Свинцово-кислотная батарея

Свинцово-кислотная батарея

Свинцово-кислотный автомобильный аккумулятор
Удельная энергия	35–40 Втч / кг [1]
Плотность энергии	80–90 Втч / л [1]
Удельная мощность	180 Вт / кг [2]
Эффективность заряда / разряда	50–95% [3]
Энергия / потребительская цена	От 7 ( sld ) до 18 ( fld ) Вт-ч / долл. США [4]
Скорость саморазряда	3–20% / мес [5]
Долговечность цикла	<350 циклов [6]
Номинальное напряжение ячейки	2,1 В [7]
Температурный интервал зарядки	Мин. −35 ° C, макс. 45 ° С

Свинцово-кислотная батарея была изобретена в 1859 году французский физик Гастон Планте и ранний тип аккумуляторной батареи . Несмотря на очень низкое отношение энергии к весу и низкое отношение энергии к объему, его способность обеспечивать высокие импульсные токи означает, что элементы имеют относительно большое отношение мощности к весу . Эти особенности, наряду с их низкой стоимостью, делают их привлекательными для использования в автомобилях, поскольку они обеспечивают высокий ток, необходимый для стартеров .

Поскольку они недороги по сравнению с более новыми технологиями, свинцово-кислотные батареи широко используются, даже когда импульсный ток не важен, а другие конструкции могут обеспечить более высокую плотность энергии . В 1999 г. на долю продаж свинцово-кислотных аккумуляторов приходилось 40–45% стоимости аккумуляторов, проданных во всем мире (за исключением Китая и России), что эквивалентно рыночной стоимости производства около 15 миллиардов долларов. ^[8] Свинцово-кислотные широкоформатные конструкции широко используются для хранения в резервных источниках питания в вышках сотовой связи , в местах с высокой доступностью, таких как больницы, и автономных энергосистемах . Для этих ролей можно использовать модифицированные версии стандартной ячейки, чтобы сократить время хранения и снизить требования к обслуживанию. Гель-клетки иВ этих ролях широко используются абсорбированные стекломаты , известные под общим названием VRLA (свинцово-кислотные батареи с клапанным регулированием) .

В заряженном состоянии химическая энергия аккумулятора сохраняется в разности потенциалов между чистым свинцом на отрицательной стороне и PbO ₂ на положительной стороне плюс водная серная кислота. Электрическая энергия , производимое выписывание свинцово-кислотная батарея может быть отнесена к энергии , высвобождаемой , когда сильные химические связи воды ( Н ₂ О ) молекулы образуются из Н ⁺ ионов в кислоте и О ^2- ионов PbO ₂ . ^[9] И наоборот, во время зарядки аккумулятор действует как устройство для разделения воды.

История [ править ]

Французский ученый Николя Готеро заметил в 1801 году, что провода, которые использовались для экспериментов по электролизу, сами обеспечивали небольшое количество «вторичного» тока после отключения основной батареи. ^[10] В 1859 году свинцово-кислотная батарея Гастона Планте была первой батареей, которую можно было перезарядить, пропустив через нее обратный ток. Первая модель Планте состояла из двух свинцовых листов, разделенных резиновыми полосками и свернутых по спирали. ^[11] Его батареи впервые были использованы для питания фонарей в вагонах поездов, когда он остановился на станции. В 1881 году Камилла Альфонс Форизобрел улучшенную версию, которая состояла из решетки сетки свинца, в которую была вдавлена ​​паста оксида свинца, образуя пластину. Такую конструкцию было проще производить в серийном производстве. Первым производителем (с 1886 г.) свинцово-кислотных аккумуляторов был Анри Тюдор . ^{[ необходима цитата ]}

В этой батарее вместо жидкости используется гелевый электролит, что позволяет использовать батарею в разных положениях без утечки. Батареи с гелевым электролитом для любого положения были впервые использованы в 1930-х годах, а в конце 1920-х годов портативные радиоприемники-чемоданы допускали вертикальное или горизонтальное (но не перевернутое) расположение элементов из-за конструкции клапана. ^[12] В 1970-х годах была разработана свинцово-кислотная батарея с регулируемым клапаном (VRLA, или «герметичная»), включая современные типы абсорбирующего стекломата (AGM), позволяющие работать в любом положении.

В начале 2011 года было обнаружено, что свинцово-кислотные батареи действительно используют некоторые аспекты относительности для работы, и в меньшей степени жидкометаллические и солевые батареи, такие как Ca-Sb и Sn-Bi, также используют этот эффект. ^{[13] [14]}

Электрохимия [ править ]

Выписка [ править ]

В разряженном состоянии как положительная, так и отрицательная пластины становятся сульфатом свинца (II) ( PbSO
₄), и электролит теряет большую часть растворенной серной кислоты и становится в основном водой. Процесс разряда обусловлен выраженным снижением энергии, когда 2 H ⁺ (водн.) (Гидратированные протоны) кислоты реагируют с ионами O ² - PbO 2 с образованием прочных связей OH в H ₂ O (примерно -880 кДж. на 18 г воды). ^[9] Этот высокоэргонический процесс также компенсирует энергетически невыгодное образование ионов Pb ²⁺ (aq) или сульфата свинца ( PbSO
₄(s)). ^[9]

Отрицательная реакция пластины

Pb (s) + HSO^-
₄(водн.) → PbSO
₄(s) + H⁺
(водн.) + 2e ^-

Освобождение двух проводящих электронов дает свинцовому электроду отрицательный заряд.

