Правила измерения эдс и разряженности акб. Эдс и напряжение свинцового аккумулятора

Аккумулятор (элемент) - состоит из положительных и отрицательных электродов (свинцовых пластин) и сепараторов разделяющих эти пластины, установленных в корпус и погруженных в электролит (раствор серной кислоты). Накопление энергии в аккумуляторе происходит при протекании химической реакции окисления - восстановления электродов.

Аккумуляторная батарея состоит из 2 и более последовательно или (и) параллельно соединенных между собой секций (аккумуляторов, элементов) для обеспечения нужного напряжения и тока. Она способна накапливать, хранить и отдавать электроэнергию, обеспечивать запуск двигателя, а также питать электроприборы при неработающем двигателе.

Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея - аккумуляторная батарея, в которой электроды изготовлены главным образом из свинца, а электролит представляет собой раствор серной кислоты.

Активная масса - это составляющая часть электродов, которая претерпевает химические изменения при прохождении электрического тока во время заряда-разряда.

Электрод - проводящий материал, способный при реакции с электролитом производить электрический ток.

Положительный электрод (анод) - электрод (пластина) активная масса которого у заряженной батареи состоит из двуокиси свинца (PbO2).

Отрицательный электрод (катод) - электрод, активная масса которого у заряженной батареи состоит из губчатого свинца.

Решетка электрода служит для удерживания активной массы, а также для подвода и отвода тока к ней.

Сепаратор - материал, используемый для изоляции электродов друг от друга.

Полюсные выводы служат для подвода зарядного тока и для его отдачи под общим напряжением батареи.

Свинец - (Рb) - химический элемент четвертой группы периодической системы Д. И. Менделеева, порядковый номер 82, атомный вес 207,21, валентность 2 и 4. Свинец - синевато - серый металл, удельный вес его, в твердом виде составляющий 11,3 г/см 3 , уменьшается при расплавлении в зависимости от температуры. Самый пластичный среди металлов, он хорошо прокатывается до тончайшего листа и легко куётся. Свинец легко подвергается механической обработке, относится к числу легкоплавких металлов.

Окси́д свинца́(IV) (диоксид свинца́) PbO 2 представляет собой тёмно-коричневый тяжёлый порошок, имеющий тонкий характерный запах озона .

Сурьма представляет собой металл серебристо-белого цвета с сильным блеском, кристаллического строения. В противоположность свинцу - это твердый металл, но очень хрупкий и легко дробящийся на куски. Сурьма значительно легче свинца, ее удельный вес 6,7 г/см 3 . Вода и слабые кислоты на сурьму не действуют. Она медленно растворяется в крепкой соляной и серной кислотах.

Пробки ячеек закрывают отверстия ячеек в крышке батареи.

Пробка центральной вентиляции служит для перекрытия газоотводного отверстия в крышке батареи.

Моноблок - это полипропиленовый корпус батареи, разделенный перегородками на отдельные ячейки.

Дистиллированная вода доливается в батарею для возмещения ее потерь в результате разложения воды или испарения. Для доливки аккумуляторных батарей следует использовать только дистиллированную воду!

Электролит представляет собой раствор серной кислоты в дистиллированной воде, который заполняет свободные объемы ячеек и проникает в поры активной массы электродов и сепараторов.

Он способен проводить электрический ток между погруженными в него электродами. (Для средней полосы России плотностью 1.27-1.28 г/см3 при t=+20°С).

Малоподвижный электролит: Чтобы снизить опасность от вылившегося из батареи электролита, применяют средства, снижающие его текучесть. К электролиту могут быть добавлены вещества, которые превращают его в гель. Другим способом снижения подвижности электролита является применение стекломатов в качестве сепараторов.

Открытый аккумулятор - аккумулятор, имеющий пробку с отверстием, через которое доливается дистиллированная вода, и удаляются газообразные продукты. Отверстие может быть снабжено системой вентиляции.
Закрытый аккумулятор - аккумулятор, который закрыт в обычных условиях, но имеет устройство, позволяющее выделяться газу, когда внутреннее давление превышает установленное значение. Обычно дополнительная заливка электролита в такой аккумулятор невозможна.
Сухозаряженная батарея - аккумуляторная батарея, хранящаяся без электролита, пластины (электроды) которой находятся в сухом заряженном состоянии.

Трубчатая (панцирная) пластина - положительная пластина (электрод), которая состоит из комплекта пористых трубок, заполненных активной массой.

Предохранительный клапан - деталь вентиляционной пробки, которая позволяет выходить газу в случае избыточного внутреннего давления, но не допускает поступления воздуха в аккумулятор.

Ампер-час (А·ч) - это мера электрической энергии, равная произведению силы тока в амперах на время в часах (емкости).

Напряжение аккумулятора - разность потенциалов между выводами аккумулятора при разряде.
Емкость аккумуляторной батареи - количество электрической энергии, отдаваемой полностью заряженным аккумулятором при его разряде до достижения конечного напряжения.

Внутреннее сопротивление - сопротивление току через элемент, измеренное в Омах. Оно складывается из сопротивления электролита, сепараторов и пластин. Главной составляющей является сопротивление электролита, которое изменяется с изменением температуры и концентрации серной кислоты.

