Принцип работы аккумулятор: Что такое АКБ — принцип работы, термины, история изобретения

Герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы. Принцип работы, характеристики, особенности использования

Первый работоспособный свинцово-кислотный аккумулятор был изобретен в 1859 г. французским ученым Гастоном Планте. Конструкция аккумулятора представляла собой электроды из листового свинца, разделенные сепараторами из полотна, которые были свернуты в спираль и помещены в сосуд с 10 % раствором серной кислоты. Недостатком первых свинцово-кислотных аккумуляторов была их невысокая емкость. Поначалу для ее увеличения проводили большое число циклов заряда-разряда. Для достижения существенных результатов требовалось до двух лет таких тренировок. Причина недостатка была явной – конструкция пластин. Поэтому дальнейшее совершенствование конструкции свинцово-кислотных аккумуляторов было сосредоточено на совершенствование конструкции используемых в них пластин и сепараторов.

В 1880 г. К. Фор предложил методику изготовления намазных электродов путем нанесения на пластины окислов свинца. Такая конструкция электродов позволила значительно повысить емкость аккумуляторов. А в 1881 г. Э. Фолькмар предложил применять в качестве электродов намазную решетку. В том же году ученому Селлону был выдан патент на технологию изготовления решеток из сплава свинца и сурьмы.

Первоначально практическое использование свинцово-кислотных аккумуляторов было затруднено из-за отсутствия зарядных устройств – для заряда применяли первичные элементы конструкции Бунзена. То есть химический источник тока заряжался от другого химического источника – батареи гальванических элементов. Положение кардинально поменялось с появлением недорогих генераторов постоянного тока.

Именно свинцово-кислотные батареи первыми в мире из аккумуляторных батарей нашли коммерческое применение. К 1890 году во многих промышленно развитых странах был освоен их серийный выпуск. В 1900 году немецкая фирма Varta произвела первые стартерные аккумуляторы для автомобилей.

В 70-х годах XX века были созданы необслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, способные работать в любом положении. Жидкий электролит в них сменили гелиевым или адсорбированным (впитанным) сепараторами электролитом, батареи герметизировали, а для отвода газов, выделяющихся при заряде или разряде, установили клапаны. Строго говоря, абсолютная герметизация свинцово-кислотных аккумуляторов не может быть достигнута, так как нельзя обеспечить полную рекомбинацию кислорода и водорода, которые выделяются в них при заряде и хранении. Но специальными мерами выделение газов и потери воды в процессе эксплуатации удается свести к минимуму.

Были разработаны новые конструкции пластин на базе медно-кальциевых сплавов, покрытых оксидом свинца, а также на основе титановых, алюминиевых и медных решеток.

Свинцовые аккумуляторы являются наиболее распространенными среди всех существующих в настоящее время химических источников тока. Их масштабное производство определяется как относительно низкой ценой, обусловленной сравнительной не дефицитностью исходных материалов, так и разработкой разных вариантов этих аккумуляторов, отвечающих требованиям широкого круга потребителей.

Ключевые электрохимические процессы в свинцово-кислотном аккумуляторе

Активные вещества аккумулятора сосредоточены в электролите и положительных и отрицательных электродах, а совокупность этих веществ называется электрохимической системой. В свинцово-кислотных аккумуляторных батареях электролитом является раствор серной кислоты (H₂SO₄), активным веществом положительных пластин – двуокись свинца (PbO₂), отрицательных пластин – свинец (Pb).

Основные процессы, проходящие на электродах, описывают реакции:
На отрицательном электроде:

Pb + HSO₄^– → PbSO₄ + H⁺ + 2e^– (разряд)
PbSO₄ + H⁺ + 2e^–

→ Pb + HSO4^– (заряд)

На положительном электроде:

PbO₂ + HSO4^– + 3H⁺ + 2e^– → PbSO₄ + 2H₂O (разряд)
PbSO₄ + 2H₂O → PbO₂ + HSO₄^– + 3H⁺ + 2e^– (заряд)

Суммарная реакция в свинцовом аккумуляторе имеет вид:

PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄ → 2PbSO₄ + 2H₂O (разряд)
2PbSO₄ + 2H₂O → PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄ (заряд)

Таким образом, при разряде свинцового аккумулятора на обоих электродах формируется малорастворимый сульфат свинца (двойная сульфатация) и происходит сильное разбавление серной кислоты.

Напряжение разомкнутой цепи заряженного аккумулятора равно 2,05-2,15 В, в зависимости от концентрации серной кислоты. При разряде по мере разбавления электролита напряжение разомкнутой цепи аккумулятора понижается и после полного разряда становится равным 1,95-2,03 В.

При заряде свинцово-кислотного аккумулятора, как и в других аккумуляторах с водным электролитом, имеют место побочные реакции выделения газов. Выделение водорода начинается при полном заряжении отрицательного электрода. Кислород начинает выделяться гораздо раньше: в обычных условиях заряда при 50-80% заряженности (в зависимости от тока заряда), а при температуре 0 °С уже после заряда на 30-40 %. Вследствие этого отдача положительного электрода по емкости составляет 85-90 %. Для получения полной разрядной емкости при заряде аккумулятору должен быть обеспечен перезаряд на 10-20 %. Этот перезаряд сопровождается существенным выделением водорода на отрицательном электроде и кислорода – на положительном.

Выделение водорода имеет место и при хранении заряженного свинцово-кислотного аккумулятора. Саморазряд его определяется преимущественно скоростью растворения свинца согласно реакции:

Pb + H₂SO₄ → PbSO₄ + H₂

Скорость этого процесса зависит от температуры, объема электролита и его концентрации, но более всего от чистоты компонентов. В отсутствие примесей реакция протекает медленно из-за большого перенапряжения выделения водорода на свинце. Но на практике, на поверхности свинцового электрода всегда много примесей, среди которых наибольшее влияние оказывает сурьма, количество которой в сплаве для решеток и токоведущих деталей доходит до 6 %.

На положительном электроде может также самопроизвольно проходить реакция восстановления диоксида свинца:

PbO₂ + H₂SO₄ → PbSO₄ + 1/2O₂ + H₂O

в результате которой выделяется кислород, но скорость ее незначительна.

В процессе эксплуатации саморазряд аккумулятора может увеличиваться из-за образования дендритных мостиков из металлического свинца. Потери емкости свежеизготовленного аккумулятора за счет саморазряда как правило не превышают 2-3 % в месяц. Но при эксплуатации они быстро увеличиваются.

Особенности герметизированного свинцово-кислотного аккумулятора

Главные проблемы при создании герметичного варианта свинцово-кислотного аккумулятора связаны с необходимостью обеспечения условий для уменьшения газовыделения и содействия рекомбинации выделяющегося газа. При создании герметизированного аккумулятора, который в обычных условиях эксплуатации не требовал бы доливки воды в электролит в течение всего срока службы и не выделял бы газов, был предпринят ряд мер:

1. В аккумуляторе применяется иммобилизированный (обездвиженный) электролит, который сохраняет высокую электропроводность серной кислоты. Небольшое его количество позволяет обеспечить лучший транспорт кислорода от положительного электрода к отрицательному и высокий уровень его рекомбинации.

При одном методе иммобилизации электролита для его загущивания применяется силикагель (SiO₂), который обладает высокой пластичностью и заполняет и электроды, и сепаратор. Благодаря своей вязкости он хорошо удерживается в порах и способствует эффективному использованию активных веществ электродов. Транспортировка кислорода обеспечивается по трещинам, которые появляются при усадке твердеющего электролита.

При другом методе иммобилизации применяется сепаратор из стекловолокна с высокой объемной пористостью и хорошей смачиваемостью в растворе серной кислоты. Такой сепаратор не только осуществляет функцию разделения электродов, но и благодаря тонкой структуре волокон обеспечивает удержание электролита в порах и высокую скорость переноса кислорода. Применение стекловолокнистого сепаратора и плотная сборка блока электродов способствуют также уменьшению оплывания активной массы положительного электрода и разбухания губчатого свинца на отрицательном.

2. Для снижения вероятности выделения водорода свинцово-сурьмяные сплавы токоведущих решеток заменяются другими, обеспечивающими более высокое перенапряжение выделения водорода. Применяются сплавы свинца с кальцием (до 0,1 % Ca), иногда легированного алюминием, сплавы свинца с оловом (0,5-2,5 % Sn), которые имеют неплохие литейные характеристики, и другие.

3. В отрицательный электрод закладывается ёмкость больше, чем в положительный. В данном случае при полном заряде положительного электрода оставшаяся недозаряженной часть активной массы отрицательного электрода практически исключает вероятность разряда ионов водорода. Кислород, выделяющийся на диоксиде свинца, достигает отрицательного электрода и окисляет губчатый свинец до оксида свинца, который в кислотном электролите переходит в сульфат свинца PbSO

4 и воду. Следовательно, условия для герметизации аккумулятора улучшаются: газы не выделяются и вода не испаряется.

Снижению газовыделения способствуют и рекомендуемые для герметизированных аккумуляторов режимы заряда, при которых ток понижается по мере их заряжения.

И все-таки все реализованные варианты безуходного свинцово-кислотного аккумулятора оснащены клапаном, который время от времени открывается для сброса излишнего количества газа, главным образом водорода. Именно поэтому аккумулятор называется не герметичным, а герметизированным.

Успехи исследователей и технологов, достигнутые за прошедшие два десятилетия, тщательный контроль процесса изготовления и сотрудничество с потребителями, которые научились понимать, что безуходность этих батарей не означает полной свободы от контроля за их работой, позволяют в настоящее время выпускать на рынок продукцию, которая в ряде случаев может конкурировать с более дорогими герметичными щелочными аккумуляторами.

Герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи ёмкостью до 10-20 А*ч применяются как источники питания для разнообразной портативной аппаратуры и инструментов в тех случаях, когда масса не является определяющим критерием для выбора источника тока, а также в системах бесперебойного питания, телекоммуникаций, информационных системах, для аварийного оборудования и т.д., где они работают в буферном режиме.

Конструкция герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов

Портативные герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы выпускаются в виде батарей, которые собраны в едином призматическом контейнере из пластмассы или резины (моноблочная конструкция). Положительные и отрицательные электроды аккумуляторов делаются обычно намазкой на решетку сотовой структуры. Контейнер и крышка загерметизированы. Межэлементные соединения утапливаются в углублениях крышки и залиты мастикой. Выводы аккумуляторной батареи (в виде ушка или борна) также загерметизированы. Клапанное приспособление для сброса газа при излишнем давлении состоит из резинового клапана и отражателя, служащего для улавливания капель электролита. Воздух в аккумулятор через него не поступает.

На электрических и эксплуатационных характеристиках герметизированных свинцовых аккумуляторных батарей большой емкости значительно сказываются различия в конструкции электродов (поверхностного типа, панцирные или стержневые), а также различия в сплавах, используемых для изготовления токоведущих основ.

При выборе герметизированной свинцовой аккумуляторной батареи большой емкости следует внимательно отнестись к использованному в ней способу иммобилизации электролита, поскольку известно, что в высоких аккумуляторах со стекловолокнистым сепаратором (технология AGM) со временем отмечается расслоение электролита. Такие аккумуляторы стараются проектировать высотой не более 35 см.

Электрические и эксплуатационные характеристики герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов

Напряжение разомкнутой цепи свинцово-кислотных аккумуляторов линейно возрастает с ростом степени заряженности аккумулятора (рисунок 1). По значению напряжения разомкнутой цепи можно судить о степени разряда свинцового аккумулятора.

Рис.1. Зависимость напряжения разомкнутой цепи свинцово-кислотного аккумулятора от уровня заряженности

Номинальной ёмкостью свинцово-кислотного аккумулятора считается ёмкость, полученная при разряде в течение 20 ч, т.е. током 0,05С. Отдаваемая аккумулятором ёмкость значительно зависит от тока разряда, который может достигать нескольких С. Типичные разрядные характеристики при различных токах нагрузки показаны на рисунке 2. Из рисунка видно, что от тока разряда зависит также и конечное разрядное напряжение свинцового аккумулятора.

Рис.2. Разрядные характеристики герметизированной свинцово-кислотной аккумуляторной батареи

Герметизированные свинцовые аккумуляторные батареи работоспособны в интервале температур от -30 до +50 °С, чаще гарантируется работоспособность при температуре не ниже -15 °С. При более низких температурах возможности разряда мешает замерзание электролита. Работоспособность аккумуляторов при низких температурах может быть обеспечена увеличением концентрации электролита, как это и делается в специальных аккумуляторах.

Заряд свинцово-кислотного аккумулятора.
Заряд батарей, как было сказано ранее, должен осуществляться в режиме, при котором ток должен сильно понижаться к концу заряда. Используется несколько стратегий заряда, которые требуют оборудования различной сложности и стоимости. Наиболее простое и дешёвое оборудование осуществляет заряд при постоянном напряжении 2,4-2,45В/ак (потенциостатический режим). Заряд считается законченным если ток заряда остается неизменным в течении 3-х часов.

Рис.3. Зарядные кривые герметизированной свинцово-кислотной аккумуляторной батареи при комбинированном режиме заряда нормированным током 0,1С и нормированным напряжением 2,45В/ак: 1-напряжение, 2-зарядная емкость, 3-ток заряда

Но чаще применяют комбинированный режим, при котором начальный ток ограничивают, а по достижении заданного напряжения, заряд проводится при стабилизации напряжения (рисунок 3). Заряд проводится при постоянном токе 0,1С на первом этапе и при постоянном напряжении источника тока на втором. Большинство производителей советуют проводить заряд циклируемых батарей при постоянном напряжении 2,4В на аккумулятор.

Ускорение процесса заряда достигается при повышении тока на первой стадии заряда, но в соответствии с советами производителей не более чем до 0,3С. В конце заряда для большей безопасности может быть применена еще одна ступень заряда: при снижении напряжения источника питания до напряжения подзаряда аккумулятора 2,30-2,35 В.

Заряд аккумуляторных батарей, используемых, для работы в буферном режиме, проводится как правило при более низком напряжении (2,23-2,275 В).

Указанные напряжения заряда не требуют изменения при заряде в некотором интервале температуры (обычно от 5 до 35 °С). За пределами указанного температурного интервала, требуется компенсация влияния температуры: повышение напряжения при пониженных температурах и снижение при более высоких.

Рис.4. Рекомендуемое напряжение заряда при разных температурах для герметизированного свинцово-кислотного аккумулятора

Саморазряд свинцово-кислотной аккумуляторной батареи.
Саморазряд в герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторах значительно уменьшен по сравнению с вентилируемыми аккумуляторами и составляет 40% в год при 20 °С и 15% при 5 °С. При более высоких температурах хранения саморазряд увеличивается: при 40 °С батареи лишаются 40 % ёмкости за 4-5 месяцев.

При продолжительном хранении в заряженном состоянии батареи рекомендуют периодически подзаряжать. Если они хранились при температуре ниже -20 °С, то подзаряд должен проводиться 1 раз в год в течение 48 ч при постоянном напряжении 2,275 В/ак. При хранении при комнатной температуре – 1 раз в 8 месяцев в течение 6-12 ч при постоянном напряжении 2,4 В/ак. Хранение при температуре выше 30 °С не желателен.

Продолжительное хранение батареи в разряженном состоянии приводит к быстрой потере ее работоспособности.

Изменения характеристик свинцово-кислотных аккумуляторов при эксплуатации

Рис.5. Действие температуры на остаточную емкость герметизированного свинцово-кислотного аккумулятора: 1-40°С, 2-20°С, 3-10°С, 4-0°С

Срок службы герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, как и вентилируемых, в большинстве случаев определяется деградацией положительного электрода, которая определяется коррозией его решетки и изменениями в активной массе.

Скорость коррозии решеток зависит как от состава сплава, конструкции и условий отливки, так и от температуры, при которой работают батареи. Коррозия решетки из сплава без сурьмы или с низким ее содержанием существенно медленнее по сравнению с коррозией традиционных решеток вентилируемых аккумуляторов. В качественно отлитых решетках из сплавов Pb-Ca-Sn скорость коррозии маленькая, но в плохо отлитых – отдельные участки подвергаются глубокой коррозии, что вызывает локальный ее рост и деформацию. Деформация решеток может привести к короткому замыканию разнополярных пластин. Коррозия решеток положительных пластин – самый частый дефект батарей, эксплуатируемых в буферном режиме.

При эксплуатации в режиме циклирования происходит также разрыхление активных масс положительного электрода, которое приводит к потере контакта между частицами PbO₂. Емкость источника тока при этом уменьшается. Процесс разрыхления ускоряется при разряде большими импульсами тока.

В герметизированных аккумуляторах могут протекать и специфические коррозионные процессы на токоведущих деталях отрицательных пластин, которые находятся выше уровня электролита, и на борне. Так как продукты коррозии имеют больший объем, чем свинец, в результате может иметь место выдавливание компаунда, герметизирующего вывод, и повреждение борна, крышки и даже бака. Дефекты такого рода часто отмечались в аккумуляторах разных производителей на ранних этапах разработок и производства. Сейчас большая часть производителей решила эту проблему подбором сплавов для всех компонентов аккумулятора и контролем за металлургическим процессом их изготовления.

В течении эксплуатации герметизированных аккумуляторов из-за неизбежных потерь воды при открывании клапана для сброса излишнего давления газа происходит некоторое осушение сепаратора и повышение внутреннего сопротивления аккумулятора. При эксплуатации в буферном режиме количество отказов, спровоцированных высыханием аккумулятора, становится соизмеримым с отказами из-за коррозии решеток положительных электродов. В аккумуляторах с гелиевым электролитом снижение количества электролита менее критично, чем в аккумуляторах с сепаратором из стекловолокна.

