2.В чем разница между гальваническим элементом и аккумулятором?
3.Какие материалы используются в качестве химически активных элементов в свинцовом аккумуляторе?
4.Чем можно объяснить широкое использование свинцовых
АКБ?
5.Расскажите подробно об устройстве электродного блока свинцового аккумулятора.
1.3.Электрохимические реакции у поверхности электродов свинцового аккумулятора
Рассмотрим процессы, происходящие на поверхности обеих
электродов. Молекулы раствора серной кислоты вблизи
электродов распадаются на ионы (диссоциируют): |
|
И |
(1.2) |
H2SO4 2H1+ + (SO4)2-; H2O H1+ + OH1-. |
|
Губчатый свинец отрицательного электрода частично |
|
Д |
2- |
растворяется в электролите с образованием положительных ионов Pb2+:
Pb Pb2+ + 2e1-.
Освободившиеся при этом электроны e1- сообщают электроду отрицательный заряд; ионы свинца могут вступать в
реакцию с отрицательными ионами сульфата (SO4) , |
образуя |
||||
|
и |
|
|
|
|
нейтральный сульфат свинца, который имеет слабую |
|||||
растворимость |
поэтомуАможет осаждаться на |
любой |
|||
поверхности, включая отр цательный электрод. |
|
||||
С |
б2+ |
2- |
PbSO4. |
|
|
|
Pb + (SO4) |
|
|
||
Одновременно с этим двуокись свинца PbO2 положительного электрода, растворяясь в электролите в значительно меньшем количестве, чем губчатый свинец, при взаимодействии с водой диссоциируется на ионы четырехвалентного свинца Pb4+ и гидроксила OH1-:
PbO2 + 2H2O Pb4+ + 4OH1-,
а гидроксильная группа, соединяясь с ионом водорода, образует воду:
4OH1- + 4H1+ 4H2O.
При этом осевшие на положительном электроде ионы Pb4+ сообщают ему положительный потенциал.
Таким образом, на границе электролита c обоими электродами имеет место пространственное разделение зарядов, формирующее двойной электрический слой и создающее в нем
9
электрическую разность потенциалов. Химическая реакция (результирующая рассмотренных выше реакций)
Pb + 2H2SO4 + PbO2 + 2H2O 4H2O + 2PbSO4 |
(1.3) |
будет происходить до тех пор, пока не наступит динамическое равновесие сил химического и кулоновского взаимодействия носителей электрических зарядов. При этом электролит в целом (за исключением пограничных зон, в которых сосредоточен двойной электрический слой) электронейтрален, т.е. алгебраическая сумма заряда всех ионов равна нулю. Толщина двойного электрического слоя, в котором наблюдается изменение потенциала, составляет всего 3…4 Å [1 Å (ангстрем) = 10-10 м]. Электроды аккумулятора являются эквипотенциальными
поверхностями. |
И |
Это равновесие приостанавливает дальнейший ход электрохимических реакций, а объёмные заряды на поверхности электродов относительно электронейтрального электролита (для плотности электролита = 1,25 г/см3) составят соответственно:
- для отрицательного электрода потенциал - = –0,38 В;
- для положительного электрода + = +1,72 В (рис. 1.3). |
|||
|
|
|
Д |
|
|
А |
|
|
б |
|
|
и |
|
|
|
С |
|
|
|
+
-
x
Рис. 1.3. Скачки потенциалов на электродах свинцового аккумулятора: - = -0,38 В; + = +1,72 В
Разность электродных потенциалов, измеренная в разомкнутой цепи + – - даёт значение ЭДС Е0 =2,10 В.
10
Если теперь замкнуть цепь ключом Кр (см. рис. 1.3), то электроны с отрицательного электрода потекут через нагрузку (лампочку) к положительному электроду. За счет потребления электрической энергии лампочкой равновесие станет нарушаться и электрохимическая реакция (1.3) возобновится. По замкнутой цепи будет течь разрядный ток, питая нагрузку.
В результате реакции разряда (1.3) аккумулятора активные
материалы положительного и |
отрицательного электродов |
преобразуются в сульфат свинца |
PbSO4. При этом расходуется |
серная кислота Н2SO4, а из ионов H+ и OH- образуется вода, что приводит к снижению концентрации раствора серной кислоты и изменению его плотности. Поэтому по плотности электролита можно судить о степени разрядки аккумулятора.
Слаборастворимый сульфат свинца PbSO4 оседает на поверхностях, в том числе и на электродах, закупоривая поры, что препятствует протеканию реакции разряда аккумулятора, разрядный ток прекращается, и лампочка в нашей цепи гаснет.
Теперь разомкнем ключ Кр и замкнем ключ Кз, подсоединив источник электропитания плюсом к положительному выводу аккумулятора и минусом к отрицательному. Под влиянием напряжения источника постоянного тока во внешней цепи устанавливается направленное движение электронов к отрицательному электроду.
