в ньому відбуваються реакції, що йдуть з виділенням енергії. Ці реакції є джерелом е. д. с. акумулятора. Таким чином, при зарядці акумулятора відбувається перетворення електричної енергії на приховану хімічну енергію, а при його розрядці – зворотний перехід хімічної енергії на енергію електричного струму.
Пристрій сучасного акумулятора свинцевого показано на рис. 124. Він складається з низки позитивних та негативних пластин, що знаходяться в банку з водним розчином (15-20%) сірчаної кислоти. Всі позитивні пластини з'єднані між собою, як і всі негативні, завдяки чому в невеликій посудині можна мати велику площу електродів, розділених тонким шаром електроліту, тобто мати елемент з надзвичайно малим внутрішнім опором.
Мал. 124. Свинцевий акумулятор
Негативні пластини складаються з чистого металевого свинцю, поверхня якого зроблена дрібнопористою для збільшення діючої площі електродів (губчастий свинець). Позитивні пластини мають складнішу будову, показану на рис. 125. При їх виготовленні спочатку відливають (або штампують) раму зі свинцю, з багатьма осередками на кшталт бджолиних стільників, і в них впресовують спеціальну масу, що складається з оксидів свинцю та сполучних речовин.
Мал. 125. Позитивна пластина свинцевого акумулятора
У незарядженому стані обидва електроди покриті шаром сірчанокислого свинцю (). При зарядці іони переміщаються до одного електрода і перетворюють його на перекис свинцю за рівнянням
а іони H+ відновлюють другий електрод у металевий свинець за рівнянням
З'єднання стає анодом, а Pb – катодом зарядженого акумулятора. При розрядці струм по зовнішньому ланцюгу йде від Pb, а всередині акумулятора іони і рухаються в напрямках, зворотних їх руху при зарядці, і реакції на електродах протікають у зворотному напрямку. У повністю розрядженому акумуляторі обидва електроди знову складалися б з . У робочих умовах не доводять акумулятор до повної розрядки і знову заряджають його, коли напруга на електродах падає приблизно до 1,8 В. залишається незмінним. Після тривалої розрядки напруга акумулятора знову падає; розрядку його слід припинити, коли напруга впаде до 1,85.
Крім свинцевих акумуляторів, існують і інші. Нині широко використовуються залізонікелеві акумулятори («лужні» акумулятори). У них електродами є залізо та нікель, а електролітом – 20%-ний розчин їдкого лугу (КОН або NaOH). У зарядженому стані нікелеві пластини покриті шаром окису нікелю () і є позитивним полюсом, а металеве залізо – негативним; е. д. с. цих акумуляторів дорівнює 1,4-1,1 В. Залізонікелеві акумулятори характеризуються великою стійкістю: механічні струси і недбалість у догляді, що може викликати шкідливі хімічні реакції, для цих елементів набагато менш небезпечні, ніж для свинцевих.
Різні акумулятори характеризуються максимальною кількістю електрики, яку можна отримати від них без заряджання. Цю кількість електрики прийнято виражати в ампер-годинниках (А×ч) і називати ємністю акумулятора. Так, наприклад, переносні акумулятори, що застосовуються для автомобілів, зазвичай мають ємність 40 А×ч. Це означає, що вони можуть давати струм 1 А протягом 40 год або струм 2 А протягом 20 год і т.д. дециметр поверхні позитивних пластин), так як в іншому випадку пластини швидко руйнуються. Чим більше площа пластин акумулятора, тим більше продуктів електролізу може бути утримано на пластинах, а значить, і тим більший заряд можна отримати від акумулятора при розрядці, тобто тим більша його ємність.
79.1. Батарея акумуляторів ємності 20 А×год живить лампочку, що споживає струм 0,25 А. Скільки часу може горіти лампочка без нової зарядки акумуляторів?
Акумулятори грають у сучасній електротехніці важливу роль. Так, наприклад, на електричних станціях з нерівномірним навантаженням часто встановлюють, крім генераторів постійного струму, ще батареї акумуляторів (буферні акумулятори). При малому навантаженні станції частина енергії, що виробляється генераторами, витрачається на зарядку акумуляторів, а періоди великого навантаження ці акумулятори живлять мережу паралельно з генераторами. Електростанції, що використовують енергію вітру, завжди бувають забезпечені акумуляторами, які заряджаються в ті періоди, коли є вітер, а потім уже витрачають запасну енергію в міру потреби та незалежно від метеорологічних умов.
