Принцип работы свинцового аккумулятора

Свинцовые аккумуляторы являются вторичными химическими источниками тока, которые могут использоваться многократно. Активные материалы, израс­ходованные в процессе разряда, восстанавливаются при последующем заряде.

Простейший аккумулятор состоит из емкости с помещенными в нее двумя свинцовыми пластинами, не соприкасающимися друг с дру­гом. В сосуд заливается электролит, состоящий из дистиллированной воды с добавлением химически чистой серной кислоты в определен­ной пропорции. Уровень электролита должен превышать высоту пла­стин, что обеспечивает полное использование их поверхности. Подго­товленный таким образом аккумулятор заряжается от источника по­стоянного тока − генератора путем соединения одной пластины с по­ложительным, а другой − с отрицательным полюсом (рис. 2, а).

При прохождении тока через пластины и электролит (заряд) в аккумуляторе происходит процесс преобразования электрической энергии в химическую, что выражается в образовании налета актив­ной массы на поверхности пластин. На положительной пластине образуется перекись свинца коричневого цвета, а на отрицательной − губчатый свинец серого цвета. При этом плотность электролита зна­чительно увеличивается − аккумулятор зарядился. Напряжение за­ряженного аккумулятора составляет 2 В.

При включении в цепь аккумулятора какого-либо потребителя (лампы) происходит обратный процесс превращения химической энергии в электрическую, и аккумулятор постепенно разряжается. При этом активная масса на той и другой пластинах превращается в сернокислый свинец (рис. 2, б ), а плотность электролита уменьша­ется. После полного разряда аккумулятор снова заряжается и работо­способность его восстанавливается.

Для увеличения емкости аккумулятора (запаса электроэнергии)
в нем устанавливают большое количество решетчатых пластин, запол­ненных активной массой и составляющих два полублока (рис. 2, в).
При этом для изоляции между положительными и отрицательными
пластинами устанавливаются сепараторы.

Аккумуляторная батарея состоит из шести свинцово-кислотных двухвольтовых аккумуляторов, соединенных между собой последо­вательно, что обеспечивает получение в электрической цепи рабоче­го напряжения 12 В, необходимого для питания всех потребителей на автомобиле.

Рассмотрим более поле подробно работу аккумулятора. Аккумулятор представляет собой совокупность реагентов (окислителя и восстановителя) и электролита. Восстановитель (отрицательный электрод) электрохимической системы в процессе токообразующей реакции от­дает электроны и окисляется, а окислитель (положительный электрод) восста­навливается. Электролит обладает хорошей ионной и малой электронной проводимостью.

В свинцовом аккумуляторе в токообразующих процессах участвуют двуокись свинца (диоксид свинца) РbО₂ (окислитель) положительного электрода, губча­тый свинец Рb (восстановитель) отрицательного электрода и электролит (вод­ный раствор серной кислоты Н₂S0₄). Активные вещества электродов предста­вляют собой относительно жесткую пористую электронопроводящую массу с диаметром пор 1, 5 мкм у РbО₂ и 5-10 мкм у губчатого свинца. Объемная пори­стость активных веществ в заряженном состоянии - около 50%.

Часть серной кислоты в электролите диссоциирована на положительные ио­ны водорода Н⁺ и отрицательные ионы кислотного остатка . Губчатый сви­нец при разряде аккумулятора выделяет в электролит положительные ионы двухвалентного свинца Рb²⁺. Избыточные электроны отрицательного электрода по внешнему участку замкнутой электрической цепи перемещаются к положи­тельному электроду, где восстанавливают четырехвалентные ионы свинца Рb⁴⁺ до двухвалентного свинца Рb²⁺. Положительные ионы свинца Рb²⁺ соединяются с отрицательными ионами кислотного остатка , образуя на обоих электро­дах сернокислый свинец Рb S0₄ (сульфат свинца).

Рис. 2. Принцип действия аккумулятора: а − заряд; б − разряд; в − полублоки отрицательных и положительных пластин; 1 − ба­ретка полублока отрицательных пластин; 2 − отрицательные пластины; 3 − положитель­ные пластины; 4 − сепараторы

При подключении аккумулятора к зарядному устройству электроны движутся к отрицательному электроду, нейтрализуя двухвалентные ионы свинца Рb²⁺. На электроде выделяется губчатый свинец Рb. Отдавая под влиянием напряжения внешнего источника тока по два электрона, двухвалентные ионы свинца Рb²⁺ у положительного электрода окисляются в четырехвалентные ионы Рb⁴⁺. Через промежуточные реакции ионы Рb⁴⁺ соединяются с двумя ионами кислорода и образуют двуокись свинца РbО_2.

Химические реакции в свинцовом аккумуляторе описываются уравнением:

Содержание в электролите серной кислоты и плотность электролита умень­шаются при разряде и увеличиваются при заряде. По плотности электролита судят о степени разряженности свинцового аккумулятора:

где Δ С_р - степень разряженности аккумулятора, %;

р₃и р_р - плотность электролита соответственно полностью заряженного и полностью разряженного аккумулятора при температуре 25°С, г/см²;

р₂₅- измеренная плотность электролита, приведенная к температуре 25°С, г/см³.