Метод заряда при постоянных значениях напряжения и тока заряда
Используя метод заряда при постоянном напряжении и токе заряда, сначала выставляют ток заряда, равный 0,4С, а затем контролируют величину напряжения, которое к концу заряда при комнатной температуре 20-25 °С должно составлять 2,45 В на элемент. Время заряда составляет 6-12 часов в зависимости от степени разряда батареи.
Устройство щелочного аккумулятора
В
начале XX века усовершенствованием
аккумулятора занялся Томас Эдисон,
который хотел сделать его более
приспособленным для нужд транспорта.
В связи с этой задачей требовалось облегчить вес аккумуляторов, увеличить их емкость, избавиться от ядовитого свинца и едкой серной кислоты, которая быстро разъедала свинцовые пластины, после чего их приходилось заменять.
Как обычно, Эдисон приступил к делу с большим размахом: он создал специальную лабораторию с большим штатом специалистов-химиков и поручил им исследования по всем перечисленным направлениям. По существу, речь шла о создании совершенно нового типа аккумулятора, в котором электролитом служила щелочь, а отрицательным электродом — измельченное железо с некоторыми примесями. Долгое время не удавалось выбрать материал для положительного электрода. Поскольку химические процессы в щелочном аккумуляторе были очень сложны и не до конца понятны, приходилось идти буквально ощупью. В экспериментальных моделях положительный электрод делали из угля, поры которого заполняли различными веществами: испробовали множество металлов и их соединений, но все они давали недостаточно хороший результат. Наконец, остановились на никеле, который оказался наиболее подходящим. Так Эдисон пришел к железно-никелевому аккумулятору с электролитом в виде едкого кали. Химическая реакция, протекающая при разряде в щелочном аккумуляторе, в несколько упрощенном виде описывается уравнением:
2NiOOH + Fe + 2H2O = 2Ni(OH)2 + Fe(OH)2;
при зарядке процесс идет в обратном направлении; электролит KOH, хотя и создает необходимую среду, в реакции участия не принимает.
Было изготовлено несколько таких аккумуляторов для всесторонних испытаний, и тут исследователей постигло разочарование — емкость аккумуляторов оказалась очень маленькой. Эдисон обратил внимание, что чистота материала имеет большое значение для увеличения емкости. Он заказал для проб высокосортный канадский никель, после чего емкость аккумуляторов сразу возросла в три раза. В Вест-Орендже была построена небольшая фабрика для рафинирования (очистки) железа и никеля. Емкость нового аккумулятора оказалась в 2, 5 раза больше, чем у старого свинцового. Эдисон утверждал, что это самый большой прогресс в аккумуляторной технике со времен ее зарождения. Дальнейшие опыты оказались настолько успешными, что в 1903 году Эдисон решил приступить к промышленному производству своих аккумуляторов на специально построенном для этого заводе. Однако первые щелочные аккумуляторы, поступившие в продажу, оказались весьма далеки от совершенства: они плохо держали заданную величину напряжения, часто давали течь и имели много других мелких дефектов. От распространителей стали поступать многочисленные рекламации. Эдисону пришлось остановить завод и вновь заняться усовершенствованием своего изобретения. Несмотря на неудачи, он продолжал твердо верить в успех дела. Доводка была поручена сразу нескольким группам: одна работала над усовершенствованием сварки аккумуляторных сосудов, другая — над рафинированием железа, третья занималась никелем и присадками к нему. К 1905 году было проведено более 10 тысяч дополнительных опытов, а в 1910 году значительно усовершенствованный аккумулятор вновь поступил в производство. В первый же год было выпущено продукции на 1 миллион долларов, и вся она нашла хороший сбыт. Вскоре новый портативный аккумулятор получил широкое распространение в транспорте, на электростанциях, в небольших судах и на подводных лодках.
В настоящее время щелочные аккумуляторы получили широкое распространение. В этих аккумуляторах электролитом служит 20-процентный водный раствор щёлочи (КОН). Пластины этих аккумуляторов состоят из стальных решёток с карманами. У положительных пластин эти карманы заполняются массой из гидрата окиси никеля [Ni(ОН)3]; у отрицательных — из губчатого кадмия; пластины помещаются в стальной сосуд со стальной приваренной крышкой.
1-металлическая рамка активной пластины 2- сетка с активной массой
Эти аккумуляторы дают меньшую э. д. с. по сравнению с э. д. с. свинцовых аккумуляторов. При разряде э. д. с. падает с 1,4 В сначала быстро до 1,3 В, а затем медленно до 1,15 В, при которой и следует прекращать разряд.
