5. Источники повреждений
Чаще всего источниками повреждений батарей являются:
Перезаряд. Перезаряд вызывает чрезмерное газообразование, разрушающее активный материал пластин, в особенности положительных. Оползая вниз в промежутках между сепараторами и пластинами, этот материал оседает на дне сосуда в виде тонкого коричневого осадка. Перезаряд повышает также температуру батареи, которая может вырасти до такой степени, что она становится разрушительной как для пластин, так и для сепараторов. Отдельные случаи коробления пластин также могут быть отнесены за счет перезаряда, хотя последний и не является единственной причиной коробления.
Перезаряд, сопровождаемый чрезмерным выделением газов, вызывает бесполезную потерю воды, требуя постоянного наблюдения за тем, чтобы электролит поддерживался в элементе на должном уровне. Периодический перезаряд действует благоприятно, но когда он становится обычным, он уменьшает срок службы батареи.
Недозаряд. Постоянный недозаряд батареи вызывает постепенную порчу элементов. Это обнаруживается благодаря прогрессирующему уменьшению удельного веса и несколько более светлой окраске пластин. Материал, осаждающийся на дне сосуда при систематической недозарядке, представляет собой обычно тонкий белый порошок, состоящий главным образом из сульфатасвинца. Часть этого вещества осаждается всякий раз, когда элемент заряжается вновь. Последствие систематического недозаряда обычно состоит в том, что один или несколько элементов истощаются раньше других и в ряде случаев могут вывести из строя и эти последние. Если это случилось, то наилучшим средством явится заряд батареи, продолжающийся до тех пор, пока все элементы снова будут доведены до нормального состояния. Недостаточный заряд является одной из самых обычных причин коробления пластин. Сульфат свинца занимает больший объем, чем основной материал, и избыток его вызывает деформацию пластин.
Коррозия зажимов. Корродированные зажимы часто препятствуют достаточной отдаче тока батареей. Причиной этого являются продукты коррозии, отлагающиеся слоем между зажимом и зажатым соединением и не проводящие электрического тока. Образовавшаяся планка обыкновенно не мешает заряду батарей или использованию их для горения лампочек автомобиля, но она оказывает очень большое сопротивление при прохождении сильных токов, требуемых в период пуска. Продукты коррозии должны быть удалены промывкой соответствующих частей разбавленным раствором аммиака для нейтрализации кислоты с последующей смазкой вазелином.
Треснувшие или разбитые сосуды. Треснувшие или разбитые баки закрытых батарей обычно узнаются по утечке электролита через ящик или же, если трещина мала, то по повышенному сравнительно с другими элементами количеству воды, которое периодически приходится добавлять в них. В этом случае электролит элемента все более разбавляется водой, что приводит к уменьшению емкости элемента. Течь баков в конечном итоге приводит к разрушению деревянного ящика, в котором помещены элементы. Как только в баке обнаружено повреждение, его следует сменить и в конце полного заряда довести удельный вес электролита в батарее до требующейся нормы.
Трещины в перегородках между элементами в батареях, заключенных в моноблоки из пластмассы, обусловливают постенный разряд одного или двух элементов, утечка тока в этом случае происходит через электролит. Это чаше всего наблюдается у батарей, проработавших 18 мес. и больше.
Первым симптомом такого повреждения обычно является неспособность батареи держать заряд и различие в степени заряда отдельных элементов. Моноблоки, имеющие трещины, должны быть заменены.
Короткие замыкания. Короткие замыкания внутри элемента могут возникнуть в результате повреждения одного или нескольких сепараторов между положительными и отрицательными пластинами при накоплении осадка на дне сосуда или, вредких случаях, благодаря образованию над верхушками сепараторов древовидных наростов (дендритов) свинца, которые могут вызывать соединение отрицательных пластин с положительными. Дендриты могут получиться в результате двух причин: 1) частицы массы, поднятые газами во время заряда, осаждаются на верхних кромках пластин и образуют мостики поверх сепараторов; 2) наросты могут вызываться также присутствием в материале решеток некоторых примесей, например, кадмия, способствующих образованию этих наростов в боковой и нижней части элемента.
Решетки из чистого свинца также имеют тенденцию к образованию древовидных наростов в направлении от отрицательных пластин к положительным. Присутствие сурьмы в материале решетки нейтрализует эту тенденцию.
Если сепараторы становятся более тонкими и в них образуются отверстия, то для выяснения причин износа их следует высушить. Если после высушивания сепараторы приобретут серебристый оттенок, то причиной неисправности является марганец.