Акумулятори широко застосовують всіх підводних судах (крім підводних суден з атомним двигуном). При надводному плаванні акумулятори заряджаються від генератора постійного струму, а при зануренні під воду всі механізми рухаються виключно від акумуляторів. Акумулятори з успіхом застосовуються в електричних вантажних візках, так званих електрокарах, які повинні працювати короткі проміжки часу та робити часті зупинки і на яких тому невигідна установка двигунів внутрішнього згоряння, що безперервно поглинають паливо; в автомобілях (запалювання у моторах, освітлення); для живлення рудничних ламп та ще у багатьох важливих промислових машинах та приладах. Дуже поширені акумулятори в лабораторній практиці, де є хорошими джерелами постійного струму, і навіть у радіотехніці.
Незважаючи на великі переваги акумуляторів, які в багатьох випадках витіснили гальванічні елементи, останні все ще мають ряд важливих застосувань: як еталони напруги (нормальні елементи, § 75), для живлення радіоприймачів, кишенькових ліхтарів, мікрокалькуляторів тощо.
1.5. Характеристики заряду та розряду акумуляторної батареї
Основні характеристики акумулятора - зарядні та розрядні. Процес, у якому відбувається перетворення хімічної енергії на електричну, називається розрядом, зворотний процес - зарядом.
Після повного відновлення активних речовин густина електроліту перестає підвищуватися. Це є ознакою кінця заряду акумулятора. В кінці заряду також починається процес розкладання води на кисень і водень, що характеризується появою на поверхні електроліту бульбашок газу.
Розрядними характеристиками акумулятора називають залежність зміни ЕРС, напруги та щільності електроліту акумулятора при постійній силі розрядного струму від часу заряду (рис. 1.2).
У момент включення акумулятора на розряд напруга на його затискачах падає стрибком на величину J p R a
внаслідок падіння напруги акумулятора (див. рис. 1.2)
Мал. 1.2 Характеристики розряду
U p = E a - I p R a ,
де I p - Струм розряду; R a - внутрішній опір
Поглинання серної кислоти, що відбувається при розряді, і виділення натомість її води викликає зменшення концентрації електроліту, що знаходиться в парох пластин, внаслідок чого ЕРС акумулятора E a , а отже, і напруга плавно знижуються. Спочатку хімічним перетворенням піддаються найбільш доступні поверхневі шари активної маси, потім хімічні реакції поширюються найбільш глибокі шари пластин. Крім того, сірчанокислий свинець PbSO 4 , який перетворюється активна маса пластин при розряді, займає більший об'єм, ніж вихідні матеріали (PbO 2 і Pb) і, відкладаючись на внутрішніх поверхнях пор, звужує їх перетин. Ці дві обставини уповільнюють дифузію електроліту пластини, і до кінця розряду концентрація останнього в порах пластин і з нею ЕРС акумулятора швидко падають, прагнучи до нуля, а значна частина активної маси, що лежить в глибині пластин, ще не використана. При цьому відбуваються вже незворотні процеси і сильно прискорюється сульфатація акумулятора, тому акумулятор не можна розряджати нижче 1,7 В.
Якщо розряджений акумулятор вимкнути, його ЕРС буде плавно підвищуватися. Це відновлення ЕРС називається "відпочинком" акумулятора.
Щільність електроліту в міру розряду зменшується за законом прямою, оскільки при постійній силі розрядного струму кількість сірчаної кислоти, що заміщується водою за одиницю часу в результаті хімічних реакцій, буде однаково. Ознаки, що визначають кінець розряду:
1. Зниження напруги до граничного значення (1,7 на елемент).
2. Зменшення щільності електроліту до певного мінімуму ( 1,15 г/см 3).
На характер залежності розрядної напруги акумулятора іноді впливають температура електроліту і сила розрядного струму. При зниженні температури (нижче °С) різко збільшуються в'язкість і питомий опір електроліту. Останнє в діапазоні температур +30...40оС зростає в 20 - 30 разів. З підвищенням в'язкості зменшується швидкість дифузії.
3арядні характеристики акумулятора - залежність зміни щільності електроліту, ЕРС та напруги акумулятора при постійній силі зарядного струму від часу заряду (рис. 1.3).
