Лекция 7.

· Аккумуляторы

Аккумулятором называют химический источник тока многократного действия. При разряде аккумулятора химическая энергия активных веществ, входящих в состав катода, анода и электролита, преобразуется в электрическую энергию, при этом активные вещества превращаются в продукты разряда. При заряде аккумулятора подводимая электрическая энергия расходуется на регенерацию продуктов разряда.

В зависимости от состава электролита аккумуляторы бывают кислотными и щелочными.

В кислотных аккумуляторах электролитом служит водный раствор серной кислоты (Н₂SO₄), в котором некоторая часть молекул последней распадается на положительные ионы водорода (Н₂+) и отрицательные ионы кислотного остатка (SO₄--). При этом раствор в целом остаётся электрически нейтральным.

При погружении в электролит пластины из чистого свинца положительные ионы (Pb++) переходят в раствор электролита. Часть этих ионов, вступая в реакцию с ионами кислотного остатка, образуют нейтральные молекулы сульфата свинца (PbSO₄), оседающего на пластине, что повышает концентрацию положительных ионов водорода в электролите. Сама пластина ввиду избытка электронов заражает отрицательно (отрицательный электрод).

Если в электролит погрузить вторую пластину из диоксида свинца (PbO₂), то ввиду повышенной концентрации ионов водорода диоксид свинца частично переходит в раствор, образуя положительные четырёхвалентные ионы свинца (Pb++++) и отрицательные ионы гидроксида (НО-). Сама пластина из-за избытка положительных ионов свинца заряжается положительно (положительный электрод). Повышение концентрации серной кислоты увеличивает потенциалы положительного и отрицательного электродов относительно электролита.

Электродвижущая сила Е такого простейшего аккумулятора определяется разностью равновесных потенциалов положительного и отрицательного электродов относительно электролита и не зависит от размеров и конструкции самих электродов.

При подключении к аккумулятору нагрузки под действием ЭДС во внешней цепи будет протекать ток, обусловленный перемещением электронов от отрицательного электрода, присоединяя на свой внешний энергетический уровень по два электрона, становятся двухвалентными ионами, которые, вступая в реакцию с отрицательными ионами кислотного остатка, образуют молекулы сульфата свинца. При уменьшении числа электронов на отрицательном электроде нарушается равновесное состояние, в результате чего новые положительные ионы свинца (Рb++) переходят в раствор электролита и вступают в реакцию с ионами кислотного остатка. Ток внутри аккумулятора обусловлен перемещением положительных ионов водорода к положительному электроду. При этом в результате взаимодействия ионов водорода с отрицательными ионами гидроксида образуются молекулы воды. Следовательно, при разряде аккумулятора на обоих электродах выделяется сульфат свинца и уменьшается плотность электролита. При заряде аккумулятора сульфат на одном электроде превращается в свинец, а на другом – в диоксид свинца РbО₂, причём концентрация Н₂SO₄ в электролите повышается.

Протекающие в кислотных аккумуляторах обратимые процессы можно изобразить следующим образом: Pb+РbО₂+2H₂SO₄Û 2PbSO₄+2H₂O. При разряде равновесие сдвигается слева направо, а при заряде справа налево. Кроме того, при заряде на отрицательном электроде возможно восстановление ионов водорода и образование газообразного водорода.

Электродвижущая сила полностью заряженного кислотного аккумулятора, зависящая от плотности электролита, лежит в пределах 2, 06…2, 15 В. плотность электролита заряженного аккумулятора составляет 1, 21…1, 3 г/см³. Верхний уровень плотности относится к стартерным аккумуляторам, эксплуатируемым в зимнее время. Изменение температуры незначительно влияет на ЭДС. Повышение температуры на 10°C увеличивает ЭДС на 0, 002…0, 003 В.