Признаки короткого замыкания внутри батарей; а) непрерывное уменьшение удельного веса, несмотря на то, что батарея получает нормальный заряд; 6) быстрая потеря емкости после полного заряда; в) низкое напряжение в разомкнутой цепи.
Для исправления повреждения необходимо разобрать элементы, удалить накопившийся на дне сосуда осадок и заменить негодные сепараторы новыми. Осадок на дне сосуда является металлическим проводником, и если его накопилось столько, что он достает до края пластин, то неизбежно короткое замыкание.
Изношенные пластины. Изношенные пластины обычно узнаются по заметному уменьшению емкости батареи, несмотря на то, что она получает нормальную зарядку. Если концентрация раствора в элементах быстро поднимается до своей нормальной величины при заряде элементов и в то же время при разряде можно получить лишь небольшую емкость, то ясно, что батарея изношена. Это может быть или следствием возврата или же плохого качества материала, употребленного на изготовление пластин. Здесь нет других средств, кроме смены пластин.
Пониженный уровень электролита. Если уровень электролита в течение продолжительного времени остается ниже верхней части пластин, то возникает ненормальное сульфатирование (рис. 5.1), искривляющее пластины. Это является обычно результатом небрежности в добавлении воды для возмещения потерь ее путем испарения. Если только это вредное действие не зашло слишком далеко, то достаточно наполнить элементы водой до требуемого уровня и предоставить батарее продолжать ее нормальную работу.
Ни при каких обстоятельствах не следует добавлять электролит, если только заведомо не известно, что имели место потери электролита из элемента. Во всяком случае кислота, добавляемая в элементы должна быть разбавленной. После доливки электролита следует включить на заряд; концентрация электролита должна быть доведена до нормы ранее окончания заряда.
Рис. 5.1. Искривленные пластины
Замерзание. В некоторых случаях замерзание может стать весьма гибельным для пластин, однако все же нельзя считать, что оно непременно должно повредить батарею. При замерзании кристаллы воды выделяются из электролита. Они производят некоторое расширение активного материала пластин, особенно тогда, когда поры пластин закупорены сульфатом свинца, образовавшимся в результате продолжительного стояния батареи в разряженном состоянии. Пластины при этом могут искривиться, а активный материал выпасть из решетки. Опыты с небольшими пластинами, заряженными полностью и доведенными до температуры ниже криогидратной точки, при которой вся масса электролита переходит в твердое состояние, не показали никакого вредного действия на пластины. Однако в обычных условиях замерзание возможно только в разряженных батареях; в этом случае замерзание электролита может вызвать разрушение пластин.
Загрязнения электролита. Загрязнения в электролите могут получиться или от примесей, которые первоначально имелись в серной кислоте или пластинах, или же они появляются позже случайно, например, при пользовании не вполне чистой водой для возмещения ее потерь через испарение или при заряде. Аккумуляторные батареи в особенности чувствительны к некоторым видам загрязнений. Самой обычной металлической примесью в электролите аккумуляторных батарей является железо. Оно вызывает разряд пластин, окисляясь до окисного состояния у положительных пластин и восстанавливаясь до закисного состояния у отрицательных. В течение этого процесса железо переносится от одной пластины к другой, но не отлагается ни на одном из электродов. Если только количество примесей в электролите не слишком значительно, они обычно могут быть удалены, если вылить электролит из всех элементов и сполоснуть их дистиллированной водой, которую также нужно вылить. После этого элементы заполняются свежим разбавленным электролитом, который затем, в конце полной зарядки, приводится к требующемуся удельному весу.
Рис. 5.2. Выкрашивание активной массы положительной пластины в результате неправильной намазки
Выкрашивание активного материала. Одним из дефектов пластин является выкрашивание из них частей активного материала, как это показано на рис.5.2. Это явление, наблюдаемое очень часто у положительных пластин, но встречающееся также и у отрицательных, может быть вызвано различными причинами. из которых наиболее обычны следующие: активный материал не имеет достаточно хорошего контакта с решеткой; пластина была слишком густо намазана пастой и поверхность ее была вздута образовавшимися во время заряда газами; активный материал был слишком жестким и потрескался, когда пластина высыхала или же после формирования; активный материал растрескался вследствие чрезмерной сульфатации. В большинстве случаев причина повреждения лежит в самой пластине. Единственно надежным выходом из положения является замена испорченных пластин другими, более высокого качества.
