Свинцовые аккумуляторы
Научная литература / Свинцовые аккумуляторы

Кислотные свинцовые аккумуляторы являются наиболее распространенными

среди вторичных химических источников тока. Обладая сравнительно высокой

мощностью в сочетании с надежностью и  относительно  низкой стоимостью.  Эти  аккумуляторы находят разнообразное практическое применение. Своей  популярностью  и  широким маштабом  производства  они обязаны стартерным батареям, предназначенным для различных средств передвижения и прежде всего автомобилей. В этой области их монопольное положение устойчиво и сохраняется долгое время. На базе свинцовых аккумуляторов  комплектуется  подавляющее большинство  стационарных и значительная часть вагонных батарей. Успешно конкурируют с щелочными тяговые свинцовые аккумуляторы.

Все более широкое распространение получают малоуходные стартерные батареи, а также безуходные батареи, предназначенные в основном для питания приборов бытовой электроники. Если в конце 20в номинальная удельная энергия лучших свинцовых аккумуляторов достигла 8 Вт*ч/кг и 300-500 циклов, лучшие тяговые аккумуляторы обладают ресурсом до 1800 циклов.

 Разрядные токи аккумуляторных батарей при пуске двигателя стартером составляют 100-1000 А в зависимости от мощности стартера и температуры пуска. С понижением температуры пуска и увеличением мощности стартера, потребляемые стартером токи, увеличиваются.

Свинцовый аккумулятор представляет собой обратимый электрический источник тока, в котором при разряде его химическая энергия восстанавливается путем подвода энергии от внешнего источника (генератора).    

Аккумуляторы – устройства, вырабатывающие электрическую энергию за счет прямого преобразования химической энергии окислительно-восстановительных реакций.

Окислительно-востановительные электрохимические реакции повторяются многократно в процессе срока службы свинцового аккумулятора.

Активными массами заряженного свинцового аккумулятора - вступающими в процесс токообразования, являются двуокись свинца (темно-коричневого цвета) на положительной пластине, губчатый свинец Pb (темно-серого цвета) на отрицательной пластине и электролит водный раствор серной кислоты, в который помещены пластины.

В процессе разряда свинцового аккумулятора активные массы положительной и отрицательной пластин преобразуются в сернокислый свинец PbSO4.   В электролите, при разряде расходуются ионы сульфата SO4 , плотность электролита уменьшается  от начальных значений (1,25…1.31)*10^3 кг/м^3, до конечных (1,09..1.15)*10^3 кг/м^3. Расход серной кислоты в процессе разряда больше около положительной пластины.

В процессе заряда под влиянием тока от внешнего источника электроэнергии на пластинах происходят обратные процессы восстановления активных масс: сульфат свинца PbSO4    на положительной пластине преобразуется  в двуокись свинца PbO2, а на отрицательной пластине – в губчатый свинец Pb. Плотность электролита при этом повышается от(1,09..1.15)*10^3кг/м^3 до (1,25…1.31)*10^3кг/м^3 из - за освобождения ионов сульфата SO4 при разложении  сульфата свинца PbSO4.

После полного преобразования активных масс положительной и отрицательной  пластин плотность электролита перестает повышаться, что служит признаком конца заряда аккумулятора. При дальнейшем заряде (переразряде) происходит разложение воды на кислород и водород, характеризующиеся появлением на поверхности электролита газовых пузырьков, называемое ”кипение” электролита.

Окислительно-востановительные реакции, происходящие в свинцовом аккумуляторе при разряде и заряде, согласно теории двойной сульфатации могут быть упрощено представлены в виде следующего уравнения:

PbO2+Pb+2H2SO4=PbSO4+2H2

При чтении слева направо уравнение описывает процесс разряда, а справа на лево процесс заряда.

Окислительно-востановительные реакции происходят на границе раздела активных веществ пластин и электролита. Для увеличения граничной поверхности и облегчения доступа электролита пластины свинцового аккумулятора выполняются простыми.

Основными электрическими характеристиками свинцовых стартерных аккумуляторных батарей являются электродвижущая сила, напряжение и емкость.

Электродвижущей силой аккумулятора называется разность потенциалов положительной и отрицательной пластин  при разомкнутой внешней цепи. ЭДС  полностью заряженного свинцового аккумулятора составляет около 2,1В. ЭДС аккумуляторной батареи, состоящей из нескольких последовательно соединенных аккумуляторов, равна сумме ЭДС аккумуляторов.

Напряжение аккумуляторной батареи при разряде меньше ее ЭДС на величину внутреннего падения, обусловленного в основном сопротивлением пластин, электролита и др. токоведущих деталей.

Емкостью аккумулятора называется количество электричества, выраженное в ампер-часах, получаемое от аккумулятора при разряде его до допустимого напряжения. При последовательном соединение аккумуляторов одинаковой емкости, емкость аккумуляторной батареи равна емкости одного аккумулятора.

Номинальная емкость - это количество электричества, выраженное в ампер-часах, получаемое при непрерывном разряде полностью заряженной батареи при температуре +25 током 0,05С20 (С20-номинальная емкость, указанная в условном обозначении батареи) до достижения конечного напряжения на полюсных выводах.