Принцип работы свинцового аккумулятора

Свинцовые аккумуляторы являются вторичными химическими источникам тока, которые могут использоваться многократно. Активные материалы, израсходованные в процессе разряда, восстанавливаются при последующем заряде.

Химический источник тока представляет собой совокупность реагентов (окислителя и восстановителя) и электролита. Восстановитель (отрицательный электрод) электрохимической системы в процессе токообразующей реакции отдает электроны и окисляется, а окислитель (положительный электрод) восстанавливается. Электролитом, как правило, является жидкое химическое соединение, обладающее хорошей ионной и малой электронной проводимостью.

В свинцовом аккумуляторе в токообразующих процессах участвуют двуокись свинца (диоксид свинца) РbO₂ (окислитель) положительного электрода, губчатый свинец Рb (восстановитель) отрицательного электрода и электролит (водный раствор серной кислоты H₂S0₄). Активные вещества электродов представляют собой относительно жесткую пористую электронопроводящую массу с диаметром пор 1,5 мкм у РbO₂ и 5-10 мкм у губчатого свинца. Объемная пористость активных веществ в заряженном состоянии - около 50 %.

Часть серной кислоты в электролите диссоциирована на положительные ионы водорода Н* и отрицательные ионы кислотного остатка SO₄^2-. Губчатый свинец при разряде аккумулятора выделяет в электролит положительные ионы двухвалентного свинца Pb₂²⁺. Избыточные электроны отрицательного электрода по внешнему участку замкнутой электрической цепи перемещаются к положительному электроду, где восстанавливают четырехвалентные ионы свинца Pb⁴⁺ до двухвалентного свинца Pb²⁺. Положительные ионы свинца Pb⁺ соединяются с отрицательными ионами кислотного остатка SO₄^2-, образуя на обоих электродах сернокислый свинец РbSО₄ (сульфат свинца).

При подключении аккумулятора к зарядному устройству электроны движутся к отрицательному электроду, нейтрализуя двухвалентные ионы свинца Рb²⁺. На электроде выделяется губчатый свинец Рb. Отдавая под влиянием напряжения внешнего источника тока по два электрона, двухвалентные ионы свинца Рb²⁺ у положительного электрода окисляются в четырехвалентные ионы Рb⁴⁺. Через промежуточные реакции ионы Рb⁴⁺ соединяются с двумя ионами кислорода и образуют двуокись свинца РbO₂-

Х имические реакции в свинцовом аккумуляторе описываются уравнением:

Содержание в электролите серной кислоты и плотность электролита уменьшаются при разряде и увеличиваются при заряде. По плотности электролита судят о степени разряженности свинцового аккумулятора:

где ΔС_P- степень разряженности аккумулятора, %;

ρ₃ и ρ_P - плотность электролита соответственно полностью заряженного и полностью разряженного аккумулятора при температуре 25 ⁰С, г/см²; ρ₂₅ ‑ измеренная плотность электролита, приведенная к температуре 25 ⁰С, г/см³.

Расход кислоты у положительных электродов больше, чем у отрицательных. Если учитывать количество воды, образующейся у положительных электродов, то НЕОБХОДИМОЕ КОЛИЧЕСТВО КИСЛОТЫ в течение разряда, в 1,6 раза больше, чем у отрицательных электродов. При разряде происходит незначительное увеличение объема электролита, а при заряде - уменьшение (около 1 см³ на 1 А‑ч). На 1 А-ч электрической емкости расходуется: при разряде - свинца 3,86 г, диоксида свинца 4,44 г, серной кислоты 3,67 г, а при заряде - воды 0,672 г, сульфата свинца 11,6 г.

Контрольные вопросы.

1. Для чего предназначена аккумуляторная батарея на автомобиле, и какой агрегат является самым мощным потребителем электрической энергии и почему?

2. Какие параметры больше всего влияют на работу аккумулятора?

3. Какие вещества входят в состав электролита?

4. Какие типы химической реакции идут при зарядке или разрядке аккумулятора?