Факторы, влияющие на срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов

Рис.6. Зависимость срока службы герметизированной свинцово-кислотной батареи от глубины разряда

Самое большое влияние на срок службы герметизированного свинцово-кислотного аккумулятора оказывают: рабочая температура, глубина разряда и величина перезаряда, а также периодичность срабатывания клапана для сброса газа.

На рисунках 6 и 7 изображено изменение срока службы в зависимости от глубины разряда и температуры окружающей среды..

Рис.7. Зависимость срока службы герметизированной свинцово-кислотной батареи от температуры при работе в буферном режиме

Герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы очень чувствительны к перезаряду. На рисунке 8 изображено, как быстро уменьшается срок их службы при работе в режиме постоянного подзаряда при повышении напряжения (и тем самым – тока подзаряда) источника питания подключенного к аккумулятору.

Следует помнить, что при заряде герметизированных аккумуляторов их температура может быть значительно выше температуры окружающей среды. Это связано как с разогревом аккумуляторов из-за реакции рекомбинации кислорода, так и с неудовлетворительным отводом тепла от плотноупакованной батареи. Разница температур особенно ощутима при ускоренном режиме заряда. Если нельзя избежать существенного увеличения температуры, то при заряде следует вводить корректировку напряжения источника питания.

Рис.8. Воздействие режима заряда на срок службы герметизированной свинцово-кислотной аккумуляторной батареи при работе в буферном режиме

Переразряд также вреден для свинцово-кислотных батарей, как и перезаряд. При многократных переразрядах уменьшается разрядная емкость и понижается срок службы аккумулятора. Такие же изменения могут происходить и при продолжительном хранении батарей в разряженном состоянии.

В связи с расширением сферы применения герметизированных свинцовых аккумуляторов до обитаемых комплексов специального назначения, где должны применяться мощные источники тока с большим напряжением, стало необходимым исследование последствий возникновения аварийных ситуаций в эксплуатации. Такие ситуации могут происходить как при разбалансировании характеристик аккумуляторов, составляющих батарею, так и в результате ошибочного обслуживания батарей или отказе управляющего оборудования. В этом случае при перезаряде или переразряде батарей, приводящем к переполюсованию наиболее слабых аккумуляторов, может произойти разгерметизация аккумуляторов или даже разрушение их баков.

Было показано, что повреждение корпуса приводит к снижению отдаваемой ёмкости, но более серьезных проблем не возникает. Даже при полном разрушении контейнера аккумулятора емкость его стала меньше только на 14 %, так как электролит не вытекает, а задерживается в порах электродов и сепаратора. При вскрытии 5 % площади контейнера, аккумуляторы оставались годными для циклирования при снижении разрядной емкости на 15-20 %.

При продолжительном перезаряде (током 0,25 Сн) как свежих аккумуляторов, так и после полтора года эксплуатации в режиме постоянного подзаряда, а также при заряде аккумуляторов при завышенном напряжении (2,6В), чрезвычайного разогрева аккумуляторов не происходило. Температура стабилизируется спустя 4-6 ч на уровне 50-70 °С или затем медленно понижается. Но из-за выброса газов через аварийный клапан происходит осушение аккумуляторов и быстрая их деградация.

Современные герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи обладают достаточно высокими удельными энергетическими характеристиками (до 40 Втч/кг и 100 Втч/л). Они работоспособны в буферном режиме при нормальной температуре в течение продолжительного периода (более 10 лет), а при циклировании обеспечивают несколько сотен циклов до потери 20 % ёмкости.

Источник

Эта статья прочитана 7681 раз(а)!

Продолжить чтение

Как работает аккумулятор — принцип работы АКБ простыми словами

Аккумулятор или сокращённо (АКБ), это основное и необходимое устройство в любом автомобиле. Каждый водитель знает, что серце его машины — это конечно же аккумулятор, и нет таких машин с двигателем внутреннего сгорания, где бы его не было. Как бы это устройство не менялось за 150 лет с момента его изобретения, принцип работы аккумуляторной батареи остался низменным. Однако, современность внесла серьёзные коррективы в технологические процессы их изготовления. В этой статье вы ознакомитесь с и используемыми материалами, из чего состоит аккумулятор и как он работает. Итак, как работает аккумулятор (АКБ)?

Как работает аккумулятор (АКБ)

Понятие аккумулятор и его устройство

В общем понимании этого слова в технике под термином «Аккумулятор» подразумевается устройство, позволяющие при разных условиях эксплуатации накапливать определенный вид энергии, либо же — расходовать ее для человеческих нужд.

Хотите узнать, как построить энергосберегающий дом? Смотрите секреты строительства  дома , который сам экономит

Применимы в тех ситуациях, когда необходимо собрать энергию за определенное время, после чего использовать ее для совершения больших трудоемких процессов. Так — гидравлические аккумуляторы, используемые в шлюзах, позволяют поднимать корабли на новый уровень русла реки.

Электрические аккумуляторы работают с электроэнергией по такому же принципу: когда вначале накапливают (аккумулируют) электричество от внешнего источника заряда, а после отдают его подключенным приборам для совершения дальнейшей работы. По своей природе они относятся к химическим источникам тока, способным совершать много раз периодические циклы разряда и заряда.

В процессе работы постоянно происходят химические реакции между компонентами электродных пластин с заполняющим их веществом — электролитом.

Узнайте больше о самовозобновляемой и бесплатной энергии будущего. Солнечные батареи в действии.

На рисунке ниже изображена схема устройства аккумулятора. Изображен тот вид, когда в корпус сосуда вставлены две пластины из разнородных металлов с выводами для обеспечения электрических контактов. Между пластинами залит электролит.

Устройство аккумулятора

Как работает аккумулятор (АКБ) при разряде

В момент, когда к электродам подключена нагрузка в виде лампочки, создается замкнутая электрическая цепь, через которую протекает ток разряда. Его формированию способствует движение электронов в металлических частях и анионов с катионами в электролите.

Этот процесс условно показан на схеме с никель-кадмиевой конструкцией электродов.

Заряд и разряд аккумулятора

В данном примере в качестве материала положительного электрода используют окислы никеля с добавками графита, которые повышают электрическую проводимость. Металлом отрицательного электрода работает губчатый кадмий.

Во время разряда частицы активного кислорода из окислов никеля выделяются в электролит и направляются на отрицательные пластины, где окисляют кадмий.

Общее устройство и маркировка аккумуляторных батарей

Работа аккумулятора при заряде

Беря за основу отключенную нагрузку на клеммы пластин, подаем постоянное (в определенных ситуациях пульсирующее) напряжение большей величины, чем у заряжаемого аккумулятора с той же полярностью, когда плюсовые и минусовые клеммы источника и потребителя совпадают.

Таким образом мощность зарядного устройства всегда больше, чем та, которая «подавляет» оставшуюся в аккумуляторе энергию и создает электрический ток с направлением, противоположным разряду. Это приводит к изменениям внутренних химических процессов между электродами и электролитом. К примеру на банке с никель кадмиевыми пластинами положительный электрод обогащается кислородом, а отрицательный — восстанавливается до состояния чистого кадмия.

При разряде и заряде аккумулятора происходит изменение химического состава материала пластин (электродов), а электролита не меняется.

Способы соединения аккумуляторов (как работает аккумулятор)

Параллельное соединение (как работает аккумулятор)

Величина разряда тока, зависит от многих факторов, хотя в первую очередь от конструкции, примененных материалов и их габаритов. Чем значительнее площадь пластин у электродов, тем больший ток они могут выдерживать.

Этот принцип используется для параллельного подключения однотипных банок у аккумуляторов при необходимости увеличения тока на нагрузку. Чтобы зарядить такую конструкцию потребуется поднять мощность источника. Этот способ используется редко для готовых конструкций, в настоящее время куда проще сразу приобрести необходимый аккумулятор. Но им пользуются производители кислотных АКБ, соединяя различные пластины в единые блоки.

Последовательное соединение (как работает аккумулятор)

В зависимости от применяемых материалов, между двумя электродными пластинами распространенных в быту аккумуляторов может быть выработано напряжение 1,2/1,5 или 2,0 вольта. На самом деле этот диапазон гораздо шире. И многим электрическим приборов его явно недостаточно. Поэтому однотипные аккумуляторы подключают последовательно, делают это зачастую в едином корпусе.

Примером подобной конструкции служит широко распространенная автомобильная разработка на основе серной кислоты и свинцовых пластин-электродов.

Часто среди водителей транспорта, под понятием «аккумулятор» принято понимать любое устройство, независящее от количества его составных элементов — банок. Это не является правильным. Собранная из нескольких последовательно подключенных банок конструкция считается уже батареей, за которой закрепилось сокращенное название «АКБ». Ее внутреннее устройство показано на рисунке.

Устройство кислотной аккумуляторной батареи (АКБ)

Любая банка состоит из двух блоков с набором пластин для положительного и отрицательного электродов. Блоки входят друг в друга без металлического контакта с возможностью надежной гальванической связи через электролит.

При этом контактные пластины имеют дополнительную решетку и отдалены между собой разделительной пластиной — сепаратором.

Благодаря соединению пластин в блоки увеличивается их рабочая площадь. Это снижает общее удельное сопротивление всей конструкции, позволяет повышать мощность подключаемой нагрузки.

Компоновка АКБ

С внешней стороны корпуса такая АКБ имеет элементы, показанные на рисунке ниже.

Компоновка кислотной аккумуляторной батареи (АКБ)

Из него видно, что прочный пластмассовый корпус закрыт герметично крышкой и сверху оборудован двумя клеммами. Они обычно имеют конусную форму, для подключения к электрической схеме автомобиля. На их выводах выбита маркировка полярности: «+» и «-». При этом есть одно правило: во избежании ошибок при подключении, диаметр положительной клеммы немного больше, чем у отрицательной.

У обслуживаемых аккумуляторных батарей сверху каждой банки помещена заливная горловина, чтобы контролировать уровень электролита либо доливки дистиллированной воды при эксплуатации. В нее вворачиваются пробка, предохраняющая внутренние полости банки от попадания загрязнений и одновременно не дает выливаться электролиту при наклонах АКБ.

Для того, чтобы предотвратить бурное выделение газов из электролита, который возможен при интенсивной езде, в пробках делаются отверстия для предотвращения повышения давления внутри банки. И через эти отверстия выходят кислород и водород, а также пары электролита. Такие ситуации, связанные с чрезмерными токами заряда, желательно избегать.

На том же рисунке выше показано соединение элементов между банками и расположение пластин-электродов.

Стартерные автомобильные АКБ (свинцово-кислотные) работают по принципу двойной сульфатации. На них во время разряда/заряда происходит электрохимический процесс, что сопровождается изменением химического состава активной массы электродов с выделением или поглощением в электролит (серную кислоту) воды.

Этим явлением можно объяснить повышение удельной плотности электролита при заряде, а так же снижение при разряде батареи. Иными словами, величина плотности дает возможность оценивать электрическое состояние АКБ. Для ее замера используют специальный прибор — автомобильный ареометр.

В состав электролита кислотных батарей входит дистиллированная вода. Она же при отрицательной температуре переходит в твердое состояние — лед. Поэтому, чтобы автомобильные аккумуляторы не замерзали в холодное время, необходимо применять специальные меры, предусмотренные правилами эксплуатации.

Виды аккумуляторов

Классификация АКБ по составу активного вещества

Свинцовые пластины, используемые в старых аккумуляторах перестали устраивать потребителей. Таким образом, возникала необходимость по улучшению качества работы АКБ. Сначала добавили сурьму к свинцу, что позволило заметно продлить срок эксплуатации батареи. На следующем этапе – уменьшили процентное содержания сурьмы до оптимальной концентрации. Такой подход привел к созданию малообслуживаемых аккумуляторов, характерной чертой которых является более редкий процесс долива воды.

При использовании металлического кальция для покрытия пластин появились кальциевые энергосберегающие источники. В предыдущих моделях потери воды из-за электролиза на 12 вольт нуждались в постоянном доливе, а кальций позволил повысить этот порог до 16 вольт. Так появилась возможность в производстве необслуживаемых аккумуляторов и использовать герметичный, неразборной корпус.

Виды АКБ

• Сурьмянистые батареи. Этот вид относится к классике из-за повышенного состава сурьмы, которая ускоряет процесс электролиза.
• АКБ со свинцом. В малосурьмянистых АКБ материалом для пластин служит свинец с небольшой примесью сурьмы. В них степень саморазряда значительно меньше, чем в сурьмянистых АКБ.
• Калициевые источники. При производстве кальциевых источников свинцовые пластины легированы до 0,1% кальцием. Они могут иметь различные заряды, как отрицательный, так и положительный.
• Гибридные источники энергии вытесняют кальциевые. При их производстве, две объединенные основные технологии имеют конструктивные отличия: одна, когда пластины формируются из сплава свинца и сурьмы, положительные электроды, а другая – когда пластины формируются из сплава свинца и кальция, отрицательные электроды.
• EFB является улучшенной жидкозаполненной батареей. Свинцовые пластины в ЕФБ аккумуляторах в два раза толще, чем у обычных, вследствие чего увеличивается их ёмкость. Каждая платина закрыта в пакет из специальной ткани, который наполнен жидким сернокислотным электролитом.
• В гелевых аккумуляторах применяется гелеобразный электролит. Суть такой технологии в том, что она позволяет снизить текучесть электролита, который содержит агрессивную серную кислоту.
• В литиевых АКБ используется жидкий электролит, представляющий собой раствор фторсодержащих солей лития в смеси эфиров угольной кислоты.
• AGM имеет отличительную особенность в электролите, где с помощью специальной технологии между пластинами вставляются стекловолоконные микропористые прокладки.
• Во всех щелочных батареях применяется растворенная в воде щёлочь.

Классификация батарей по типу электролита

Электролиты бывают кислотными и щелочными.

Щелочные растворы применяются в заправке аккумуляторных батарей. Щелочные аккумуляторные жидкости этот такие жидкости, которые проявляют большую активность по отношению к металлам и кислотам. При реакциях с кислотами образуются соль и вода. Растворы щелочей подвергаются гидролизу. Химические свойства позволяют использовать этот тип электропроводящей жидкости для накопления электрической энергии в аккумуляторе.

Кислотные смеси с дистиллированной водой применяются в основном в автомобильных аккумуляторах. Составы этого типа легко можно приобрести в специализированных магазинах либо, при желании, приготовить самостоятельно на дому. На заводе процесс изготовления таких смесей осуществляется в масштабном производстве по ГОСТу. В домашней обстановке его приготовление так же возможно при соблюдении обязательных пропорций и правил техники безопасности. Для этого нужно смешать кислоту с дистиллированной водой.

Как работает аккумулятор — АКБ

Как работает аккумулятор (АКБ)

Принцип работы аккумулятора основан на электрохимической реакции окисления свинца в растворе серной кислоты и воды.

При разрядке батареи на положительной пластине происходит окисление металлического свинца, в то время, как на отрицательной пластине восстанавливается уже диоксид свинца.

При зарядке происходит обратный процесс, количество диоксида свинца на отрицательной пластине уменьшается, а на положительной пластине увеличивается количество металла.

Так же при разрядке АКБ уменьшается количество серной кислоты в электролите и увеличивается количество воды. А при зарядке происходит обратный процесс.

Материалы АКБ

Пластины

На данный момент наиболее качественные батареи потерпели небольшие изменения. И связаны эти изменения с материалом пластин. Теперь пластины делают не из чистого свинца, а из его сплава с серебром. При этом удалось снизить массу батареи на треть, а срок её службы увеличить на 20 %.

Кроме этого, изменилась сама технология их изготовления. Если первые пластины производились путём их литья, то сегодня их делают из тонкого свинцового листа, путём штамповки. Такой метод дешевле и при этом пластины получаются прочнее и тоньше.

Сепараторы

Одной из причин выхода АКБ из строя является короткое замыкание положительных и отрицательных пластин.

Когда из пластин осыпается активная зона внизу банок происходит замыкание. Чтобы этого не случилось на помощь приходят сепараторы, которые делают в виде конвертов, запаянных снизу, под пластинами. Таким образом, когда активная зона осыпается она остаётся внутри конверта и не замыкает.

Литий-ионные аккумуляторы

Эти батареи получили широкое распостранение благодаря мобильным телефонам и иным гаджетам. Сегодня же, существуют разработки и для автомобилей. Однако, невзирая на все свои достоинства, в автотехнике данный вид АКБ не прижился из-за ряда принципиальных недостатков.

Литий-ионные аккумуляторы

1. Они резко теряют свою мощность из-за низкой температуры.
2. Для зарядки таких батарей требуется строгое соответствие зарядному току, а это требует переделки электронной части генераторов.
3. И самое главное, данные АКБ имеют стоимость в 15 раз дороже обычного кислотного аккумулятора.

Электролит

Как было указано выше, электролит представляет собой раствор серной кислоты и воды. Под действием низких температур, известно, что вода замерзает, однако с электролитом этого не происходит.

Но тем не менее она заметно загустевает и теряет свои свойства, из-за чего ёмкость батареи заметно снижается. Что бы избежать этого, сегодня, в электролит добавляют разнообразные присадки.

Гелевые электролиты

Их по праву можно считать вершиной эволюции кислотных батарей. Такие АКБ называются попросту, гелевыми. В этих устройствах электролит модифицирован настолько, что представляет собой нечто наподобие желе.

Такая модификация, в комплексе с другими вышеописанными инновациями дала поистине волшебные результаты. В итоге батареи стали практически вечными, невосприимчивыми к переворачиванию, практически не теряющими свои свойства зимой и при этом на много легче по массе.

Графен-полимерные аккумуляторы

Это, пожалуй, самые перспективные батареи для использования, как в автомобилях, оснащённых ДВС, так и электрической силовой установкой. В производстве этих АКБ использованы нанотехнологии.

Графен-полимерные аккумуляторы

Принцип работы этих поистине чудесных аккумуляторов заключается в следующем: их ёмкость, практически в три раза больше литий-ионных и при этом имеет меньшую стоимость, поскольку в их производстве не используется дорогостоящий литий. Кроме этого они не теряют своих свойств под действием низких температур.

