Разделы

Поиск

Рассылка

E-Mail

Часть 1. Свинцово-кислотные аккумуляторы (SLA-sealed lead acid batteries)

Принцип работы

  Принцип работы СКА основан на окислительных свойствах четырехвалентного свинца и его переходе в более устойчивое двухвалентное состояние. СКА в простейшем случае можно рассмотреть как две решетчатые свинцовые пластины, ячейки которых заполняются тестообразной смесью окиси свинца с водой. Пластины погружаются в разбавленную серную кислоту плотностью 1,15-1,20 г.см3(22-28% H2SO4). Вследствие реакции

                                                                                 PbO + H2SO4 = PbSO4 + H2O

Окись свинца превращается через некоторое время в сернокислый свинец. Если теперь попустить через эти пластины постоянный ток, то аккумулятор будет заряжаться, причем у электродов будут происходить следующие процессы:

                                                                                            ЗАРЯД 

   КАТОД                                                                PbSO4 + 2е- = Pb + SO4

   АНОД                                                                  PbSO4 - 2е- + H2O = PbO2 + 4H + SO4-2

  Таким образом, по мере пропускания тока на катоде образуется рыхлая масса металлического свинца, а на аноде – темно-бурая окись свинца. По окончанию зарядки аккумулятора начнется энергетичное разложение воды : у катода выделяется водород, у анода – кислород.

  При соединении пластин проводником с платины покрытой свинцом, часть ионов двухвалентного свинца переходит в раствор, освобождающиеся при этом электроны по проводнику переходят к PbO2 и восстанавливают четырехвалентный свинец в двухвалентный. В результате у той и другой пластины образуются ионы двухвалентного свинца, которые соединяются с находящимися в растворе ионами SO4 в нерастворимый сернокислый свинец, и аккумулятор разряжается.

                                                                                             РАЗРЯД

   ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОД                    Pb0 - 2е- + SO4-2  = PbSO4

   ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОД             PbSO4 + 2е-+ 4H + SO4-2= PbSO4 + 2H2O

При разрядке аккумулятора концентрация серной кислоты уменьшается, так как расходуются сульфат – ионы и ионы водорода и образуется вода. Поэтому о степени разряженности аккумулятора можно судить по плотности кислоты. 


                      Особенности свинцово-кислотных аккумуляторов.

  Экономичнее СКА до сих пор ничего не изобретено. Широкое распространение они получили благодаря высокой надежности и низкой цене.

  Первый СКА был изобретен в 1859 г. французским ученым Гастоном Планте, его конструкция представляла электроды из листового свинца, разделенные сепараторами из полотна, которые были свернуты в спираль и помещены в сосуд с 10% раствором серной кислоты. Первоначально у них была низкая емкость, и требовалось достаточно большое количество циклов заряда-разряда, чтобы увеличить емкость, для получения существенного результата требовалось до двух лет.

  В 1880г. К. Фор предложил предложил технологию изготовления намазных электродов, путем нанесения на пластины окислов свинца. А в 1881 г. Э. Фолькмар предложил использовать в качестве электродов намазную решетку. В том же году Седлону был выдан патент на технологию изготовления решеток из сплавов свинца и сурьмы. Однако существовала проблема заряда батарей (для заряда применялись  первичные элементы конструкции Бунзена – один ХИТ заряжал другой). Ситуация кардинально изменилась с появлением генераторов постоянного тока.

К 1890 г был освоен серийный выпуск СКА, а в 1900г. Varta выпустила первый стартерный аккумулятор. 