При разряде аккумулятора напряжение между его выводами всегда меньше ЭДС за счёт падения напряжения на омическом сопротивлении и поляризации электродов. Омическое сопротивление аккумулятора, представляющее собой сумму омических сопротивлений электролита, электродов и других токоведущих частей, не зависит от силы разрядного тока. Под поляризации электрода понимают разность между потенциалом электрода относительно электролита при разряде (или заряде) и его значением при равновесии. Отношение суммы поляризации положительного и отрицательного электродов к силе разрядного тока называется поляризационным сопротивлением. Это сопротивление зависит от силы тока. Внутреннее сопротивление аккумулятора при разряде r_р представляет собой сумму поляризационного и омического сопротивлений.

Поляризация аккумулятора связана, прежде всего, с изменением плотности электролита непосредственно у электродов, так как образование сульфата свинца, имеющего существенно больший объём по сравнению со свинцом или диоксидом свинца, затрудняет диффузию серной кислоты к активной массе электродов. Уменьшение плотности электролита непосредственно у пластин тем больше, чем больше разрядный ток. Кривые изменения напряжения во времени при разряде и заряде неизменным током показаны на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Напряжение и ЭДС кислотного аккумулятора при разряде и заряде.

Как видно из рис. 1.3, разрядное напряжение быстро спадает до 2, 0 В, затем медленно понижается до 1, 8 В, после чего наблюдается резкое снижение напряжения. Предельное значение разрядного напряжения, до которого можно разряжать аккумулятор стационарного типа, составляет 1, 8 В для режимов разряда не короче одночасового (аккумуляторов типа СН для режимов разряда не короче трёхчасового) и 1, 75 В для более коротких режимов разряда. Дальнейший разряд приводит к образованию крупнокристаллического сульфата свинца на пластинах, что исключает возможность последующего эксплуатационного заряда аккумулятора. Номинальным напряжением принято считать напряжение 2, 0 В.

Количество электричества (А× ч), которое может отдать полностью заряжённый аккумулятор при нормальных условиях разряда, указанных для него, называется номинальной ёмкостью.

Под номинальной ёмкостью стационарных аккумуляторов, применяемых на предприятиях связи, понимают то количество электричества, которое он может отдать при 10 – часового режима разряда (СЦ) неизменном токе и температуре электролита +25°С (для аккумуляторов типа СН принята температура +20°С). Величина тока 10 - часового режима разряда численно равна частному от деления номинальной ёмкости на 10.

Ёмкость аккумулятора зависит от его конструкции, количества активных материалов и режима разряда (тока разряда и температуры окружающей среды). При увеличении разрядного тока ёмкость, которую может отдать аккумулятор до достижения его предельного разрядного напряжения, уменьшается, так как при этом возрастают его поляризации и омические потери (например, для аккумулятора типа СН номинальной ёмкостью С₁₀=72 А× ч при часовом режиме разряда током 18 А завод – изготовитель гарантирует ёмкость С₃=54 А× ч). Поляризация и омическое сопротивление аккумулятора возрастают также с понижением температуры электролита.

Под удельной ёмкостью аккумулятора понимают отношение его номинальной ёмкости к объёму или массе. Под энергией аккумулятора А понимают произведение его ёмкости С на среднее напряжение при разряде U_cp(A=Cu_cp). Отношение энергии аккумулятора, которую он отдаёт при разряде, к энергии, необходимой для его заряда А₃ при определённых условиях, называется отдачей по энергии (КПД аккумулятора).

При заряде кислотного аккумулятора неизменным по величине током напряжение его сравнительно быстро возрастает до 2, 10…2, 15 В (рис. 1.3). Затем напряжение медленно растёт до 2, 3…2, 35 В по мере восстановления активной массы пластин и повышении плотности электролита. При напряжениях выше 2, 4…2, 5 В начинается бурное выделение водорода и кислорода, связанное с электролизом воды. К концу заряда, когда восстановление активных масс пластин закончено, энергия заряда расходуется только на электролиз воды. При этом напряжение на аккумуляторе остаётся неизменным.

Температура электролита существенно влияет на напряжение во время его заряда. Понижение температуры, вызывающее увеличение его внутреннего зарядного сопротивления, приводит к повышению напряжения на нём. Следует отметить, что при низких температурах (близких к нулевой) не удаётся осуществить заряд кислотного аккумулятора, так как напряжение на нём сразу возрастает до значения, при котором начинается электролиз воды.