Плотность электролита - э то характеристика физического тела, равная отношению его массы к занимаемому объему. Она измеряется, например, в кг/л или в г/см3.

Срок службы батареи - период полезной работы батареи в заданных условиях.
Газовыделение - газообразование в процессе электролиза электролита.

Саморазряд - самопроизвольная потеря емкости аккумулятором в покое. Скорость саморазряда зависит от материала пластин, химических примесей в электролите, его плотности, от чистоты батареи и продолжительности ее эксплуатации.

ЭДС батареи (электродвижущая сила) - это напряжение на полюсных выводах полностью заряженной аккумуляторной батареи при разомкнутой цепи, т. е. при полном отсутствии токов заряда или разряда.

Цикл - одна последовательность заряда и разряда элемента.

Образование газов на электродах свинцового аккумулятора. Особенно обильно выделяется в конечной фазе заряда свинцового аккумулятора.

Гелевые аккумуляторы - это герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы (не герметичные, т.к. небольшое выделение газов при открытии клапанов все-таки происходит), закрытые, полностью необслуживаемые (недоливаемые) с гелеобразным кислотным электролитом (технологии Dryfit и Gelled Electrolite-Gel).

Технология AGM (Absorbed Glass Mat) - впитывающие прокладки из стекловолокна.

Отдача по энергии - отношение количества энергии, отдаваемой при разряде аккумулятора, к количеству энергии, необходимой для заряда до первоначального состояния при определенных условиях. Отдача по энергии для кислотных аккумуляторов при обычных условиях эксплуатации равна 65%, а для щелочных 55 - 60%.
Энергия удельная - энергия, отдаваемая аккумулятором при разряде в расчете на единицу его объема V или массы m, т. е. W= W/V или W= W/m. Удельная энергия кислотных аккумуляторов равна 7-25, никель-кадмиевых 11-27, никель-железных 20-36, серебряно-цинковых 120-130 Вт*ч/кг.

Короткое замыкание в аккумуляторах происходит при электрическом соединении пластин разной полярности.

ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА

Электродвижущей силой (ЭДС) аккумулятора (Е 0) называют разность его электродных потенциалов, измеренную при разомкнутой внешней цепи в стационарном (равновесном) состоянии, то есть:

Е 0 = φ 0 + + φ 0 - ,

где φ 0 + и φ 0 - соответственно – равновесные потенциалы положительного и отрицательного электродов при разомкнутой внешней цепи, В.

ЭДС батареи, состоящей из n последовательно соединенных аккумуляторов:

Е 0б = n×E 0 .

Электродный потенциал в общем случае определяется, как разность между потенциалом электрода при разряде или заряде и его потенциалом в равновесном состоянии в отсутствие тока. Однако, следует отметить, что состояние аккумулятора сразу после выключения зарядного или разрядного тока не является равновесным, так как концентрация электролита в порах электродов и межэлектродном пространстве неодинакова. Поэтому электродная поляризация сохраняется в аккумуляторе довольно длительное время и после отключения зарядного или разрядного тока. В этом случае она характеризует отклонение электродного потенциала от равновесного значения j 0 за счёт диффузионного выравнивания концентрации электролита в аккумуляторе, от момента размыкания внешней цепи до установления равновесного стационарного состояния.

φ = φ 0 ± ψ

Знак «+» в этом уравнении соответствует остаточной поляризации y после окончания зарядного процесса, знак «–» – после окончания разрядного процесса.

Таким образом, следует различать равновесную ЭДС (E 0 )аккумулятора и неравновесную ЭДС , а точнее НРЦ (U 0 ) аккумулятора в течение времени от размыкания цепи до установления равновесного состояния (период протекания переходного процесса):

E 0 = φ 0 + - φ 0 - = Δφ 0 (12)

U 0 = φ 0 + -φ 0 - ± (ψ + - ψ -) = Δφ 0 ± Δψ (13)

В этих равенствах:

Δφ 0 – разность равновесных потенциалов электродов, (V);

Δψ – разность потенциалов поляризации электродов, (V).

Как указано в разделе 3.1, величину неравновесной ЭДС при отсутствии тока во внешней цепи называют, в общем случае, напряжением разомкнутой цепи (НРЦ).

ЭДС или НРЦ измеряют высокоомным вольтметром (внутреннее сопротивление не менее 300 Ом/В). Для этого вольтметр присоединяют к выводам аккумулятора или батареи. При этом через аккумулятор (батарею) не должен протекать зарядный или разрядный ток.

Если сравнить уравнения (12 и 13), то увидим, что равновесная ЭДС отличается от НРЦ на разность потенциалов поляризации.

Δψ = U 0 - E 0

Параметр Δψ будет положительным после выключения зарядного тока (U 0 > Е 0 ) и отрицательным после выключения разрядного тока (U 0 < Е 0 ). В первый момент после выключения зарядного тока Δψ составляет примерно 0,15-0,2 В на аккумулятор, а после выключения разрядного тока 0,2-0,25 В на аккумулятор в зависимости от режима предшествовавшего заряда или разряда. С течением времени Δψ по абсолютной величине уменьшается до нуля по мере затухания переходных процессов в аккумуляторах, связанных в основном с диффузией электролита в порах электродов и межэлектродном пространстве.