Основные технические характеристики аккумуляторов

Технические характеристики аккумуляторов

Номинальная емкость аккумулятора

Номинальная емкость элемента – способность накапливать и отдавать электроэнергию постоянного тока, определяет время автономной работы ИБП. Емкость электрического аккумулятора показывает время питания подключенной к нему нагрузки.

Важно! Полностью емкость не характеризует энергию аккумулятора, то есть энергию, которая может быть накоплена в полностью заряженном аккумуляторе. Чем больше напряжение аккумулятора, тем больше накопленная в нем энергия.

Емкость всегда указывается на корпусе АКБ, а также на упаковке. Именно по этому критерию, большинство пользователей выбирают нужную модель.

Пусковой ток

Это величину, характеризующая параметр тока, который протекает в стартере автомобиля в момент пуска силового узла. Пусковой или стартерный ток возникает в тот момент, когда в замке зажигания поворачивается ключ и начинает проворачиваться стартер. Единица измерения величины – Ампер. Тот же ток холодной прокрутки является показателем поведения аккумулятора в морозную погоду и сможет запускать двигатель при минусовых показателях. Определяется мощностью тока, которую батарея может выдать в течение первых 30 секунд при температуре -18°С. При высоких показателях пускового тока увеличиваются шансы завести машину при минусовой температуре.

Полярность

Порядок расположения на крышке аккумулятора присоединительных клемм, которые являются токовыводящими соединительными элементами, называется полярностью. Имеет два полюса – положительный и отрицательный и варианты расположения – прямое и обратное.

Прямая полярность – отечественная разработка. Дла ее определения нужно повернуть аккумулятор таким образом, чтобы этикетка была перед глазами. При расположении плюсовой клеммы слева, а минусовой справа, можно утверждать, что АКБ с прямой полярностью. На иномарках устанавливаются аккумуляторные батареи обратной полярности.

Прямая и обратная полярность АКБ

Устройство корпуса

У большинства аккумуляторов корпус состоит из ударопрочного полипропилена. Он характеризуется как легкий материал, не вступающий в химическую реакцию с агрессивным электролитом АКБ. Полипропилен имеет весьма хорошую стойкость к перепадам температур, возникающих под капотом автомобиля, где нагрев может достигать до +60 ̊С, а при морозах до -30°С. Корпус большинства АКБ состоит из ручки для переноса, пробок, индикатора заряда, клемм для подключения к электросети. Вес АКБ емкостью 55Ач около 16,5 кг. Известными типами аккумуляторов, обладающих спросом являются: американский, европейский, азиатский и российский типы корпусов.

Европейский тип корпуса характерен тем, что АКБ клеммы находятся в углублении, их верхний край не выступает над плоскостью крышки. В некоторых случаях клеммы дополнительно защищаются от внешнего воздействия специальными крышечками. Азиатский тип корпуса – это коробка, на которой клеммы расположились на верхней крышке. Верхний край клемм является самой высокой точкой аккумулятора.

Российский стандарт АКБ

Обозначение	Описание букв
А	АКБ имеет общую крышку для всего корпуса
З	Корпус батареи залит и она является полностью заряженной изначально
Э	Корпус-моноблок АКБ выполнен из эбонита
Т	Корпус-моноблок АБК выполнен из термопластика
М	В корпусе использованы сепараторы типа минпласта из ПВХ
П	В конструкции использованы полиэтиленовые сепараторы-конверты

Аккумулятор (АКБ) ALPHALINE 60 Ач

Тип крепления аккумулятора

Особое внимание при выборе АКБ следует уделять типу крепления АКБ, при котором батарея может крепиться снизу или сверху. С помощью специальной монтажной рамки, которая охватывает аккумулятор, элемент крепится вверху. Крепление аккумулятора происходит с помощью планки и двух шпилек. Чаще всего такой вид установки и фиксации аккумуляторной батареи встречается на автомобилях китайского или корейского производства.

Тип крепления на АКБ

Нижнее крепление применимо на европейских автомобилях. На нижней части корпуса АКБ находится выступ. За этот выступ аккумулятор прижимается к платформе с помощью пластины и винта.

Выступ для фиксации АКБ

Заключение

Теперь вы знаете, как работает аккумулятор. Его роль в работе приборов трудно оспорить. Данный источник энергии применяться почти во всех отраслях. Что доказывает его значимость и необходимость знаний о принципе работы АКБ. А также ее внутреннем содержимом. Аккумуляторы широко используются в автомобилях, разнообразных электроприборах, кондиционерах, мультимедийных центрах. Там, где, генераторы не всегда справляются с обеспечением их энергией. И тогда в «игру» вступает АКБ, которая кроме подпитки энергией еще и выполняет основную функцию, обеспечивая электроэнергией стартер двигателя. Водителю необходимо знать, как устроен аккумулятор. Ведь в нужное время придется устранять сбои в работе источника энергии. К тому же, важно иметь представление о назначении и видах аккумулятора, чтобы правильно использовать ресурс, подобрать батарею к условиям эксплуатации и автомобилю.

Как работает аккумулятор (АКБ)

Тяговые батареи для применения в EV и HEV

Требования к батарее для типичных применений тяги

Тяговые приложения традиционно использовались для свинцово-кислотных аккумуляторов, но ограничения свинцово-кислотных аккумуляторов, а также высокая стоимость альтернатив, в свою очередь, ограничили диапазон потенциальных применений тяги на батарейках. Типичному семейному автомобилю потребуется аккумулятор емкостью около 40 кВт * ч, чтобы обеспечить дальность полета в одну сторону 200 миль, а свинцово-кислотная батарея емкостью 40 кВт * ч весит 1,5 тонны. Аккумулятор для электропогрузчика Jungheinrich EFG 215 по ссылке.

Однако ситуация меняется по мере того, как новые химические вещества для батарей и вспомогательные технологии принесли с собой новые технические и экономические преимущества, что делает энергию от батарей жизнеспособной для тягового применения, которое ранее было неэкономичным или непрактичным. В частности, использование легких никель-металлогидридных и литиевых батарей вместо тяжелых и громоздких свинцово-кислотных батарей впервые сделало возможными практические электромобили и гибридные электромобили.

Общие требования

Само собой разумеется, что низкая стоимость, длительный срок службы (более 1000 циклов), низкая скорость саморазряда (менее 5% в месяц) и низкие эксплуатационные расходы являются основными требованиями для всех применений. Тяговые батареи, как правило, работают в очень суровых условиях эксплуатации и должны выдерживать широкий диапазон температур ( от -30°C до +65°C), а также удары, вибрацию и злоупотребление. Однако малый вес не всегда является приоритетом, поскольку большой вес обеспечивает стабильность погрузочно-разгрузочного оборудования, такого как вилочные погрузчики, и сцепление, необходимое авиационным буксирам для буксировки тяжелых грузов. Однако малый вес необходим для автомобильных аккумуляторов большой емкости EV и HEV, используемых в легковых автомобилях, и это исключает использование свинцовой кислоты для этих применений. Схемы защиты также необходимы для батарей, использующих не свинцово-кислотные химические вещества.

 

Спецификации для закупок

Тяговые батареи очень дороги и, как и все батареи, изнашиваются в течение срока службы. Клиенты ожидают минимального уровня производительности даже в конце срока службы батареи, поэтому покупатель, скорее всего, укажет ожидаемую производительность в конце срока службы (EOL), а не в начале срока службы (BOL). При нормальных обстоятельствах для приложений EV емкость EOL определяется как не менее 80% емкости BOL. Для применений ВЭВ изменение внутреннего импеданса часто используется в качестве показателя срока службы. В этом случае внутреннее сопротивление EOL может быть указано как не более 200% от внутреннего сопротивления BOL. Ниже излагаются специальные цели в области производительности и эксплуатационные требования для конкретных применений в автомобилестроении в дополнение к приведенным выше общим требованиям.

 

12-Вольтовый Автомобильный SLI (Запуск, освещение и зажигание) Требования к эксплуатации аккумулятора

• Один кратковременный глубокий разряд (50% глубины разряда (DOD) со скоростью не менее 5 ° C) с последующей струйной зарядкой.
• Батарея, по сути, постоянно полностью заряжена.
• Отсутствие длительной работы с глубоким разрядом.
• Типичная мощность 0,4 – 1,2 кВт * ч (33 Ач – 100 Ач.)
• Пиковая мощность 2,4 -3,6 кВт (200 – 300 Ампер).

Требования к эксплуатации батареи PowerNet 36/42 Вольт

• • Один глубокий разряд, за которым следуют прерывистые нагрузки с высоким током.
  • Отсутствие длительной работы с глубоким разрядом.
  • Высокая пропускная способность и длительный срок службы, особенно при использовании функции помощи при запуске/остановке.
  • Устойчив к повторяющимся импульсам высокого тока.являются ли n
  • Типичная мощность более 1 кВт * ч.
  • Пиковая мощность от 5 до 12 кВт.

Два вышеуказанных приложения не являются истинными приложениями для тяги, хотя они могут использоваться в мягких гибридах, которые включают режим запуска/остановки (см. Ниже).

Характеристики батарей EV, HEV и PHV

На приведенной ниже диаграмме сравниваются требования к мощности и емкости аккумулятора для транспортного средства того же размера и веса, сконфигурированного как EV, HEV или PHEV. Конструкции батарей могут быть оптимизированы по мощности или по емкости (содержанию энергии), но не по обоим параметрам (см. Компромиссы между энергией и мощностью в разделе “Конструкция элементов”), поэтому тип используемых элементов, а не только размер, должен быть выбран в соответствии с приложением.

 

Бак аккумулятор горячей воды: принцип работы — Бак аккумулятор тепла | аккумулирующая буферная ёмкость

Современные реалии диктуют свои условия, в том числе это относится и к отопительным системам. Стоимость энергоносителей растет, следовательно, все домовладельцы постоянно хотят усовершенствовать свое тепловое оборудование. Одним из таких способов является установка теплоаккумулятора.

Что такое бак теплоаккумулятор?

В сущности это резервуар для накапливания нагретой воды. Благодаря данному агрегату потребители смогут существенно уменьшить траты на отопление дома. Конструкция совершенно не сложная, поэтому многие умельцы делают его собственноручно. Принцип работы бака аккумулятора базируется на эксплуатировании высокой теплоёмкости воды. К примеру, один литр воды, охладев на один градус, сможет согреть метр кубический воздуха на четыре градуса.

Для чего предназначена буферная емкость?

• ГВС дома.
• Снабжение постоянного температурного режима в доме.
• Увеличение КПД и продуктивности работы отопительного оборудования при минимальных денежных тратах на обогрев всего дома.
• При нужде создается общий контур, когда существует не один котёл.
• Накопление тепловой энергии, в избытке вырабатываемую котлом.

Главный минус – любой бак аккумулятор для горячей воды имеет ограничение по объему, и, соответственно, чем больше теплоаккумулятор, тем больше свободного места надо для его размещения.

Чаще всего аккумулятор воды при котельной монтируется в системах отопления и c горячим водоснабжением c котлом на твердом тепливе. Принцип работы теплоаккумулятора таков, что он обеспечивает оптимальное эксплуатирование продуктов горения, используемых в котле. В паре с электрокотлами бак-аккумулятор используется для накапливания тепла при выборе экономного режима работы.

Также аккумулятор косвенного нагрева может принимать участие в работе гелиосистем, ветрогенераторах, ГВС, для разогрева, которых используют комбинированное топливо.

Как и было описано выше, конструкция буферной емкости необычайно проста, но в зависимости от обстоятельств использования, различают следующие компоненты:

• теплообменник в нижней части аккумулирующего бака;
• встроенный бак для воды системы горячего водоснабжения;
• вмонтированный теплообменник для системы ГВС;
• Электрод из магниевого сплава;
• Электрический нагреватель;
• Прибор, который дает возможность получать постоянный поток горячей воды с неизменными показателями температуры.

Количество патрубков разнится, поскольку к единственному агрегату может быть пристыковано больше одного источника и потребителя тепла.

Как работает бак аккумулятор горячей воды?

Принцип работы теплового аккумулятора базируется на эксплуатации высокой теплоёмкости воды. Длительность производительности системы отопления на аккумулированном тепле обусловлено мощностью системы и объёмом емкости. Следовательно, покупая изделие необходимо определить, который из факторов наиболее важен: снабдить теплом систему требуемой мощности в ходе установленного периода либо гарантировать накапливание тепла от генератора определённой емкости на протяжении определённого времени.

Еще фактором, определяющий пользу тепловых аккумуляторов, является принцип работы аккумулирующего бака, когда он становится звеном, которое объединяет источников тепла. К примеру, когда цена гелиоколлекторов еще более уменьшится, а действенность повысится – можно без значительных изменений переделать отопительную систему в доме так, чтобы максимально отапливать помещения за счет общедоступной энергии светила, однако без солнечной энергии использовать твердотопливный котел.

При выборе бак-аккумулятора горячей воды принцип работы необходимо учитывать, чтобы понимать потребность в установке. Потребитель обязан принимать во внимание следующие пункты, чтобы деньги не были потрачены зря:

1. Если существует ночной тариф, когда цена на топливо меньше.
2. В случае если надо обеспечение дома большим объемом горячей воды.
3. Если применяется разное топливо с различными коэффициентами тепловыделения. Тогда бак поможет защитить систему от перепадов температур.

Покупая готовое изделие либо изготавливая его самостоятельно, принимайте в расчет все характеристики агрегата. От них зависит прочность, безотказность и время эксплуатирования.

Установку емкости делают, исходя из чертежа, плана и руководства по сборке. Но примите к сведению:

Условия сборки агрегата

• Наличие термометров и запорной арматуры на всех трубопроводах.
• Все подключение следует делать на фланцевых соединениях.
• Компонентам агрегата не полагается чувствовать статической нагрузки от трубопроводов.
• Поблизости от теплоаккумулятора необходимо смонтировать дренажный кран.
• Не забывайте про сетчатые фильтры.
• При условии, что модель емкости не предусматривает вверху изделия штуцер для выхода воздуха — тогда разместите его на выходящем патрубке из верхней части агрегата.
• Необходимо смонтировать вблизи аккумулирующей емкости прибор для измерения давления газа и жидкостей в замкнутом пространстве и защитный клапан.

Условия установки

• Строение бака не изменяйте.
• Проследите, чтобы к ревизионному фланцу имелся подступ в любой момент.
• Плоскость для монтажа бака должна выдержать массу изделия с водой.
• Помещение необходимо отапливать.
• Поверхность аккумулирующего бака непременно должна быть теплоизолированная.

Следовательно, верно сделав все расчеты и понимая бак аккумулятор горячей воды принципы работы, можно без особых усилий добиться сильного снижения расхода топлива для обеспечения дома теплом.

Принципы работы Gel/AGM батарей | Дом АКБ

---

Gel- и AGM- аккумулятор — это «рекомбинационная» батарея, т.е. выделяемый положительными пластинами свинцово-кислотной батареи кислород впитывается отрицательными пластинами. Это подавляет образование водорода на отрицательных пластинах. Вместо этого образуется вода, тем самым сохраняя уровень влажности внутри батареи. Никогда не следует ее открывать или доливать, т.к. это «отравит» батарею дополнительным кислородом из воздуха. Вскрытие батареи автоматически разрушает ее! 
 

Оба типа батарей считаются «кислотно-обедненными». «Кислотно-обедненное» состояние гелиевых и АGМ-аккумуляторных батарей защищает пластины во время тяжелых глубоких разрядов (т.е. энергия (сульфат) в кислоте используется перед энергией с пластин). Гелевые батареи более обеднены и предоставляют большую защиту пластинам, т.о. они лучше подходят для супер-глубоких разрядов. АGМ-аккумуляторные батареи идеальны для применения в условиях высокого напряжения, значительной мощности и очень холодных сред (тесты журнале «За рулем»). 
 

В чем разница между и Gel- и AGM- аккумуляторными батареями и обычными батареями с жидким электролитом (ЖЭБ-батареями)?
 

1. У аккумуляторных батарей с жидким электролитом нет специальных клапанов (VRLA), работающих при избыточном давлении в батарее и открывающихся при ее перезарядке, т.к. они не используют принцип рекомбинации.
    
2. Они содержат жидкий электролит, который может пролиться в результате пробития или наклона батареи и вызвать коррозию. Установка допускается только «в прямом» положении.
    
3. Аккумуляторных батарей с жидким электролитом теряют мощность и разрушаются, если они оставлены в разряженном состоянии на какое-либо время (из-за сульфатации). Особенно характерно для сурьмянистых и гибридных типов.
    
4. Продолжительная переразрядка опасна из-за осыпания активного материала. Особенно характерно для автомобильных стартерных батарей.

 

Технология Gel- и AGM- аккумуляторных батарей позволила увеличить срок их службы в три раза по сравнению с кислотными батареями, а срок хранения — в семь! 
 

Как Gel- и AGM- аккумуляторные батареи заряжаются? Нужны ли особые меры предосторожности? 
 

Несмотря на то, что наши Gel- и AGM- аккумуляторные батареи великолепно выдерживают подзарядку благодаря их низкому внутреннему сопротивлению, любая батарея получит повреждения в результате длительного пере- или недозаряда. Снижается мощность и срок службы. 
 

Перезаряд особенно вреден для Gel- и AGM- аккумуляторных батарей из-за их герметичной конструкции. Перезаряд высушивает электролит, т.к. водород и кислород выводятся из батареи через регулирующие клапана, т.е. снижается срок службы. 
 

Gel- и AGM- аккумуляторные батареи идеально заряжаются на транспортном средстве (скорость заряда увеличивается в 7 раз) и в большинстве случаев не требуется их дополнительная подзарядка (при условии исправности электрооборудования). 
 