 

 



   В настоящее время активно производятся и используются аккумуляторы трех поколений

Батареи первого поколения – батареи с жидким электролитом открытого или закрытого типа, имеющие емкость от 36 Ач до 5328 Ач и срок службы от 10 до 20 лет. Батареи открытого типа непосредственно соприкасается с открытым воздухом, и основные затраты связанны с обслуживанием (доливка дисцилиронанной воды) и расходы на содержание хорошо вентилируемых помещений. Батареи закрытого типа имеют специальные пробки, обеспечивающие задержку аэрозоли серной кислоты. Батареи закрытого типа могут быть необслуживаемые , т.е.они поставляются залитыми и заряженными , и в течение всего срока службы нет необходимости доливки воды (конструкция пробок обеспечивает удержание паров воды в виде конденсата).

Батареи второго поколения – герметизированные гелевые батареи (GEL). В них используется гелеобразный электролит, представляющий собой желе, полученное в результате смешивания раствора серной кислоты с загустителем (обычно двуокись кремния SiO2 – селикагель). Благодаря своей вязкости он хорошо удерживается в порах и способствует эффективному использованию активных веществ электродов. Транспорт кислорода обеспечивается по трещинам, которые возникают при усадке твердеющего электролита. Гелевые батареи в течение всего срока эксплуатации не нуждаются в обслуживании, их нельзя вскрывать. Для их подзаряда необходимо использовать ЗУ, обеспечивающие стабильность напряжения заряда не хуже 1% для предотвращения обильного газовыделения. Такие аккумуляторы критичны к температуре окружающей среды.

Батареи третьего поколения – геметизированные батареи с абсорбированным сепараторами электролита (AGM - absorbed in glass mat).. Такой сепаратор из стекловалокна, представляет собой пористую систему, в которой капиллярные силы удерживают электролит. При этом количество электролита дозируется так, чтобы мелкие поры были заполнены, а крупные оставались свободными для свободной циркуляции выделяющихся газов. Благодаря тонкой структуре волокон обеспечивается высокая скорость переноса кислорода. Использование стекловолокнистого сепаратора и плотная сборка блока электродов способствует также уменьшению оплывания активной массы положительного электрода и разбуханию губчатого свинца на отрицательном электроде. Газообразование в них существенно меньше, чем в гелевых, меньше оказывает влияние на работу температура окружающей среды. Хотя требования к ЗУ такие же, как и для гелевых.

 

 

 

 

   Для обозначения типа аккумуляторной батареи указывают ее маркировку, которая определяется конструкцией положительных пластин                                                                               

Маркировка

Особенности конструкции

Стандарт

GroE

Стационарные батареи с поверхностными положительными пластинами

DIN 40732/ DIN 40738

OPzS

Стационарные батареи с панцирными положительными пластинами и разделителями

DIN 40736/ DIN 40737

OGi

Стационарные батареи с решетчатыми положительными пластинами

DIN 40734/ DIN 40739

GiV

Моноблочные батареи с решетчатыми положительными пластинами

DIN 43534

 

В СКА электролитом является раствор серной кислоты, активным веществом положительных пластин – оксид свинца, отрицательных – свинец. В гелевых аккумуляторах жидкий электролит заменили гелеобразным абсорбированным сепараторами электролит, батареи герметизировали, а для отвода газа, выделяющегося при заряде или разряде, установили безопасные клапаны. Были разработаны новые конструкции пластин на основе медно-кальциевых сплавов, покрытых оксидом свинца, на основе титановых, алюминиевых и медных решеток.

 При изготовлении СКА применяют химические добавки. Например к свинцу добавляют сурьму (доля в сплаве 1-10%), которая обеспечивает более прочный электрический контакта активного материала с решеткой, предотвращает его осыпание, что позволяет увеличить срок службы батарей. Также используются свинцово-кальциевые сплавы, позволяющие сделать пластины более легкими и прочными при сохранении высоких электрических и механических характеристик.

Следует обратить внимание, что увеличить емкость свинцовой батареи можно сравнительно легко, например, добавив в батарею никель, при этом понизится также и себестоимость, но при этом ухудшится и безопасность.

Корпус для батареи изготавливают призматической формы из пластмассы. Хотя существуют батареи цилиндрической формы. Они обеспечивают более высокую стабильность в работе, больший ток разряда, лучшую температурную стабильность.