По мере накопления электронов они создают электрическое поле, которое притягивает ионы водорода и отталкивает ионы сульфата, что приводит к образованию двойного слоя у поверхности. Ионы водорода экранируют заряженный электрод от раствора, что ограничивает дальнейшую реакцию, если заряд не может вытекать из электрода.

Положительная реакция пластины

PbO
₂(s) + HSO^-
₄(водн.) + 3 H⁺
(водн.) + 2e ^- → PbSO
₄(s) + 2 H
₂О (л)

используя металлическую проводимость PbO2.

Полная реакция может быть записана как

Pb (s) + PbO
₂(s) + 2 H
₂ТАК
₄(водн.) → 2 PbSO
₄(s) + 2 H
₂О (л) ${\ Displaystyle E_ {ячейка} ^ {\ circ} = 2,05 {\ текст {V}}}$

Чистая энергия, выделяемая на моль (207 г) Pb (ов), преобразованного в PbSO
₄(s), составляет ок. 400 кДж, что соответствует образованию 36 г воды. Сумма молекулярных масс реагентов составляет 642,6 г / моль, поэтому теоретически ячейка может производить два фарада заряда (192 971 кулон ) из 642,6 г реагентов, или 83,4 ампер-часов на килограмм (или 13,9 ампер-часов на килограмм для 12-вольтовый аккумулятор). Для 2-вольтового элемента это составляет 167 ватт-часов на килограмм реагентов, но на практике свинцово-кислотный элемент дает только 30-40 ватт-часов на килограмм батареи из-за массы воды и других составляющих. части.

Зарядка [ править ]

В полностью заряженном состоянии отрицательная пластина состоит из свинца, а положительная пластина - из диоксида свинца . В растворе электролита более высокая концентрация водной серной кислоты, которая хранит большую часть химической энергии.

Избыточная зарядка с высоким зарядным напряжением генерирует газообразный кислород и водород в результате электролиза воды , которая пузырится и теряется. Конструкция некоторых типов свинцово-кислотных аккумуляторов позволяет проверять уровень электролита и доливать чистую воду для замены всего, что было потеряно таким образом.

Влияние уровня заряда на точку замерзания [ править ]

Из -за понижения точки замерзания электролит с большей вероятностью замерзнет в холодной среде, когда аккумулятор имеет низкий заряд и, соответственно, низкую концентрацию серной кислоты.

Ионное движение [ править ]

Во время разряда H⁺
образующийся на отрицательных пластинах перемещается в раствор электролита и затем расходуется на положительных пластинах, в то время как HSO^-
₄расходуется на обеих пластинах. Во время зарядки происходит обратное. Это движение может быть электрически управляемым потоком протонов или механизмом Гроттуса , или за счет диффузии через среду, или за счет потока среды жидкого электролита. Поскольку плотность электролита выше, чем выше концентрация серной кислоты, жидкость будет циркулировать за счет конвекции . Следовательно, элемент с жидкой средой имеет тенденцию к быстрой разрядке и быстрой зарядке более эффективно, чем аналогичный гелевый элемент.

Измерение уровня заряда [ править ]

Поскольку электролит принимает участие в реакции заряда-разряда, эта батарея имеет одно важное преимущество перед другими химическими элементами: относительно просто определить состояние заряда, просто измерив удельный вес электролита; удельный вес падает по мере разряда батареи. Некоторые конструкции батарей включают простой ареометр, использующий цветные плавающие шары разной плотности . При использовании на дизель-электрических подводных лодках удельный вес регулярно измерялся и записывался на доске в диспетчерской, чтобы указать, как долго лодка может оставаться под водой. ^[15]

Напряжение холостого хода аккумулятора также можно использовать для измерения степени заряда. ^[16] Если соединения с отдельными ячейками доступны, то может быть определено состояние заряда каждой ячейки, что может дать представление о состоянии батареи в целом, в противном случае может быть оценено общее напряжение батареи. .

Напряжения для общего использования [ править ]

Зарядка IUoU аккумуляторов - это трехступенчатая процедура зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов. Номинальное напряжение свинцово-кислотного аккумулятора составляет 2 В на каждую ячейку. Для одиночного элемента напряжение может варьироваться от 1,8 В при полной нагрузке до 2,10 В в разомкнутой цепи при полной зарядке.

Напряжение холостого хода варьируется в зависимости от типа батареи (например, залитые элементы, гелеобразный электролит, абсорбированный стекломат ) и колеблется от 1,8 В до 2,27 В. Напряжение выравнивания и напряжение зарядки для сульфатированных элементов может варьироваться от 2,67 В до почти 3 В. ^{[ 17]} (только до тех пор, пока не будет протекать зарядный ток) ^{[18] [19]} Конкретные значения для данной батареи зависят от конструкции и рекомендаций производителя и обычно даются при базовой температуре 20 ° C (68 ° F), что требует приспособление к окружающим условиям.

Строительство [ править ]

Тарелки [ править ]

Свинцово-кислотный элемент можно продемонстрировать с помощью листовых свинцовых пластин для двух электродов. Однако такая конструкция дает всего около одного ампера для пластин размером примерно с открытку и всего в течение нескольких минут.

Гастон Планте нашел способ обеспечить гораздо большую эффективную площадь поверхности. В конструкции Планте положительная и отрицательная пластины были сформированы из двух спиралей свинцовой фольги, разделенных листом ткани и свернутых в спираль. Изначально элементы имели низкую емкость, поэтому требовался медленный процесс «формирования» для коррозии свинцовой фольги, образования диоксида свинца на пластинах и придания им шероховатости для увеличения площади поверхности. Первоначально в этом процессе использовалось электричество от первичных батарей; когда генераторы стали доступны после 1870 года, стоимость производства батарей значительно снизилась. ^[8] Пластины Планте все еще используются в некоторых стационарных приложениях, где на пластинах имеются механические канавки для увеличения площади поверхности.