В качестве электролита в этих аккумуляторах служит раствор едкого кали плотностью 1,19-1,21, в который добавляют моногидрат лития. Процесс заряда и разряда щелочных аккумуляторов такой же, как и свинцовых. При заряде низшие окислы никеля переходят в высшие (на положительной пластине), а на отрицательной пластине образуется железо. Во время разряда на положительной пластине высшие окислы никеля переходят в низшие, а на отрицательной - железо превращается в окись.
Таким образом, реакции, происходящие в никель-железных аккумуляторах, состоят в переходе кислорода с одной пластины на другую. При заряде аккумулятора кислород с железной, или отрицательной, пластины переходит на никелевую, или положительную. Во время разряда происходит обратный процесс. В щелочном аккумуляторе в отличие от свинцового электролит не испытывает изменений ни в составе, ни в плотности, но электролит, находящийся в порах пластин, не остается постоянным.
Никель-кадмиевый аккумулятор имеет много общего с никель-железным. Активный материал положительных пластин, состав электролита и особенности конструкции одни и те же для аккумуляторов обоих типов. Однако у никель-кадмиевых аккумуляторов в отличие от никель-железных отрицательные пластины заполнены смесью губчатого кадмия с губчатым железом. Железо повышает мелкозернистость кадмия. При заряде и разряде аккумулятора кислород из активного материала одной пластины переходит к активному материалу другой пластины.
В процессе заряда активная масса положительных пластин окисляется, при этом гидрат закиси никеля переходит в гидрат окиси никеля, а активная масса отрицательных пластин, состоящая из гидрата закиси кадмия и железа, восстанавливается и превращается соответственно в губчатое железо и губчатый кадмий.
При разряде все процессы протекают в обратном направлении, т. е. активная масса положительных пластин восстанавливается, переходя в гидрат закиси никеля, а активная масса отрицательных пластин окисляется и превращается в гидрат закиси железа и гидрат закиси кадмия. Никель-кадмиевые аккумуляторы обладают более высокой отдачей, чем никель-железные. Кроме того, внутреннее сопротивление их ниже, а саморазряд меньше и они менее чувствительны к низкой температуре.
Электродвижущая сила заряженного щелочного аккумулятора равна приблизительно 1,34-1,38 В. При разряде под нагрузкой нормальным режимом напряжение аккумулятора составляет примерно 1,25 В и падает в конце разряда до 1 В, а во время заряда поднимается до 1,7-1,8 В.
Электродвижущая сила щелочных аккумуляторов определяется состоянием активной массы и степенью ее окисления и почти не зависит от плотности электролита.
Емкость щелочного аккумулятора несколько уменьшается с увеличением разрядного тока. При понижении температуры электролита емкость аккумулятора также уменьшается в определенной пропорции. С повышением температуры емкость увеличивается, но при нагреве электролита свыше 45°С аккумуляторы теряют значительную часть своей емкости. Внутреннее сопротивление щелочных аккумуляторов вследствие меньшей проводимости активных веществ и электролита значительно выше свинцовых. Отдача щелочных аккумуляторов по энергии и емкости ниже, чем свинцовых, и не превышает 65-70% по ампер-часам.
Потери, главным образом, получаются из-за высокого внутреннего сопротивления, разложения воды электролита и образования во время заряда веществ, которые затем самопроизвольно распадаются. Саморазряд в щелочном аккумуляторе очень невелик.
Преимуществом щелочного аккумулятора перед свинцовым является его большая механическая и электрическая прочность - он выдерживает большие перегрузки и колебания тока, не боится перезаряда и недозаряда, может длительно находиться в нерабочем состоянии и требует меньшего ухода.
Напряжение заряженного щелочного аккумулятора, отключенного от зарядного агрегата, составляет 1,25—1,3 В.
Разряжать щелочной аккумулятор можно только до напряжения 1,0—-1,1 В. При понижении температуры против нормальной (+25°) емкость щелочных аккумуляторов уменьшается на 0,5% на каждый градус понижения температуры.
Щелочные аккумуляторы имеют следующие преимущества перед свинцово-кислотными:
при их изготовлении не употребляется дефицитный свинец;
они обладают большой выносливостью и механической прочностью — не боятся сильных токов разряда, тряски, ударов и даже коротких замыканий;
при длительном бездействии несут малые потери на саморазряд и не портятся, имеют большой срок службы;
при работе выделяют меньшее количество вредных газов и испарений;
имеют меньший вес, чем свиицово-кислотные;
менее требовательны в отношении постоянного квалифицированного ухода;
имеют большее внутреннее сопротивление, чем свинцово-кислотные, поэтому не боятся внезапных перегрузок.
Недостатки щелочных аккумуляторов по сравнению со свинцово-кислотными: меньшая э. д. с; более низкий к. п. д. (52—55%); более высокая стоимость.