При зарядке аккумуляторной батареи вне транспортного средства требуется использовать специальное зарядное устройство. Напряжение заряда для 12-вольтовых AGM- аккумуляторных батарей составляет 14,4В ( максимально допустимое — 14,6В при 20°С), для Gel- аккумуляторной батареи — 13,8В (максимально допустимое — 14,1В при 20°С). По определению аккумуляторная батарея может хранить только определенное количество электричества. Чем ближе аккумуляторная батарея приближается к уровню полного заряда, тем медленнее ее надо заряжать. При этом температура также оказывает свое влияние на процесс подзарядки. 
 

При полном соответствии напряжения и температуры аккумуляторная батарея будет заряжаться с идеальной интенсивностью. 
 

Внимание! Зарядные устройства постоянного тока нельзя применять для подзарядки Gel- и AGM- аккумуляторных батарей. 
 

 

Специалист по продажам

Компания Дом «АКБ»
 

Кислотный аккумулятор принцип работы

Аккумуляторные батареи

Принцип работы свинцового аккумулятора

Источником электроэнергии на автомобиле при неработающем или работающем с малой частотой вращения коленчатого вала двигателе является аккумуляторная батарея. В настоящее время на автомобилях наиболее широко применяются свинцовые аккумуляторные батареи, состоящие из нескольких последовательно соединенных аккумуляторов. Применение кислотных аккумуляторов объясняется тем, что они обладают небольшим внутренним сопротивлением и способны в течение короткого промежутка времени (несколько секунд) отдавать ток силой в несколько сотен ампер, что необходимо для питания стартера при пуске двигателя.

Свинцовый аккумулятор электрической энергии был изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте. В последующие годы конструкция аккумулятора, особенно – химический состав его электродов (пластин) постоянно совершенствовалась. В настоящее время свинцовые аккумуляторы и аккумуляторные батареи широко применяются в разных областях техники в качестве накопителей электроэнергии (стартерные батареи, аварийные и резервные источники энергии и т. п.).

Конструктивно аккумулятор представляет собой емкость, наполненную электролитом, в которой размещены свинцовые электроды. В качестве электролита используется раствор серной кислоты и дистиллированной воды. Электроды выполнены в виде пластин, одна из которых изготовлена из губчатого свинца Pb, а вторая – из диоксида свинца PbO₂. При взаимодействии электродов с электролитом между ними возникает разность потенциалов.

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в водном растворе серной кислоты.

При подключении к электродам аккумулятора внешней нагрузки начинается электрохимическая реакция взаимодействия оксида свинца и серной кислоты, при этом металлический свинец окисляется до сульфата свинца.

Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на положительном электроде (аноде) и окисление свинца на отрицательном электроде (катоде). При пропускании через электроды аккумулятора зарядного тока в нем протекают обратные реакции. При перезаряде аккумулятора, после исчерпания сульфата свинца начинается электролиз воды, при этом на аноде выделяется кислород, а на катоде — водород.

Электрохимические реакции (слева направо — при разряде, справа налево — при заряде):

Реакции на аноде:

Реакции на катоде:

Физические процессы, происходящие в аккумуляторе, объясняются свойством электролитического растворения металлов, которое заключается в переходе положительно заряженных ионов металла в раствор. Легкоокисляющиеся металлы (например, свинец) обладают этим свойством в большей степени, чем инертные металлы.
При погружении свинцового электрода в раствор электролита от него начнут отделяться положительно заряженные ионы свинца и переходить в раствор, при этом сам электрод будет заряжаться отрицательно.

По мере протекания процесса растет разность потенциалов раствора и электрода, и переход положительных ионов в раствор будет замедляться.
При какой-то определенной разности потенциалов электрода и раствора наступит равновесие между силой электролитической упругости растворения свинца, с одной стороны, и силами электростатического поля и осмотического давления — с другой.
В результате переход ионов свинца в электролит прекратится.

При погружении электрода, изготовленного из двуокиси свинца, в раствор серной кислоты наблюдается такой же процесс, но результат получается иной. Двуокись свинца в ограниченном количестве переходит в раствор, где при соединении с водой ионизируется на четырехвалентные ионы свинца Рв4+ и одновалентные ионы гидроксила ОН.
Четырехвалентные ионы свинца, осаждаясь на электроде, создают положительный потенциал относительно раствора. Серная кислота образует в воде практически только на ионы НO + и HSO₄.
Таким образом, при разряде аккумулятора расходуется серная кислота, образуется вода, а на обоих электродах — сульфат свинца. При заряде процессы протекают в обратном направлении.

При подключении потребителей в аккумуляторе возникает разрядный ток. При этом ионы сернокислотного остатка SO₄ соединяются со свинцом электродов и образуют на них сернокислый свинец PbSO₄, а ионы водорода соединяются с кислородом, выделяясь на положительной пластине в виде воды.
В результате электроды покрываются сернокислым свинцом, а серная кислота разбавляется водой, т. е. при разряде аккумулятора плотность электролита уменьшается. Поэтому по плотности электролита можно судить о степени заряженности аккумуляторной батареи.

При прохождении электрического (зарядного) тока через аккумуляторную батарею протекают обратные электрохимические процессы. Ионы водорода, образующиеся в результате распада воды, взаимодействуют с сернокислым свинцом электродов.
Водород, соединяясь с сернистым осадком, образует серную кислоту, а на электродах восстанавливается губчатый свинец. Выделяющийся из воды кислород, соединяется со свинцом положительной пластины, образуя перекись свинца.
В результате этих процессов содержание воды в электролите уменьшается, а содержание кислоты увеличивается, что приводит к повышению плотности электролита.

По завершению процессов восстановления свинца на электродах заряд аккумулятора прекращается. При дальнейшем прохождении электрического тока через электролит начинается процесс электролиза (разложения) воды, при этом аккумулятор «закипает», и выделяющиеся пузырьки образуют смесь водорода и кислорода. Смесь этих газов является взрывоопасной, поэтому следует избегать перезаряда до появления электролизных явлений по разложению воды.

Кроме того, длительный перезаряд приводит к потере электролитом воды (испарению), в результате чего его плотность повышается и для корректировки требуется доливка дистиллированной воды.
При доливке воды необходимо помнить, что вода, попадающая в концентрированную серную кислоту, закипает и сильно разбрызгивает кислотные капли, что при попадании на открытое тело или одежду может привести к ожогам кожи, слизистых оболочек, прожигу одежды и другим неприятным последствиям.

При постоянном напряжении источника зарядного тока по мере увеличения степени заряженности аккумулятора повышается его ЭДС и, следовательно, уменьшается сила зарядного тока. Когда напряжение на клеммах источника тока будет равно ЭДС полностью заряженного аккумулятора плюс ЭДС поляризации, зарядный ток прекратится.

Среднее значение напряжения аккумулятора – 2 В. Поскольку электрооборудование современных автомобилей рассчитано для работы при напряжении в бортовой сети 12 или 24 В, аккумуляторы соединяют в батареи (по 6 или 12 шт.).

Важным параметром аккумулятора является его емкость, т. е. количество электрической энергии, которую способен отдать аккумулятор. Емкость – это произведение силы разрядного тока на продолжительность разрядки до предельно допустимого разряженного состояния. Измеряется емкость аккумулятора в ампер-часах (А×ч). Емкость аккумулятора зависит, в первую очередь, от активной площади его электродов.
Поэтому повышения емкости можно достичь увеличением поверхности электродов, что достигается использованием нескольких параллельно соединенных между собой пластин, а также применением пористого материала для их изготовления, что позволяет использовать в качестве активной массы не только поверхность, но и внутренний объем пластин.

Емкость аккумулятора не постоянна, она зависит от силы разрядного тока, температуры электролита и состояния активной поверхности пластин. При увеличении разрядного тока и понижении температуры электролита емкость аккумулятора уменьшается, что объясняется неполным протеканием электрохимических реакций разрядки в этих условиях, вследствие сокращения времени разрядки и повышения вязкости электролита при низких температурах.

Принцип действия. Аккумулятором называется химический источник тока, который способен накапливать (аккумулировать) в себе электрическую энергию и по мере необходимости отдавать ее во внешнюю цепь. Накапливание в аккумуляторе электрической энергии происходит при пропускании по нему тока от

Рис. 158. Заряд (а) и разряд (б) аккумулятора

постороннего источника (рис. 158,а). Этот процесс, называемый зарядом аккумулятора, сопровождается превращением электрической энергии в химическую, в результате чего аккумулятор сам становится источником тока. При разряде аккумулятора (рис. 158, б) происходит обратное превращение химической энергии в электрическую. Аккумулятор обладает большим преимуществом по сравнению с гальваническим элементом. Если элемент разрядился, то он приходит в полную негодность; аккумулятор же. после разряда может быть вновь заряжен и будет служить источником электрической энергии. В зависимости от рода электролита аккумуляторы разделяют на кислотные и щелочные.

На локомотивах и электропоездах наибольшее распространение получили щелочные аккумуляторы, которые имеют значительно больший срок службы, чем кислотные. Кислотные аккумуляторы ТН-450 применяют только на тепловозах, они имеют емкость 450 А*ч, номинальное напряжение — 2,2 В. Аккумуляторная батарея 32 ТН-450 состоит из 32 последовательно соединенных аккумуляторов; буква Т означает, что батарея установлена на тепловозе, буква Н — тип положительных пластин (намазные).

Устройство. В кислотном аккумуляторе электродами являются свинцовые пластины, покрытые так называемыми активными массами, которые взаимодействуют с электролитом при электрохимических реакциях в процессе заряда и разряда. Активной массой положительного электрода (анода) служит перекись свинца PbO₂, а активной массой отрицательного электрода (катода) — чистый (губчатый) свинец Pb. Электролитом является 25—34 %-ный водный раствор серной кислоты.

Пластины аккумулятора могут иметь конструкцию поверхностного или намазного типа. Пластины поверхностного типа отливают из свинца; поверхность их, на которой происходят электрохимические реакции, увеличена благодаря наличию ребер, борозд и т. п. Их применяют в стационарных аккумуляторных батареях и некоторых батареях пассажирских вагонов.

В аккумуляторных батареях тепловозов применяют пластины намазного типа (рис. 159, а). Такие пластины имеют остов из сплава свинца с сурьмой, в котором устроен ряд ячеек, заполняемых пастой.

Ячейки пластин после заполнения пастой закрывают свинцовыми листами с большим количеством отверстий. Эти листы предотвращают возможность выпадания из пластин активной массы и не препятствуют в то же время доступу к ней электролита.

Исходным материалом для изготовления пасты для положительных пластин служит порошок свинца Pb, а для отрицательных— порошок , перекиси свинца PbO₂, которые замешиваются на водном растворе серной кислоты. Строение активных масс в таких пластинах пористое; благодаря этому в электрохимических реакциях участвуют не только поверхностные, но и глубоколежащие слои электродов аккумулятора.

Для повышения пористости и уменьшения усадки активной массы в пасту добавляют графит, сажу, кремний, стеклянный порошок, сернокислый барий и другие инертные материалы, называемые расширителями. Они не принимают участия в электрохимических реакциях, но затрудняют слипание (спекание) частиц свинца и его окислов и предотвращают этим уменьшение пористости.

Намазные пластины имеют большую поверхность соприкосновения с электролитом и хорошо им пропитываются, что способствует уменьшению массы и размеров аккумулятора и позволяет получать при разряде большие токи.

Рис. 159. Устройство пластин (а) и общий вид (б) кислотного аккумулятора: 1 — блок намазных отрицательных пластин; 2 — выводные штыри; 3 — блок панцирных положительных пластин; 4 — панцирь; 5 — активная масса; 6 — отверстие с пробкой для заливки электролита; 7 — крышка; 8 — эбонитовый сосуд; 9 — пространство для осаждения шлама

При изготовлении аккумуляторов пластины подвергают специальным зарядно-разрядным циклам. Этот процесс носит название формовки аккумулятора. В результате формовки паста положительных пластин электрохимическим путем превращается в перекись (двуокись) свинца PbO₂ и приобретает коричневый цвет. Паста отрицательных пластин при формовке переходит в чистый свинец Pb, имеющий пористую структуру и называемый поэтому губчатым; отрицательные пластины приобретают серый цвет.

В некоторых аккумуляторах применены положительные пластины панцирного типа. В них каждая положительная пластина заключена в специальный панцирь (чехол) из эбонита или стеклоткани. Панцирь надежно удерживает активную массу пластины от осыпания при тряске и толчках; для сообщения же активной массы пластин с электролитом в панцире делают горизонтальные прорези шириной около 0725 мм.

Для предотвращения замыкания пластин посторонними предметами (щупом для измерения уровня электролита, устройством для заливки электролита и др.) пластины в некоторых аккумуляторах покрывают полихлорвиниловой сеткой.

Для увеличения емкости в каждый аккумулятор устанавливают несколько положительных и отрицательных пластин; одноименные пластины соединяют параллельно в общие блоки, к которым приваривают выводные штыри. Блоки положительных и отрицательных пластин обычно устанавливают в эбонитовом аккумуляторном сосуде (рис. 159,б) так, чтобы между каждыми двумя

Рис. 160. Прохождение через электролит положительных и отрицательных ионов при разряде (а) и заряде (б) кислотного аккумулятора

пластинами одной полярности располагались пластины другой полярности. По краям аккумулятора ставят отрицательные пластины, так как положительные пластины при установке по краям склонны к короблению. Пластины отделяют одну от другой сепараторами, выполненными из микропористого эбонита, полихлорвинила, стекловойлока или другого изоляционного материала. Сепараторы предотвращают возможность короткого замыкания между пластинами при их короблении.

Пластины устанавливают в аккумуляторном сосуде так, чтобы между их нижней частью и дном сосуда имелось некоторое свободное пространство. В этом пространстве скапливается свинцовый осадок (шлам), образующийся вследствие отпадания отработавшей активной массы пластин в процессе эксплуатации.

Разряд и заряд. При разряде аккумулятора (рис. 160, а) положительные ионы H₂+ и отрицательные ионы кислотного остатка
S0₄-, на которые распадаются молекулы серной кислоты H₂S0₄ электролита 3, направляются соответственно к положительному
1 и отрицательному 2 электродам и вступают в электрохимические реакции с их активными массами. Между электродами возникает
разность потенциалов около 2 В, обеспечивающая прохождение электрического тока при замыкании внешней цепи. В результате
электрохимических реакций, возникающих при взаимодействии ионов водорода с перекисью свинца PbO₂ положительного
электрода и ионов сернокислого остатка S0₄— со свинцом Pb отрицательного электрода, образуется сернокислый свинец PbS0₄ (сульфат свинца), в который превращаются поверхностные слои активной массы обоих электродов. Одновременно при этих реакциях образуется некоторое количество воды, поэтому концентрация серной кислоты понижается, т. е. плотность электролита уменьшается.

Аккумулятор может разряжаться теоретически до полного превращения активных масс электродов в сернокислый свинец и истощения электролита. Однако практически разряд прекращают гораздо раньше. Образующийся при разряде сернокислый свинец представляет собой соль белого цвета, плохо растворяющуюся в электролите и обладающую низкой электропроводностью. Поэтому разряд ведут не до конца, а только до того момента, когда в сернокислый свинец перейдет около 35 % активной массы. В этом случае образовавшийся сернокислый свинец равномерно распределяется в виде мельчайших кристалликов в оставшейся активной массе, которая сохраняет еще достаточную электропроводность, чтобы обеспечить напряжение между электродами 1,7—1,8 В.

Разряженный аккумулятор подвергают заряду, т. е. присоединяют к источнику тока с напряжением, большим напряжения аккумулятора. При заряде (рис. 160,б) положительные ионы водорода перемещаются к отрицательному электроду 2, а отрицательные ионы сернокислого остатка S0₄— — положительному электроду 1 и вступают в химическое взаимодействие с сульфатом свинца PbS0₄, покрывающим оба электрода. В процессе возникающих электрохимических реакций сульфат свинца PbS0₄ растворяется и на электродах вновь образуются активные массы: перекись свинца PbO₂ на положительном электроде и губчатый свинец Pb — на отрицательном. Концентрация серной кислоты при этом возрастает, т. е. плотность электролита увеличивается.

Электрохимические реакции при разряде и заряде аккумулятора могут быть выражены уравнением

Читая это уравнение слева направо, получаем процесс разряда, справа налево — процесс заряда.

Номинальный разрядный ток численно равен 0,1С_НОМ, максимальный при запуске дизеля (стартерный режим) — примерно 3С_НОМ, зарядный ток — 0,2 С_НОМ, где С_НОМ — номинальная емкость.

Полностью заряженный аккумулятор имеет э. д. с. около 2,2 В. Таково же приблизительно и напряжение на его зажимах, так как внутреннее сопротивление аккумулятора весьма мало. При разряде напряжение аккумулятора довольно быстро падает до 2 В, а затем медленно понижается до 1,8—1,7 В (рис. 161), при этом напряжении разряд прекращают во избежание повреждения аккумулятора. Если разряженный аккумулятор оставить на некоторое время в бездействии, то напряжение его снова восстанавливается до среднего значения 2 В. Это явление носит название «отдыха» аккумулятора. При нагрузке подобного «отдохнувшего» аккумулятора напряжение быстро понижается, поэтому измерение напряжения аккумулятора без нагрузки не дает правильного суждения о степени разряда.

При заряде напряжение аккумулятора быстро поднимается до 2,2 В, а затем медленно повышается до 2,3 В и, наконец, снова довольно быстро возрастает до 2,6—2,7 В. При 2,4 В начинают выделяться пузырьки газа, образующегося в результате разложения воды на водород и кислород. При 2,5 В оба электрода выделяют сильную струю газа, а при 2,6—2,7 В аккумулятор начинает как бы кипеть, что служит признаком окончания заряда. При отключении аккумулятора от источника зарядного тока напряжение его быстро снижается до 2,2 В.