Так как скорость диффузии сравнительно невелика, время затухания переходных процессов может составлять от нескольких часов до двух суток, в зависимости от силы разрядного (зарядного) тока и температуры электролита. Причём снижение температуры влияет на скорость затухания переходного процесса значительно сильнее, так как с понижением температуры ниже нуля градусов (по Цельсию) скорость диффузии снижается в несколько раз.

Равновесная ЭДС свинцового аккумулятора (Е 0 ), как и любого химического источника тока, зависит от химических и физических свойств веществ, принимающих участие в токообразующем процессе, и совершенно не зависит от размеров и формы электродов, а также от количества активных масс и электролита. Вместе с тем, в свинцовом аккумуляторе электролит принимает непосредственное участие в токообразующем процессе на аккумуляторных электродах и изменяет свою плотность в зависимости от степени заряженности аккумуляторов. Поэтому равновесная ЭДС, которая, в свою очередь, является функцией плотности электролита , будет также функцией степени заряженности аккумулятора.

Для вычисления НРЦ по измеренной плотности электролита используют эмпирическую формулу

U 0 = 0,84 + d э

где «d э » – плотность электролита при температуре 25ºС в г/см 3 ;

Когда измерить плотность электролита в аккумуляторах не представляется возможным (например – у открытых батарей исполнения VL без пробок или у закрытых батарей исполнения VRLA), о состоянии заряженности можно судить по величине НРЦ в состоянии покоя, то есть не ранее, чем через 5-6 часов после выключения зарядного тока (остановки двигателя автомобиля). Значение НРЦ для батарей, имеющих уровень электролита, соответствующий требованиям руководства по эксплуатации, с различной степенью заряженности при разных температурах приведено в Табл. 1

Таблица 1

Изменение ЭДС аккумулятора от температуры весьма малозначительно (менее 3·10 -4 В/град) и при эксплуатации аккумуляторных батарей им можно пренебречь.

ВНУТРЕННЕЕ ОПРОТИВЛЕНИЕ

Сопротивление, оказываемое аккумулятором протекающему внутри него току (зарядному или разрядному), принято называтьвнутренним сопротивлением аккумулятора.

Электродвижущая сила.

ЭДС аккумулятора представляет собой разность электродных потенциалов, измеренную при разомкнутой внешней цепи. Электродный потенциал при ра­зомкнутой внешней цепи состоит из равновесного электродного потенциала и потенциала поляризации. Равновесный электродный потенциал характеризует состояние электрода при отсутствии переходных процессов в электрохимиче­ской системе. Потенциал поляризации определяется как разность между потен­циалом электрода при заряде и разряде и его потенциалом при разомкнутой внешней цепи. Электродная поляризация сохраняется в аккумуляторе и при отсутствии тока после отключения на­грузки от зарядного устройства. Это связано с диффузионным процессом выравнивания концентрации электро­лита в порах электродов и пространст­ве аккумуляторных ячеек. Скорость диффузии невелика, поэтому затуха­ние переходных процессов происходит в течение нескольких часов и даже су­ток в зависимости от температуры электролита. Учитывая наличие двух составляющих электродного потенци­ала при переходных режимах, разли­чают равновесную и неравновесную ЭДС аккумулятора.

Равновесная ЭДС свинцового акку­мулятора зависит от химических и фи­зических свойств активных веществ и концентрации их ионов в электролите.

На величину ЭДС влияет плотность электролита и очень незначительно темпе­ратура. Изменение ЭДС в зависимости от;тампературы составляет менее

3·10 -4 В/град. Зависимость ЭДС от плотности электролита в диапазоне 1,05-1,30 г/см 3 выглядит в виде формулы:

где Е - ЭДС аккумулятора, В;

р - приведенная к температуре 5°С плотность электролита, г/см".

С повышением плотности электролита ЭДС возрастает (рис 3.1). При рабочих плотностях электролита 1,07-1,30 г/см 3 ЭДС не дает точного представления о степени разряженности аккумулятора, так как ЭДС разряжен­ного аккумулятора с электролитом большей плотности будет выше.

ЭДС не зависит от количества заложенных в аккумулятор активных матери­алов и от геометрических размеров электродов. ЭДС аккумуляторной батареи увеличивается пропорционально числу последовательно включенных аккуму­ляторов m: Е АКБ = m Е А.

Плотность электролита в порах электродов и в моноблоке одинакова у акку­муляторов, находящихся в состоянии покоя. Этой плотности соответствует ЭДС покоя. Вследствии поляризации пластин и изменения концентрации электроли­га в порах электродов относительно концентрации электролита в моноблоке, ЭДС при разряде меньше, а при заряде больше ЭДС покоя. Основной причиной изменения ЭДС в процессе разряда или заряда является изменение плотности электролита, участвующего в электрохимических процессах.

Рис. 3.1. Изменение равновесной ЭДС и элек­тродных потенциалов свинцового аккумулято­ра в зависимости от плотности электролита:

1- ЭДС; 2 - потенциал положительного электро­да; 3 - потенциал отрицательного электрода.

Напряжение.

Напряжение аккумулятора отличается от его ЭДС на величину падения на­пряжения во внутренней цепи при прохождении разрядного или зарядного то­ка. При разряде напряжение на выводах аккумулятора меньше ЭДС, а при за­ряде больше.

