Федеральное агентство по образования

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)

Кафедра “Электроника и автотракторное электрооборудование”

Стартерная аккумуляторная батарея Методические указания

к лабораторной работе по дисциплине

“Электрооборудование автомобилей”: 150200 и 240400

Составители: А.П. Попов, В.И. Горбунков, С.М. Клеванский

Омск

Издательство СибАДИ

2007

Лабораторная работа №1

Стартерная аккумуляторная батарея

1. Цель работы

- освоение методики проверки технического состояния стартерных аккумуля-торных батарей;

- определение основных параметров аккумуляторной батареи: степени разря-жённости, ЭДС, внутреннего сопротивления;

- построение вольт – амперной характеристики и кривой мощности, развивае-мой стартерной аккумуляторной батареей;

• оценка потенциальной возможности исследуемой аккумуляторной батареи.

2. Правила безопасной работы

Содержатся в инструкции по охране труда при выполнении лабораторных ра-бот в лаборатории №272 “Электрооборудование”.

3. Домашняя подготовка

- изучить по литературе [13] теоретические вопросы по устройству и характе-ристикам свинцовых аккумуляторных батарей, требования, представляемые к стартерным аккумуляторным батареям, маркировке батарей;

- ознакомиться с требованиями по оформлению отчетов по лабораторным рабо-там [4] по курсу “Электрооборудование автомобилей”.

4. Выполнение лабораторной работы

К выполнению лабораторной работы допускаются лишь те студенты, кото-рые показали достаточное знание теории и имеющие практические навыки ра-боты с электроизмерительными приборами.

Порядок выполнения лабораторной работы писан в разделе 6.

5. Конструкция, принцип действия и основные характеристики аккумуля-торных батарей

Электрический аккумулятор – устройство, в котором химическая энергия заложенных в него активных веществ непосредственно преобразуется в электрическую при протекании электрохимических реакций.

Устройство такого типа называется химическим источником тока, но в отли-чие от гальванических элементов, является вторичным и предназначено для многократного использования за счет восстановления химической энергии ве-ществ.

5.1. Конструкция аккумуляторов

Устройство почти всех свинцовых аккумуляторов одинаково и основано на принципе баночной конструкции. Широкое применение этих аккумуляторов обусловлено их дешевизной, надежностью в работе и хорошими показателями. Они обладают высоким и стабильным напряжением, мало меняющимся с тем-пературой и токами нагрузки. Ресурс свинцовых аккумуляторов составляет не-сколько сотен зарядно – разрядных циклов.

Электродный блок помещается в баке из кислотостойкого изоляционного материала. Сама блочная структура представляет собой параллельное соедине-ние разнополярных пластин, дающее аккумулятору низкое внутреннее сопро-тивление, что очень важно для стартерных батарей. При сборке аккумуляторов полублоки положительных и отрицательных пластин вводят друг в друга и изолируются сепараторами. Назначение сепараторов состоит в предотвращении соприкосновения разнополярных электродов. Сепараторы способствуют также доступу жидкого электролита по всем участкам электродов.

Расстояние между верхними кромками пластины и крышкой аккумулятора составляет не менее 20 мм. Это расстояние необходимо для компенсации коле-бания уровня электролита и отделения капель электролита при сильном газовы-делении (“кипении”) в конце заряда. В крышке имеется два отверстия для шты-рей – токовыводов. Еще одно отверстие в крышке предназначено для вентиля-ционной пробки, которое обеспечивает выход газов при саморазряде и переза-ряде, а также для доливки электролита, замера его уровня и концентрации. От-дельные аккумуляторы в батарее соединяются хорошо проводящими свинцовы-ми перемычками, которые в последнее время делаются закрытыми общей крышкой, уменьшая саморазряд батареи во время эксплуатации.

Электроды свинцового стартерного аккумулятора представляют собой отно-сительно жесткий электронопроводящий каркас, пронизанный большим коли-чеством пор, с диаметрами 5-10 мкм для губчатого свинца Pb (отрицательной активной массы) и 1-5 мкм для губки двуокиси PbO₂ ( положительно активной массы) при объемной пористости около 50 % в заряженном состоянии. Элект-ролит – водный раствор серной кислоты

H₂SO₄ + H₂O ,

часть которого всегда диссоциирована на положительные ионы водорода H⁺ и отрицательные сульфат- ионы SO₄ ; часть H₂O – также на ионы H⁺ и ионы гид-роксильной группы OH^- (гидратированные ионы обеих знаков).

5.2. Электролит. Механизмы переноса зарядов

Водный раствор серной кислоты, в котором имеются подвижные ионы электропроводен. Под действием электрического поля в электролите начинает-ся перемещение ионов вдоль направления поля. Скорость миграции каждого иона пропорциональна как напряженности поля, так и величине, которую назы-вают подвижностью данного иона. Подвижность ионов пропорциональна удельной электрической проводимости электролита  (См/м), обратную вели-чину которой, численно равной 1/, называют удельным сопротивлением электролита  (Омм), и связывают с главной величиной определяющей внут-реннее сопротивление аккумулятора.

В очень разбавленных растворах как видно из рис.1 проводимость  растет пропорционально концентрации. При дальнейшем увеличении концент-рации подвижность снижается вследствие межионных взаимодействий, роста вязкости, а кроме того возможно снижение степени диссоциации электролита. Соответственно, рост  замедляется (см. рис.1)

Рис 1. Зависимость удельной электропроводимости серной кислоты

от плотности (концентрации электролита) и температуры.

Область концентрации где  - наибольшее соответствует наименьшему значению удельного сопротивления электролита.

