4.2.3. Щёлочные аккумуляторы

Наиболее распространены никель-железные и никель–кадмиевые щёлочные аккумуляторы. В них активная масса положительного электрода в заряженном состоянии состоит из гидрата окиси никеля NiOOH, к которому добавляют графит (увеличивает электропроводность) и окись бария (увеличивает срок службы). Активная масса отрицательного электрода никель-железного аккумулятора состоит из порошкового железа Fe и его окислов с добавкой сернокислого никеля и сернистого железа, а никель-кадмиевого аккумулятора – из смеси порошков кадмия Cd и железа Fe. Электролитом служит 20% раствор едкого калия KOH с примесью моногидрата лития (20÷30) г/л (увеличивает срок службы).

Промышленность выпускает никель-железные (НЖ) и никель-кадмиевые (НК) аккумуляторы. Оба электрода в них изготовляют в виде стальных никелированных рамок (рис. 66), в пазы которых впрессованы наполненные активной массой пакеты (ламели) из никелированной жести с большим количеством мелких отверстий для доступа электролита к активной массе. В аккумуляторах НК каждая отрицательная пластина расположена между двумя положительными, а в аккумуляторах НЖ каждая положительная пластина – между двумя отрицательными. Для предотвращения короткого замыкания между пластинами устанавливают сепараторы из эбонитовых стержней или поливинилхлоридных сеток. Пластины и электролит помещают в жестяной никелированный корпус, имеющий приваренную крышку с отверстиями для выводных штырей, выхода газов и для заливки электролита. Для придания корпусу механической прочности его стенки выполняют гофрированными.

Рис.66. Полублоки положительных и отрицательных пластин (а) и общий вид (б) никель-кадмиевого аккумулятора НКН-100 для электроподвижного состава:

1 – отрицательные пластины; 2 – соединительный мостик; 3 – выводной штырь; 4 – положительные пластины; 5 – отверстие с пробкой для заливки электролита; 6 – крышка; 7 – сепаратор; 8 – корпус; 9 – резиновый чехол.

При разряде щелочного аккумулятора гидрат окиси никеля NiOOH на положительном электроде, взаимодействуя с ионами электролита, переходит в гидрат закиси никеля Ni(OH)2, а железо или кадмий отрицательного электрода превращаются соответственно в гидрат окиси железа Fe(OH)2 или гидрат окиси кадмия Cd(OH)2. Между электродами возникает разность потенциалов 1,45 В, обеспечивающая протекание тока во внешней цепи и внутри аккумулятора. При заряде аккумулятора под действием электрической энергии от внешнего источника происходит окисление активной массы положительных пластин, сопровождаемое гидрата закиси никеля Ni(OH)2 в гидрат окиси никеля NiOOH. В то же время активная масса отрицательных пластин восстанавливается с образованием железа Fe или кадмия Cd. Электрохимические реакции при разряде и заряде никель-железного аккумулятора могут быть выражены уравнением

2NiOOH + 2KOH + Fe ←заряд - разряд→2Ni(OH)2 + 2KOH + Fe(OH)2;

для никель кадмиевого

2NiOOH + 2KOH + Cd ←заряд - разряд→2Ni(OH)2 + 2KOH + Cd(OH)2.

Положительным качеством щелочного аккумулятора является то, что компоненты, образующиеся в процессе заряда и разряда, практически не растворимы в электролите и не вступают в какие либо химические реакции. Электролит при этом не расходуется, поэтому плотность его не изменяется. Это позволяет обходиться сравнительно небольшим количеством электролита, что делает эти аккумуляторы более компактными, чем кислотные.

Полностью заряженный аккумулятор имеет ЭДС 1,45 В. При разряде напряжение аккумулятора довольно быстро падает до 1,3 В, а затем медленно уменьшается до 1 В (рис. 67); при этом напряжении разряд следует прекращать. При заряде напряжение с 1,55 В быстро поднимается до 1,75 В, а затем медленно повышается до 1,8 В. Заряд ведут до тех пор, пока не будет сообщено требуемое количество ампер-часов (согласно паспортным данным).

Рис. 67. Кривые напряжения щелочного аккумулятора при заряде и разряде.

Щелочные аккумуляторы имеют ряд преимуществ перед кислотными. Они могут длительное время находиться в полузаряженном или даже в разряженном состоянии, что совершенно недопустимо для кислотных. Кроме того щелочные аккумуляторы не выходят из строя вследствие действия низких температур, имеют большую перегрузочную способность, большую механическую прочность, больший срок службы и хранения. Однако щелочные аккумуляторы имеют ряд недостатков: напряжение при разряде значительно ниже (почти на 40%), чем у кислотного, его напряжение при разряде падает гораздо быстрее и при очень интенсивном разряде резко уменьшается.

Щелочные аккумуляторы широко применяют на электроподвижном составе, тепловозах и пассажирских вагонах. На тепловозах устанавливают аккумуляторную батарею 46ПНЖ-550, состоящую из 46 последовательно соединённых никель-железных аккумуляторов ёмкостью 550 А×ч [Т – тепловозная; П – панцирные положительные пластины (каждая пластина помещена в специальный чехол – панцирь)]. На электровозах применяют батарею 42НК125, состоящую из 42 последовательно соединённых никель-кадминвых аккумуляторов ёмкостью 125 А×ч, а на электропоездах – батарею 90НК-55, состоящую из 90последовательно соединённых никель-кадмиевых аккумуляторов ёмкостью 55 А×ч, на электровозах ЧС – батареи 40NKT-120 и 40NKT-160, состоящие из 40 последовательно соединённых никель-кадмиевых аккумуляторов ёмкостью 120 и 160 А×ч. Номинальное напряжение всех щелочных аккумуляторов 1,2 В.