Разрядное напряжение

U p = E – I p · r = E – E n – I p · r o ,

где En - ЭДС поляризации, В;

I р - сила разрядного тока, А;

r- полное внутреннее сопротивление, Ом;

r o - омическое сопротивление аккумулятора, Ом. Зарядное напряжение

U з = E + I з · r = Е + Е n + I з · r o ,

где I з - сила зарядного тока, А.

ЭДС поляризации связана с изменением электродных потенциалов при про­хождении тока и зависит от разности концентраций электролита между элект­родами и в порах активной массы электродов. При разряде потенциалы элект­родов сближаются, а при заряде раздвигаются.

При постоянной силе разрядного то­ка в единицу времени расходуется оп­ределенное количество активных ма­териалов. Плотность электролита уменьшается по линейному закону (рис. 3.2, а). В соответствии с изменением плотности электролита уменьшается ЭДС и напряжение аккумулятора. К концу разряда сернокислый свинец за­крывает поры активного вещества электродов, препятствуя притоку электролита из сосуда и увеличивая электросопротивление электродов.

Равновесие нарушается и напряжение начинает резко падать. Аккумуляторные батареи разряжаются только до конечного напряжения Uк.p., соответствующего перегибу разрядной характеристики Up=f(τ). Разряд прекращается, хотя актив­ные материалы израсходованы не полностью. Дальнейший разряд вреден для аккумулятора и не имеет смысла, так как напряжение становится неустойчивым.

Рис. 3.2 . Характеристики свинцового аккумулятора:

а - разрядная, б - зарядная.

После отключения нагрузки напряжение аккумулятора повышается до значе­ния ЭДС, соответствующего плотности электролита в порах электродов. Затем в течение некоторого времени ЭДС возрастает по мере выравнивания концентра­ции электролита в порах электродов и в объеме аккумуляторной ячейки за счет диффузии. Возможность повышения плотности электролита в порах электродов во время непродолжительного бездействия после разряда используется при пу­ске двигателя. Пуск рекомендуется осуществлять отдельными кратковременны­ми попытками с перерывами в 1-1,5 мин. Прерывистый разряд способствует так­же лучшему использованию глубинных слоев активных веществ электродов.

В режиме заряда (рис. 3.2, б) напряжение Uз на выводах аккумулятора воз­растает вследствие внутреннего падения напряжения и повышения ЭДС при увеличении плотности электролита в порах электродов. При возрастании на­пряжения до 2,3 В активные вещества восстанавливаются. Энергия заряда идет на разложение воды на водород и кислород, которые выделяются в виде пу­зырьков газа. Газовыделение при этом напоминает кипение. Его можно умень­шить за счет снижения к концу разряда величины зарядного тока.

Часть положительных ионов водорода, выделяющихся на отрицательном электроде, нейтрализуются электронами. Избыток ионов накапливается на по­верхности электрода и создает перенапряжение до 0,33 В. Напряжение в конце заряда повышается до 2,6-2,7 В и при дальнейшем заряде остается неизменным. Постоянство напряжения в течение 1-2 ч заряда и обильное газовыделение яв­ляются признаками конца заряда.

После отключения аккумулятора от зарядного устройства напряжение падает до значения ЭДС, соответствующе­го плотности электролита в порах, а затем снижается, пока выравниваются плотности электролита в порах пла­стин и в аккумуляторном сосуде.

Напряжение на выводах аккумуля­торной батареи при разряде зависит от силы разрядного тока и температуры электролита.

При увеличении силы разрядного тока Iр напряжение снижается быст­рее вследствие большей разности концентраций электролита в аккумуляторном сосуде и в порах электродов, а также большего внут­реннего падения напряжения в бата­рее. Все это приводит к необходимости более раннего прекращения разряда батареи. Во избежание образования на электродах крупных нерастворимых кристаллов сульфата свинца разряд батарей прекращают при конечном на­пряжении 1,75 В на одном аккумулято­ре.

При понижении температуры увели­чивается вязкость, удельное электросопротивление электролита и умень­шается скорость диффузии электро­лита из аккумуляторного сосуда в по­ры активных веществ электродов

Внутреннее сопротивление.

Полным внутренним сопротивлением АКБ называют сопротивление, оказываемое прохождению через АКБ постоянного разрядного или зарядного тока:

r = r 0 + E П / I Р = r 0 + r П,

где r 0 – омическое сопротивление электродов, электролита, сепараторов и вспомогательных токоведущих деталей (мосты, борны, перемычки); r П – сопротивление поляризации, которое появляется вследствие изменений электродных потенциалов при прохождении электрического тока.

Рис. 3.3. Зависимость удельной электропро­водности электролита от плотности при тем­пературе 20°С.

Электропро­водность электролита (при постоянной температуре) в значительной степени зависит от его плотности (рис. 3.3). Поэтому при прочих равных условиях лучшими пусковыми свойствами обладают аккумуляторы с плотностью электролита 1.2 – 1.3 г/см 3 .

Если замкнуть внешнюю цепь заря­женного аккумулятора, появится элек­трический ток. При этом происходят сле­дующие реакции:

у отрицательной пластины

у положительной пластины

где е - заряд электрона, равный

На каждые две молекулы расходуе­мой кислоты образуются четыре моле­кулы воды, но в то же время расходуют­ся две молекулы воды. Поэтому в итоге имеет место образование только двух молекул воды. Складывая уравнения (27.1) и (27.2), получаем реакцию разряда в окончательном виде:

Уравнения (27.1) - (27.3) следует чи­тать слева направо.