Сульфатация. Слово «сульфатация» применялось в различных смыслах, что приводило к некоторой путанице. Вообще говоря, оно означает образование сульфата свинца на поверхности и в порах активного материала пластин. Образование сульфата является естественной частью процесса разряда. Этот сульфат тонко кристалличен и легко восстанавливается зарядным током. Сульфатация в этом смысле, составляя необходимую часть работы батареи, не является источником повреждения.
Но свинцовый сульфат может образоваться также и в результате местного действия или саморазряда пластин. Сульфатация может быть также вызвана паразитными токами или действием кислотного раствора на материалы пластин. Интенсивность, с которой протекает сульфатация, в этом случае зависит от концентрации и температуры электролита. Будет ошибкой добавлять кислоту в элемент, если только к концу заряда не установлена действительная необходимость такой добавки; в противном случае удельный вес в конце заряда становится ненормально высоким, и тогда можно ожидать лишь усиления сульфатации. При должном внимании сульфат свинца, образующийся в результате местных реакций, легко устраняется действием зарядного тока, несмотря на то, что его кристаллы, по всей вероятности, более крупные, чем те, которые образуются в результате разряда батареи. Некоторые из примесей в электролите увеличивают скорость сульфатации пластин.
Третье и возможно наиболее распространенное значение термина «сульфатация» применяется в случае образования больших кристаллов и даже корки сульфата свинца; такая сульфатация является результатом небрежности или неправильного ухода за батареей. Чрезмерное сульфатирование этого рода трудно устраняется и может испортить пластины (рис. 5.3).
Когда поры пластин закупориваются сульфатом, активный материал может .быть выдавлен из решеток, а пластины при этом искривляются. Активный материал положительных пластин, подвергшихся сульфатации, часто приобретает светлую окраску, причем появляются белые пятна сульфата. Однако окраска не всегда является надежным признаком. Она может быть совсем темной, и о наличии избытка сульфата можно узнать лишь по жесткой шероховатой поверхности и по своеобразному ощущению при растирании материала между пальцами, сходному с аналогичным ощущением от песка. Сульфатированные отрицательные пластины также жестки, расширены и песчанисты. Они не дают ясной металлической черты, если по прочертить ножом. Сульфатация этого рода является результатом небрежности, например: а) или батарея стояла в течение значительного времени в разряженном состоянии; б) или не делались исправления, хотя наличие повреждения внутри элементов было очевидным; в) или элементы наполнялись электролитом, когда требовалась доливка кодой; г) или батарея работала при чрезмерно высоких температурах; д) или, наконец, батарея систематически недозаряжалась. Чрезмерного сульфатирования можно избежать при надлежащем внимании к делу, и, несомненно, склонность свинцовых батарей к сульфатированию сильно преувеличивается благодаря неправильному их «лечению», которое в действительности часто лишь усиливает повреждение.
Когда батарея стоит в разряженном состоянии, то сульфат как будто бы твердеет и становится более плотным. Полагали, что здесь происходят молекулярные изменения, но для этого не найдено прямого подтверждения. Кристаллы сульфата растут, сильно расширяя активный материал, и в этом состоянии их крайне трудно восстановить зарядным током. Так как сульфат свинца трудно растворим в сернокислотном электролите и его растворимость возрастает с повышением температуры, то температурные колебания, которым подвергается батарея в период бездействия, могут играть значительную роль в образовании этого твердого сульфата.
Рис. 5.3. Сульфатация верхней части отрицательной пластины показывает влияние слишком низкого уровня электролита
Когда температура батареи возрастает хотя бы слегка, то небольшие кристаллы сульфата свинца растворяются. Когда же температура снова падает, свинцовый сульфат медленно выкристаллизовывается, при этом некоторые из кристаллов, без сомнения увеличивают свои начальные размеры; кроме того, росту кристаллов, как это хорошо известно, способствует медленная кристаллизация. В результате таких температурных изменений крупные кристаллы вырастают за счет более мелких. Рис. 5.4 изображает разрезы положительных и отрицательных пластин, которые стояли в разряженном состоянии в течение двух лет. Пластины увеличены для того, чтобы показать образовавшиеся кристаллы. У положительной пластины кристаллы крупнее, чем у отрицательной; это, вероятно, произошло оттого, что они росли более медленно. Части активного материала были при этом вытеснены, положительная решетка лопнула.
Рис. 5.4. Последствия чрезмерной сульфитации пластин, находившихся в течение двух лет в разряженном состоянии.