В 1880 году Камилла Альфонс Фор запатентовал метод покрытия свинцовой сетки (которая служит проводником тока) пастой из оксидов свинца, серной кислоты и воды с последующей фазой отверждения, на которой пластины подвергались слабому нагреву в среда с повышенной влажностью. В процессе отверждения паста превратилась в смесь сульфатов свинца, которая прилипла к свинцовой пластине. Затем во время первоначального заряда батареи (так называемого «формирования») отвержденная паста на пластинах превращалась в электрохимически активный материал («активную массу»). Технология Faure значительно сократила время и стоимость производства свинцово-кислотных аккумуляторов и дала значительное увеличение емкости по сравнению с батареей Planté. ^[20] Метод Фора все еще используется сегодня, только с постепенными улучшениями состава пасты, отверждения (которое по-прежнему проводится с использованием пара, но теперь это очень строго контролируемый процесс), а также структуры и состава сетки, на которую наносится паста.

Решетка, разработанная Faure, была из чистого свинца с соединительными стержнями, расположенными под прямым углом. Напротив, современные сетки структурированы для повышения механической прочности и улучшения прохождения тока. В дополнение к разным сеткам (в идеале, все точки на пластине находятся на одинаковом расстоянии от силового проводника) современные технологии также накладывают один или два тонких стекловолоконных коврика поверх сетки для более равномерного распределения веса. И хотя Фор использовал чистый свинец для своих сетей, в течение года (1881 г.) они были заменены свинцом - сурьмой.(8–12%) для придания конструкциям дополнительной жесткости. Однако сетки с высоким содержанием сурьмы имеют более высокое выделение водорода (которое также ускоряется с возрастом батареи) и, следовательно, большее выделение газа и более высокие затраты на техническое обслуживание. Эти проблемы были выявлены У.Б. Томасом и В.Е. Харингом в Bell Labs в 1930-х годах и в конечном итоге привели к разработке сплавов свинцово- кальциевых решеток в 1935 году для батарей резервного питания в телефонной сети США. Связанные исследования привели к разработке свинца- селена.сеточные сплавы в Европе несколько лет спустя. Как свинцово-кальциевые, так и свинцово-селеновые решетчатые сплавы все еще добавляют сурьму, хотя и в гораздо меньших количествах, чем в более старых решетках с высоким содержанием сурьмы: в свинцово-кальциевых решетках содержится 4–6% сурьмы, а в решетках свинцово-селеновых - 1-2%. Эти металлургические усовершенствования придают решетке большую прочность, что позволяет ей выдерживать больший вес, то есть больше активного материала, и поэтому пластины могут быть толще, что, в свою очередь, способствует продлению срока службы батареи, поскольку имеется больше материала, доступного для удаления, прежде чем батарея станет непригодной для использования. Решетки из сплава с высоким содержанием сурьмы по-прежнему используются в батареях, предназначенных для частой работы на велосипеде, например, при запуске двигателей, где необходимо компенсировать частое расширение / сжатие пластин, но где выделение газа не является значительным, поскольку токи заряда остаются низкими. С 1950-х гг. батареи, предназначенные для нечастых циклических нагрузок (например, резервные батареи), все чаще имеют решетки из свинцово-кальциевых или свинцово-селеновых сплавов, поскольку в них меньше выделяется водород и, следовательно, меньше накладных расходов на обслуживание. Сетки из свинцово-кальциевого сплава дешевле в производстве (таким образом, элементы имеют более низкую начальную стоимость), имеют меньшую скорость саморазряда и меньшую потребность в поливе, но имеют немного меньшую проводимость, механически слабее (и, следовательно, требуют большего количества сурьмы. для компенсации), и они более подвержены коррозии (и, следовательно, имеют более короткий срок службы), чем элементы с решетками из свинцово-селенового сплава.

Эффект разомкнутой цепи - это резкое сокращение срока службы батареи, которое наблюдалось при замене сурьмы кальцием. Это также известно как эффект отсутствия сурьмы. ^[21]

Современные пасты содержат технический углерод , блан фикс ( сульфат бария ) и лигносульфонат . Blanc fixe действует как затравочный кристалл для реакции сульфата свинца . Blanc fixe должен быть полностью растворен в пасте, чтобы она была эффективной. Лигносульфонат предотвращает образование твердой массы отрицательной пластиной во время цикла разряда, вместо этого позволяя формировать длинные игольчатые дендриты . Длинные кристаллы имеют большую площадь поверхности и легко возвращаются в исходное состояние при зарядке. Технический углерод противодействует эффекту ингибирования образования, вызванному лигносульфонатами. Сульфированный нафталинДиспергатор конденсата является более эффективным расширителем, чем лигносульфонат, и ускоряет образование. Этот диспергатор улучшает диспергирование сульфата бария в пасте, сокращает время гидроизоляции, создает более устойчивую к поломке пластину, уменьшает количество мелких частиц свинца и, таким образом, улучшает характеристики обработки и склеивания. Он продлевает срок службы батареи за счет увеличения напряжения в конце заряда. Для сульфированного нафталина требуется от одной трети до половины количества лигносульфоната, и он стабилен при более высоких температурах. ^[22]

После высыхания пластины укладываются в стопки с подходящими разделителями и помещаются в контейнер для ячеек. Затем чередующиеся пластины образуют чередующиеся положительный и отрицательный электроды, которые в ячейке позже подключаются друг к другу (от отрицательного к отрицательному, от положительного к положительному) параллельно. Сепараторы предотвращают соприкосновение пластин друг с другом, что в противном случае привело бы к короткому замыканию. В затопленных и гелевых ячейках разделители представляют собой изолирующие рейки или стойки, ранее из стекла или керамики, а теперь из пластика. В ячейках AGM разделителем является сам стеклянный мат, а стойка пластин с разделителями перед вставкой в ​​ячейку сжимается; попав в камеру, стеклянные маты слегка расширяются, эффективно фиксируя пластины на месте. В многоэлементных батареях элементы затем соединяются друг с другом последовательно, либо через соединители через стенки ячеек, либо с помощью перемычки через стенки ячеек. Все внутриячейные и межэлементные соединения изготовлены из того же свинцового сплава, что и в сетях. Это необходимо для предотвращениягальваническая коррозия .