При разряде аккумулятора на пласти­нах обеих полярностей образуется сульфат свинца. Серная кислота расхо­дуется как у положительных, так и у отри­цательных пластин, при этом у поло­жительных пластин расход кислоты больше, чем у отрицательных. У поло­жительных пластин образуются две мо­лекулы воды. Концентрация электро­лита при разряде аккумулятора сни­жается, при этом в большей мере она снижается у положительных пластин.

Если изменить направление тока че­рез аккумулятор, то направление хими­ческой реакции изменится на обратное. Начнется процесс заряда аккумулятора. Реакции заряда у отрицательной и поло­жительной пластин могут быть пред­ставлены уравнениями (27.1) и (27.2), а суммарная реакция - уравнением (27.3). Эти уравнения следует теперь читать справа налево. При заряде сульфат свинца у положительной пластины вос­станавливается в перекись свинца, у от­рицательной пластины - в металличе­ский свинец. При этом образуется серная кислота и концентрация электролита повышается.

Электродвижущая сила и напря­жение аккумулятора зависят от мно­жества факторов, из которых важней­шими являются содержание кислоты в электролите, температура, ток и ею направление, степень заряженности. Связь между электродвижущей силой, напряжением и током может быть запи-

сана следующим образом:

при разряде

где Е 0 - обратимая ЭДС; E п - ЭДС по­ляризации; R - внутреннее сопротивле­ние аккумулятора.

Обратимая ЭДС - это ЭДС идеаль­ного аккумулятора, в котором устра­нены все виды потерь. В таком аккумуля­торе энергия, полученная при заряде, полностью возвращается при разряде. Обратимая ЭДС зависит только от со­держания кислоты в электролите и темпе­ратуры. Она может быть определена аналитически, исходя из теплоты образо­вания реагирующих веществ.

Реальный аккумулятор находится в условиях, близких к идеальным, если ток ничтожно мал и продолжитель­ность его прохождения также мала. Такие условия можно создать, если уравновесить напряжение аккумулятора некоторым внешним напряжением (эта­лоном напряжения) с помощью чувстви­тельного потенциометра. Напряжение, измеренное таким образом, называется напряжением при разомкнутой цепи. Оно близко к обратимой ЭДС. В табл. 27.1 приведены значения этого напряжения, соответствующие плотности электро­лита от 1,100 до 1,300 (отнесены к тем­пературе 15°С) и температуре от 5 до 30 °С.

Как видно из -таблицы, при плотности электролита 1,200, обычной для стацио­нарных аккумуляторов, и температуре 25 °С напряжение аккумулятора при разомкнутой цепи равно 2,046 В. В про­цессе разряда плотность электролита несколько снижается. Соответствующее снижение напряжения при разомкнутой цепи составляет всего несколько сотых долей вольта. Изменение напряжения при разомкнутой цепи, вызванное измене­нием температуры, ничтожно мало и представляет скорее теоретический ин­терес.

Если через аккумулятор проходит некоторый ток в направлении заряда или разряда, напряжение аккумулятора изменяется вследствие внутреннего па­дения напряжения и изменения ЭДС, вызванного побочными химическими и физическими процессами у электродов и в электролите. Изменение ЭДС акку­мулятора, вызванное указанными необ­ратимыми процессами, называется по­ляризацией. Основными причинами поляризации в аккумуляторе являются изменение концентрации электролита в порах активной массы пластин по отно­шению к концентрации его в осталь­ном объеме и вызываемое этим изме­нение концентрации ионов свинца. При разряде кислота расходуется, при заряде образуется. Реакция происходит в порах активной массы пластин, и приток или удаление молекул и ионов кислоты происходит через диффузию. Последняя может иметь место только при наличии некоторой разности концентраций элек­тролита в области электродов и в осталь­ном объеме, которая устанавливается в соответствии с током и температурой, определяющей вязкость электролита. Изменение концентрации электролита в порах активной массы вызывает измене­ние концентрации ионов свинца и ЭДС. При разряде вследствие понижения концентрации электролита в порах ЭДС уменьшается, а при заряде вследствие повышения концентрации электролита ЭДС повышается.

Электродвижущая сила поляризации направлена всегда навстречу току. Она зависит от пористости пластин, тока и

температуры. Сумма обратимой ЭДС и ЭДС поляризации, т. е. Е 0 ± Е п , представ­ляет собой ЭДС аккумулятора под током или динамическую ЭДС. При разряде она меньше обратимой ЭДС, а при заряде - больше. Напряже­ние аккумулятора под током отличается от динамической ЭДС только на значе­ние внутреннего падения напряжения, которое относительно мало. Следова­тельно, напряжение аккумулятора под током также зависит от тока и темпе­ратуры. Влияние последней на напряже­ние аккумулятора при разряде и заряде значительно больше, чем при разомкну­той цепи.

Если разомкнуть цепь аккумулятора при разряде, напряжение его медленно увеличится до напряжения при разомкну­той цепи вследствие продолжающейся диффузии электролита. Если разомкнуть цепь аккумулятора при заряде, напряже­ние его медленно уменьшится до напря­жения при разомкнутой цепи.

