Принцип роботи акумулятора

Пристрій і принцип роботи акумулятора

Батареї - це хімічні джерела струму з оборотним процесом: вони можуть віддавати енергію, перетворюючи хімічну енергію в електронну, або вони можуть збирати енергію, перетворюючи електричну енергію в хім. Таким чином, акумулятор поперемінно то розряджається, віддаючи електричну енергію, то заряджається від якого-або відповідного джерела постійного тока

Батареї залежно від використовуваного в їх електроліту поділяються на кислотні та лужні. Крім того, батареї розрізняються залежно від матеріалу електродов- широке застосування мають тільки свинцеві, кад- Мієві-нікелеві, залізо-нікелеві і срібно-цинкові акумулятори.

Пристрій і принцип роботи акумулятора

Ємність акумулятора визначається кількістю електрики qp, яке він може дати при розряді в живиться ланцюг. Це кількість електрики вимірюється не в кулонах, а в більш великих одиницях - ампер-годинах (а-ч) 1 а-ч = 3600 до. Але для заряду акумулятора потрібна більша кількість електрики q3, ніж віддається при розряді. ставлення qp: q3 = ne іменується віддачею акумулятора по ємності.

Напруга, потрібне для заряду акумулятора, значно вище тієї напруги на затискачах акумулятора, при якому він дає тривало розрядний струм.

Важливою характеристикою акумулятора є його середні зарядний і розрядний напруги.

Ясно, що через низку втрат енергії акумулятор дає при розряді істотно найменшу кількість енергії Wp, ніж отримує при заряді Ставлення Wp: W3 = n є коефіцієнт корисної дії або віддача по енергії акумулятора.

Зрештою, дуже важливою для властивості акумулятора величиною є його питома е н е р г і я, т. Е. Кількість енергії, що віддається при розряді, що припадає на 1 кг ваги акумулятора. Особливо істотно, щоб питома енергія була, може бути більше у нестаціонарних акумуляторів, що встановлюються, наприклад, на літаках. У схожих випадках зазвичай вона важливіше, ніж коефіцієнт корисної дії і віддача по ємності.

Слід мати на увазі, що при неспішному розряді процес в акумуляторі протікає помірно у всій масі пластинок, завдяки чому при тривалому розряді малим струмом ємність акумулятора більше, ніж при короткостроковому розряді величезним струмом. При швидкому розряді процес в масі пластинок відстає від процесу на їх поверхні, що викликає внутрішні струми і зменшення віддачі.

Робота авто акумулятора будується на перетворенні енергії: при заряді - електронної в хім, при розряді (оборотне перетворення) - хім в електронну

Напруга акумулятора значно змінюється під час розряду. Краще, щоб воно було може бути більш постійним. У розрахунках зазвичай вказується середнє розрядна напруга Up. Але для заряду акумулятора потрібен джерело струму, що дає значно більше зарядна напруга Uз (На 25- 40%) - в іншому випадку неможливо зарядити акумулятор стовідсотково.

Якщо напруга 1-го акумуляторного елемента недостатньо для даної установки, то потрібне число акумуляторних частин з`єднується по черзі. Природно, послідовно з`єднувати можна тільки батареї, розраховані на одну і ту ж розрядну силу струму.

Якщо розрядний струм 1-го елемента недостатній, то застосовується паралельне з`єднання декількох схожих елементів.

З числа кислотних акумуляторів практичне значення мають лише свинцеві батареї. В їх на позитивних пластинах активною речовиною служить двоокис свинцю РЬ02, на негативному електроді - губчастий свинець РЬ. Позитивні пластинки мають бурий колір, отріцательние- сіруватий, в якості електроліту застосовується розчин сірчаної кислоти H2S04 з з питомою вагою 1,18-1,29.

Хім процес розряду і заряду свинцевого акумулятора відносно складний. У головному він зводиться до відновлення свинцю на позитивних пластинах і окисленню губчастого свинцю на негативному електроді в закисной сіль сірчаної кислоти. При цьому з`являється вода і, як слід, щільність електроліту зменшується. При розряді спочатку напруга акумулятора стрімко падає до 1,95 в, а потім повільно знижується до 1,8 в. Після цього потрібно закінчити розряд.