Аккумуляторы глубокого разряда имеют другую геометрию положительных электродов. Положительный электрод представляет собой не плоскую пластину, а ряд цилиндров или трубок из оксида свинца, нанизанных бок о бок, поэтому их геометрия называется трубчатой ​​или цилиндрической. Преимущество этого заключается в увеличенной площади поверхности, контактирующей с электролитом, с более высокими токами разряда и заряда, чем у плоского элемента того же объема и глубины заряда. Ячейки с трубчатыми электродами имеют более высокую удельную мощность.чем плоские клетки. Это делает пластины с трубчатой ​​/ цилиндрической геометрией особенно подходящими для сильноточных устройств с ограниченным весом или пространством, например для вилочных погрузчиков или для запуска судовых дизельных двигателей. Однако, поскольку трубки / цилиндры содержат меньше активного материала в том же объеме, они также имеют более низкую плотность энергии, чем элементы с плоскими пластинами. А меньшее количество активного материала на электроде также означает, что у них меньше материала, доступного для удаления, прежде чем элемент станет непригодным для использования. Трубчатые / цилиндрические электроды также сложнее производить единообразно, что, как правило, делает их более дорогими, чем элементы с плоскими пластинами. Эти компромиссы ограничивают диапазон применений, в которых трубчатые / цилиндрические батареи имеют смысл, ситуациями, когда недостаточно места для установки блоков с плоскими пластинами большей емкости (и, следовательно, большего размера).

Около 60% веса свинцово-кислотной аккумуляторной батареи автомобильного типа с номиналом около 60 А · ч составляет свинец или внутренние детали из свинца; Остальное - электролит, сепараторы и корпус. ^[8] Например, в стандартной батарее на 14,5 кг (32 фунта) содержится примерно 8,7 кг (19 фунтов) свинца.

Разделители [ править ]

Разделители между положительной и отрицательной пластинами предотвращают короткое замыкание из-за физического контакта, в основном через дендриты («древовидное образование»), но также за счет отслаивания активного материала. Сепараторы позволяют потоку ионов между пластинами электрохимической ячейки образовывать замкнутый контур. Для изготовления разделителей использовались дерево, резина, мат из стекловолокна, целлюлоза и ПВХ или полиэтилен . Первоначально было выбрано дерево, но оно портится в кислотном электролите. Резиновые сепараторы устойчивы к кислоте аккумуляторной батареи и обеспечивают ценные электрохимические преимущества, которые недоступны другим материалам.

Эффективный сепаратор должен обладать рядом механических свойств; такие как проницаемость , пористость, распределение пор по размерам, удельная поверхность , механическая конструкция и прочность, электрическое сопротивление , ионная проводимость и химическая совместимость с электролитом. В процессе эксплуатации сепаратор должен обладать хорошей стойкостью к кислотам и окислению . Площадь сепаратора должна быть немного больше площади пластин, чтобы предотвратить короткое замыкание материала между пластинами. Сепараторы должны оставаться стабильными в диапазоне рабочих температур аккумулятора .

Абсорбирующий стеклянный мат (AGM) [ править ]

В конструкции абсорбирующего стекломата, сокращенно AGM, разделители между пластинами заменены стекловолокном.коврик, пропитанный электролитом. В коврике достаточно электролита, чтобы он оставался влажным, и если аккумулятор проткнется, электролит не будет вытекать из матов. В основном цель замены жидкого электролита в залитой батарее полупроводниковым матом из стекловолокна состоит в том, чтобы существенно увеличить транспортировку газа через сепаратор; водород или газообразный кислород, образующийся во время перезарядки или заряда (если ток заряда чрезмерен), может свободно проходить через стеклянный мат и соответственно восстанавливать или окислять противоположную пластину. В затопленном элементе пузырьки газа всплывают к верхней части батареи и теряются в атмосфере. Этот механизм рекомбинации образующегося газа и дополнительное преимущество полунасыщенного элемента, обеспечивающего отсутствие существенной утечки электролита при физическом повреждении корпуса батареи, позволяет полностью герметизировать батарею, что делает их полезными в портативных устройствах и аналогичных ролях. Кроме того, аккумулятор можно установить в любом положении, хотя, если он установлен в перевернутом положении, кислота может вылететь через вентиляционное отверстие.

Чтобы снизить скорость потери воды, кальций сплавлен с пластинами, однако скопление газа остается проблемой, когда аккумулятор глубоко или быстро заряжается или разряжается. Чтобы предотвратить избыточное давление в корпусе батареи, батареи AGM включают односторонний продувочный клапан и часто известны как «свинцово-кислотные конструкции с регулируемым клапаном» или VRLA.

Еще одно преимущество конструкции AGM состоит в том, что электролит становится материалом сепаратора и механически прочен. Это позволяет сжимать пакет пластин вместе в корпусе батареи, немного увеличивая удельную энергию по сравнению с жидкими или гелевыми версиями. Батареи AGM часто демонстрируют характерную «выпуклость» в их корпусах, когда они построены в обычных прямоугольных формах, из-за расширения положительных пластин.