Неравенство концентраций электро­лита в области электродов и в остальном объеме отличает работу реального акку­мулятора от идеального. При заряде аккумулятор работает так, как если бы он содержал очень разбавленный элек­тролит, а при заряде - очень концентри­рованный. Разбавленный электролит все время смешивается с более концентри­рованным, при этом некоторое коли­чество энергии выделяется в виде тепла, которое при условии равенства кон­центраций могло бы быть использовано. В результате энергия, отданная акку­мулятором при разряде, меньше энергии, полученной при заряде. Потеря энергии происходит вследствие несовершенства химического процесса. Этот вид потерь является основным в аккумуляторе.

Внутреннее сопротивление аккумуля­ тора. Внутреннее сопротивление сла­гается из сопротивлений каркаса пластин, активной массы, сепараторов и электро­лита. Последнее составляет большую часть внутреннего сопротивления. Со­противление аккумулятора увеличивает­ся при разряде и уменьшается при заряде, что является следствием изменения кон­центрации раствора и содержания суль-

фата в активной массе. Сопротивле­ние аккумулятора невелико и заметно лишь при большом разрядном токе, когда внутреннее падение напряжения достигает одной или двух десятых долей вольта.

Саморазряд аккумулятора. Самораз­рядом называется непрерывная потеря химической энергии, запасенной в акку­муляторе, вследствие побочных реакций на пластинах обеих полярностей, вызван­ных случайными вредными примесями в использованных материалах или при­месями, внесенными в электролит в про­цессе эксплуатации. Наибольшее практи­ческое значение имеет саморазряд, выз­ванный присутствием в электролите различных соединений металлов, более электроположительных, чем свинец, на­пример меди, сурьмы и др. Металлы вы­деляются на отрицательных пластинах и образуют со свинцом пластин мно­жество короткозамкнутых элементов. В результате реакции образуются свин­цовый сульфат и водород, который выде­ляется на металле загрязнения. Самораз­ряд может быть обнаружен по легкому выделению газа у отрицательных пластин.

На положительных пластинах само­разряд происходит также вследствие обычной реакции между свинцом осно­вы, перекисью свинца и электролитом, в результате которой образуется суль­фат свинца.

Саморазряд аккумулятора проис­ходит всегда: как при разомкнутой цепи, так и при разряде и заряде. Он зависит от температуры и плотности электролита (рис. 27.2), причем с повыше­нием температуры и плотности электро­лита саморазряд увеличивается (потеря заряда при температуре 25 °С и плотности электролита 1,28 принята за 100%). По­теря емкости новой батареи вследствие саморазряда составляет около 0,3% в сутки. С возрастом батареи саморазряд увеличивается.

Ненормальная сульфатация пластин. Свинцовый сульфат образуется на пластинах обеих полярностей при каж­дом разряде, что видно из уравнения реакции разряда. Этот сульфат имеет

тонкое кристаллическое строение и за­рядным током легко восстанавливается в металлический свинец и перекись свин­ца на пластинах соответствующей по­лярности. Поэтому сульфатация в этом смысле - нормальное явление, состав­ляющее неотъемлемую часть работы аккумулятора. Ненормальная сульфата­ция возникает, если аккумуляторы под­вергаются чрезмерному разряду, систе­матически недозаряжаются или остают­ся в разряженном состоянии и бездейст­вии в течение длительного времени, а также если они работают с чрезмерно высокой плотностью электролита и при высокой температуре. В этих условиях тонкий кристаллический сульфат стано­вится более плотным, кристаллы растут, сильно расширяя активную массу, и трудно восстанавливаются при заряде вследствие большого сопротивления. Если батарея находится в бездействии, образованию сульфата способствуют колебания температуры. При повышении температура мелкие кристаллы суль­фата растворяются, а при последующем ее понижении сульфат медленно вы­кристаллизовывается и кристаллы рас­тут. В результате колебаний температу­ры крупные кристаллы образуются за счет мелких.

У сульфатированных пластин поры закупорены сульфатом, активный мате­риал выдавливается из решеток и пласти­ны часто коробятся. Поверхность суль­фатированных пластин становится жест­кой, шероховатой, и при растирании

материала пластин между пальцами ощущается как бы песок. Темно-корич-невые положительные пластины стано-вятся светлее, и на поверхности высту-пают белые пятна сульфата. Отрицательные пластины становятся твердыми, желовато-серыми. Емкость сульфатиро-шнного аккумулятора понижается.

Начинающаяся сульфатация может быть устранена длительным зарядом лалым током. При сильной сульфатации необходимы особые меры для приведе-гая пластин в нормальное состояние.