а — трещина в решетке положительной пластины; б — выпадение активной массы из решетки отрицательной пластины; в—увеличенное изображение кристаллов сульфата на положительной пластине; г — увеличенное изображение кристаллов сульфата на отрицательной пластине.
Для исправления сульфатированных пластин предлагались различные средства. Однако самым простым и действенным средством в таком случае будет следующая обработка: выливают электролит из элемента и наполняют его водой; после того как батарея простоит так около часа, ее можно начать заряжать слабым током при условии, что напряжение на зажимах элементов вначале будет меньше 2,3 в на элемент. Сопротивление батареи вначале будет высоким и, следовательно, ток очень слабым, но если напряжение на зажимах будет поддерживаться постоянным, то сила тока будет возрастать с одновременным уменьшением количества сульфата. В этих условиях ток будет использоваться в той мере, в какой элементы способны подвергаться заряду; процесс будет становиться более или менее автоматическим, нужно только следить за температурой и выключать батарею или ослаблять ток, как только температура достигает 43° С. Заряд можно производить также методом постоянной силы тока, но при условии малой его величины. По мере заряда элементов налитая в них вода превращается в раствор серной кислоты и становится возможным вести наблюдения за возрастанием удельного веса. Если конечный удельный вес после продолжительного заряда остается неизменным, не достигая, однако, требуемой величины, то следует добавить электролит. Нередко случается, что удельный вес электролита после заряда в чистой воде поднимается выше нормального, например, до 1,30; это служит явным доказательством того, что в свое время в элементы добавлялась кислота тогда, когда этого не следовало делать и когда они нуждались только в воде.
Коррозия решетки. Это явление наблюдается у положительных пластин. Повреждение начинается с того, что вдоль ребер решетки появляются полосы сульфата. Активный материал изолируется от решетки и не может быть заряжен. Это явление может быть результатом усадки активного материала при высыхании пасты, если неправильно был рассчитан ее состав, или же может быть вызвано действием органических веществ, или же некоторых кислот, присутствующих в виде примесей в электролите. Таковы, например азотная, соляная и уксусная кислоты. В таких условиях пластины не могут удовлетворительно работать и должны быть заменены новыми. Коррозия, признаками которой являются хрупкие решетки с размягченным материалом у положительных пластин и грубым песчанистым – у отрицательных, объясняется чрезмерно высокой плотностью электролита или же повышенной температурой, превосходящей допустимую.
В худших случаях наступает формирование решетки. Она частично превращается в двуокись свинца и становится весьма хрупкой; активный материал остается совершенно разряженным, и пластина распадается на куски.
Перемена полярности. Перемена полярности может быть вызвана переразрядом элемента, обладающего недостаточной емкостью и соединенного с другими элементами большей емкости и более полно заряженными; вообще, однако, она является результатом заряда батареи в ошибочном направлении, причем в этом случае полярность изменяется во всех элементах. После такого заряда активный материал становится на ощупь грубым. Пластина, частично переполюсованная, содержит как положительную, так и отрицательную активную массу и подвержена сильному местному саморазряду. Иногда перемена полярности отрицательных поверхностных пластин используется для того, чтобы восстановить их емкость. Губчатый свинец этих пластин с течением времени сжимается и твердеет, причем пластина теряет значительную часть своей емкости. Обратив ее в положительную и затем снова восстановив ее в отрицательную, можно в значительной степени увеличить емкость пластины. Перемена полярности в элементах с пастированными пластинами нежелательна.
Рост положительных пластин. Положительные поверхностные пластины в процессе работы постепенно теряют активный материал, одновременно с чем идет образование нового активного материала. Если этот процесс протекает на поверхности пластины беспорядочно, то так как двуокись свинца занимает больший объем, чем свинец, из которого она образуется, это вызывает рост и искривление пластин. Другой причиной роста считают сжатие, которому подвергаются свинцовые листы, когда они прокатываются. Встречаются пластины, выросшие на несколько сантиметров в длину и несколько меньше в ширину.
Усадка отрицательных пластин. Поверхность отрицательных пластин в течение процесса заряда и разряда находится в состоянии непрерывного изменения, в результате которого губчатый свинец затвердевает и сжимается. Это имеет следствием уменьшение емкости. Чтобы противодействовать сжатию, в пасту отрицательных пластин во время их изготовления добавляют расширители. Активный материал поверхностных пластин также подвергается усадке, теряя емкость. Предложен был ряд рецептов для того, чтобы задержать этот процесс, в том числе пользуются иногда и переменой полярности, как об этом уже сказано выше.