Двухвалентные оны свинца у отрицательного электрода нейтрализуются поступ вш ми двумя электронами, превращая активную массу отр цательного электрода в металлический губчатый свинец: Pb2+ +2е- Pb , ионы (SO4)2- и 2 Н+ образуют серную кислоту: (SO4)2- + 2Н+ Н2SO4.
У положительного электрода под действием зарядного тока
двухвалентные ионы свинца Pb2+ |
отдают |
электроны 2е1-, |
|
СибАДИ |
4+ |
||
Pb , которые, |
|||
становясь 4-валентными ионами |
свинца |
||
соединяясь через промежуточные реакции с двумя ионами кислорода, образуют двуокись свинца PbО2 . Ионы 2H1+ и (SO4)2- образуют серную кислоту, в результате чего растет плотность
электролита. |
|
Суммарная реакция зарядного процесса имеет вид |
|
2PbSO4 + 2 Н2O → PbО2 + Pb + 2H2SO4. |
(1.4) |
Когда процессы преобразования веществ в активных массах положительного и отрицательного электронов окончены, плотность электролита перестает изменяться, то это служит
11
признаком окончания процесса заряда аккумулятора. При дальнейшем продолжении заряда начинается процесс активного электролитического разложения воды на Н2 и О2, которые выделяются у электролита, создают эффект его «кипения», что также является признаком окончания зарядного процесса.
Контрольные вопросы и задания:
1. Опишите электрохимические реакции, протекающие у поверхности отрицательного электрода свинцового аккумулятора, когда к нему не подключена нагрузка.
2. Опишите электрохимические реакции, протекающие у поверхности положительного электрода свинцового аккумулятора, когда к нему не подключена нагрузка.
3. Как меняется состав электролита в процессе разряда
|
СибАДИ |
|
|||
аккумулятора? |
|
|
|
|
|
4. Почему химическая активность электродов в процессе |
|||||
разряда падает? |
|
|
|
|
|
5. Напишите |
электрохимическую реакцию разряда |
||||
аккумулятора. |
|
|
|
|
|
6. Опишите электрохимические реакции, протекающие у |
|||||
поверхности |
|
отрицательного |
электрода |
свинцового |
|
аккумулятора, когда он подключен к источнику постоянного напряжения.
7. Опишите электрох мические реакции, протекающие у поверхности полож тельного электрода свинцового аккумулятора, когда он подключен к источнику постоянного
напряжения. |
|
заряда |
|
8. |
Напишите |
электрохимическуюреакцию |
|
аккумулятора. |
|
|
|
9. |
Как определить, что аккумулятор полностью зарядился? |
||
1.4. Методы зарядки свинцовых АКБ
Если к АКБ не подключена нагрузка, его ЭДС можно измерить по величине плотности электролита. ЭДС покоя одного аккумулятора в этом случае вычисляется по формуле
E0 0,84 , |
(1.5) |
где плотность электролита при температуре 15 °С, г/см3. |
|
Если температура электролита отличается от 15 °С, то на |
|
каждый градус вносится поправка, равная 0,0007. Поэтому |
|
а 0,0007(t 15), |
(1.6) |
12
где |
a плотность электролита, измеренная аэрометром (рис. |
1.4), |
г/см3; t температура электролита, °С. |
|
Аэрометром плотность электролита измеряется следующим |
образом. С помощью резиновой груши 1 (см. рис. 1.4) внутрь стеклянной колбы 2 засасывается необходимое количество электролита из аккумулятора. Это количество должно быть достаточным для всплывания размещенного внутри колбы денсиметра 3 (поплавка со шкалой). Уровень жидкости установится на определенной отметке шкалы денсиметра, которая укажет измеренную плотность электролита.
Рис. 1.4.СибАДИИзмерение аэрометром плотности электролита: 1 – резиновая груша; 2 – колба; 3 – денсиметр
В диапазоне температур от –40…+40 °С плотность электролита изменится от 1,09…1,15 г/см3 до 1,25…1,31 г/см3. При этом, согласно формуле (1.5), ЭДС покоя E0 аккумулятора будет меняться соответственно от 1,93…1,99 В до 2,09…2,15 В. ЭДС покоя всей АКБ, представляющей последовательное соединение шести аккумуляторов, будет изменяться от 11,58…11,94 В (что соответствует состоянию АКБ разряжена на 50%) до 12,54…12,9 В (состояние полностью заряженной АКБ).
Разряженные АКБ заряжают различными способами в зависимости от конкретных условий.
13
Зарядка АКБ при постоянном зарядном токе (Iз = const).
Этот способ применяется на зарядных станциях и в аккумуляторных отделениях автотранспортных предприятий. Ток в цепи поддерживается постоянным регулятором напряжения зарядного устройства либо с помощью изменения сопротивления реостата, включенного в цепь. В последнем случае величину сопротивления реостата вычисляют по формуле
Uс Uр n |
|
|
|
|
|
|||
R |
|
|
, |
|
|
|
|
|
Iз |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где Uс напряжение постоянного |
источника |
тока, |
В; |
U р |
||||
расчетное напряжение на один аккумулятор, |
В; n |
число |
||||||
последовательно включенных аккумуляторов, n |
Uс |
; |
Iз |
сила |
||||
|
||||||||
зарядного тока, А. |
|
|
2,7 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||
Зарядка осуществляется при зарядном токе |
|
|
|
|
|
|||
Iз 0,1С20, |
|
|
|
|
(1.7) |
|||
где С20 номинальнаяСибАДИемкость АКБ, А·ч.