В отключённом состоянии (без нагрузки) заряженный аккумулятор теряет часть запасной им ёмкости. Это явление носит название саморазряда. Саморазряд аккумулятора увеличивается с повышением плотности электролита и его температуры.

На предприятиях связи в настоящее время находят широкое применение, как стационарные кислотные аккумуляторы, так и стартёрные.

Каждый кислотный аккумулятор состоит из сосуда, изготовленного из кислотоустойчивого материала (стекло, пластмасса, деревянные сосуды, выложенные внутри свинцом), положительного и отрицательного электродов (пластин), разделителей между ними – сепаратов, электролита и токоведуших частей.

В стационарных аккумуляторах открытого типа С и СК, не имеющих крышек, электролит непосредственно соприкасается с окружающим воздухом. Такие аккумуляторы требуют частой доливки воды и хорошо вентилируемого помещения. Положительными электродами в них служат поверхностные пластины, т.е. работающие за счёт своего поверхностного слоя. Такой электрод состоит из свинцовой пластины, на поверхности которой электрически формируется слой активной массы (PbO₂). Для увеличения активной поверхности положительные пластины имеют ребристую форму. Отрицательными электродами в этих аккумуляторах служат коробчатые пластины. Пластины этого типа представляют собой решётку, в ячейках которой помещается активная масса. Для предотвращения выпадания активной массы из ячеек пластины закрываются перфорированными свинцовыми листами.

В стационарных аккумуляторах закрытого типа положительные и отрицательные электроды представляют собой пастированные пластины (аккумуляторы типа СН). В пастированных электродах активная масса удерживается в решётке из свинцово-сурьмяного сплава толщиной 1…4 мм. Аккумулятор типа СН имеет в крышке специальную пробку, задерживающую аэрозоли серной кислоты.

В аккумуляторах несколько отрицательных пластин соединяют параллельно. Между ними помещают положительные пластины, также соединённые параллельно. Параллельное соединение одноимённых пластин позволяет увеличить ёмкость аккумулятора. Каждая группа положительных и отрицательных пластин работает как одна пластина, площадь которой равна сумме площадей, проницаемых для раствора электролита (из вулканизированного каучука – ми пор, поливинилхлорида – ми пласт и стекловолокна).

В условных обозначениях стационарных аккумуляторов открытого типа буква С обозначает «стационарный», две буквы СК указывают, что аккумуляторы пригодны для коротких режимов разряда большими токами. Число, стоящее после букв, указывает номер аккумулятора (С10=5328 А× ч). минимальное время разряда аккумуляторов типа СК составляет 0, 5 ч. при этом разрядный ток не должен превышать 25 А. на номер аккумулятора. Следовательно, допустимый разрядный ток аккумулятора СК-148 при длительности разряда 0, 5 ч составит 148х25=3700 А, а ёмкость, которую он при этом может отдать, С0, 5=0, 5х3700=1850 А× ч. удельная энергия аккумуляторов типа С и СК составляет 10…23 Втч/кг. Промышленность выпускает аккумуляторы типа С и СК ёмкостью от 36 до 5328 А× ч (45 типов).

В условном обозначении аккумуляторов закрытого типа СН, выпускаемых в Югославии цифры указывают не номер аккумулятора, а непосредственно его номинальную ёмкость С10 (аккумуляторы типа СН72…СН-1152). Эти аккумуляторы имеют несколько лучшие удельные показатели по сравнению с аккумуляторами типа СК и также пригодны для коротких режимов разряда.