Уход за аккумуляторами. Кислотные аккумуляторы быстро теряют емкость или даже приходят в полную негодность при

Рис. 161. Кривые напряжения кислотного аккумулятора при заряде и разряде

неправильной эксплуатации. В них происходит саморазряд, в результате которого они теряют свою емкость (примерно 0,5— 0,7 % в сутки). Для компенсации саморазряда неработающие аккумуляторные батареи необходимо периодически подзаряжать. При загрязнении электролита, а также крышек аккумуляторов, их выводов и междуэлементных соединений происходит повышенный саморазряд, быстро истощающий батарею.

Батарея аккумулятора должна быть всегда чистой, а выводы для предохранения от окисления покрыты тонким слоем технического вазелина. Периодически нужно проверять уровень электролита и степень заряженности аккумуляторов. Аккумуляторы должны периодически заряжаться. Хранение незаряженных аккумуляторов недопустимо. При неправильной эксплуатации аккумуляторов (разряде ниже 1,8—1,7 В, систематическом недозаряде, неправильном проведении заряда, длительном хранении незаряженного аккумулятора, понижении уровня электролита, чрезмерной плотности электролита) происходит повреждение их пластин, называемое сульфатацией. Это явление заключается в переходе мелкокристаллического сульфата свинца, покрывающего пластины при разряде, в нерастворимые крупнокристаллические химические соединения, которые при заряде не переходят в перекись свинца РbO₂ и свинец РЬ. При этом аккумулятор становится непригодным для эксплуатации.

Свинцо́во-кисло́тный аккумуля́тор — тип аккумуляторов, получивший широкое распространение ввиду умеренной цены, неплохого ресурса (от 500 циклов и более), высокой удельной мощности. Основные области применения: стартерные аккумуляторные батареи в транспортных средствах, аварийные источники электроэнергии, резервные источники энергии. Строго говоря, аккумулятором называется один элемент аккумуляторной батареи, но в просторечии «аккумулятором» называют аккумуляторную батарею (сколько бы в ней не было элементов).

Содержание

История [ править | править код ]

Свинцовый аккумулятор изобрёл в 1859—1860 годах Гастон Планте, сотрудник лаборатории Александра Беккереля [2] . В 1878 году Камилл Фор усовершенствовал его конструкцию, предложив покрывать пластины аккумулятора свинцовым суриком. Русский изобретатель Бенардос применил покрытие губчатым свинцом для увеличения мощности батарей, которые использовал в своих работах со сваркой.

Принцип действия [ править | править код ]

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в водном растворе серной кислоты.

При подключении к электродам аккумулятора внешней нагрузки начинается электрохимическая реакция взаимодействия оксида свинца и серной кислоты, при этом металлический свинец окисляется до сульфата свинца (в классическом варианте аккумулятора).leftrightarrows PbSO_4>>4>2>

При разряде аккумулятора из электролита расходуется серная кислота и выделяется относительно более лёгкая вода, плотность электролита падает. При заряде происходит обратный процесс. В конце заряда, когда количество сульфата свинца на электродах снижается ниже некоторого критического значения, начинает преобладать процесс электролиза воды. Газообразные водород и кислород выделяются из электролита в виде пузырьков — так называемое «кипение» при перезаряде. Это нежелательное явление, при заряде его следует по возможности избегать, так как при этом вода необратимо расходуется, нарастает плотность электролита и есть риск взрыва образующихся газов. Поэтому большинство зарядных устройств снижает зарядный ток при повышении напряжения аккумулятора. Потери воды восполняют доливкой в аккумуляторы дистиллированной воды при обслуживании аккумуляторной батареи (некоторые автомобильные батареи не имеют открывающихся/отвинчивающихся пробок) [5] .

Устройство [ править | править код ]

Элемент свинцово-кислотного аккумулятора состоит из электродов и разделительных пористых пластин, изготовленных из материала, не взаимодействующего с кислотой, препятствующих замыканию электродов (сепараторов), которые погружены в электролит. Электроды представляют собой плоские решётки из металлического свинца. В ячейки этих решёток запрессованы порошки диоксида свинца (PbO₂) — в анодных пластинах и металлического свинца — в катодных пластинах. Применение порошков увеличивает поверхность раздела электролит — твердое вещество, тем самым увеличивает электрическую ёмкость аккумулятора.

Электроды вместе с сепараторами погружены в электролит, представляющий собой водный раствор серной кислоты. Для приготовления раствора кислоты применяют дистиллированную воду.

Электрическая проводимость электролита зависит от концентрации серной кислоты и при комнатной температуре максимальна при массовой доле кислоты 35% [6] , что соответствует плотности электролита 1,26 г/см³ [7] . Чем больше проводимость электролита, тем меньше внутреннее сопротивление аккумулятора, и, соответственно, ниже потери энергии на нём. Однако, на практике в районах с холодным климатом применяются и более высокие концентрации серной кислоты, до 1,29−1,31 г/см³, это связано с тем, что при снижении концентрации из-за разряда электролит может замёрзнуть, а при замерзании образуется лёд, который может разорвать банки аккумулятора и повреждает губчатый материал пластин.

Существуют экспериментальные разработки аккумуляторов, где свинцовые решетки заменяют пластинами из переплетённых нитей углеродного волокна, покрытых тонкой свинцовой плёнкой. При этом используется меньшее количество свинца, распределённого по большой площади, что позволяет изготовить аккумулятор не только компактным и лёгким, при прочих равных параметрах, но и значительно более эффективным — помимо большего КПД, заряжается значительно быстрее традиционных аккумуляторов [8] .

В аккумуляторах, применяемых в бытовых ИБП, систем охранной сигнализации и др. жидкий электролит загущают водным щелочным раствором силикатов натрия (Na₂Si₂O₄) до пастообразного состояния. Это так называемые гелевые аккумуляторы (GEL), имеющие длительный ресурс. Другой вариант исполнения − с пористыми сепараторами из стеклоткани (AGM), допускающими более жёсткие режимы заряда [9] .

Электрические и эксплуатационные параметры [ править | править код ]

• Удельная предельная теоретическая энергоёмкость (Вт·ч/кг): около 133.
• Удельная энергоёмкость (Вт·ч/кг): 25—40 [10] .
• Теоретическая удельная энергоплотность (Вт·ч/дм³): 1250 [11] .
• ЭДС одного заряжённого аккумулятора = 2,11—2,17 В, рабочее напряжение 2,1 В (3 или 6 аккумуляторов в итоге дают в батарее стандартные 6,3 В или 12,6 В соответственно) [3] .
• Напряжение полностью разряженного аккумулятора = 1,75—1,8 В. Ниже разряжать их нельзя [3] .
• Рабочая температура: от −40 °C до +40 °C.
• КПД: порядка 80—90 % (по току). КПД по энергии 70-80% [10] .

Применение [ править | править код ]

Чаще всего свинцово-кислотные аккумуляторы применяются в составе аккумуляторной батареи с номинальным напряжением 6, 12 вольт, реже с другим кратным 2 напряжением. Промышленностью выпускаются варианты обслуживаемых (заливание электролита, дистиллированной воды, контроль плотности электролита, его замена) и не обслуживаемых в герметичном корпусе (исключается проливание электролита при изменений положения, переворачиваний) аккумуляторных батарей. Обслуживаемые аккумуляторные батареи могут выпускаться сухозаряженными (без залитого электролита), что увеличивает их срок хранения и не требует периодического обслуживания при хранении, заливка производится перед вводом в эксплуатацию [12] .

Герметичная не обслуживаемая свинцово-кислотная аккумуляторная батарея напряжением 12 В и ёмкостью 4,5 А·ч бытовой электротехники

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи напряжением 8 В и ёмкостью 3,5 А·ч ИБП

Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея напряжением 12 В и ёмкостью 7 А·ч и бытовой источник бесперебойного электропитания в котором он применяется

Вариант обслуживаемой свинцово-кислотной аккумуляторной батареи для автомототракторной техники в эбонитовом корпусе, в подобных батареях была даже возможность заменить отдельный вышедший из строя аккумулятор

Вариант не обслуживаемой свинцово-кислотной аккумуляторной батареи для автомототракторной техники, нет доступа к заливным горловинам банок аккумуляторов

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи электромобиля tZero

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи подводной лодки

Эксплуатационные характеристики [ править | править код ]

• Номинальная ёмкость, показывает количество электричества, которое может отдать данный аккумулятор. Обычно указывается в ампер-часах, и измеряется при разряде малым током (1/20 номинальной ёмкости, выраженной в А·ч) [13] .
• Стартерный ток (для автомобильных аккумуляторов). Характеризует способности отдавать сильные токи при низких температурах. В большинстве случаев измеряется при −18 °C (0 °F) в течение 30 секунд. Различные методики замера отличаются (главным образом, допускаемым конечным напряжением) поэтому дают различные результаты [14] .
• Резервная ёмкость (для автомобильных аккумуляторов) — характеризует время, в течение которого аккумулятор может отдавать ток 25 А до конечного напряжения 10,5 В согласно ГОСТ Р 53165-2008 [15] .

Эксплуатация [ править | править код ]

При эксплуатации «обслуживаемых» аккумуляторов (с открываемыми пробками на банках) на автомобиле при движении по неровной дороге неизбежно происходит просачивание электролита из-под пробок на корпус аккумулятора. Через электропроводную не высыхающую, из-за гигроскопичности, плёнку электролита происходит постепенный саморазряд аккумулятора. Во избежание глубокого саморазряда необходимо периодически нейтрализовать электролит протиранием корпуса аккумулятора, например, слабым раствором пищевой соды или разведённым в воде до консистенции жидкой сметаны хозяйственным мылом. Кроме того, особенно в жаркую погоду, происходит испарение воды из электролита; также количество воды в электролите уменьшается при перезаряде аккумулятора за счёт её электролиза. Потеря воды увеличивает плотность электролита, увеличивая напряжение на аккумуляторе. При существенной потере воды могут оголиться пластины, что одновременно увеличивает саморазряд и вызывает сульфатацию батареи. Поэтому необходимо следить за уровнем электролита и при необходимости доливать дистиллированную воду.

Эти меры вместе с проверкой автомобиля на паразитную утечку тока в его электрооборудовании и периодической подзарядкой аккумулятора могут существенно продлить срок эксплуатации аккумуляторной батареи.

Работа свинцово-кислотного аккумулятора при низких температурах [ править | править код ]

По мере снижения окружающей температуры параметры аккумулятора ухудшаются, однако, в отличие от прочих типов аккумуляторов, у свинцово-кислотных аккумуляторов это снижение относительно мало, что и обуславливает их широкое применение на транспорте. Эмпирически считается, что свинцово-кислотный аккумулятор теряет

1 % отдаваемой ёмкости при снижении температуры на каждый градус от +20 °C. То есть, при температуре −30 °C свинцово-кислотный аккумулятор покажет примерно 50 % ёмкости.

Снижение ёмкости и токоотдачи при низких температурах обусловлено, в первую очередь, снижением скорости химических реакций (закон Аррениуса). Единственным способом повышения отдаваемой ёмкости является подогрев холодной батареи, как вариант — встроенным подогревателем (6СТ-190ТР-Н).

Разряженный аккумулятор в мороз может раздуться из-за замерзания электролита низкой плотности (близкой к 1,10 г/см 3 ) и образования кристаллов льда, что приводит к необратимому повреждению свинцовых пластин внутри аккумулятора.

Низкие температуры электролита негативно влияют на работоспособность и зарядно-разрядные характеристики аккумулятора [16] :

• при температуре от 0 °C до −10 °C снижение зарядных и разрядных характеристик несущественно влияют на работоспособность аккумулятора;
• при температуре от −10 °C до −20 °C происходит снижение тока в стартерном режиме и ухудшение заряда;
• при температуре ниже −20 °C аккумуляторные батареи не обеспечивают надежного пуска двигателя и не способны принимать заряд от генератора.

Из-за большего внутреннего сопротивления, присущего современным аккумуляторам закрытого типа (т. н. «необслуживаемым», герметичным, герметизированным) при низких температурах по сравнению с обычными аккумуляторами (открытого типа), для них эти вопросы ещё более актуальны [17] .

Для эксплуатации транспортных средств при очень низких температурах предназначены конструкции аккумулятора с внутренним электроподогревом [18] .

Хранение [ править | править код ]

Свинцово-кислотные аккумуляторы следует хранить только в заряженном состоянии. При температуре ниже −20 °C подзаряд аккумуляторов должен проводиться постоянным напряжением 2,45 В/элемент 1 раз в год в течение 48 часов. При комнатной температуре — 1 раз в 8 месяцев постоянным напряжением 2,35 В/элемент в течение 6—12 часов. Хранение аккумуляторов при температуре выше 30 °C не рекомендуется.

Слой грязи, солей и плёнки электролита на поверхности корпуса аккумулятора создаёт проводник для тока между электродами и приводит к саморазряду аккумулятора, при глубоком разряде начинается преждевременная сульфатация пластин, и поэтому поверхность аккумулятора необходимо поддерживать в чистоте. Хранение свинцово-кислотных аккумуляторов в разряженном состоянии приводит к быстрой потере их работоспособности.

При длительном хранении аккумуляторов и разряде их большими токами (в стартерном режиме), или при уменьшении ёмкости аккумуляторов, нужно проводить контрольно-тренировочные циклы, то есть разряд-заряд токами номинальной величины.

При подготовке аккумуляторной батареи к зимнему хранению, что актуально для автомобилей не эксплуатируемых в холодное время года специалисты старейшей лаборатории НИИАЭ рекомендуют следующие действия:

1. Правильно и до конца зарядите аккумуляторную батарею. 2. Нанесите на положительный вывод АКБ пластичную смазку (литол, солидол и т. п.), так как плёнка электролита способна абсорбировать влагу из атмосферы, что может приводить к повышенному саморазряду. 3. Хранить аккумуляторы на холоде, так как при низких температурах саморазряд намного ниже. Электролит полностью заряженного аккумулятора начинает замерзать при температуре ниже −55 С.

В случае необходимости поездки в морозы следует перенести аккумулятор в отапливаемое помещение и в течение 7—9 часов (например, за ночь) он придёт в пригодное для пуска двигателя состояние.

Износ свинцово-кислотных аккумуляторов [ править | править код ]

При использовании технической серной кислоты и недистиллированной воды ускоряются саморазряд, сульфатация, разрушение пластин и уменьшение ёмкости аккумуляторной батареи [19] .

При химических реакциях в аккумуляторе образуется плохо растворимое вещество — сульфит свинца PbSO₃, осаждающийся на пластинах и создающий диэлектрический слой между электролитом и активной массой. Это один из факторов, снижающих срок службы свинцово-кислотной аккумуляторной батареи.

Основными процессами износа свинцово-кислотных аккумуляторов являются:

• сульфатация пластин [3] , заключающаяся в образовании крупных кристаллов сульфата свинца, который препятствует протеканию обратимых токообразующих процессов;
• коррозия электродов, то есть электрохимические процессы окисления и растворения материала электродов в электролите, что вызывает осыпание материала электродов;
• слабая механическая прочность или плохое сцепление активной массы с электродными решётками, что приводит к опаданию активной массы [3][20] ;
• оползание и осыпание активной массы положительных электродов, связанное с разрыхлением, нарушением однородности [3] .

Хотя батарею, вышедшую из строя по причине физического разрушения пластин, в домашних условиях восстановить нельзя, в литературе описаны химические растворы и прочие способы, позволяющие «десульфатировать» пластины. Простой, но чреватый полным отказом аккумулятора способ предполагает использование раствора сульфата магния [3] . Раствор сульфата магния заливается в секции, после чего батарею разряжают и заряжают несколько раз. Сульфат свинца и прочие остатки химической реакции осыпаются при этом на дно банок, это может привести к замыканию элемента, поэтому обработанные банки желательно промыть и заполнить новым электролитом номинальной плотности. Это позволяет несколько продлить срок использования устройства.

Вторичная переработка [ править | править код ]

Вторичная переработка для этого вида аккумуляторов играет важную роль, так как свинец, содержащийся в аккумуляторах, является токсичным тяжёлым металлом и наносит серьёзный вред при попадании в окружающую среду. Свинец и его соли должны быть переработаны для возможности его вторичного использования.

Свинец из изношенных аккумуляторов используется для кустарной переплавки, например, при изготовлении грузил рыболовных снастей, охотничьей дроби или гирь. Кустарное извлечение свинца из аккумуляторов серьезно вредит как окружающей среде, так и здоровью плавильщиков, поскольку свинец и его соединения с парами и дымом разносятся по всей округе [21] [22] .

«>

Принцип работы аккумулятора автомобиля и не только

АКБ окружают людей в их повседневной жизни буквально повсюду – в мелкой и крупной домашней технике, средствах связи, любимом автомобиле. Несмотря на это, многие не знают, каков принцип работы аккумулятора, и посему не умеют с ним обращаться. На самом деле есть один генеральный принцип, которому подчинена работа батарей всех видов. Это обратимые химические реакции, происходящие циклично. Во время разряда аккумуляторной батареи происходит превращение энергии химической в электрическую, что обеспечивает работу технического устройства, к которому подключен АКБ. Когда запас этой энергии будет исчерпан на определенный процент, производят зарядку аккумулятора. Во время нее также идут химические превращения, но уже с обратным эффектом. То есть поступление электрического тока вызывает накопление запасов химической энергии.

Отличают разные аккумуляторы между собой два аспекта – тип электролита и материал, из которого выполнены электроды. Основой для электролита выступают кислоты или щелочи, которые после разбавления водой или другими добавками приобретают вид готовой гомогенной смеси различной консистенции (жидкой либо гелевой). Вещество, выступающее электродом, способно изменять свойства готового изделия. Самыми распространенными являются литиевые, свинцовые и никель-кадмиевые батареи.

Об автомобильных аккумуляторах

Принцип работы стандартного автомобильного аккумулятора опирается на его конструкцию и не зависит от того, залит в него кислотный или щелочной электролит.

