Аккумуляторы и принцип их работы

 

Министерство  науки и образования Республики Казахстан

Актюбинский государственный университет им. К. Жубанова 
 

Факультет: технический.

Специальность: металлургия. 
 

Реферат.

По дисциплине: Физическая химия.

На тему: Аккумуляторы и принцип их работы. 
 
 
 

                                                               Выполнил: студент Тихонов Тимур

                                           Проверил(а):Байманова  
 

Актобе 2010. 

Содержание

1. Свинцово-кислотный аккумулятор 

2.Принцип действия

3. Устройство

4. Физические характеристики

5. Эксплуатационные характеристики

6. Эксплуатация

7. Свинцово-кислотный аккумулятор при низких температурах

8. Хранение

9. Износ свинцово-кислотных аккумуляторов

10. Электри́ческий аккумуля́тор 

11. Принцип действия

12. Никель-ка́дмиевый аккумуля́тор

13. Параметры

14. Области применения 
 
 
 
 

Свинцово-кислотный  аккумулятор — наиболее распространенный на сегодняшний день тип аккумуляторов, изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте. Основные области применения: стартерные батареи в автомобильном транспорте, аварийные источники электроэнергии.

Принцип действия

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов  основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в сернокислотной среде. Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на катоде и окисление свинца на аноде. При заряде протекают обратные реакции, к которым в конце заряда добавляется реакция электролиза воды, сопровождающаяся выделением кислорода на положительном электроде и водорода — на отрицательном.

Химическая реакция (слева-направо — разряд, справа-налево — заряд):

• Катод:

• Анод:

В итоге получается, что при разрядке аккумулятора расходуется  серная кислота с одновременным  образованием воды (и плотность электролита  падает), а при зарядке, наоборот, вода «расходуется» на образование  серной кислоты (плотность электролита  растет). В конце зарядки, при некоторых  критических значениях концентрации сульфата свинца у электродов, начинает преобладать процесс электролиза воды. При этом на катоде выделяется водород, на аноде — кислород. При зарядке не стоит допускать электролиза воды, в противном случае необходимо ее долить.

Устройство

 

Элемент свинцово-кислотного аккумулятора состоит из положительных  и отрицательных электродов, сепараторов (разделительных решеток) и электролита. Положительные электроды представляют собой свинцовую решётку, а активным веществом является перекись свинца (PbO₂). Отрицательные электроды также представляют собой свинцовую решётку, а активным веществом является губчатый свинец (Pb). На практике в свинец решёток добавляют сурьму в количестве 1-2 % для повышения прочности. Сейчас в качестве легирующего компонента используются соли кальция, в обеих пластинах, или только в положительных (гибридная технология). Электроды погружены в электролит, состоящий из разбавленной серной кислоты (H₂SO₄). Наибольшая проводимость этого раствора при комнатной температуре (что означает наименьшее внутреннее сопротивление и наименьшие внутренние потери) достигается при его плотности 1,26 г/см³. Однако на практике, часто в районах с холодным климатом применяются и более высокие концентрации серной кислоты, до 1,29 −1,31 г/см³. (Это делается потому, что при разряде свинцово-кислотного аккумулятора плотность электролита падает, и температура его замерзания, т.о, становится выше, разряженный аккумулятор может не выдержать холода.)

В новых версиях  свинцовые пластины (решетки) заменяют вспененным карбоном, покрытым тонкой свинцовой пленкой, а жидкий электролит может быть желирован силикагелем до пастообразного состояния. Используя меньшее количество свинца и распределив его по большой площади, батарею удалось сделать не только компактной и легкой, но и значительно более эффективной - помимо большего КПД, она заряжается значительно быстрее традиционных аккумуляторов. ^[1]

Физические  характеристики

• Теоретическая энергоемкость: около 133 Вт·ч/кг.
• Удельная энергоемкость (Вт·ч/кг): 30-60 Вт·ч/кг .
• Удельная энергоплотность (Вт·ч/дм³): около 1250 Вт·ч/дм³.
• ЭДС заряженного аккумулятора = 2,11 В, рабочее напряжение = 2,1 В (6 секций в итоге дают 12,7 В).
• Напряжение полностью разряженного аккумулятора = 1,75 — 1,8 В (из расчета на 1 секцию). Ниже разряжать их нельзя.
• Рабочая температура: от минус 40 до плюс 40
• КПД: порядка 80-90%

Эксплуатационные  характеристики

• Номинальная ёмкость, показывает количество электричества, которое может отдать данный аккумулятор. Обычно указывается в ампер-часах, и измеряется при разряде малым током (1/20 номинальной емкости, выраженной в а/ч).
• Стартерный ток (для автомобильных). Характеризует способности отдавать сильные токи при низких температурах. В большинстве случаев замеряется при -18°С (0°F) в течение 30 секунд. Различные методики замера отличаются, главным образом, допускаемым конечным напряжением.
• Резервная емкость (для автомобильных). Характеризует время, в течение которого аккумулятор может отдавать ток 25А. Обычно составляет порядка 100 минут.