При подальшому розряді має місце незворотний процес утворення кристалічного сірчанокислого свинцю PbS04. Останній покриває пластинки білим нальотом. Він володіє великим питомим опором і практично не розчинний в електроліті. Шар сірчанокислого свинцю нарощує внутрішній опір активної маси пластинок. Такий процес називається сульфатація пластинок.

При заряді акумулятора процес йде в зворотному напрямку: на негативному електроді відновлюється металевий свинець, а на позитивних пластинах свинець окислюється до двоокису РЬ02. іон S04 перебігає в електроліт, тому щільність сірчаної кислоти при заряді зростає, отже, зростає і питома вага електроліту. Для вимірювання питомої ваги електроліту застосовується особливий ареометр. За його свідченнями можна приблизно судити, якою мірою акумулятор заряджений. Середнє розрядна напруга свинцевого акумулятора 1,98 в, а середнє зарядна напруга 2,4 в.

Механізм роботи свинцево-кислотного акумулятора

внутрішній опір rBн свинцевих акумуляторів, завдяки малому відстані між пластинами і великої площі їхнього зіткнення з електролітом дуже мало: близько тисячних часток ома у стаціонарних акумуляторів і сотої частки у маленьких переносних акумуляторів.

Внаслідок малого внутрішнього опору і щодо величезної напруги к. П. Д. Цих акумуляторів домагається 70- 80%, а віддача - 0,85-0,95%.

Але через малу внутрішнього опору в свинцевих акумуляторах при маленьких замиканнях з`являються струми дуже великий сили, що призводить до викривлення і розпаду пластинок.

Свинцеві батареї мають ряд суттєвих недоліків. Вони важкі через величезну вагу свинцю пластинок і їх обсяг великий через значної кількості електроліту, яка бере участь в процесі. В їх неминучий саморазряд внутрішніми паразитними електронними струмами з втратою заряду близько 1% в день. Зрештою, вони дуже чутливі до поштовхів і струсів. Але їх віддача і к. П. Д. Істотно вище, ніж у всіх інших акумуляторів.

З числа лужних акумуляторів широке застосування в даний час мають кадмієво-нікелеві, залізо нікелеві і срібно-цинкові. У всіх цих акумуляторах електролітом служить луг - приблизно двохвідсотковий розчин їдкого калію КОН або їдкого натру NaOH. При заряді і розряді цей електроліт практично не зазнає змін. Отже, від його кількості ємність акумулятора не залежить. Це дає можливість звести до мінімуму кількість електроліту в усіх лужних акумуляторах і таким методом значно їх полегшити.

Остови позитивної та негативної пластинок цих акумуляторів виготовляються зі сталевих нікельованих рамок з пакетами для активної маси. Завдяки такій конструкції активна маса міцно утримується в пластинках і не випадає при поштовхах.

У кадмиево-нікелевому КН акумуляторі активною речовиною позитивного електрода служать оксиди нікелю, змішані для зростання електропровідності з графітом- активною речовиною негативного електрода є губчастий залізний кадмій Cd. При розряді на позитивних пластинах витрачається частина активного кисню, що міститься в окислах нікелю, а на негативному електроді окислюється залізний кадмій. При заряді назад збагачується киснем позитивний електрод - гідрат закису нікелю Ni (OH) 2 переходить в гідрат окису нікелю Ni (OH) 3, а на негативному електроді гідрат закису кадмію відновлюється в чистий кадмій. Приблизно процес в цьому акумуляторі може бути виражений хімічним складом:

розряд

2Ni (ОН) 3 + 2КОН + Cd <2Ni (ОН) 2 + 2КОН + Cd (ОН) 2.

заряд

Як вказує формула, з електроліту при розряді виділяється частинка (ОН) 2 на негативній пластині і така ж частинка переходить в електроліт на позитивній платівці. При заряді процес йде в зворотному напрямку, але в обох випадках електроліт не змінюється.