Страница 2 из 26

1.3. Основные электрические характеристики аккумуляторных батарей

Электродвижущая сила и напряжение . Электродвижущей силой (ЭДС) называется разность потенциалов положительного и отрицательного электродов аккумулятора при разомкнутой внешней цепи.
Величина ЭДС зависит, главным образом, от электродных потенциалов, т. е. от физических и химических свойств веществ, из которых изготовлены пластины и электролит, но не зависит от размеров пластин аккумулятора.
ЭДС кислотного аккумулятора зависит также от плотности электролита. Теоретически и практически установлено, что ЭДС аккумулятора с достаточной для практики точностью можно определить по формуле
Е=0,85 + g,
где g– плотность электролита при 15°С, г/см 3 .
Для кислотных стартерных аккумуляторов, в которых плотность электролита колеблется в пределах от 1,12 до 1,29 г/см 3 , ЭДС изменяется соответственно от 1,97 до 2,14 В.
Измерить ЭДС с абсолютной точностью почти невозможно. Однако для практических целей ЭДС приблизительно и достаточно точно можно измерить вольтметром, имеющим высокое внутреннее сопротивление (не менее 1000 Ом на 1 В). При этом через вольтметр будет проходить ток незначительной величины.
Напряжением аккумулятора называется разность потенциалов положительных и отрицательных пластин при замкнутой внешней цепи, в которую включен какой-либо потребитель тока, т. е. при прохождении тока через аккумулятор. При этом показания вольтметра при измерении напряжения всегда будут меньше, чем при замере ЭДС, и эта разность будет тем больше, чем больший ток проходит через аккумулятор.
ЭДС и напряжение зависят от ряда факторов. ЭДС изменяется от плотности и температуры электролита. Напряжение в свою очередь зависит от ЭДС, величины разрядного тока (нагрузки) и внутреннего сопротивления аккумулятора.
Зависимость ЭДС аккумулятора от плотности электролита (концентрации раствора Н2SО4) приведена ниже:

Плотность электролита при 25°С,
г/см 3 .................................... 1,05 1,10 1,15 1,20 1,25 1,28 1,30
Н2SО4, %............................. 7,44 14,72 21,68 27,68 33,8 37,4 39,7
ЭДС аккумулятора, в.......... 1,906 1,960 2,005 2,048 2,095 2,125 2,144
Из этой зависимости видно, что с увеличением концентрации серной кислоты ЭДС также увеличивается. Отсюда, однако, не следует, что для получения большей ЭДС можно чрезмерно увеличивать плотность электролита. Установлено, что стартерные аккумуляторные батареи достаточно хорошо работают тогда, когда плотность электролита в них составляет 1,27 – 1,29 г/см 3 .Кроме того, электролит плотностью 1,29 г/см 3 имеет самую низкую точку замерзания.
При изменении температуры электролита ЭДС аккумулятора также меняется. Так, с изменением температуры электролита от +20°С до -40°С ЭДС аккумулятора снижается с 2,12 до 2,096 в. В значительно большей степени с изменением температуры электролита меняется напряжение, так как оно зависит не только от ЭДС, но и от внутреннего сопротивления аккумулятора, которое с понижением температуры значительно возрастает.
Между ЭДС, напряжением, внутренним сопротивлением и величиной разрядного тока существует следующая зависимость:
U=Е-Ir,
где U – напряжение;
Е – э. д. с. аккумулятора;
I – величина разрядного тока;
r – внутреннее сопротивление аккумулятора.
Из этой формулы видно, что при постоянном значении ЭДС, измеряемой при разомкнутой цепи, напряжение аккумулятора падает по мере увеличения отдаваемого в процессе разряда тока.
Внутреннее сопротивление. Внутреннее сопротивление аккумулятора сравнительно мало, но в тех случаях, когда аккумуляторная батарея разряжается силой тока большой величины, например, при пуске двигателя стартером, внутреннее сопротивление каждого аккумулятора имеет очень существенное значение.
Внутреннее сопротивление складывается из сопротивления электролита, сепараторов и пластин. Главной составляющей является сопротивление электролита, которое изменяется с изменением температуры и концентрации серной кислоты.
Зависимость удельного сопротивления электролита плотностью 1,30 г/см 3 от температуры показана ниже:

Температура, °С Удельное сопротивление электролита Ом·см
+ 40 0,89
+ 25 1,28
+ 18 1,46
0 1,92
– 18 2,39
Как видно из приведенных данных, с понижением температуры электролита от +40°С до -18°С удельное сопротивление возрастает в 2,7 раза. Наименьшее значение удельного сопротивления имеет электролит плотностью 1,223 г/см 3 при 15°С (30%-ный раствор Н2SО4 по весу).
Вторым составляющим сопротивления в аккумуляторе является сопротивление сепараторов. Оно зависит в основном от их пористости. Сепараторы изготавливают из электроизолирующего материала, поры которого заполнены электролитом, что и обусловливает электропроводимость сепаратора.
В связи с этим можно было бы предположить, что с изменением температуры сопротивление сепаратора будет изменяться в той же пропорции, что и сопротивление электролита, но это не совсем так. Некоторые виды сепараторов, например, сепараторы из микропористого эбонита (мипора) не чувствительны к изменению температуры.
Третьим фактором, входящим в общую сумму внутреннего сопротивления элемента, служит активная масса и решетки положительных и отрицательных пластин.
Сопротивление губчатого свинца отрицательной пластины незначительно отличается от сопротивления материала решетки, в то время как сопротивление перекиси свинца положительной пластины превышает сопротивление решетки в 10000 раз. В отличие от сопротивления электролита сопротивление решетки уменьшается с понижением температуры. Но ввиду того, что сопротивление электролита во много раз больше сопротивления пластин, то уменьшение их сопротивления с понижением температуры весьма незначительно компенсирует общее снижение сопротивления электролита.
На сопротивление пластин влияет степень заряженноcти аккумуляторной батареи. В процессе разряда сопротивление пластин возрастает, так как сернокислый свинец, образующийся на положительных и отрицательных пластинах, почти не проводит электрический ток.
По сравнению с другими типами аккумуляторов кислотные аккумуляторы имеют сравнительно малое внутреннее сопротивление, что и определяет их широкое применение в качестве стартерных батарей на автомобильном транспорте.
Емкость. Емкостью аккумулятора называется количество электричества, которое может отдать полностью заряженный аккумулятор при заданном режиме разряда, температуре и конечном напряжении. Емкость измеряют в ампер-часах и определяют по формуле
C=Iptp,
где С – емкость, а·ч;
Ip – сила разрядного тока, а;
tp – время разряда, ч.
Величина емкости аккумуляторной батареи в основном определяется следующими факторами: режимом разряда (величиной разрядного тока), концентрацией электролита и температурой. Аккумуляторы при форсированных режимах разряда отдают емкость меньше, чем при разряде более длительными режимами (небольшой величиной тока).
Снижение емкости при форсированных режимах разряда происходит по следующим причинам.
В процессе разряда превращение активной массы пластин сернокислый свинец происходит не только на поверхности пластин, но и внутри них. Если разряд осуществляют током небольшой силы и медленно, то электролит успевает проникать в глубокие слои активной массы, а вода, образующаяся в результате реакции в порах, успевает смешаться с основной массой электролита. При форсированных режимах разряда концентрация серной кислоты в электролите внутри пластин значительно снижается, свежий электролит не успевает проникнуть в глубь активной массы, реакция идет в основном на поверхности пластин, так как поры закупориваются и внутрилежащие слои активной массы почти не принимают участия в реакции. При этом в результате значительного увеличения внутреннего сопротивления аккумулятора напряжение на его зажимах резко падает.
Однако после того как аккумулятор будет разряжен при форсированном режиме, после небольшого перерыва его снова можно разряжать. Это служит наглядным подтверждением того, что снижение емкости в аккумуляторе при разряде большой величиной силы тока происходит в результате неполного использования активной массы пластин.
Кроме величины разрядного тока, на емкость аккумулятора значительно влияет концентрация электролита, которая определяет потенциал пластин, электрическое сопротивление электролита и его вязкость, влияющую в свою очередь на способность проникания электролита в глубокие слои активной массы пластин.
В процессе разряда плотность электролита уменьшается и в конце разряда к активной массе пластин поступает недостаточное количество кислоты, в результате чего напряжение аккумулятора падает и дальнейший его разряд становится невозможным. Чем больше разница между концентрациями электролита, находящегося вне пластин, и электролита, находящегося в порах активной массы, тем интенсивнее происходит процесс проникновения кислоты в поры пластин. В этом отношении применение электролита с большей плотностью, казалось бы, должно увеличить емкость. Но в действительности чрезмерно большая плотность не ведет к увеличению емкости, так как увеличение плотности электролита неизбежно приводит к повышению вязкости электролита, в результате чего процесс проникновения электролита в глубину активной массы пластин ухудшается, и напряжение на зажимах аккумулятора падает.
Установлено, что наибольшую емкость имеет аккумуляторная батарея с плотностью электролита 1,27 – 1,29 г/см 3 .
Емкость аккумуляторной батареи зависит также от температуры. С понижением температуры емкость снижается, а с повышением увеличивается. Это объясняется тем, что с понижением температуры увеличивается вязкость электролита, в результате чего он поступает к пластинам в недостаточном количестве.
Значения вязкости электролита плотностью 1,223 г/см 3 в зависимости от температуры приведены ниже:
Температура, °С............ +30 +25 +20 +10 0 – 10 – 20 – 30
Абсолютная вязкость,
пз(пуаз)....................... 1,596 1,784 2,006 2,600 3,520 4,950 7,490 12,200
Емкость положительных и отрицательных пластин с изменением температур изменяется не в одинаковой степени. Если при обычной температуре емкость элемента лимитируется положительными пластинами, то при низких температурах – отрицательными, так как при понижении температуры емкость отрицательной пластины уменьшается в значительно большей степени, чем положительной.
В последнее время емкость аккумуляторных батарей при низких температурах удалось значительно повысить за счет применения более тонких синтетических сепараторов с высокой пористостью (до 80%) и присадок, так называемых расширителей, к активной массе отрицательных пластин, которые придают ей большую пористость.
Помимо режима разряда, концентрации электролита и температуры емкость аккумуляторной батареи зависит от срока ее службы, от срока хранения, в течение которого батарея бездействовала, от наличия вредных примесей и т. д. Емкость новой аккумуляторной батареи, поступающей в эксплуатацию, первое время (в течение гарантийного срока службы) повышается, так как происходит формирование пластин, после чего на протяжении определенного периода остается постоянной и затем начинает постепенно падать. Потеря емкости аккумуляторной батареей в конце срока службы объясняется уменьшением пористости отрицательных пластин и выпадением активной массы положительных пластин.
Если заряженная батарея продолжительное время бездействовала, то при ее разряде отданная емкость будет значительно меньше. Это объясняется естественным явлением саморазряда при бездействии батареи.