На начальном этапе зарядки почти вся энергия идет на основные реакции восстановления химически активных элементов аккумулятора. Когда КБ зарядится на 85…90%, для поддержания требуемой силы тока Iз необходимо повысить напряжение до величины, при которой начинают появляться процессы газовыделен я, а на них требуется дополнительная энергия. Поэтому на зарядку АКБ данным способом требуется затратить в 1,2…1,5 больше энергии по сравнению с энергией разряда АКБ.
Такую зарядку обычно проводят сразу с целой группой АКБ одного типа с одинаковыми параметрами. Собирают последовательно-параллельную цепь из одинаковых АКБ и запитывают её от одного источника постоянного тока (рис. 1.5). Рассмотрим расчет такой цепи, которая обеспечит для одновременной зарядки наибольшее число АКБ.
Пример 1.1. Дано: зарядное устройство с выпрямленным напряжением Uу 120 В и номинальной силой тока Iу 60 А;
аккумуляторные батареи 6СТ-90. Сколько таких батарей можно одновременно зарядить от этого зарядного устройства?
Решение. Согласно маркировке, номинальная разрядная емкость этой батареи С20= 90 А·ч. Тогда, согласно формуле (1.7),
Iз 0,1С20 9 А.
14
Число параллельных ветвей цепи будет равно
k |
Iу |
|
60 A |
6,7, |
Iз |
|
|||
|
|
9 A |
||
то есть из таких АКБ можно собрать 6 параллельных ветвей.
В каждую ветвь цепи можно включить число АКБ, равное целой части отношения Iз 0,1С20. Для АКБ 6СТ-90 n 6, то
есть m |
120 В 7,4 7. Следовательно, к такому зарядному |
|
|
2,7 В 6 |
|
устройству можно подключить для одновременной |
зарядки |
|
k m 6·7=42 батарей 6СТ-90. |
|
|
|
Uу |
|
|
СибАДИ |
A |
|
A |
|
|
R |
R |
Рис. 1.5. Последовательно-параллельная схема зарядки шести АКБ: 2 параллельные ветви, 3 АКБ в каждой ветви
Зарядка АКБ при постоянном напряжении (Uу = const).
Данный способ на зарядных станциях применяется реже. Здесь зарядный ток изменяется следующим образом. В начале зарядки ЭДС батареи понижена (из-за низкой ), и ток достигает наибольших значений: Iз (1...1,5) С20, А. В процессе зарядки ЭДС повышается, а ток падает. К концу зарядки ток Iз 0,1С20, а
15
ЭДС порядка 2,3…2,4 В. Продолжительность зарядки та же, что в предыдущем способе.
Основное преимущество данного способа – меньшее газовыделение вследствие меньшего напряжения в конце зарядки. Основной недостаток – необходимость использования более мощного зарядного устройства, причем эта мощность используется полностью лишь в начале зарядки.
Ускоренная зарядка АКБ. При неполной разрядке АКБ может быть заряжена через прикуриватель (без снятия с автомобиля) ускоренным способом от постороннего источника электроэнергии. Очевидные достоинства данного способа: значительное сокращение времени зарядки, исключение работ по снятию, установке и доставке АКБ на заправочную станцию.
Ускоренная |
зарядка |
батареи |
осуществляется |
токами |
|||
Iз (0,7...0,9) С20, А, а ее |
|
целью |
является восстановление |
||||
работоспособности АКБ. |
|
|
|
|
|
|
|
Сила зарядного тока определяется по формуле |
|
|
|||||
|
Iз |
Uс Eб |
, |
И |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
Rб |
В; Eб ЭДС |
|||
где Uс напряжение постоянного источника тока, |
|||||||
батареи, В; Rб внутреннее сопротивлениеДАКБ, Ом. |
|
||||||
Критерий |
окончания |
|
такой |
зарядки |
– |
полное |
|
восстановление работоспосоАности АКБ: величина полученного |
|||||||
заряда должна равнятьсябзаряду, на который она разрядилась. Установка Э411 обеспеч вает точное определение степени
разряженности батареии. Такая установка позволяет ускоренно заряжать лишь одну АКБ.
низких температурахСнепосредственно перед пуском двигателя. Предпусковая подзарядка АКБ обычно длится 7…10 мин.
Режим ускоренной подзарядки можно применять при
Уравнительная зарядка. Применяется, когда в АКБ имеют место аккумуляторы с повышенной степенью разряженности. Зарядка ведется током Iз 0,1С20 до тех пор, пока во всех аккумуляторах плотность электролита не будет постоянной в течение двух часов.
Контрольные вопросы и задания:
1. Как можно определить ЭДС покоя свинцового аккумулятора?
16