На початку заряду різко збільшується напруга заряду по відношенню до ЕРС значення падіння напруги на внутрішній опір. Потім напруга повільно зростає, що обумовлено збільшенням ЕРС внаслідок підвищення щільності електроліту. Хімічна реакція, що відбувається, при заряді повертає активну масу пластин в її початковий стан. При цих реакціях замість води, що поглинається, виділяється сірчана кислота, внаслідок чого щільність електроліту підвищується. До кінця заряду в основному весь сірчанокислий свинець перетвориться на пероксид свинцю на позитивному і губчастий свинець на негативному електродах. Хімічні реакції припиняються і внаслідок цього напруга та щільність електроліту перестають збільшуватися. Подальше проходження струму викликає лише розкладання води на водень та кисень, які енергійно виділяються у вигляді бульбашок. Перезаряджання акумулятора шкідливо відбивається на пластинах.
Рис. 1.3. Характеристики заряду акумулятора
1. Напруга акумулятора досягла максимального значення і перестала підвищуватися.2.Щільність електроліту досягла максимуму і перестала збільшуватися.
3. Інтенсивно виділяються бульбашки газу (акумулятор «кипить»)
Як не формулюй назву статті, вона все одно буде правильною. Хімія та енергія - пов'язані воєдино в конструкції акумулятора.
Свинцево-кислотні акумулятори можуть працювати кілька років у режимах заряду-розряду. Вони швидко заряджаються і швидко віддають запасену енергію. Секрет цих метаморфоз у хімії, адже саме вона допомагає перетворювати електрику, але як?
«Таїнство» перетворення енергії в акумуляторі забезпечує сукупність реагентів, серед яких є окислювач та відновник, що взаємодіють через електроліт. Відновник (губчастий свинець РЬ) має негативний заряд. Під час хімічної реакції він окислюється і його електрони мандрують до окислювача, у якого позитивний заряд. Окислювач (діоксид свинцю РЬО2) відновлюється, а результатом є електричний струм.
Як електроліт використовують рідину, яка погано проводить струм, але є хорошим провідником для іонів. Це водний розчин сірчаної кислоти (H2S04). У хімічній реакції відбувається процес, всім відомий зі шкільної лави – електролітична дисоціація.
У процесі реакції - позитивно заряджені іони (Н+) направляються до позитивного електрода, а негативно заряджені іони (SO42-) до негативного. Коли акумулятор розряджається, з відновника (губчастий свинець), через електроліт до позитивного електрода, - направляються іони з позитивним зарядом РЬ2+.
Чотирьохвалентні іони свинцю (РЬ4+) перетворюються на двовалентні (РЬ4+). Однак це ще не всі хімічні реакції. Коли іони кислотних залишків з негативним зарядом (SO42-) з'єднуються з позитивно зарядженими іонами свинцю (РЬ2+), то обох електродах утворюється сульфат свинцю (РЬSО4). А це вже погано для акумулятора. Сульфатація скорочує термін служби акумулятора і поступово накопичуючись може призвести до його руйнування. Побічним ефектом хімічних реакцій у звичайних свинцево-кислотних акумуляторах є гази.
Що ж відбувається, коли акумулятор заряджають?
Електрони прямують до електрода з негативним зарядом, де виконують свою функцію – нейтралізують іони свинцю (РЬ2+). Хімічні реакції, що відбуваються в акумуляторних батареях, можна описати такою формулою:
Щільність електроліту, і його рівень в акумуляторі залежить від того, - заряджений, або розряджений акумулятор. Зміни щільності електроліту можна описати такою формулою:
Де показник розрядки акумулятора, який вимірюється у відсотках, - Cp. Щільність електроліту при повній зарядці - Рз. Щільність електроліту при повній розрядці - Pр.
Стандартна температура, за якої роблять вимірювання + 25°С, Щільність електроліту відповідно до температури + 25°С, г/см3 - Р25.
Під час хімічної реакції позитивні електроди використовують у 1,6 разів більше кислоти, ніж негативні. Коли акумулятор розряджається, обсяг електроліту зростає, а коли заряджається, навпаки - зменшується.
Таким чином, за допомогою хімічних реакцій, акумулятор приймає, а потім віддає електричну енергію.