Коврик также предотвращает вертикальное движение электролита внутри батареи. Когда нормальная влажная клеткахранится в разряженном состоянии, более тяжелые молекулы кислоты имеют тенденцию оседать на дно батареи, вызывая расслоение электролита. Когда батарея затем используется, большая часть тока течет только в этой области, и нижняя часть пластин имеет тенденцию быстро изнашиваться. Это одна из причин, по которой обычный автомобильный аккумулятор может выйти из строя, если оставить его на длительное хранение, а затем использовать и перезарядить. Коврик значительно предотвращает это расслоение, избавляя от необходимости периодически встряхивать батареи, кипятить их или пропускать через них «выравнивающий заряд» для смешивания электролита. Расслоение также приводит к тому, что верхние слои батареи почти полностью становятся водой, которая может замерзнуть в холодную погоду, AGM значительно менее подвержены повреждениям из-за использования при низких температурах.

Хотя элементы AGM не допускают полива (обычно невозможно добавить воду, не просверлив отверстие в батарее), процесс их рекомбинации в основном ограничивается обычными химическими процессами. Газообразный водород будет диффундировать даже через сам пластиковый корпус. Некоторые пришли к выводу, что добавлять воду в батарею AGM выгодно, но это нужно делать медленно, чтобы вода могла смешиваться путем диффузии по всей батарее. Когда свинцово-кислотная батарея теряет воду, концентрация кислоты в ней увеличивается, что значительно увеличивает скорость коррозии пластин. Элементы AGM уже имеют высокое содержание кислоты в попытке снизить скорость потери воды и увеличить резервное напряжение, и это сокращает срок службы по сравнению со свинцово-сурьмянистыми батареями. Если напряжение холостого хода ячеек AGM значительно выше 2,093 В, или 12. 56 В для аккумулятора на 12 В, тогда он имеет более высокое содержание кислоты, чем залитый элемент; Хотя это нормально для батареи AGM, это нежелательно для длительного срока службы.

Ячейки AGM, которые намеренно или случайно перезаряжены, будут показывать более высокое напряжение холостого хода в зависимости от потери воды (и увеличения концентрации кислоты). Один ампер-час перезарядки приведет к электролизу 0,335 грамма воды на элемент; часть этого освобожденного водорода и кислорода рекомбинирует, но не весь.

Загущенные электролиты [ править ]

В 1970-х годах исследователи разработали герметичную версию или гелевую батарею , в которой силикагелевый агент смешивается с электролитом ( свинцово-кислотные батареи на основе силикагеля, используемые в портативных радиоприемниках с начала 1930-х годов, не были полностью герметичными). Это превращает ранее жидкую внутреннюю часть ячеек в полутвердую пасту, обеспечивая многие из тех же преимуществ AGM. Такие конструкции еще менее подвержены испарению и часто используются в ситуациях, когда периодическое обслуживание практически невозможно. Гелевые элементы также имеют более низкие температуры замерзания и более высокие точки кипения, чем жидкие электролиты, используемые в обычных влажных элементах и ​​AGM, что делает их пригодными для использования в экстремальных условиях.

Единственным недостатком гелевой конструкции является то, что гель предотвращает быстрое движение ионов в электролите, что снижает подвижность носителей и, следовательно, способность к импульсным токам. По этой причине гелевые ячейки чаще всего используются в приложениях для хранения энергии, таких как автономные системы.

«Не требующий обслуживания», «герметичный» и «VRLA» (свинцово-кислотный, регулируемый клапаном) [ править ]

И гелевая, и AGM-конструкция герметичны, не требуют полива, могут использоваться в любой ориентации и использовать клапан для выпуска газа. По этой причине обе конструкции можно назвать необслуживаемыми, герметичными и VRLA. Однако довольно часто можно найти ресурсы, в которых говорится, что эти термины относятся конкретно к тому или иному из этих дизайнов.

Приложения [ править ]

Большинство свинцово-кислотных аккумуляторов в мире - это автомобильные пусковые, осветительные и зажигательные (SLI) батареи, в 1999 году было поставлено около 320 миллионов единиц ^[8]. В 1992 году около 3 миллионов тонн свинца было использовано при производстве батарей.

Резервные (стационарные) батареи с мокрыми ячейками, предназначенные для глубокого разряда, обычно используются в больших резервных источниках питания для телефонных и компьютерных центров, сетевых хранилищ энергии и автономных бытовых систем электроснабжения. ^[23] Свинцово-кислотные батареи используются в аварийном освещении и для питания отстойников в случае отключения электроэнергии .

Тяговые (силовые) аккумуляторы используются в гольф-карах и других аккумуляторных электромобилях . Большие свинцово-кислотные батареи также используются для питания электродвигателей в дизель-электрических (обычных) подводных лодок при погружении, и используются в качестве аварийного питания на атомных подводных лодках , а также. Свинцово-кислотные батареи с клапанным регулированием не могут пролить электролит. Они используются в резервных источниках питания для систем сигнализации и небольших компьютерных систем (особенно в источниках бесперебойного питания; ИБП), а также в электрических скутерах , электрических инвалидных колясках , электрифицированных велосипедах., морские приложения, аккумуляторные электромобили или микрогибридные автомобили , а также мотоциклы. Многие электрические погрузчики используют свинцово-кислотные батареи, в которых вес используется как часть противовеса. Свинцово-кислотные батареи использовались для подачи напряжения накала (нагревателя) с общим напряжением 2 В в ранних ламповых ( ламповых ) радиоприемниках.

