15. Электролиты для аккумуляторных батарей.

15. 1. Общие сведения о стартерных аккумуляторных батареях (акб)

Аккумулятор - это обратимый химический источник энергии, способный накапливать электрическую энергию и отдавать ее потре­бителям. Электрохимические процессы, происходящие в свинцово-кислых аккумуляторах, заключаются в следующем.

Под действием постоянного электрического тока, протекающего через пластины и электролит, аккумулятор заряжается (рис. 29). При этом образовавшийся на пластинах сульфат свинца превращается на поло­жительной пластине в двуокись свинца, а на отрицательной - в метал­лический губчатый свинец. Освободившиеся ионы сульфата свинца, вступая в реакцию с ионами водорода, образуют серную кислоту. Плот­ность электролита повышается.

В конце заряда, когда сульфат свинца на положительной пластине почти полностью перейдет в двуокись свинца, а на отрицательной пласти­не - в губчатый свинец, часть подводимой к батарее электрической энер­гии будет расходоваться на разложение входящей в состав электролита воды. Этот процесс сопровождается обильным газовыделением, напоми­нающим «кипение» электролита, и называется процессом электролиза.

Рис. 29. Путь тока при заряде аккумулятора, состоящего из двух пластин: 1 - положительная пластина; 2 - отрицательная пластина; 3 - вольтметр; 4 – генератор (зарядное устройство); 5 - амперметр.

Батарея считается заряженной, если плотность электролита боль­ше не повышается, напряжение каждого аккумулятора становится по­стоянным и наблюдается обильное газовыделение.

Заряженный аккумулятор способен сохранять накопленную элек­трическую энергию длительное время. При разряде аккумулятора (рис. 30) значительная часть двуокиси свинца - на положительной и губчатого свинца - на отрицательной пластинах превращается в сульфат свинца. Процесс образования суль­фата свинца при разряде аккумулятора сопровождается понижением плотности электролита.

Химические реакции, протекающие при разряде и заряде аккуму­ляторов, называются реакциями электролиза. Их можно представить таким образом:

До разряда После разряда

Рис. 30. Путь тока при разряде аккумулятора, состоящего из двух пластин: 1 - положительная пластина; 2 - отрицательная пластина; 3 - вольтметр; 4 - потребитель тока; 5 - амперметр

Количество электрической энергии, которое может накопить и отдать аккумулятор, зависит:

–от количества активной массы, участвующей в электрической реакции;

–температуры электролита;

–величины разрядного тока;

–времени протекания разряда.

Основными величинами, которые характеризуют свойства акку­муляторной батареи, являются: электродвижущая сила (ЭДС); напряжение аккумуляторной батареи (АКБ); емкость аккумуляторной батареи. ЭДС при этом представляет собой алгебраическую разность этих по­тенциалов, и в основном она зависит от плотности электролита, нахо­дящегося в данный момент в аккумуляторе. Величина электродвижущей силы в аккумуляторе может быть определена по эмпирической формуле

где Е_а - ЭДС аккумулятора; ρ - плотность электролита (при 15 °С в аккумуляторе).

В отличие от напряжения электродвижущая сила измеряется вольтметром при разомкнутой внешней цепи, т. е. без тока нагрузки. Практически ЭДС измеряется для обнаружения короткого замыкания между пластинами. При неполном коротком замыкании ЭДС аккуму­лятора будет ниже, чем в исправном аккумуляторе, а при полном ко­ротком замыкании ЭДС становится равной нулю.

Напряжение АКБ - это разность потенциалов положительных и отрицательных пластин при прохождении тока через аккумулятор­ную батарею. Напряжение аккумулятора определяется по формуле

в

где U_a - напряжение аккумулятора; Е_а - ЭДС аккумулятора; Ι_r. - вели­чина внутреннего падения напряжения; r - внутреннее сопротивление аккумулятора в омах.

При включении батареи для заряда вначале наблюдается резкое увеличение напряжения (при поддержании постоянной величины за­рядного тока) [16]. В дальнейшем в процессе заряда напряжение на акку­муляторе плавно повышается только до 2,4 В, а затем в конце заряда, когда часть электрической энергии начинает расходоваться на разло­жение воды, напряжение резко возрастает до 2,65÷2,78 В, после чего остается неизменным. Когда напряжение становится постоянным - это один из признаков окончания заряда (рис. 31).