Эксплуатация

Ареометр может быть использован для проверки удельного веса электролита каждой секции

При эксплуатации «обслуживаемых» аккумуляторов (с  открываемыми крышками над банками) на автомобиле при движении по неровностям  неизбежно происходит просачивание проводящего электролита на корпус акуумулятора. Во избежание сильного саморазряда необходимо периодически нейтрализовывать электролит протиранием  корпуса, например слабым раствором пищевой соды. Кроме того, особенно в жаркую погоду, происходит испарение воды из электролита, что увеличивает его плотность и может оголить свинцовые пластины. Поэтому необходимо следить за уровнем электролита и своевременно доливать дистиллированную воду.

Такие нехитрые операции вместе с проверкой автомобиля на утечку тока и периодической подзарядкой  аккумулятора могут на несколько  лет продлить срок эксплуатации батареи.

Свинцово-кислотный  аккумулятор при  низких температурах

По мере снижения окружающей температуры, параметры  аккумулятора ухудшаются, однако в  отличие от прочих типов аккумуляторов, свинцово-кислотные снижают их относительно медленно, что не в последнюю очередь  обусловило их широкое применение на транспорте. Очень приблизительно можно  считать, что емкость снижается  вдвое при снижении окружающей температуры  на каждые 15°С начиная от +10°С, то есть, при температуре -45°С свинцово-кислотный аккумулятор способен отдать лишь несколько процентов первоначальной емкости. 
Снижение емкости и токоотдачи при низких температурах обусловлено, в первую очередь, ростом вязкости электролита, который уже не может в полном объеме поступать к электродам, и вступает в реакцию лишь в непосредственной близости от них, быстро истощаясь. 
Еще быстрее снижаются зарядные параметры. Фактически, начиная с, примерно -15°С, заряд свинцово-кислотного аккумулятора почти прекращается, что приводит к быстрой прогрессирующей разрядке аккумуляторов при эксплуатации в режиме коротких частых поездок (так называемый, "режим доктора"). В этих поездках аккумулятор практически не заряжается, его необходимо регулярно заряжать внешним зарядным устройством. 
Считается, что не полностью заряженный аккумулятор в мороз может растрескаться из-за замерзания электролита. Однако раствор серной кислоты в воде замерзает совсем не так, как чистая вода - он постепенно густеет, плавно переходя в твердую форму. Такой режим замерзания вряд ли способен вызвать разрыв стенок незамкнутого сосуда (а банка аккумулятора - незамкнутый объем). Электролит, в массовой литературе называемый "замерзшим" фактически еще можно перемешивать. 
Растрескивание стенок аккумулятора при морозах действительно бывает, но в основном является следствием изменения свойств применяемого для стенок материала, а не расширением электролита при замерзании.

Хранение

Свинцово-кислотные  аккумуляторы необходимо хранить только в заряженном состоянии. При температуре  ниже −20 °C заряд аккумуляторов должен проводиться постоянным напряжением 2,275 В/секцию, 1 раз в год, в течение 48 часов. При комнатной температуре — 1 раз в 8 месяцев постоянным напряжением 2,35 В/секцию в течение 6-12 часов. Хранение аккумуляторов при температуре выше 30 °C не рекомендуется.

Слой грязи  и накипи на поверхности аккумулятора создает проводник для тока от одного контакта к другому и приводит к саморазряду аккумулятора, после  чего начинается преждевременная сульфатизация  пластин и поэтому поверхность  аккумулятора необходимо поддерживать в чистоте (то есть его надо мыть перед хранением) 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 (лечебные) циклы, то есть разряд-заряд  токами номинальной величины.^[2]

Износ свинцово-кислотных  аккумуляторов

При использовании  технической серной кислоты и  недистиллированной воды ускоряются саморазрядка, сульфатация, разрушение пластин и  уменьшение емкости аккумуляторной батареи.

Хотя «мертвую»  батарею, как правило, самому починить нельзя, некоторые источники описывают  химические растворы и прочие способы^[3] способные «десульфатизировать» пластины. Простой способ предполагает использование раствора сульфата магния (лекарства)^[4]. Раствор заливается в секции после чего батарею разряжают и заряжают несколько раз. Сульфат свинца и прочие остатки химической реакции осыпаются при этом на дно батареи, что может привести к замыканию секции поэтому обработанные секции желательно промыть и заполнить новым электролитом номинальной плотности. Это позволят несколько продлить срок использования устройства. Также возможно соединить две слабые батареи параллельно. Если батарея имеет одну или несколько секций которые не работают (то есть не дают 2.17 вольта — например если корпус имеет трещины) возможно соединить две (или больше) батареи последовательно: к плюсовому контакту первой батареи подключаем плюсовой провод потребителя, к минусовому контакту второй батареи - минусовой провод потребителя, а две оставшихся контакта батареи соединяются кабелем. Такая батарея имеет суммарное напряжение работающих секций и поэтому количество работающих секций должно быть не более шести — то есть необходимо слить электролит из излишних секций. Такой вариант подходит для транспортных средств с просторным моторным отделением.