Переносные аккумуляторы для рудничных фонарей в фарах обычно состоят из двух или трех элементов. ^[24]

Циклы [ править ]

Пусковые батареи [ править ]

Свинцово-кислотные аккумуляторы, предназначенные для запуска автомобильных двигателей, не предназначены для глубокого разряда. Они имеют большое количество тонких пластин, рассчитанных на максимальную площадь поверхности и, следовательно, на максимальный выходной ток, который может быть легко поврежден глубоким разрядом. Повторяющиеся глубокие разряды приведут к потере емкости и, в конечном итоге, к преждевременному выходу из строя, поскольку электроды разрушаются из-за механических напряжений , возникающих в результате циклического переключения. Пусковые батареи, находящиеся на постоянной подзарядке, будут подвержены коррозии электродов, что также приведет к преждевременному выходу из строя. Поэтому пусковые батареи следует держать в разомкнутой цепи, но заряжать регулярно (не реже одного раза в две недели), чтобы предотвратить сульфатацию .

Пусковые батареи имеют меньший вес, чем батареи глубокого цикла того же размера, потому что более тонкие и легкие пластины элементов не доходят до дна батарейного отсека. Это позволяет рыхлому распавшемуся материалу падать с пластин и собираться на дне ячейки, продлевая срок службы батареи. Если этот незакрепленный мусор поднимется достаточно, он может коснуться нижней части пластин и вызвать отказ элемента, что приведет к потере напряжения и емкости аккумулятора.

Батареи глубокого разряда [ править ]

Специально разработанные элементы глубокого цикла гораздо менее подвержены деградации из-за цикличности и требуются для приложений, где батареи регулярно разряжаются, таких как фотоэлектрические системы, электромобили ( вилочные погрузчики , тележки для гольфа , электромобили и другие) и источники бесперебойного питания расходные материалы . Эти батареи имеют более толстые пластины, которые могут обеспечивать меньший пиковый ток , но выдерживают частую разрядку. ^[25]

Некоторые батареи разработаны как компромисс между стартерным (сильноточным) и глубоким циклом. Они могут разряжаться в большей степени, чем автомобильные аккумуляторы, но в меньшей степени, чем аккумуляторы глубокого цикла. Они могут называться «морские аккумуляторы / аккумуляторы для автодомов» или «аккумуляторы для отдыха».

Быстрая и медленная зарядка и разрядка [ править ]

Емкость свинцово-кислотной батареи не является фиксированной величиной, но зависит от того, насколько быстро она разряжается. Эмпирическая зависимость между скоростью разряда и емкостью известна как закон Пейкерта .

Когда аккумулятор заряжается или разряжается, первоначально затрагиваются только реагирующие химические вещества, которые находятся на границе раздела между электродами и электролитом. Со временем заряд, накопленный в химических веществах на границе раздела, часто называемый «зарядом на границе раздела» или «поверхностным зарядом», распространяется за счет диффузии этих химических веществ по всему объему активного материала.

Рассмотрим полностью разряженный аккумулятор (например, если оставить автомобильные фары включенными на ночь, потребляемый ток составляет около 6 ампер). Если затем дать ему быструю зарядку всего на несколько минут, пластины батареи заряжаются только вблизи границы раздела между пластинами и электролитом. В этом случае напряжение аккумулятора может возрасти до значения, близкого к напряжению зарядного устройства; это приводит к значительному снижению зарядного тока. Через несколько часов этот интерфейсный заряд распространится на объем электрода и электролита; это приводит к настолько низкому уровню заряда интерфейса, что его может быть недостаточно для запуска двигателя. ^[26] Пока зарядное напряжение остается ниже напряжения выделения газа (около 14,4 В в нормальной свинцово-кислотной батарее), повреждение батареи маловероятно, и со временем батарея должна вернуться в номинально заряженное состояние.

Регулируемый клапан (VRLA) [ править ]

В свинцово-кислотных аккумуляторах с регулируемым клапаном (VRLA) водород и кислород, производимые в элементах, в значительной степени рекомбинируют в воду. Утечка минимальна, хотя некоторое количество электролита все же улетучивается, если рекомбинация не успевает за выделением газа. Поскольку батареи VRLA не требуют (и делают невозможной) регулярную проверку уровня электролита, их называют необслуживаемыми батареями . Однако это несколько неправильное название. Ячейки VRLA требуют обслуживания. По мере потери электролита элементы VRLA «высыхают» и теряют емкость. Это можно определить, измерив обычное внутреннее сопротивление , проводимость или импеданс.измерения. Регулярное тестирование показывает, требуется ли более активное тестирование и обслуживание. Недавно были разработаны процедуры технического обслуживания, позволяющие «регидратировать», часто восстанавливая значительные объемы утраченной емкости.

Типы VRLA стали популярными на мотоциклах примерно в 1983 г. ^[27], потому что кислотный электролит абсорбируется сепаратором и не может пролиться. ^[28] Сепаратор также помогает им лучше выдерживать вибрацию. Они также популярны в стационарных приложениях, таких как телекоммуникационные площадки, из-за своей малой занимаемой площади и гибкости установки. ^[29]

Сульфатирование и десульфатация[ редактировать ]

Свинцово-кислотные батареи теряют способность принимать заряд при слишком длительной разряде из-за сульфатации , кристаллизации сульфата свинца . ^[30] Они вырабатывают электричество посредством двойной сульфатной химической реакции. Свинец и диоксид свинца, активные материалы на пластинах аккумулятора, реагируют с серной кислотой в электролите с образованием сульфата свинца . Сульфат свинца сначала образуется в виде мелкодисперсного аморфного вещества.состояние и легко превращается в свинец, диоксид свинца и серную кислоту при перезарядке аккумулятора. По мере того, как батареи циклически разряжаются и заряжаются, некоторое количество сульфата свинца не рекомбинирует в электролит и медленно превращается в стабильную кристаллическую форму, которая больше не растворяется при подзарядке. Таким образом, не весь свинец возвращается в пластины батареи, и количество используемого активного материала, необходимого для выработки электроэнергии, со временем снижается.