Рис. 31. Зависимость напряжения аккумулятора от продолжительности заряда и разряда

При включении батареи на разряд в первый момент наблюдается незначительное уменьшение напряжения. В дальнейшем, в течение большей части разряда, напряжение падает медленно, а в конце разря­да быстро снижается, так как наступает полный разряд аккумулятора. Разряжать батарею ниже допустимого предела (1,7 В) нельзя, потому что ранее разрядившийся аккумулятор начнет переполюсовываться, а это приведет к разрушению активной массы пластин. Поэтому для каждого режима разряда определена величина конечного разряд­ного напряжения.

Емкостью аккумуляторной батареи называется количество элек­тричества, которое отдает полностью заряженная аккумуляторная батарея при непрерывном разряде ее током постоянной величины до допустимого наименьшего напряжения (1,7 В), соответствующего ус­тановленному разрядному току. Емкость АКБ измеряется в ампер-часах и определяется как про­изведение величины разрядного тока (в амперах) на время разряда (в часах). Поскольку емкость батареи зависит от разрядного тока (рис. 32), то в условном обозначении аккумуляторных батарей указы­вается емкость, соответствующая определенному разрядному режиму. Для автомобильных АКБ за номинальную емкость принимается емкость при 10-часовом режиме разряда. В процессе эксплуатации емкость АКБ зависит: от величины разрядного тока; температуры электролита; плотности электролита; срока службы батареи.

Рис. 32. Зависимость емкости аккумуляторной батареи 6-СТЭН-140М от величины разрядного тока [16].

С увеличением разрядного тока емкость свинцово-кислотных ак­кумуляторов уменьшается. Это объясняется тем, что при большем раз­рядном токе увеличивается расход находящейся в порах пластины серной кислоты (H₂S0₄), а скорость проникновения (диффузии) ее не­достаточна, чтобы покрыть этот расход. Кроме того, при разряде боль­шими токами образуется сульфат свинца PbS0₄ (в основном, в порах у поверхности пластин). Этот сульфат уменьшает сечение пор и ухуд­шает диффузию серной кислоты. При снижении разрядного тока на­пряжение аккумулятора восстанавливается и аккумулятор может от­дать еще дополнительную емкость. Например, АКБ-6-СТЭН-140М, раз­ряженная до допустимого предела током 420 А, при длительном разряде током 12,6 А может отдать еще 60÷70 А·ч.

С понижением температуры емкость батареи уменьшается (рис. 33), так как понижение температуры электролита ведет к увеличению его вязкости и сопротивления. Например, вязкость электролита при 0 °С в два раза больше, чем при 25 °С, а сопротивление электролита при -25 °С в 2 раза больше, чем при 20 °С. Вследствие этого напряжение во время разряда при низкой температуре электролита будет понижен­ным и батарея разрядится раньше, чем при более высокой температу­ре, когда электролит имеет меньшие вязкость и сопротивление.

Таким образом, на каждый градус снижения температуры электролита, начиная с температуры 30 °С, емкость АКБ умень­шается на 1 %.

Рис. 33. Зависимость емкости аккумуляторных батарей от температуры электролита при различных величинах разрядного тока (для аккумуляторной батареи 6-СТЭН-140М) [16].

Так как номинальная емкость батарей гарантируется заводами-изготовителями при температуре электролита 30 °С, то емкость, кото­рую батарея отдает, необходимо для сравнения с номинальной приво­дить к емкости при 30 °С. Приведенная емкость определяется по формуле [16]:

где С_пр - емкость, А·ч, приведенная к 30 °С; С_факт - фактическая полученная емкость, А·ч; Т_ср - средняя температура электролита при разряде.

В процессе эксплуатации АКБ емкость постоянной не остается. В начале эксплуатации она возрастает, так как разрабатывается активная масса пластин. Затем некоторое время она держится стабиль­ной, а к концу срока службы батареи постепенно уменьшается (рис. 34). Когда емкость АКБ уменьшается до 50 %, ее электрическая характе­ристика ухудшается настолько, что батарея становится непригод­ной к дальнейшей эксплуатации.

Уменьшение емкости АКБ объясняется следующими процесса­ми, которые происходят внутри батареи: разбуханием и оплыванием активной массы пластин, в резуль­тате чего происходит необратимая сульфация положительных пластин;

Рис. 34. Зависимость емкости аккумуляторных батарей 6-СТЭН-140М от срока службы (в годах) усадкой активной массы и необратимой сульфацией отрица­тельных пластин [16].

При малоинтенсивной эксплуатации, исправном электрооборудо­вании автомобиля, правильном и своевременном обслуживании бата­реи эксплуатационный (амортизационный) срок ее службы может пре­вышать гарантийный.