Основные проблемы при создании герметичного варианта СКА связаны с необходимостью обеспечения условий для уменьшения газовыделения и содействия рекомбинации выделяющегося газа.

Для этого предпринят ряд мер:

1.        Использование иммобилизированного (обезвоженного) электролита, который сохраняет высокую электропроводность серной кислоты. Малое его количество позволяет обеспечить лучший транспорт кислорода от положительного электрода к отрицательному и высокий уровень его рекомбинации.

2.        Для уменьшения вероятности выделения водорода свинцово-сурьмяные сплавы токоведущих решеток заменяют другими (сплав свинца и кальция до0,1 % Ca, иногда легированного алюминием, сплавы свинца с оловом 0,5-2,5 % Sn), обеспечивающими более высокое перенапряжение выделения водорода.

3.        В отрицательный электрод закладывается емкость больше, чам в положительный. В этом случае при полном заряде положительного электрода оставшаяся недозаряженной часть активной массы отрицательного электрода практически исключает возможность 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 PbSO4 и воду. Т.о. газы не выделяются и вода не теряется.

И все же варианты безуходного СКА снабжены аварийным клапаном. При нарушении режимов заряда, при повышенном токе, в батарее происходит активное газообразование (главным образом водорода). Когда давление газов достигнет величины 7,1 … 43,6 кПа откроется предохранительный клапан для обеспечения вентиляции батареи, и благодаря этому устраняется опасность ее взрыва. Поэтому аккумуляторы называются не герметичными, а герметизированными. Другая роль клапана – предотвращение попадания внутрь корпуса атмосферного кислорода во избежание его реакции с активным материалов негативных пластин.

 




      Аккумуляторы содержащие предохранительный клапан называют аккумуляторы VRLA (valve regulated lead acid batteries).

Напряжение на элементе СКА – 2,2 В

Среди всех типов аккумуляторов СКА отличаются наименьшей энергетической плотностью. Это делает нецелесообразно их использование в переносных устройствах. Современные герметизированные СКА обладают следующими удельными характеристиками – 40 Втч/ч и 100 Втч/дм3. Они работают в буферном режиме до 10 лет, при циклировании они обеспечивают несколько сотен циклов до безвозвратной потери 20% емкости. 

Их продолжительный заряд не станет причиной выхода из строя батареи.

Способность сохранять заряд у этих батарей наилучшая из всех типов аккумуляторных батарей (  саморазряд - 40% в год). Они недороги, но эксплуатационные расходы на них выше, чем на те же НКА.

Время заряда СКА составляет 8…16 часов

Номинальной емкостью СКА считается емкость, полученная при разряде в течение 20 часов, т. е. током 0,05С.

В зависимости от глубины разряда и рабочей температуры ресурс СКА может составлять от 1года до 20 лет. В значительной степени срок службы определяется конструкцией элементов батареи.

Главная опасность эксплуатации батареи с неоднородными аккумуляторами определяется тем, что при циклировании с большим количеством аккумуляторов отклонения электрических характеристик одного из них от стандартных незаметны. Но аккумулятор с повышенным сопротивлением будет разогреваться значительно больше остальных, что ведет к повышенным потерям воды и быстрой деградации всей батареи.

Преимущества СКА:

- дешевизна и простота производства – по стоимости 1 Вт ч энергии эта батарея является самой дешевой;

- отработанная, надежная и хорошо понятная технология обслуживания;

- малый саморазряд;

- низкие требования по обслуживанию (отсутствие «эффекта памяти»);

- допустимы высокие токи разряда.

Недостатки СКА:

- не допускается хранение в разряженном состоянии;

- низкая энергетическая плотность;

- допустимо лишь ограниченное количество циклов заряда/разряда;

- кислотный электролит и свинец оказывают вредное воздействие на окружающую среду;

- при неправильном заряде возможен перегрев.


Дата: 13.05.2010