Сульфатирование происходит в свинцово-кислотных аккумуляторах, когда они недостаточно заряжены во время нормальной работы. Затрудняет подзарядку; сульфатные отложения в конечном итоге расширяются, трескаются пластины и разрушается аккумулятор. В конце концов, настолько большая часть площади пластины батареи не может подавать ток, что емкость батареи значительно снижается. Кроме того, сульфатная часть (сульфата свинца) не возвращается в электролит в виде серной кислоты. Считается, что крупные кристаллы физически блокируют попадание электролита в поры пластин. Белый налет на пластинах может быть виден в батареях с прозрачными корпусами или после разборки батареи. Сульфатированные батареи обладают высоким внутренним сопротивлением и могут обеспечивать лишь небольшую часть нормального тока разряда. Сульфатирование также влияет на цикл зарядки,

Аккумуляторы SLI (пусковые, осветительные, зажигательные; например, автомобильные) подвергаются наибольшему износу, потому что транспортные средства обычно простаивают без использования в течение относительно длительных периодов времени. Батареи глубокого цикла и силовые батареи подвергаются регулярному контролируемому перезаряду, что в конечном итоге выходит из строя из-за коррозии сеток положительных пластин, а не сульфатирования.

Сульфатации можно избежать, если аккумулятор полностью зарядить сразу после цикла разрядки. ^[31] Не существует известных независимо проверенных способов обратного сульфатирования. ^{[8] [32]} Существуют коммерческие продукты, в которых утверждается, что десульфатация достигается с помощью различных методов, таких как импульсная зарядка, но нет рецензируемых публикаций, подтверждающих их утверждения. Профилактика сульфатации остается лучшим способом действий путем периодической полной зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов.

Стратификация [ править ]

Типичная свинцово-кислотная батарея содержит смесь воды и кислоты с различными концентрациями. Серная кислота имеет более высокую плотность, чем вода, из-за чего кислота, образующаяся на пластинах во время зарядки, течет вниз и собирается на дне аккумулятора. В конце концов смесь снова достигнет однородного состава за счет диффузии , но это очень медленный процесс. Повторяющиеся циклы частичной зарядки и разрядки увеличивают расслоение электролита, снижая емкость и производительность аккумулятора, поскольку недостаток кислоты в верхней части ограничивает активацию пластины. Расслоение также способствует коррозии верхней половины пластин и сульфатированию в нижней части. ^[33]

Периодическая перезарядка создает газообразные продукты реакции на пластине, вызывая конвекционные токи, которые перемешивают электролит и устраняют расслоение. Механическое перемешивание электролита имело бы тот же эффект. Батареи в движущихся транспортных средствах также подвержены разбрызгиванию и разбрызгиванию ячеек при ускорении, торможении и поворотах автомобиля.

Опасность взрыва[ редактировать ]

Чрезмерная зарядка вызывает электролиз с выделением водорода и кислорода. Этот процесс известен как «отравление газом». Влажные элементы имеют открытые вентиляционные отверстия для выпуска любого выделяемого газа, а батареи VRLA полагаются на клапаны, установленные на каждом элементе. Каталитические колпачки доступны для затопленных ячеек для рекомбинации водорода и кислорода. Ячейка VRLA обычно рекомбинирует любой водород и кислород, производимые внутри ячейки, но неисправность или перегрев могут вызвать скопление газа. В этом случае (например, при перезарядке) клапан стравливает газ и нормализует давление, создавая характерный кислотный запах. Однако клапаны могут выйти из строя, например, в случае скопления грязи и мусора, что приведет к повышению давления.

Накопленные водород и кислород иногда воспламеняются при внутреннем взрыве . Сила взрыва может привести к взрыву корпуса аккумулятора или к отлету его верхней части, разбрызгивая кислоту и фрагменты корпуса. Взрыв в одной ячейке может воспламенить любую горючую газовую смесь в остальных ячейках. Точно так же в плохо вентилируемом помещении подключение или отключение замкнутой цепи (например, нагрузки или зарядного устройства) к клеммам аккумулятора также может вызвать искры и взрыв, если из элементов был выпущен какой-либо газ.

Отдельные элементы в батарее также могут короткое замыкание , вызывая взрыв.

Ячейки батарей VRLA обычно разбухают при повышении внутреннего давления, что является предупреждением для пользователей и механиков. Деформация варьируется от ячейки к ячейке и максимальна на концах, где стенки не поддерживаются другими ячейками. Такие находящиеся под избыточным давлением батареи следует тщательно изолировать и утилизировать. Персонал, работающий рядом с батареями, подверженными риску взрыва, должен защищать свои глаза и открытые участки кожи от ожогов из-за распыления кислоты и огня, надев защитную маску , комбинезон и перчатки. Использование очков вместо лицевого щитка приносит в жертву безопасность, оставляя лицо уязвимым для возможной летучей кислоты, фрагментов корпуса или батареи, а также тепла от потенциального взрыва.