Внутри диэлектрического и нерастворимого серной кислотой корпуса из специального пластика помещаются шесть банок-батареек, последовательно прикрепленных друг к другу. В каждой из этих банок есть по несколько электродов с зарядами «плюс» и «минус», которые выглядят как отводящая ток решетка, смазанная специальной химически активной массой.

Чтобы решетки с разными знаками случайно не соприкоснулись и не закоротили, каждая из них погружена в разделитель из полиэтилена. Сами электроды сделаны обычно из свинца с разнообразными примесями.

Если быть точным, то таких свинцовых решеток бывает три вида:

• Малосурьмянистые. И аноды, и катоды сделаны из сплава свинец+сурьма и требуют мало обслуживающих процедур.
• Кальциевые. Здесь примесь, соответственно, кальций. Такие электроды вообще не нужно обслуживать.
• Гибридные. Один электрод, с минусом, делается из кальциевого сплава, а положительный содержит сурьму.

Можно с уверенностью утверждать, что свинцово-кислотный — самый востребованный и распространенный вид аккумулятора для авто. Принцип работы свинцового аккумулятора основывается на активном взаимодействии серной кислоты с диоксидом свинца.

Когда батарея эксплуатируется, то есть нужна электрическая энергия, на катоде свинец окисляется, а его диоксид на аноде, напротив, участвует в восстановительной реакции. При зарядке, как нетрудно догадаться, взаимодействия идут в обратную сторону.

Это все происходит за счет кислоты в электролите, часть ее распадается, соответственно, концентрация падает. Именно этим обусловлена необходимость периодически обновлять жидкость в батарее.

С гелевыми аккумуляторами такого не случается. Состояние электролита в них не позволяет ему испаряться, если, конечно, не перегреть АКБ во время подзарядки. Как правильно заряжать гелевые аккумуляторы, читайте здесь →

Именно благодаря отсутствию необходимости периодически восполнять запасы активного вещества батареи с желеобразным электролитом относят к категории необслуживаемых. Еще одно их преимущество в том, что гель не отсоединяется от электрических контактов, а значит, невозможны внезапные сбои и замыкания.

Как устроен литий-ионный аккумулятор?

Его конструкция не отличается сложностью: анод из пористого углерода, литиевый катод, пластина-сепаратор между ними и проводник тока – вещество-электролит. Во время разрядки ионы отделяются от анода и движутся на литий по электролиту, минуя сепаратор. Во время питания батареи все происходит с точностью до наоборот – литий отдает ионы, углерод принимает. Так и происходит процесс ионного круговорота между разнозарядными электродами литий-ионной батареи.

Точный состав катода может отличаться в конкретной модели или у определенного производителя АКБ. Дело в том, что многие фирмы тестируют разнообразные типы литиевых соединений для того чтобы изменять показатели устройств по своему усмотрению.

Впрочем, очевидно – улучшая одни характеристики, неизбежно приходится жертвовать другими. Чаще всего литий-ионные АКБ с повышенной емкостью, заботой об эксплуатирующих его людях и природной среде оказываются чрезмерно дорогостоящими или требуют слишком много внимания.

Но чего не отнять у батарей с литием, что составляет их принципиальную разницу с другими типами аккумуляторов, так это низкий уровень саморазряда.

Li-Pol аккумуляторные батареи

Литий-полимерные — это следующий этап развития литий-ионных АКБ. Принципиальная разница понятна из названия — в качестве электролита начинает использоваться полимерное соединение. Из-за прочности существующих в нем химических связей такой аккумулятор становится максимально безопасным, неправильная эксплуатация может сломать его самого, но не нанести вред владельцу, как это бывало с литиевыми АКБ с жидким наполнителем. Полимерный неопасно перегревать или протыкать острым предметом, в то время как жидкостной элемент уже давно бы взорвался.

Еще один огромный плюс Li-Pol батарей — их огромная проводимость. Из-за того, что в процессе реакций на анодах и катодах батарея приобретает свойства хорошего полупроводника, она способна передавать ток, в разы превышающий ее собственную электроемкость.

Щелочные батареи

Методика функционирования щелочного аккумулятора основывается на химических превращениях в щелочной среде. Именно поэтому для электродов таких АКБ применяют соединения металлов, которые активно взаимодействуют именно со щелочами.

Гидроокись никеля на электроде с положительным зарядом превращается в гидрат его закиси из-за череды реакций со свободными ионами в электролите. На катоде в это же время идут похожие взаимодействия, но только с образованием гидрата окиси железа. Между только что создавшимися веществами образуется разница в потенциалах, за счет которой и выделяется электроэнергия. В процессе подзарядки реакции те же самые, только в обратном порядке, вещества восстанавливаются до исходных.

Ni-Cd аккумулятор

Батареи никель-кадмиевого типа обычно применяют для некрупной техники, например, для шуруповерта. Принцип их устройства и работы схож с автомобильным АКБ, только в гораздо меньших масштабах – те же последовательно соединенные несколько маленьких батареек, совместно вырабатывающих нужные электрические показатели, а внутри них – уже знакомые аноды, катоды, пластины сепараторов и жидкий электролит.

Специфические характеристики, присущие только этому типу аккумуляторов, обеспечивают именно химические свойства никеля и кадмия. Они же накладывают и обязательство быть осторожным, особенно при утилизации. Это вызвано тем, что кадмий – довольно токсичный элемент.

При аккуратной же эксплуатации шуруповертов с такими АКБ приборы гарантированно будут работать долгое время на высокой мощности, в любых погодных и температурных условиях. К тому же их можно очень быстро заряжать.

Ni-MH аккумулятор

По своему устройству и механизму работы никель-металл-гидридные батареи очень похожи на кадмиевые и были изобретены практически сразу после них. Основное отличие состоит в материале, из которого изготовлен отрицательный электрод.

В аккумуляторах типа Ni-MH он состоит из особого справа металлов, которые абсорбируют водород. Часть из них реагируют с ионами электролита с выделением тепловой энергии, другая часть – с ее поглощением, в результате чего возможно безопасное и экологически безвредное использование такого устройства.

Как работает зарядное устройство для АКБ?

ЗУ для аккумулятора обычно состоит из выпрямителя и трансформатора и создает ток с постоянным напряжением около 14 вольт. Также хорошие приборы содержат элементы, которые следят за напряжением на питаемом аккумуляторе и в нужный момент выключают зарядку.

По ходу процесса работы зарядного устройства для автомобильного аккумулятора или для любого другого подаваемый им ток сам собой падает. Вызвано это тем, что в заряжающемся АКБ увеличивается сопротивление, и он больше не пропускает ток с большим напряжением. Если в зарядке есть измеритель, то он фиксирует тот момент, когда в батарее достигнуто напряжение в 12В, после чего ее можно отключать от сети.

АКБ – вещь не такая сложная, как может показаться. Ее устройство легко понять, к тому же, принцип работы одинаков для разных видов. Знать его владельцу аккумулятора хоть в машине, хоть в настенных часах, очень полезно – это поможет поступать правильно на всех этапах – выбора, обслуживания и утилизации батарейки.

Принцип работы батареи

— Электротехника 123

Если мы хотим правильно понять основной принцип батареи , во-первых, мы должны иметь некоторую базовую концепцию электролитов и сродства к электрону. На самом деле, когда два разнородных металла или металлических соединения погружают в электролит, между этими металлами или металлическими соединениями возникает разность потенциалов. Следовательно, возникает протекание тока, которое на самом деле связано с разностью потенциалов.

Установлено, что при добавлении в воду определенных соединений они растворяются и образуют отрицательные и положительные ионы. Этот тип соединения называется электролитом . Популярными примерами электролитов являются почти все виды солей, кислот, оснований и т. Д.

Энергия, выделяемая при приеме электрона нейтральным атомом, известна как сродство к электрону. Поскольку атомная структура для разных материалов различна, сродство к электрону разных материалов будет отличаться.Если два разных типа металлов или металлических соединений погрузить в один и тот же раствор электролита, один из них получит электроны, а другой — высвободит электроны.

Какой металл (или металлическое соединение) получит электроны, а какой потеряет их, зависит от сродства к электрону этих металлов или металлических соединений. Металл с низким сродством к электрону будет получать электроны от отрицательных ионов раствора электролита.

Сродство к электрону в функции батареи

С другой стороны, металл с высоким сродством к электрону высвобождает электроны, и эти электроны выходят в раствор электролита и добавляются к положительным ионам раствора.Таким образом, один из этих металлов или соединений приобретает электроны, а другой теряет электроны. В результате между этими двумя металлами будет разница в концентрации электронов. Эта разница в концентрации электронов вызывает разность электрических потенциалов между металлами. Эта разность электрических потенциалов или ЭДС может использоваться в качестве источника напряжения в любой электронике или электрической цепи. Это общий и основной принцип работы батареи .

Все аккумуляторные элементы основаны только на этом основном принципе.Как мы знаем из истории аккумуляторов, Алессандро Вольта разработал первый аккумуляторный элемент, который широко известен как простой гальванический элемент. Такой тип простой ячейки можно создать очень легко. Возьмите одну емкость и заполните ее разбавленной серной кислотой в качестве электролита. Теперь погрузите цинк и один медный стержень в раствор и подключите их снаружи с помощью электрической нагрузки. Теперь ваш простой гальванический элемент готов. Ток начнет течь через внешнюю нагрузку.

Цинк в разбавленной серной кислоте отдает электроны, как показано ниже:

Эти ионы Zn ^{+ +} переходят в электролит, и их концентрация очень высока около цинкового электрода.В результате вышеуказанной реакции окисления цинковый электрод остается заряженным отрицательно и, следовательно, действует как катод. Разбавленная серная кислота и вода диссоциируют на ионы гидроксония, как показано ниже: Из-за высокой концентрации ионов Zn ^{+ +} около катода ионы H ₃ O ⁺ отталкиваются к медному электроду и разряжаются за счет удаление электронов из атомов меди. На аноде происходит следующая реакция: в результате реакции восстановления, протекающей на медном электроде, медь остается положительно заряженной и, следовательно, действует как анод.

Батарейный элемент Daniell

Элемент Daniell состоит из медного сосуда, содержащего раствор сульфата меди. Сам медный сосуд действует как положительный электрод. В медный сосуд помещают пористую емкость с разбавленной серной кислотой. Амальгамированный цинковый стержень, погруженный в серную кислоту, действует как отрицательный электрод.

Когда цикл замкнут, разбавленная серная кислота в пористом резервуаре вступает в реакцию с цинком с выделением газообразного водорода. Реакция протекает следующим образом:

Образование ZnSO ₄ в пористой емкости не влияет на работу ячейки до тех пор, пока не осаждаются кристаллы ZnSO ₄ .Газообразный водород проходит через пористый резервуар и вступает в реакцию с раствором CuSO ₄ , как показано ниже: Медь, образованная таким образом, осаждается на медном резервуаре.

Схема принципа работы литий-ионного аккумулятора.

Контекст 1

… батареи — это электрохимические обратимые устройства, широко известные своей удельной мощностью, отсутствием необходимости в обслуживании, надежностью и длительным сроком службы. Энергия литий-ионных аккумуляторов хранится в материалах электродов. Центральный электролит обеспечивает перенос ионов, а два сепаратора электрически изолируют электроды и электролит (рис.4). Электроны передаются от одного электрода к другому через внешнюю электрическую цепь. OCV литий-ионного элемента обычно близко к 4,2 В. Напряжение литий-ионного элемента в основном зависит как от тока нагрузки, так и от состояния заряда (SoC). Диапазон напряжения ячейки зависит от используемых химических реагентов, но обычно составляет от 4,2 В до 3 или 2,5 В. Поскольку реагенты накапливаются в электродах, отклик напряжения сильно зависит от кинетики и истории электрохимической реакции.Как следствие, репрезентативная числовая модель литий-ионной батареи должна зависеть от времени. емкость аккумулятора. В модели зависимости от напряжения емкость, сопротивление и источник напряжения зависят от SoC. Чтобы смоделировать характеристику напряжения конкретной батареи, необходимо согласовать параметры с экспериментальными измерениями. Экспериментально исследована чувствительность характеристик PEMFC к высоте. Ожидается, что отклик системы по напряжению будет уменьшаться при падении давления окружающей среды, как описано в разделе 2.1. Аэробная система PEMFC мощностью 1 кВт, 24 элемента, названная Bahia и изготовленная Helion (французский производитель FC), испытывается при пяти различных стехиометрических факторах воздуха (от 1,5 до 2,5) и на трех разных высотах (200 м, 1200 м и 2 200 м) [14]. В ограниченном диапазоне известно, что увеличение стехиометрического фактора воздуха увеличивает отклик напряжения FC (слишком высокие стехиометрические факторы могут привести к дегидратации мембраны и снижению протонной проводимости). Как показано на рис.6, на расстоянии 200 м отклик по напряжению можно улучшить, увеличив стехиометрический коэффициент воздуха с 1.От 5 до 2,5. Однако увеличение стехиометрического фактора воздуха приводит к увеличению энергопотребления компрессора. Испытания, проведенные на больших высотах, выявили ту же тенденцию, показав, что лучшие характеристики достигаются при стехиометрическом коэффициенте 2,5. Как показано на рис. 7, характеристика напряжения блока FC уменьшается с увеличением высоты. После глубокого анализа было обнаружено, что избыточное давление воздушного компрессора также уменьшается с увеличением высоты. Следовательно, три параметра играют основную роль в значении парциального давления кислорода: давление окружающей среды, избыточное давление компрессора и средняя мольная доля кислорода в катодных каналах (которая зависит от стехиометрического фактора воздуха), как показано уравнением (9): ( 9) наблюдается мощность (от 50 до 65%).Это падение выходной мощности в основном связано с резким снижением парциального давления кислорода. Как следствие, оказывается, что системы PEMFC актуальны для наземных применений (электропривод носового колеса), приложений на малых высотах, в качестве замены ВСУ или для силовых установок легких самолетов на малых высотах. Что касается приложений на большой высоте, представляется необходимым оценить потери мощности в стеке FC. Экспериментальные исследования на высотах более 2 500 м материально затруднены. Поэтому модель, представленная в разделе 2.1 сначала соответствует экспериментальным данным, полученным на расстояниях 200 м, 1 200 м и 2 200 м, а затем используется для экстраполяции зависимости напряжения батареи FC на высоте 5 000 м. Результаты, представленные на рис. 9, показывают резкое падение напряжения в ячейке на высоте 5000 м. Отклик по напряжению при максимальном токе уменьшается на 19%, а его значение близко к 0,5 В, что является нижним пределом напряжения элемента, определяющим максимальный рабочий ток. Следовательно, в дополнение к резкой потере выходной мощности может возникнуть явление обезвоживания мембраны и уменьшение максимального тока (не учитываемое в модели), что еще больше снизит выходную мощность пакета FC.Как следствие, представляется необходимым рассмотреть конкретные разработки для подачи реагентов катода. Чтобы улучшить работу системы FC на большой высоте, необходимо будет интегрировать воздушный компрессор, отвечающий конкретным потребностям авиационных приложений. Центробежный компрессор с коэффициентом давлений более 2 компенсирует падение давления из-за высоты. Компрессоры этого типа нуждаются в доработке, чтобы соответствовать требованиям по массе и объему.В этой области ведутся исследования [16], поэтому мы решили сконцентрировать наши усилия на альтернативе использованию чистого кислорода в качестве окислителя. Это решение было впервые использовано несколько десятилетий назад для пространственных приложений. Сравнение проводится между аэробной системой PEMFC (на основе свойств системы Bahia), включающей воздушный компрессор, соответствующий целевым показателям спецификации DoE на 2010 год, и анаэробной системой PEMFC (на основе системы IMHOTEP, разработанной Helion для проекта APACHE) плюс чистый кислород. бак. Для обеих систем были рассмотрены хранилища водорода при давлении 350 и 700 бар.Номинальная полезная мощность 20 кВт на крейсерской высоте была основной спецификацией. Результаты для крейсерского полета на высоте 5 000 м представлены на рис. 10. Сравнение проводилось для 1 000 м, 2 500 м и 5 000 м как по массе, так и по объему. Основное различие между аэробными и анаэробными PEMFC …

Принцип работы никель-железной батареи

Привет друзья,

В этой статье я расскажу о принципе работы и конструкции никель-железной батареи . , и сравните его характеристики со свинцово-кислотным аккумулятором.Так что продолжайте читать.

Никель-железный щелочной элемент был разработан американским ученым Томсоном А. Эдисоном в 1909 году. Поэтому он также известен как элемент Эдисона.

Конструкция никель-железной батареи показана на рисунке. Никель-железный элемент состоит из двух пластин. Активным материалом положительной пластины является Ni (OH) ₄ , а отрицательной пластиной — железо (Fe). Электролит представляет собой раствор гидроксида калия (КОН) с небольшой добавкой гидрата лития (LiOH), который увеличивает емкость ячейки.

Удельный вес электролита 1,2. Емкость также сделана из никелированного железа. К контейнеру подключаются отрицательные пластины. Поскольку используется небольшое количество электролита, он довольно компактен.

Поскольку один элемент вырабатывает очень низкую величину тока и напряжения, многие элементы соединены последовательно и параллельно для увеличения номинального тока и напряжения никель-железной батареи соответственно.

Когда батарея полностью заряжена, ее положительная пластина из Ni (OH) ₄ , а отрицательная пластина из железа (Fe).В качестве электролита используется гидроксид калия (КОН).

Разрядка : Когда батарея разряжается, гидроксид калия (КОН) диссоциирует на ионы калия (K ⁺ ) и гидроксил (OH ^— ). Ионы гидроксила идут на катод, а ион калия — на анод. Во время разряда происходит следующая химическая реакция:

На катоде: Fe + 2OH -> Fe (OH) ₂
На аноде: Ni (OH) ₄ + 2K —-> 2KOH + Ni (OH) ₄

Таким образом, анод превращается из Ni (OH) ₄ в Ni (OH) ₂ , а катод превращается из железа (Fe) в гидроксид железа [Fe (OH) ₂ ].Прочность электролита осталась прежней .