Батареї компанії Bosch

Пристрій залізо-нікелевого акумулятора відрізняється тільки тим, що в ньому в негативних пластинах кадмій замінений маленьким порошком заліза (Fe). Хім процес цього акумулятора можна простежити за вищенаведеним для кадмиево-нікелевого акумулятора рівняння шляхом заміни Cd на Fe.

Застосування заліза замість кадмію здешевлює акумулятор, робить його більш міцним механічно і нарощує термін його служби. Але з іншого боку, у залізо-нікелевого акумулятора при тому ж приблизно розрядному напрузі зарядна напруга на 0,2 в вище, внаслідок чого к. П. Д. Цього акумулятора нижче, ніж кадмиево-нікелевого. Потім дуже принципову ваду залізо-нікелевого акумулятора є відносно швидкий саморозряд. У кадмиево-нікелевого акумулятора саморозряд малий і тому йому віддається перевага в тих випадках, коли акумулятор повинен тривало перебувати в зарядженому стані, наприклад, для харчування радіоустановок. Середнє розрядна напруга обох цих акумуляторів 1,2 в.

Герметично закриті посудини вищеперелічених лужних акумуляторів виготовляються з листової нікельованої сталі. Болти, через які пластини акумуляторів з`єднуються з зовнішньої метою, пропускаються через отвори в кришці посудини, при цьому болт, з яким пов`язані негативні пластини, ретельно ізольований від залізного корпусу-але болт, з`єднаний з позитивними пластинами, від корпусу не ізолюється.

Внутрішній опір лужних акумуляторів значно більше, ніж кислотних, завдяки цьому вони краще переносять короткі замикання. Але з тієї ж причини к. П. Д. Лужних акумуляторів (близько 45%) істотно нижче, ніж кислотних, також значно менше їх питома енергія і віддача по ємності (0,65). Тому що стан електроліту у лужних акумуляторів при роботі не змінюється, то знайти їх ступінь заряженно- сти за зовнішніми ознаками не можна. Внаслідок чого за зарядом доводиться дивитися на підставі їх ємності і напруги. При заряді необхідно сказати аккуму кількість електрики It = q істотно більше, ніж його ємність, приблизно в 1,5 рази. Наприклад, акумулятор ємністю 100 а-ч краще заряджати струмом силою в 10 а протягом 15 год.

Срібно-цинкові СЦ батареї є новітніми з числа сучасних акумуляторів. Електролітом в їх служить водний розчин їдкого калі КОН з питомою вагою 1,4, активною речовиною позитивного електрода - окис срібла Ag20, а негативного електрода - цинк Zn. Електроди виготовляються у вигляді пористих пластинок і відокремлюються одна від одної плівковою перегородкою.

Батареї компанії Varta

При розряді акумулятора окис срібла відновлюється до металевого срібла, а залізний цинк окислюється до окису цинку ZnO. Зворотний процес відбувається при заряді акумулятора. Основна хімічна реакція виражається формулою

розряд

AgsO + КОН + Zn < 2Ag + КОН + ZnO.

 заряд

Сталий розрядна напруга становить близько 1,5 в. При маленьких токах розряду цю напругу практично не змінюється протягом приблизно 75- 80% часу роботи акумулятора. Потім воно досить швидко падає і при напрузі 1 в розряд слід припиняти.

Внутрішній опір срібно-цинкових акумуляторів істотно менше, ніж інших лужних акумуляторів. При рівній ємності 1-і значно легше. Вони задовільно працюють як при зниженій (-50 ° С), так і при підвищеній (+75 ° С) температурах. Зрештою, вони допускають величезні розрядні струми. Наприклад, деякі типи таких акумуляторів можна розігріти струмом короткого замикання протягом однієї хвилини.

Вище викладені лише основні відомості по акумуляторів. При практичній роботі з акумуляторами, особливо зі свинцевими, потрібно ретельно робити належні заводські анотації. Порушення їх викликає швидке руйнування акумуляторів.