Окружающая среда [ править ]

Проблемы окружающей среды [ править ]

Согласно отчету «Выведение свинца» за 2003 год, подготовленному Министерством охраны окружающей среды и Экологическим центром Анн-Арбора, штат Мичиган, батареи транспортных средств на дороге содержали примерно 2 600 000 метрических тонн (2 600 000 длинных тонн; 2 900 000 коротких тонн) свинца. . Некоторые соединения свинца чрезвычайно токсичны. Длительное воздействие даже крошечных количеств этих соединений может вызвать повреждение мозга и почек, нарушение слуха и проблемы с обучением у детей. ^[34] В автомобильной промышленности ежегодно используется более 1 000 000 метрических тонн (980 000 длинных тонн; 1 100 000 коротких тонн) свинца, при этом 90% приходится на обычные свинцово-кислотные автомобильные аккумуляторные батареи. В то время как переработка свинца является хорошо развитой отраслью, ежегодно на свалки попадает более 40 000 метрических тонн (39 000 длинных тонн; 44 000 коротких тонн). Согласно Федеральному реестру токсичных выбросов, еще 70 000 метрических тонн (69 000 длинных тонн; 77 000 коротких тонн) выбрасываются в процессе добычи и производства свинца. ^[35]

Предпринимаются попытки разработать альтернативы (особенно для использования в автомобилях) , среди прочего, из-за опасений по поводу экологических последствий неправильной утилизации и операций по плавке свинца . Альтернативы вряд ли вытеснят их для таких приложений, как запуск двигателя или системы резервного питания, поскольку батареи, хотя и тяжелые, но дешевы.

Переработка [ править ]

Утилизация свинцово-кислотных аккумуляторов - одна из самых успешных программ утилизации в мире. В Соединенных Штатах Америки 99% всего свинца в аккумуляторных батареях было переработано в период с 2014 по 2018 год. ^[36] Эффективная система контроля загрязнения является необходимостью для предотвращения выбросов свинца. Требуется постоянное совершенствование установок по переработке аккумуляторов и конструкции печей, чтобы соответствовать стандартам выбросов для свинцово-плавильных заводов.

Добавки [ править ]

Химические добавки использовались с тех пор, как свинцово-кислотные батареи стали коммерческим продуктом, чтобы уменьшить накопление сульфата свинца на пластинах и улучшить состояние батареи при добавлении к электролиту вентилируемой свинцово-кислотной батареи. Такие методы лечения редко бывают эффективными, если вообще когда-либо. ^[37]

Два соединения, используемые для таких целей, - это английская соль и ЭДТА . Соль Эпсома снижает внутреннее сопротивление слабой или поврежденной батареи и может немного продлить срок ее службы. ЭДТА можно использовать для растворения сульфатных отложений сильно разряженных пластин. Однако растворенный материал больше не может участвовать в нормальном цикле заряда-разряда, поэтому батарея, временно восстановленная с помощью EDTA, будет иметь сокращенный ожидаемый срок службы. Остаточный EDTA в свинцово-кислотном элементе образует органические кислоты, которые ускоряют коррозию свинцовых пластин и внутренних соединителей.

Активные материалы изменяют физическую форму во время заряда / разряда, что приводит к росту и деформации электродов, а также к выпадению электрода в электролит. После того, как активный материал выпал из пластин, его нельзя восстановить на месте с помощью какой-либо химической обработки. Точно так же внутренние физические проблемы, такие как треснувшие пластины, корродированные соединители или поврежденные разделители, не могут быть восстановлены химическим путем.

Проблемы с коррозией [ править ]

Коррозия внешних металлических частей свинцово-кислотной батареи возникает в результате химической реакции клемм, наконечников и разъемов батареи.

Коррозия на положительной клемме вызвана электролизом из-за несоответствия металлических сплавов, используемых при производстве клеммы аккумулятора и разъема кабеля. Белая коррозия - это обычно кристаллы сульфата свинца или цинка . Алюминиевые соединители вызывают коррозию сульфата алюминия . Медные соединители образуют синие и белые кристаллы коррозии. Коррозию клемм аккумулятора можно уменьшить, нанеся на клеммы вазелин или имеющийся в продаже продукт, предназначенный для этой цели. ^[38]

Если аккумулятор переполнен водой и электролитом, тепловое расширение может вытолкнуть часть жидкости из вентиляционных отверстий на верхнюю часть аккумулятора. Этот раствор может затем вступить в реакцию со свинцом и другими металлами в разъеме аккумулятора и вызвать коррозию.

Электролит может вытекать из свинцового пластикового уплотнения, где клеммы аккумулятора проникают в пластиковый корпус.

Кислотные пары, которые испаряются через вентиляционные крышки, часто вызванные перезарядкой, и недостаточная вентиляция батарейного отсека могут привести к накоплению паров серной кислоты и их реакции с открытыми металлами.

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Общие [ править ]

• Сульфатирование пластины батареи (MagnaLabs) [1]
• Десульфатация батареи [2]
• Свинцово-кислотные батареи [3]
• Источник постоянного тока! (Апрель 2002 г.) [4]
• Некоторые технические подробности о свинцово-кислотных аккумуляторах [5]

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме свинцово-кислотных аккумуляторов .

• Battery Council International (BCI) , торговая организация производителей свинцово-кислотных аккумуляторов .
• Автомобильные аккумуляторы и аккумуляторы глубокого разряда Часто задаваемые вопросы
• Свинец (Pb): основные понятия | ATSDR - Экологическая медицина и санитарное просвещение в области окружающей среды - CSEM (Примеры из экологической медицины) , Агентство по токсическим веществам и реестру заболеваний, CDC
• Десульфатор свинцово-кислотных аккумуляторов (Home Power # 77 июнь / июль 2000 г.)