Зарядка: Когда аккумулятор ставится на зарядку, ионы гидроксила (OH ^— ) движутся к аноду, а ионы калия (K ⁺ ) движутся к катоду. Во время зарядки происходит следующая химическая реакция:

На аноде: Ni (OH) ₂ + 2OH -> Ni (OH) ₄
На катоде: Fe (OH) ₂ + 2K -> Fe + 2 KOH

Таким образом, анод и катод восстанавливают свой прежний химический состав без изменения прочности электролита.

Электролит не участвует в химической реакции. Выполняет только функции конвейера. Его удельный вес изменяется только из-за испарения воды и изменения температуры. Изменение удельного веса значительно влияет на эффективность батареи. По прошествии 5-10 лет электролит батареи следует заменить.

Электрические характеристики никель-железного элемента

ЭДС полностью заряженного элемента составляет 1,4 В, которая быстро уменьшается до 1,3 В.Средняя ЭДС элемента составляет 1,2 В и снижается до 1,0 В при полной разряде. Внутреннее сопротивление этого элемента почти в 5 раз выше, чем у свинцово-кислотного элемента.

Никель-железный аккумулятор против свинцово-кислотного

Преимущества

• Срок его службы больше (примерно 40 лет), чем у свинцово-кислотного аккумулятора (примерно 10 лет).
• Разлив электролита (КОН) не опасен. А свинцово-кислотный аккумулятор вреден.
• Поскольку удельный вес электролита (КОН) не меняется во время зарядки и разрядки, никель-железный аккумулятор не повреждается, если оставить его в полностью разряженном состоянии в течение значительного периода времени. В то время как в случае свинцово-кислотной батареи это может привести к необратимому повреждению батареи.
• Его вес намного меньше (почти вдвое), чем свинцово-кислотный элемент такой же емкости.
• Его можно заряжать и разряжать с большей скоростью в течение более длительного периода без какой-либо опасности для аккумулятора.
• Может выдерживать более высокие температуры по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами.
• Он более прочный и выдерживает больше механических и электрических нагрузок.

Недостатки

• Он дороже свинцово-кислотного аккумулятора такой же емкости.
• ЭДС, развиваемая в никель-железном элементе, составляет всего 1,2 В против 2 В свинцово-кислотного элемента. Это означает, что если требуется напряжение питания 6 В, необходимо последовательно подключить 5 никель-железных элементов к 3 свинцово-кислотным элементам.
• Он имеет в пять раз более высокое внутреннее сопротивление по сравнению со свинцово-кислотным аккумулятором и поэтому не может обеспечивать большой ток. Поэтому они не подходят для запуска автомобиля.
• Его КПД в ампер-часах и ватт-часах составляет от 75 до 80% и от 60 до 65% соответственно. В то время как в случае свинцово-кислотной батареи это 85-90% и 70-80% соответственно, то есть ее эффективность намного ниже.

Применение никель-железного аккумулятора

Давным-давно эти батареи использовались в достаточном количестве.Позже из-за высокой стоимости изготовления и плохих электрических характеристик их производство было остановлено.

Они имеют низкую удельную энергию и низкую удельную мощность. Кроме того, они имеют более высокую скорость саморазряда и более низкую эффективность заряда-разряда. По этим причинам их производство очень дорогое, а применение очень ограничено.

Однако есть и преимущества. Это их более длительный срок службы, более высокая механическая прочность и способность выдерживать грубое использование. , в настоящее время продолжаются исследования по их использованию в качестве накопительного устройства для солнечных и ветряных систем.Сравнивая срок их службы со свинцово-кислотными аккумуляторами в долгосрочной перспективе, они могут оказаться дешевле .

Спасибо за то, что прочитали о «принципе работы и конструкции никель-железных аккумуляторов».

Никель-кадмиевый аккумулятор

: конструкция, характеристики и принцип работы

Никель-кадмиевый аккумулятор — это система, вырабатывающая постоянное напряжение в результате химической реакции между компонентами. В никель-кадмиевой батарее окислительно-восстановительный материал служит ядром, окруженным никелевым листом и разделителем.Напряжение никель-кадмиевого элемента составляет около 1,2 В. При последовательном подключении трех или четырех элементов выходное напряжение колеблется от 3,6 до 4,8 В.

Каталог

Триггер напряжения постоянного тока представляет собой никель . -кадмиевый аккумулятор . Он вытесняет свинцово-кислотные батареи и в последние годы привлекает к себе внимание благодаря своим свойствам и преимуществам. Он легкий и портативный, что позволяет легко транспортировать его из одного места в другое. Этот аккумулятор часто используется в игрушках, калькуляторах, небольших двигателях постоянного тока и других устройствах.Работает по тому же принципу, что и свинцовые аккумуляторные батареи. Химическая реакция вызывает постоянное напряжение, когда металл прокатывается с кадмиевым слоем и разделительными слоями и остается в окислительно-восстановительном состоянии. Батареи давно стали обычным явлением, и для повышения их эффективности используется все больше и больше химических элементов. В результате конструкция получается компактной.

В никель-кадмиевой батарее окислительно-восстановительный материал служит ядром, а вокруг него находится никелевый лист и разделитель. Напряжение никель-кадмиевого элемента составляет около 1.2 В. При последовательном подключении трех или четырех элементов выходное напряжение колеблется от 3,6 до 4,8 В.

I. Конструкция никель-кадмиевой батареи Напряжение

Работа никель-кадмиевой батареи аналогична работе. других батарей. Никель и кадмий используются для повышения производительности. Поскольку батарея является источником постоянного напряжения, она должна иметь две потенциальные точки: положительную и отрицательную, обычно называемые анодом и катодом. Покрытие из оксида никеля NiO2 удерживается вокруг окислительно-восстановительного потенциала в никель-кадмиевой батарее.

Это покрытие из оксида никеля служит катодом. Покрытие из КаОН удерживается над слоем оксида никеля и служит разделителем. Следует помнить, что этот разделительный слой должен быть влажным или влажным. Его цель — обеспечить химическую реакцию с необходимыми отрицательными ионами ОН. Кадмий закреплен над пластиной сепаратора. В никель-кадмиевой батарее кадмиевое покрытие служит анодом. Схема никель-кадмиевой батареи представлена ​​ниже.

Слой никеля действует как коллектор положительного электрода, а слой кадмия действует как коллектор отрицательного электрода, как показано на схеме.КОН или NaOH используется в качестве разделительного слоя между двумя слоями. Его роль заключается в поставке ионов ОН. Комплектация завершается предохранительным клапаном, уплотнительной прокладкой, изоляционным кольцом, изоляционной прокладкой и внешним кожухом.

Задача изоляционного кольца — разделять два слоя, обеспечивая изоляцию. Изолирующая прокладка — это то место, где изоляционное кольцо держится под рукой. Это кольцо прикреплено к разделительной пластине. Внешний корпус служит для защиты внутренних слоев от внешних причин, таких как выход из строя батареи и неправильное обращение.Следует помнить, что работа с аккумулятором часто небезопасна из-за химических реакций, происходящих внутри аккумулятора.

Батарейный отсек никогда не открывают, поэтому все слои видны и могут поранить человека, использующего его. Когда устройство не используется, часто рекомендуется вынуть аккумулятор.

Никель-кадмиевый аккумулятор сконструирован аналогично свинцово-кислотным аккумуляторам. Он состоит из трех основных слоев. Сначала идет слой никеля, затем слой разделителя, а затем слой кадмия.Слой никеля функционирует как коллектор положительного электрода, а слой кадмия функционирует как коллектор отрицательного электрода.

КОН или NaOH используется в качестве разделительного слоя между двумя слоями. Его роль заключается в поставке ионов ОН. Комплектация завершается предохранительным клапаном, уплотнительной прокладкой, изоляционным кольцом, изоляционной прокладкой и внешним кожухом. Работа изолирующего кольца состоит в том, чтобы разделять два слоя, обеспечивая изоляцию. Изолирующая прокладка — это то место, где изоляционное кольцо держится под рукой.Это кольцо прикреплено к разделительной пластине.

Внешний корпус служит для защиты внутренних слоев от внешних причин, таких как выход из строя батареи и неправильное обращение. Следует помнить, что работа с аккумулятором часто небезопасна из-за химических реакций, происходящих внутри аккумулятора. Слои в сочетании с разделительным слоем создают необходимую химическую реакцию и разность потенциалов.

Уравнения никель-кадмиевой батареи

Химические уравнения, которые представляют реакцию, следующие:

2NiOOH + 2h3O + 2e «=> 2 Ni (0H) 2 + 2 OH

Cd + 2 OH ‘=> 2 Cd (OH) 2 + 2e-

2NiOOH + Cd + 2h3O <-> 2 Ni (OH) 2 + Cd (OH) 2

Реакция между никелем катодного слоя и сепаратором описывается первым уравнением.На выходе он производит ионы оксида никеля OH. Как указывалось ранее, разделительный слой используется для обеспечения ионов ОН, необходимых для химической реакции. Для начальной реакции разделительный слой замачивают в воде для обеспечения h30. В результате одним из побочных продуктов является h3O.

Слой кадмия также смешивается с ионами ОН, полученными из разделительного слоя на анодной стороне. В результате этого процесса образуются оксид кадмия и электроны. Стоит отметить, что электроны в обоих уравнениях уравновешиваются.Ионы ОН также аннулируются. Третье уравнение, в котором никель смешан с кадмием и водой, является уравнением напоминания. Оксид никеля и оксид кадмия являются конечными продуктами.

II. Характеристики никель-кадмиевых аккумуляторов Напряжение

Никель-кадмиевые аккумуляторы Диапазон температур

Во время зарядки диапазон температур для никелевых аккумуляторов составляет от 0 до 45 градусов Цельсия, а во время разряда диапазон температур составляет от -20 до 65 градусов Цельсия. Аккумулятор не может работать за пределами этого диапазона температур, и существует риск взрыва.

Токсичность никель-кадмиевых аккумуляторов

Человеческое тело чрезвычайно ядовито для никель-кадмиевых аккумуляторов. Кадмий — это тяжелый металл, представляющий ряд угроз для здоровья человека. Кадмий также оказывает биохимическое воздействие на организм. Кадмий присутствует в организме человека в концентрации около 1 микрограмма на литр. Он напрямую влияет на пищеварительную систему. Никель, как и свинец, токсичен для дыхательной системы человека.

Напряжение никель-кадмиевой батареи

Каждое напряжение для никель-кадмиевой батареи будет около 1.2 В в общем. Для получения необходимого напряжения ряд ячеек подключают последовательно или параллельно. Помимо напряжения, реальная энергия на килограмм составляет около 50-60 Втч. Это больше, чем у никель-железных батарей, но ниже, чем у никель-цинковых и никель-металлогидридных батарей.

Удельная мощность на килограмм составляет 200 Вт. Это больше, чем у никель-железных батарей, но ниже, чем у никель-цинковых и никель-металлогидридных батарей. Для никель-металлических аккумуляторов он колеблется от 170 до 1000. Для никель-железных аккумуляторов около 100.Энергоэффективность составляет от 70 до 75 процентов. Это больше, чем у никель-железных батарей, но ниже, чем у никель-цинковых и никель-металлогидридных батарей. Для никель-металлических аккумуляторов это порядка 70-80 процентов. Для никель-железных аккумуляторов это порядка 60-70 процентов.

Типы никель-кадмиевых батарей

Для классификации никель-кадмиевых батарей используются только размер и допустимое напряжение. В зависимости от размера это может быть AAA, AA, A, Cs, C, D или F. Параметры выходного напряжения для обоих типоразмеров различны.Другие находятся в прямоугольном внешнем корпусе в форме коробки, а большинство — в цилиндрическом внешнем корпусе в форме трубы.

Преимущества и недостатки никель-кадмиевого аккумулятора

Преимущества:

• Подает большое количество токов.

• Допускается перезарядка.

• Может выдерживать до 500 циклов зарядки.

Недостатки:

III. Принцип работы никель-кадмиевой батареи Напряжение

Химическая реакция, которая происходит между слоями, заставляет работать никель-кадмиевую батарею.Батарея, которая является источником постоянного напряжения, состоит из двух портов: анода и катода. При изготовлении батареи кадмиевое покрытие сначала сохраняется на окислительно-восстановительном потенциале. Катодный вывод — слой кадмия. Кадмий — тяжелый металл с отличной электропроводностью. Слои сепаратора удерживаются над слоем кадмия.

Задача разделительного слоя — обеспечивать ионы OH, необходимые для химической реакции. Для реакции между никелем катодного слоя и сепаратором требуются ионы ОН.На выходе он производит ионы оксида никеля OH. Как указывалось ранее, разделительный слой используется для обеспечения ионов ОН, необходимых для химической реакции. Для начальной реакции разделительный слой замачивают в воде для обеспечения h30.

В результате одним из побочных продуктов является h3O. Слой кадмия также смешивается с ионами ОН, полученными из разделительного слоя на анодной стороне. В результате этого процесса образуются оксид кадмия и электроны. Стоит отметить, что электроны в обоих уравнениях уравновешиваются.Ионы ОН также аннулируются. Третье уравнение, в котором никель смешан с кадмием и водой, является уравнением напоминания. Оксид никеля и оксид кадмия являются конечными продуктами. Выброс электронов следует за химической реакцией, вызывая разность потенциалов между двумя выводами.

Принцип работы и способ зарядки литиево-полимерной батареи

Литиевая полимерная батарея — это химическая батарея с высокой энергией, миниатюризацией и уменьшением веса. Способы зарядки литиевых батарей — это тема, на которую обращают внимание многие люди, потому что методы зарядки литиевых батарей различны для разных литиевых батарей.

Как работают литиевые полимерные батареи

Литий-ионные аккумуляторы подразделяются на жидкие литий-ионные аккумуляторы и полимерные литий-ионные аккумуляторы или пластиковые литий-ионные аккумуляторы в зависимости от материалов электролита, используемых в литий-ионных аккумуляторах. Положительные и отрицательные материалы, используемые в полимерно-литиево-ионной батарее, такие же, как и ионы жидкого лития. Материал положительного электрода делится на кобальтат лития, манганат лития, тройной материал и материал фосфата лития-железа, а отрицательный электрод представляет собой графит.Принцип работы аккумулятора также в основном согласован.

В полимерной литиевой батарее в качестве положительного электрода используется сплав рутения, а в качестве отрицательного электрода — полимерный проводящий материал, полиацетилен, полианилин или полипарафенилен, а в качестве электролита — органический растворитель. Удельная энергия литиево-полианилиновой батареи может достигать 350 Вт.ч / кг, но удельная мощность составляет всего 50-60 Вт / кг, температура использования составляет -40-70 градусов, а срок службы составляет около 330 раз.

Электролит литиево-полимерной батареи представляет собой гибкий твердый полимер, а металлическая рутениевая фольга герметизирована в батарее и может нормально работать при высокой температуре 180 ° C.

Поскольку полимер заменяет жидкий электролит твердым электролитом, полимерный литий-ионный аккумулятор имеет преимущества, заключающиеся в том, что он тоньше, произвольной площади и произвольной формы по сравнению с жидко-литиево-ионным аккумулятором, так что аккумулятор может быть изготовлен из алюминия. -пластиковая композитная пленка.Таким образом, можно повысить удельную емкость всей батареи; полимерная литий-ионная батарея может также использовать полимер в качестве материала положительного электрода, и ее удельная удельная энергия по массе будет увеличена более чем на 20% по сравнению с нынешней жидкой литий-ионной батареей. Литий-полимерный аккумулятор отличается компактностью, тонкостью и легкостью. Таким образом, рыночная доля полимерных аккумуляторов будет постепенно увеличиваться.

Способ зарядки литиевого полимерного аккумулятора

Полимерные литиевые батареи обычно относятся к полимерным литий-ионным батареям, которые разработаны на основе жидких литий-ионных батарей.Во многих электронных цифровых продуктах сейчас используются литиевые полимерные батареи. Заряд и разряд полимерной литиевой батареи и жидкой литиевой батареи фактически одинаковы. Существует два основных метода: зарядка постоянным напряжением и зарядка постоянным током.

При зарядке постоянным током емкость аккумулятора увеличивается со временем, внутреннее сопротивление аккумулятора также увеличивается, и зарядка становится медленной. В это время не следует думать, что зарядка будет завершена, но также после периода медленной зарядки.Производитель типичного полимерного литий-ионного аккумулятора заряжается постоянным током при зарядке аккумулятора и заряжается током постоянного напряжения. Ток, напряжение и мощность мобильного телефона со временем меняются, что обеспечивает полную зарядку аккумулятора телефона.

Правильный метод зарядки литиево-полимерной батареи

1. При зарядке литиево-полимерного аккумулятора лучше всего выбрать оригинальное специальное зарядное устройство, в противном случае оно может повредить литиево-полимерный аккумулятор.

2. Для зарядки литиевых полимерных аккумуляторов лучше всего использовать метод медленной зарядки, старайтесь избегать быстрой зарядки, повторная зарядка и разрядка также повлияют на срок службы литиевых полимерных аккумуляторов.

3. Если мобильный телефон не используется более 7 дней, перед использованием необходимо полностью разрядить литиево-полимерную батарею. Полимерный литиевый аккумулятор имеет явление саморазряда.

4. Время зарядки литиево-полимерной батареи минимально. Для обычного зарядного устройства зарядка должна быть остановлена ​​сразу после полной зарядки литиево-полимерной батареи, в противном случае литиевая полимерная батарея повлияет на характеристики батареи из-за нагрева или перегрева.

5. После зарядки литиево-полимерной батареи не кладите ее на зарядное устройство более 10 часов. Если он не используется в течение длительного времени, сотовый телефон и литиево-полимерную батарею следует разделить.

