3.2 Аккумуляторы
Аккумуляторы являются химическими источниками электрической энергии многоразового действия. Они состоят из двух электродов (положительного и отрицательного), электролита и корпуса. Накопление энергии в аккумуляторе происходит при протекании химической реакции окисления-восстановления электродов. При разряде аккумулятора происходят обратные процессы. Напряжение аккумулятора - это разность потенциалов между полюсами аккумулятора при фиксированной нагрузке.
Для получения достаточно больших значений напряжений или заряда отдельные аккумуляторы соединяются между собой последовательно или параллельно в батареи.
Аккумуляторы, в противоположность первичным источникам, допускают многократное использование, то есть перезаряжаются. Активные вещества в них можно регенерировать при пропускании тока в обратном направлении (то есть при зарядке аккумулятора).
Наиболее распространены в настоящее время свинцовые аккумуляторы.
Рисунок
5 – Свинцовый аккумулятор
В них активными веществами являются свинец и диоксид свинца, а электролитом — 25-30%-ный раствор серной кислоты. Токообразующая реакция представляет собой превращение как свинца, так и диоксида свинца в сульфат свинца:
РЬ + PbO2 + 2H2S04 > 2PbS04 + 2H2O
При разряде аккумулятора этот процесс происходит в прямом направлении, при зарядке от внешнего источника тока — в обратном (справа налево).
Свинцовые батареи отличаются большей массой, низкой электрической плотностью и коротким сроком эксплуатации (200, максимум 500 циклов). Что привлекает покупателей, так это высокое напряжение элемента (6 или 12 В), низкая цена и неприхотливость. Скорость саморазрядки не превышает 40% в год. Хранить их следует только в заряженном состоянии, поскольку при глубоком разряде начинается процесс сульфитации, значительно ухудшающий показатели батареи.
Свинцовые аккумуляторы широко применяются в качестве автомобильных (стартерные батареи), а также как тяговые и аварийные. Их мировое производство составляет более 100 миллионов в год и потребляет половину всего производимого свинца.
Щелочные аккумуляторы дороже свинцовых, но имеют лучшие характеристики, более просты в эксплуатации и долговечны.
Выпускаются железо-никелевые и кадмий-никелевые, а также цинк-серебряные аккумуляторы. Электролитом в них является водный раствор КОН. В железо-никелевых и кадмий-никелевых аккумуляторах токообразующими реакциями являются соответственно:
Fe + 2NiOOH + 2Н20 > 2Ni(OH) 2 + Fe(OH) 2
Cd + 2NiOOH + 2H2 0 >2Ni(OH) 2 + Cd(OH) 2
Конструкция NiCd-аккумулятора представлена на рисунке 6.
Рисунок 6 - NiCd-аккумулятор
Основными ее элементами являются положительный и отрицательный электроды. Они свернуты в цилиндр вместе с разделяющим слоем, помещенные в металлический корпус и залитые электролитом. Положительный электрод содержит гидрооксид никеля (NiOOH), а отрицательный — кадмий в составе компаунда. Разделяющий слой по традиции изготовлен из нетканого материала, устойчивого к воздействию щелочи. Во время разрядки активные никель - и кадмийсодержащие компоненты электродов трансформируются в соответствующие гидрооксиды — Ni(OH)2 и Cd(OH)2. Щелочной электролит не участвует в реакции.
Скорость саморазрядки — одно из наиболее слабых мест NiCd-батареи. Потеря заряда достигает 10% за первые сутки, а затем по 10% в месяц. Но здесь потребителя подстерегает коварная двойственность природы никель-кадмиевого химического процесса. С одной стороны, нельзя допускать глубокого разряда аккумулятора (т. е. снижения выходного напряжения ниже предела, обозначенного в паспорте устройства), но с другой — заряжать его раньше, чем он достигнет этой границы — себе навредить. "Эффект памяти" приведет к потере остаточной емкости, иначе говоря, емкости, сохранившейся на момент начала зарядки. Эффект обусловлен появлением кристаллических образований на кадмиевом электроде, что ведет к уменьшению его полезной площади. Чтобы избежать этого, всегда необходимо проводить полную разрядку аккумулятора. Производители вообще советуют ежемесячно выполнять так называемые восстановительные циклы (несколько полных разрядок/зарядок). Соблюдая эти нехитрые, хотя и довольно утомительные правила эксплуатации, вы сможете продлить срок службы никель-кадмиевого аккумулятора с гарантированных 500—1000 и более циклов. Учитывая его невысокую стоимость, с экономической точки зрения — это весьма выгодный вариант.
Наиболее высокие характеристики имеют более дорогие цинк-серебряные аккумуляторы, в которых имеет место реакция:
Ag2 0 + Zn + 2KOH >2Ag + K2 Zn02 + H2 0
Наряду с этим, разработаны никель-цинковые, а также никель-водородные и цинк-воздушные аккумуляторы. В случае никель-водородного источника тока в качестве водородного электрода используется пористый никелевый электрод, активированный платиной, причем водород имеет довольно высокое давление (поэтому корпус аккумулятора должен быть прочным).
Одним из перспективных направлений при использовании водорода является применение веществ, способных накопить (поглотить) большие количества водорода. Наиболее известным из таких веществ является палладий, некоторые интерметаллические соединения, образуемые никелем с редкоземельными элементами. Возвращаясь к основным требованиям, предъявляемым к ХИТ с точки зрения удельной емкости наилучшими материалами для изготовления анода являются щелочные металлы, в особенности самый легкий из них — литий. Щелочные металлы, кроме того, отличаются и наиболее отрицательным потенциалом и довольно высокой плотностью тока обмена.
Понятно, что в сочетании с водными растворами применять щелочные металлы затруднительно. Поэтому в качестве электролитов применяют апротонные органические растворители, расплавы или твердые электролиты.
При этом источник тока должен быть герметичным во избежание попадания влаги из окружающей среды.
В натрий-серных аккумуляторах (которые перспективны в качестве ХИТ для электромобилей) применяется электролит в виде мембраны из полиалюминатов натрия. Этот электролит представляет собой прочную керамику, которая при повышенных температурах обладает высокой электропроводностью, так как имеет подвижную катионную подрешетку. Такой аккумулятор работает при температуре около 300 °С.
Наибольший интерес представляют источники тока на основе лития. Они имеют, наряду с другими достоинствами, очень широкий температурный интервал работоспособности (от -70 до +70 °С) и длительную сохранность заряда, но прежде всего высокие удельные массовые характеристики. Поверхность металлического лития при контакте со многими веществами (не содержащими воды) покрывается сплошной беспористой пассивной пленкой толщиной до 0,1 мкм с низкой электронной проводимостью,однако обладающей литий-ионной проводимостью.