Стартовая >> Книги >> Оборудование >> Аккумуляторные батареи

Принцип действия аккумулятора - Аккумуляторные батареи

Оглавление
Аккумуляторные батареи
Электрические характеристики аккумуляторных батарей
Принцип действия аккумулятора
Свинцово-кислотные аккумуляторы
Пластины аккумуляторов
Сепараторы для свинцово-кислотных аккумуляторов
Сосуды для свинцово-кислотных аккумуляторов
Сборка для свинцово-кислотных аккумуляторов
Железо–никелевые аккумуляторы
Никель-кадмиевые аккумуляторы
Серебряно-цинковые аккумуляторы
Электролит для свинцовых аккумуляторов
Свойства щелочных электролитов
Приготовление электролита
Источники повреждений аккумуляторных батарей
Заряд аккумуляторных батарей
Зарядные устройства
Ремонт аккумуляторных батарей
Оборудование мастерской по ремонту аккумуляторных батарей
Ремонт
Сборка аккумуляторных батарей
Охрана труда и техника безопасности
Особенности эксплуатации аккумуляторных батарей на электростанциях и подстанциях
Основные сведения по монтажу
Порядок эксплуатации аккумуляторных батарей
Техническое обслуживание аккумуляторных батарей

1.4. Принцип действия аккумулятора

В настоящее время выпускаются следующие типы электрических аккумуляторов: свинцово-кислотные, щелочные железо-никелевые, кадмий-никелевые и серебряно-цинковые аккумуляторы.
Наиболее массовыми типами аккумуляторов являются свинцово-кислотные автомобильные батареи и тяговые щелочные железо-никелевые аккумуляторы. Серебряно-цинковые аккумуляторы находят ограниченное применение из-за дороговизны и дефицитности исходных материалов и сравнительно малого срока службы.
Кислотные аккумуляторы представляют собой сосуд, заполненный электролитом соответствующей плотности, т. е. раствором серной кислоты H2SO4 в дистиллированной воде, в который погружен блок пластин из чистого свинца РЬ и блок пластин из перекиси свинца РЬО2 (рис. 1.7). Вследствие постоянно происходящей диссоциации молекул кислоты в электролите заряженного аккумулятора имеются ионы водорода Н2 (катионы) и ионы кислотного остатка SO4 (анионы). Если пластины аккумулятора замкнуть на некоторое сопротивление, то через него потечет ток. Отрицательно заряженные ионы SO4 будут стремиться к пластинам из чистого свинца, заряженным положительно. Ионы водорода, имеющие положительный заряд, будут стремиться к отрицательным пластинам, содержащим двуокись свинца. Пластины из свинца принято называть отрицательными, а из двуокиси свинца –  положительными.
При разрядке кислотного аккумулятора происходят следующие химические реакции:
у отрицательной пластины
Pb + SO4 = PbS04;
у положительной пластины
РЬО2 + H2+H2SO4=PbSO4+2H2O.
Устройство и принцип действия кислотного аккумулятора
Рис. 1.7. Устройство и принцип действия кислотного аккумулятора.
Из рассмотренных химических реакций видно, что при разрядке кислотных аккумуляторов на всех пластинах выделяется сернокислый свинец PbSO4 и уменьшается концентрация электролита (вследствие диссоциации кислоты и выделения воды).
Сернокислый свинец обладает двумя недостатками. Во-первых, при интенсивном образовании сернокислого свинца возможно коробление или выпучивание пластин, а также «высыпание» из пластин активной массы, так как объем сернокислого свинца больше объема исходных продуктов, из которых он образуется. Во-вторых, сернокислый свинец по истечении некоторого времени кристаллизуется в нерастворимое вещество. Часть пластины, которая оказалась покрытой кристаллизовавшимся сернокислым свинцом, не участвует в химических реакциях. Вследствие этого снижается полезная емкость аккумулятора. Такое явление носит название сульфатации кислотных аккумуляторов. Для того чтобы избежать явления сульфатации, кислотные аккумуляторы не следует хранить в незаряженном состоянии, нельзя допускать недозарядку аккумуляторов. При коротком замыкании в результате бурной химической реакции и интенсивного выделения сернокислого свинца происходит коробление пластин кислотного аккумулятора.
Зарядка аккумуляторов производится от внешнего источника электроэнергии, генератора постоянного тока или выпрямителя. При зарядке к отрицательным пластинам направляются ионы водорода, а к положительным — ионы кислотного остатка. В результате возникают следующие химические реакции:
у отрицательной пластины
PbS04 + H2 = Pb + H2S04;
у положительной пластины
PbS04 + 2 Н20 + S04 = Рb02 + 2 Н2 + 2 H2SO4.
Следовательно, при зарядке аккумуляторов происходит разложение сернокислого свинца на исходные продукты, а также восстановление концентрации электролита. Очевидно, что окончанием зарядки аккумуляторов можно считать такой момент, когда весь сернокислый свинец разложился и концентрация электролита восстановилась до нормальной. При дальнейшей зарядке потребляемая аккумулятором электрическая энергия будет расходоваться на разложение воды, имеющейся в электролите. Вода разлагается на водород и кислород. Кислород, как наиболее активный газ, производит окисление металлов, имеющихся в аккумуляторе. Водород выделяется в атмосферу. Поэтому на поверхности электролита появляются пузырьки, создающие впечатление «кипения» электролита. В смеси с воздухом водород образует взрывчатый гремучий газ, который должен быть немедленно удален из аккумуляторного помещения.
ЭДС не включенного на разрядку кислотного аккумулятора, принимается в среднем равной 2,1 В независимо от размеров аккумулятора.
Напряжение, создаваемое аккумулятором на зажимах, определяется уравнениями:
при разрядке
U = E-IPr;
при зарядке
U=E+Iзар r
где           Е – ЭДС аккумулятора;
Ip,Iзар – соответственно ток разрядки и зарядки аккумулятора;
r  – внутреннее сопротивление аккумулятора.
Кислотные аккумуляторы имеют небольшое внутреннее сопротивление, поэтому напряжение на зажимах аккумулятора незначительно снижается даже при больших токах нагрузки. В среднем сопротивление кислотного аккумулятора составляет 0,005 Ом и является величиной, зависящей от плотности электролита, а также от габаритов аккумуляторов (чем больше габариты, тем меньше сопротивление). С уменьшением плотности электролита, т. е. с увеличением степени разряда, ЭДС кислотных аккумуляторов уменьшается, а внутреннее сопротивление увеличивается. Вследствие этого напряжение аккумулятора в начале разрядки понижается незначительно, а к концу падает быстро.
В настоящее время применяются в основном две разновидности щелочных аккумуляторов: кадмиево-никелевые и железо-никелевые.
Электролитом их является раствор едкого калия КОН в дистиллированной воде (плотность электролита 1,19—1,21). В качестве активной массы положительных пластин служит гидрат окиси никеля Ni(OH)3, а активной массы отрицательных – губчатый кадмий Cd (рис. 1.8).
Устройство и принцип действия щелочного кадмиево-никелевого аккумулятора
Рис. 1.8.  Устройство и  принцип действия  щелочного  кадмиево-никелевого   аккумулятора
При разрядке аккумулятора анионы щелочного остатка ОН стремятся к пластинам из чистого кадмия. Избыточные электроны кислотного остатка направляются во внешнюю цепь и к пластинам из гидрата окиси никеля, где они нейтрализуются катионами калия. Таким путем создается разрядный ток аккумулятора.
При разрядке щелочного аккумулятора происходят следующие химические реакции:
у отрицательной пластины
Cd + 20H = Cd(OH)2;
у положительной пластины
Ni (ОН)3 + К = Ni (OH)a + КОН.
Из данных реакций видно, что при разрядке щелочного аккумулятора кадмий переходит в гидроокись кадмия Cd(OH)2, а трехатомный гидрат окиси никеля Ni(OH)3 – в двухатомную гидроокись никеля Ni(ОН)2. Эти вещества не обладают отрицательными свойствами, поэтому щелочные аккумуляторы не требуют тщательного ухода в эксплуатации, могут быть длительно незаряженными, мало разрушаются при коротких замыканиях.
При зарядке щелочных аккумуляторов катионы калия движутся к отрицательным пластинам, а анионы щелочного остатка – к положительным. При зарядке происходят следующие химические реакции:
у отрицательной пластины
Cd(OH)2 + 2K = 2KOH+Cd;
у положительной пластины
Ni(OH)2 + OH = Ni(OH)3.
При разрядке, и при зарядке щелочных аккумуляторов плотность электролита остается постоянной, так как диссоциация едкого калия на ионы К и ОН компенсируется образованием КОН.
После переработки всех веществ, участвующих в химических реакциях, при зарядке щелочных аккумуляторов происходит разложение воды электролита и «кипение» аккумулятора.



 
« Автоматические устройства по компенсации реактивной мощности   Аппараты распределительных устройств низкого напряжения »
электрические сети