Принцип работы автомобильного аккумулятора

свинцово-кислотный автомобиль на 12 вольт

аккумулятор

эти большие и довольно тяжелые аккумуляторы используются во всех автомобилях с двигателем внутреннего сгорания на планете, они являются неотъемлемой частью автомобиля, так что они делают и как работают, вот что мы освещать в этом видео, спонсируемом Squarespace Head to Squarespace.com, чтобы начать бесплатную пробную версию, или используйте мышление разработки кода, чтобы сэкономить 10 на веб-сайтах и ​​доменах. 12-вольтовая автомобильная батарея

выглядит примерно так: это свинцово-кислотная батарея

, мы

называем ее свинцово-кислотной батареей

, потому что внутри Устройство представляет собой свинцовые пластины, которые погружены в кислоту, что создает химическую реакцию, которая высвобождает энергию и обеспечивает нас напряжением и током. Аккумулятор

поэтому накапливает энергию в форме химической энергии, она не накапливает электричество, эта химическая энергия преобразуется в электрическую энергию всякий раз, когда нам это нужно, эта батарея

также является перезаряжаемой, если мы снабжаем батарею

электричеством, тогда мы можем обратить вспять химическую реакцию и

перезарядить батарею

эти типы батареи

обеспечивают большое количество тока особенно по сравнению с типичными бытовыми щелочными батареями меньшего размера, мы рассмотрели, как щелочные батареи Это работает в нашем предыдущем видео. Убедитесь, что ссылки на выход можно найти в описании видео ниже. Типичный автомобильный аккумулятор

находится в моторном отсеке автомобиля. Аккумулятор

сначала используется для запуска двигателя, и он делает это. подавая электричество на небольшой электродвигатель, известный как стартер, стартер

включает малую шестерню на маховик двигателя, он поворачивает его, чтобы повернуть коленчатый вал, который запускает двигатель внутреннего сгорания, после чего малая шестерня отключается, и двигатель вращается. Сам по себе стартер должен обеспечивать огромное усилие, чтобы иметь возможность вращать маховик, поэтому стартер будет потреблять очень большой ток, возможно, сотни ампер, но это только на несколько секунд, это большое потребление тока будет уменьшать накопитель энергии батареи

, так что нам понадобится

нужно пополнить эту резервную копию подключен к двигателю Генератор переменного тока вращается двигателем и по мере его вращения Так как он генерирует электричество, это электричество подается обратно в батарею

, чтобы подзарядить ее, пока двигатель работает, генератор переменного тока подзаряжает батарею

, но он также обеспечивает электроэнергией такие вещи, как освещение и музыкальную систему, когда потребность в электричестве в автомобиле превышает то, что может обеспечить генератор, тогда батарея

будет обеспечивать эту дополнительную мощность

, которая снова разряжает батарею

, если двигатель выключен, генератор перестает вращаться и перезаряжает батарею

, поэтому батарея

будет Обеспечьте полную электрическую мощность автомобиля, пока он не разрядится. Аккумулятор

не может обеспечить достаточно электричества для запуска двигателя, поэтому нам нужно будет запустить автомобиль от внешнего источника, давайте взглянем на основные части аккумулятора автомобиля

, а затем мы разберемся, как это работает.

.

. Прежде всего, у нас есть пластиковый корпус, в котором собраны все внутренние компоненты. onents

на месте наверху у нас есть пластиковая крышка и два вывода: положительный и отрицательный, сняв крышку, мы можем видеть внутри. Обратите внимание: корпус разделен на шесть отдельных камер, каждая из которых разделена пластиковой стенкой. известная как ячейка, каждая ячейка генерирует около 2.1 В постоянного или постоянного тока каждая ячейка подключена последовательно, отрицательная часть одной ячейки подключена к плюсу следующей ячейки, чтобы дать нам общее напряжение около 12,6 вольт, это то же самое, как если бы вы

подключили бытовые щелочные батареи вместе напряжения суммируются, чтобы обеспечить более высокое общее напряжение, каждая ячейка в батарее

подключается через пластинчатую ленту, которая сделана из свинца, эти ленты свариваются вместе через пластиковую стенку, чтобы сформировать соединение, когда мы смотрим на батарею

из На этом представлении мы видим, что ток течет через батарею

, ячейки

от положительного к отрицательному, и это с использованием традиционной теории тока, но на самом деле происходит то, что электроны

текут в противоположном направлении от отрицательного к положительному, но мы закройте это, и вы поймете, почему чуть позже в этом видеоролике заметите, что в каждой ячейке есть две планки пластины, одна положительная и одна отрицательная, они называются pl ленты, потому что каждая полоса соединена с рядом пластин, которые представляют собой листы свинца, пластины сформированы в структуры типа сетки, что максимизирует площадь поверхности сетки, покрытой пастой из оксида свинца паста — это место, где происходит химическая реакция

и мы увидим, что немного позже в этом видео паста действует как губка и собирается поглотить часть электролитной жидкости, что улучшает производительность батареи

, размер пластины определяет, какой ток у батареи

может обеспечить, но не меняет напряжение, которое материалы, используемые для химической реакции, и количество пластин определяет напряжение, создаваемое каждой ячейкой.Сетка удерживает пасту на месте для обеспечения равномерного распределения тока

по пластине и помогает переносят электроны из батареи

и вокруг электрической цепи автомобиля отрицательная пластина является анодом, а это пластина из чистого свинца, хотя и небольшая l количество добавок добавлено для упрочнения свинца и защиты его от коррозии. положительная пластина — это катод, и он сделан из оксида свинца. положительная и отрицательная пластины

должны вступить в прямой контакт друг с другом, потому что это приведет к короткому замыканию батареи

, поэтому вместо этого мы помещаем каждую положительную пластину в разделитель конвертов, это просто пористый материал, который позволяет ионам проходить через него без прямого контакта материалов друг с другом положительная и отрицательная пластины будут располагаться между собой с небольшим зазором между каждой пластиной, камера затем заполняется жидким электролитом, состоящим из серной кислоты и воды, следовательно, батарея

составляет

называется свинцово-кислотный аккумулятор

Я хочу быстро подвести итог основам электричества, чтобы вы поняли следующую часть того, как 9 0014 аккумулятор

работает

электричество — это поток электронов в цепи, нам нужно, чтобы много электронов текло в одном направлении по проводу, чтобы мы могли размещать предметы на пути электронов, такие как электрические лампочки, которые, следовательно, будут иметь электроны чтобы пройти через это, и когда они это сделают, они будут производить свет, когда много электронов течет в одном направлении, мы называем

этот ток, каждый материал состоит из атомов, атомы имеют разное количество протонов, нейтронов и электронов, что делает их другой материал некоторые материалы, такие как медь, имеют электрон, который может свободно перемещаться к другим атомам, если мы подключим источник питания, такой как батарея

к медному проводу, тогда напряжение батареи

подтолкнет электроны, и они устремятся к добраться до положительного полюса батареи

, теперь я только что сказал, что электроны текут от отрицательного к положительному

положительному полюсу, это называется потоком электронов. теория о том, как работает электричество

, и это то, что на самом деле происходит, но вы могли привыкнуть к тому, что обычный ток меняется от положительного к отрицательному. электрон, и он обнаружил, что они текут от отрицательного к положительному, однако мы до сих пор используем традиционную теорию тока при проектировании электрических цепей

, поэтому, если мы посмотрим на эту простую схему, мы всегда должны предположить, что ток течет от положительного и к отрицательному, но инженеры и ученые знают, что электроны на самом деле текут в противоположном направлении, электрические формулы, которые мы используем, по-прежнему будут давать одни и те же ответы независимо от того, в каком направлении течет электричество, поэтому на самом деле не имеет значения, есть два типа электричество постоянный ток, который мы получаем от батарей, электроны в

этого типа проталкиваются в один направление, так что это называется постоянным током, представьте себе, что это вода, текущая по реке; другой тип электричества — это переменный или переменный ток, который вы получаете от электрических розеток в ваших домах; в этом типе электроны толкаются и тянутся вперед и назад думают этого, как морской прилив, текущий и выходящий между своим максимальным приливом и максимальным низким типом, когда мы смешиваем определенные материалы вместе, мы можем вызвать химические реакции, это

, когда атомы одного материала взаимодействуют с атомами другого материала. во время этого взаимодействия атомы будут связываться вместе или расщепляться, электроны также могут быть освобождены или захвачены атомами во время этой реакции, когда мы говорим об атомах, вы обычно слышите термин «ион». ион — это атом, который имеет неравное количество протонов или электронов. атом имеет нейтральный заряд, когда у него одинаковое количество протонов и электронов, потому что протоны заряжены положительно, а электроны —

отрицательно c поэтому они уравновешивают, если в атоме больше электронов, чем протонов, тогда это отрицательный ион, если в атоме больше протонов, чем электронов, тогда это положительный ион, вместо того, чтобы пытаться понять эту сложную конструкцию, мы собираемся упростить ее до этой простой модель ячейки с одним катодом и анодом в этой ячейке у нас есть жидкий электролит, который на одну треть представляет собой серную кислоту и две трети воды, у нас есть положительный электрод, который является катодом, это

, сделанный из оксида свинца, мы тогда имеем отрицательный вывод, который является анодом, он сделан из чистого свинца, когда эти материалы объединены, мы собираемся получить небольшую химическую реакцию между атомами.Я покажу атомы этих материалов с этими цветными сферами, положительный вывод катода свинца оксид будет реагировать с сульфатом в электролите, это сформирует слой сульфата свинца на катодном выводе, во время этой реакции ион кислорода выбрасывается из катода

и в в электролит, как только они окажутся в электролите, эти ионы кислорода будут объединяться с ионами водорода с образованием воды, в то время как атомы свинца на аноде будут реагировать с ионами сульфата в электролите, эта реакция создаст слой сульфата свинца вокруг электрод во время этой реакции два электрона высвобождаются и собираются на отрицательной клемме, поэтому теперь у нас есть накопление электронов на отрицательной клемме, поскольку электроны заряжены отрицательно, это означает, что у нас есть разница в заряде на двух клеммах

, и мы можем измерить это с помощью вольтметра или мультиметра, если вы думаете о магните, электроны заряжены отрицательно, и поэтому они отталкиваются друг от друга, они притягиваются к положительной клемме, у которой меньше электронов, но они еще не могут этого достичь, поэтому, если мы предоставим путь для электроны, такие как провод, тогда электроны будут проходить через это, чтобы добраться до положительного вывода, мы можем затем разместить такие вещи, как лампа, на пути этих 9 0005

электронов и использовать их для выполнения такой работы, как освещение лампы, пока существует путь, химическая реакция продолжается, но это не будет длиться вечно, химические вещества, необходимые для реакции, иссякнут, кислота становится разбавленной и слабой, и происходит накопление сульфата свинца. покрывает оба электрода, это означает, что материалы электродов становятся более похожими, и поэтому химическая реакция становится труднее, но, к счастью, эта химическая реакция может быть обращена вспять, поэтому, если мы подадим на батарею

электричество от генератора переменного тока, мы сможем начать обратную реакцию, электроны входят в отрицательный вывод и воссоединяются с сульфатом свинца, высвобождая сульфат в электролит, чтобы оставить только свинец на отрицательной пластине; ионы сульфата входят в электролит и объединяются с ионами водорода, высвобождая ионы кислорода, и поэтому электролит, кислота становится сильнее, ионы кислорода соединяются со свинцом, образуя оксид свинца, и это высвобождает серу обратно в электролит, что делает

еще сильнее, если мы оставим батарею

для полной разрядки слишком долго или слишком много раз, становится очень трудно обратить вспять химическую реакцию, кроме того, слой сульфата может оторваться от электродов и накапливаются в нижней части батареи

,

, это означает, что она больше не будет участвовать в химической реакции, поэтому батарею

необходимо отремонтировать или заменить, поэтому, когда мы смотрим на батарею

, эта химическая реакция происходит между каждой пластиной в каждая ячейка обеспечивает

сотнями ампер тока для запуска двигателя, а также обеспечивает напряжение для питания фонарей и т. д. затем перезаряжается генератором переменного тока для проверки напряжения автомобиля

аккумулятор

мы просто переключаемся на напряжение постоянного тока Установив на нашем мультиметре, а затем подключите красный провод к положительному, а черный провод к отрицательному, мы должны увидеть напряжение около 12.6 вольт, если оно ниже 12, тогда батарея

не работает должным образом, кстати, если у вас еще нет мультиметра, тогда

, я оставлю ссылку в описании видео ниже, для каких из них я рекомендую и откуда когда мы заводим автомобиль, напряжение будет падать, потому что стартер потребляет огромное количество тока, напряжение упадет примерно до 11 вольт, если оно упадет ниже 10, однако тогда батарея

не работает должным образом, когда двигатель работает от генератора переменного тока должен генерировать электричество, и поэтому мы должны увидеть более высокое напряжение около 14 вольт, потому что генератор перезаряжает

батарею

, и напряжение должно быть выше, чтобы помочь вернуть электроны и обратить вспять химическую реакцию, но теперь, когда вы все заряжены проверить квадратное пространство.com, чтобы создать свое собственное присутствие в Интернете, в котором есть функции, позволяющие людям запускать совместное использование и продвигать свои собственные проекты; есть мощные инструменты для ведения блога, чтобы продемонстрировать ваши проекты, фотографии, видеоролики и обновления хода выполнения, вы можете легко запланировать встречи на занятиях или занятиях с членами команды или клиенты

с помощью своих встроенных инструментов, и вы даже можете собирать платежи или пожертвования, чтобы поддержать ваше дело, отправляйтесь на squarespace.com для получения бесплатной пробной версии, а когда вы будете готовы к запуску, перейдите на Squarespace.com вперед слэш инженерное мышление, чтобы сэкономить 10 ваших первых покупок веб-сайта или домена хорошо, ребята, это все для этого видео, но чтобы продолжить обучение, посмотрите одно из видео на экране сейчас, и я поймаю вас там для следующего урока не забудьте подписаться на нас на facebook

instagram linkedin, а также на engineeringmindset.com

Источник: Инженерное мышление

Принцип работы литий-ионных батарей

— | весь этот блог находится в стадии разработки, для получения обновлений следите за обновлениями | —

Литий-ионные батареи по существу состоят из четырех основных компонентов, а именно, двух электродов (катод, анод), сепаратора и электролита.Два электрода и сепараторы являются пористыми, поэтому при заполнении электролитом он присутствует по всем порам, в то время как два электрода могут также проводить электроны, так что они достигают токоприемников, на которые нанесены электроды. Поскольку электроды являются проводящими, их необходимо электрически разделить, и разделитель здесь выполняет эту задачу.

При изготовлении электродов углеродная сажа добавляется для увеличения электропроводности, в то время как связующее вещество обеспечивает плотное прилегание всего электрода к токосъемнику.

Основная электрохимическая активность ячейки происходит на электродах, эта активность называется окислением / восстановлением, во время этого процесса ионы лития либо высвобождаются, либо поглощаются. Если на одном электроде происходит окисление, то на другом происходит восстановление, и, таким образом, электроны также высвобождаются в качестве побочного продукта, и таким образом мы получаем ток. Во время этого процесса ионы должны перемещаться между электродами, и для этого у нас есть электролит, в котором много ионов, а сепаратор останавливает поток электронов между ними изнутри.

Во время разряда ионы лития перемещаются от анода к катоду, так как всегда отрицательно заряженные ионы всегда движутся в сторону более высокого потенциала, то есть катода, во время зарядки мы смещаем анод в сторону более высокого потенциала, таким образом ионы меняют его путь обратно к аноду. Потенциал ячейки определяется разницей между химическим потенциалом лития в катоде и аноде.

Электрохимия — реакции окисления и восстановления

Окисление и восстановление всегда происходят в паре, т.е.° $

Как видно из рисунка, каждый катод и анод имеют разный потенциал в зависимости от химического состава. Если мы выберем элемент с LFP / LTO, у нас будет напряжение (3,6-1,56) 2,04 В. Для другой комбинации, такой как LCO / графит, у нас будет (4,35-0,16) 4,19 В. Выбор химического состава важен в зависимости от приложений и напряжения. является одним из важных критериев, поскольку напрямую влияет на удельную мощность.

Второй член: $ ln {[LiC_6] [CoO_2]} / {[C_6] [LiCoO_2]} $

Этот термин можно обобщить до $ ln {[Реагенты]} / {[Продукты]} $.Значение этого члена определяет напряжение элемента в активном режиме, то есть при зарядке или разрядке. Большая часть понимания литий-ионных батарей зависит от динамики этой реакции, где профиль напряжения по мере прохождения реакции не является линейным, а является кривой, которая зависит от химического состава материала.

Обычно в технических характеристиках ячейки можно увидеть типичную кривую, на которой мы можем увидеть общее напряжение ячейки по отношению к состоянию заряда, которое напрямую связано с развитием реакции.0% SOC указывает на то, что реакция еще не началась, в то время как 100% SOC указывает, что реакция завершена для реакции зарядки, и наоборот. Типичное общее напряжение ячейки LCO / графита можно увидеть ниже.

Обратимый процесс в литий-ионных батареях:

1. Интеркаляция : Процесс добавления и удаления ионов лития в материале без каких-либо существенных изменений в его структуре называется интеркаляцией. Пример: LCO, графит, NMC, NCA, LFP и т. Д.Как правило, существуют две категории структур, демонстрирующих интеркаляцию, слоистую структуру и трехмерные структуры (шпинель, оливин), и изменение объема во время процесса невелико.

2. Легирование: Эти материалы образуют связь с ионами лития во время зарядки и разрядки. Все эти классы материалов действуют как анод Ex: кремний, олово, германий и т. Д. Структурные изменения очень радикальны, например, изменение объема может достигать 300%, что может привести к снижению производительности батареи.