В настоящее время на предприятиях связи применяется в основном один способ эксплуатации батарей, составленных из аккумуляторов типа С, СК и СН – непрерывный подзаряд. При этом способе эксплуатации в условиях нормального электроснабжения (при наличии сети переменного тока) аппаратура питается от этих выпрямительных устройств. Полностью заряженная аккумуляторная батарея получает непрерывный подзаряд от этих выпрямительных устройств или от отдельного стабилизированного выпрямительного устройства (для компенсации саморазряда). Напряжение содержания (непрерывного подзаряда) аккумуляторной батареи определяется в зависимости от числа последовательно соединённых аккумуляторов из условия обеспечения напряжения 2, 2 В±2% на аккумулятор. При этом ток подзаряда I£ 0, 03N (А), где N - индексный номер аккумулятора.

В настоящее время в основном применяются послеаврийный (после её разряда на нагрузку) заряд батарей в две степени. На первой ступени заряд осуществляется стабильным зарядным током Iзар< 0, 25xC10 до тех пор, пока напряжение на аккумуляторе не повысится до 2, 30…2, 35 В. На этой ступени заряда аккумулятор получает основной заряд энергии. Вторая ступень заряда происходит при стабильном напряжении 2, 2 В на аккумулятор. Заряд считается законченным, когда зарядный ток спадает до 0, 02…0, 03 А на индексный номер аккумулятора.

В переносной аппаратуре связи, а также на сельских АТС небольшой ёмкости, применяются щелочные аккумуляторы, которые в отличие от кислотных, могут эксплуатироваться при низких отрицательных температурах окружающей среды.

Наибольшее применение находят щелочные никель-кадмиевые (НК) и никель-железные (НЖ) аккумуляторы. Активная масса положительных электродов состоит из гидроксида никеля (Ni Ooh), активная масса отрицательных электродов – соответственно из кадмия или железа. Электролитом служит раствор гидроксида калия КОН плотностью 1190…1210 кг/м³ с добавкой 20 г/л гидроксида лития (LiOH). Ёмкость КН-аккумуляторов при температуре – 20°С составляет не менее 0, 6 номинальной ёмкости.

НК и НЖ-аккумуляторы чаще всего выполняются с ламельными электродами. Ламели – плоские коробочки из стальной никелированной перфорированной ленты, в которые набивают активную массу. Ламели закрепляют в рамки. Они образуют пластины электродов. Аккумуляторы, помещённые либо в стальные никелированные, либо в полиэтиленовые сосуды, представляют собой аккумуляторы закрытого типа (подобно кислотным аккумуляторам типа СН). В аппаратуре связи находят применение также герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы без ламельными электродами. Герметичные аккумуляторы разделяют на дисковые (обозначаются Д), цилиндрические (ЦНК) и удельными значениями ёмкости и энергии, меньшим значением внутреннего сопротивления. Однако по сроку службы они уступают ламельным аккумуляторам.

Электродвижущая сила щелочных аккумуляторов ниже, чем у кислотных, у полностью заряженного КН-аккумулятора ЭДС составляет 1, 30...1, 35 В; у НЖ-аккумулятора – 1, 35…1, 40 В. Кривые изменения напряжения на зажимах КН-аккумулятора при его разряде и заряде показаны на рис 1.4.

Рис. 1.4. Напряжение щелочного

аккумулятора при разряде и заряде.

Номинальное напряжение КН-аккумулятора составляет 1, 2 В, напряжение в конце разряда – 1 В, конечное напряжение заряда – 1, 75…1, 8 В.

НЖ-аккумуляторы, по сравнению с никель-кадмиевыми, характеризуются большим внутренним сопротивлением, меньшими удельными ёмкостью и энергией и большим саморазрядом. Кроме того, заряд НЖ-аккумуляторов должен производиться относительно большими зарядными токами, что делает их непригодными для эксплуатации в режиме непрерывного подзаряда.

В современной технике находят применение щелочные серебряно-цинковые аккумуляторы, активными веществами в которых являются оксид серебра (AgO) и цинк, электролитом – раствор КОН. СЦ-аккумуляторы характеризуются высокой удельной энергией (до 130 Вт× ч/кг), малым внутренним сопротивлением (тысячные доли ома) и малым саморазрядом. Номинальное их напряжение равно 1, 5 В. недостатками СЦ-аккумуляторов являются высокая стоимость и малый срок службы (10…100 циклов заряда – разряда).