Сильная зависимость  от температуры обусловлена прежде всего изменением подвижности ионов. Так как плотность растворов изменяется с температурой, то всегда указывают при какой температуре производится измерение плотности.

Подвижность ионов связана с другими механизмами переноса ионов, действующими в электролитах свинцовых аккумуляторов – конвективных по-токов жидкости (за счет небольших различий температур и плотностей), а так-же диффузионного переноса реагентов который действует вблизи поверхности электродов, выравнивая концентрацию электролита в порах активных масс и объеме всего аккумулятора.

5.3. Принцип действия

Рассмотрим процессы, происходящие на поверхности обеих электродов.

Губчатый свинец отрицательного электрода частично растворяется в элект-ролите с образованием положительных ионов Pb²⁺ , освободившиеся при этом электроны сообщают электроду отрицательный заряд; ионы свинца могут всту-пать в реакцию с отрицательными ионами сульфата образуя нейтральный суль-фат свинца который имеет слабую растворимость и поэтому может осаждаться на любой поверхности, включая отрицательный электрод.

Pb²⁺ + SO₄  PbSO₄ ,

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 четырехвалентно-го свинца Pb⁴⁺ и гидроксила OH^-. Гидроксильная группа, соединяясь с ионом водорода, образует воду

4 OH^- + 4 H⁺  4 H₂O ,

ионы Pb⁴⁺ сообщают электроду положительный потенциал.

Таким образом, на границе электролита c обеими электродами имеют мес-то два связанных между собой явления [5]:

- адсорбция, т.е. изменение концентрации компонентов раствора вблизи по-верхности электродов;

- пространственное разделение зарядов, формирующее двойной электрический слой и создающее в нем электрическую разность потенциалов.

Поскольку все носители зарядов, создающие на электроде потенциал, ос-таются на нем, пополняя заряд его поверхности (в таком случае говорят, что электроды являются идеально поляризованными) , а также то, что адсорбция ионов раствора на электроде обусловлена только кулоновским взаимодействи-ем заряда поверхности с зарядами ионов, то по истечении некоторого времени в системе установится динамическое равновесие между электростатическими си-лами системы зарядов. Для него характерно: электролит в целом (за исключе-нием пограничных зон, в которых сосредоточен двойной электрический слой) является электронейтральным, т.е. алгебраическая сумма заряда всех ионов рав-на нулю. Толщина двойного электрического слоя, в котором наблюдается изме-нение потенциала, составляет 3  4 А. Электроды аккумулятора – эквипотенци-альны (см. рис. 2).

Это равновесие приостанавливает дальнейший ход электрохимических ре-акций, а объёмные заряды на поверхности электродов для плотности электроли-та, например  = 1,25 [г / см³] составляют, соответственно:

Рис. 2. Строение двойных слоев на границе электролита с обоими

электродами свинцового аккумулятора.

Здесь ⁺ и  ^- – скачки потенциалов на электродах, вызванные работой выхода “основных” носителей за пределы кристаллических решеток материала электродов.

- для отрицательного электрода потенциал ^- = - 0,38 В;

- для положительного электрода ⁺ = +1,72 В, как видно из рис. 2

Разность электродных потенциалов, измеренная в разомкнутой цепи ⁺ -  ^- даёт значение ЭДС Е₀ =2,10 В

Равновесная ЭДС свинцового аккумулятора Е₀ , как и любого химического источника тока, зависит об химических и физических свойств веществ, прини-мающих участие в токообразующем процессе и совершенно не зависит от раз-меров и формы электродов, а также от количества активных масс и электроли-та. Вместе с тем в свинцовом аккумуляторе электролит принимает непосред-ственное участие в токообразующем процессе на аккумуляторных электродах и изменяет свою плотность в зависимости от степени заряженности аккумулято-ров. Поэтому равновесная ЭДС, которая в свою очередь является функцией плотности электролита, будет также функцией степени разряженности аккуму-лятора, температуры и других факторов.

Установившееся равновесие нарушается, когда между электродами по внеш-ней цепи пойдет ток: электроны с отрицательного электрода устремляются к положительному, потенциальный барьер снижается, на смену ушедшим элект- ронам приходят новые. На положительном электроде ионы Pb⁴⁺ присоединяя электроны, пришедшие по внешней цепи, восстанавливаются до ионов двухва-лентного свинца

Pb⁴⁺ + 2е^-  Pb²⁺ ,

которые взаимодействуют с ионами SO₄ образуют сернистый свинец (сульфат свинца) PbSO₄ который осаждается на поверхности положительного электрода (см. рис.2)

Рис. 3. Зависимость равновесной ЭДС и потенциалов электродов свинцового аккумулятора от плотности электролита.

Рис. 4. Схема электрохимических процессов при разряде свинцового аккумулятора

Следовательно, в результате разряда аккумулятора активные материалы положительного и отрицательного электродов преобразуются в сульфат свинца PbSO₄ . При этом расходуется серная кислота Н₂SO₄ , а из ионов H⁺ и OH^- обра-зуется вода , что приводит к снижению уровня электролита при разряде:

- на отрицательном электроде Pb - 2е + SO₄  PbSO₄ ,

- на положительном электроде - PbО₂ + 2е + 4H⁺ SO₄  PbSO₄ + 2 Н₂O .

По плотности электролита поэтому судят о разряде.

Схема электрохимических процессов при заряде аккумулятора показана на рис. 5.

Рис. 5. Схема электрохимических процессов при заряде свинцового аккумулятора

В электролите у обоих электродов присутствуют в небольшом количестве ионы сульфата свинца (Pb⁺ , SO₄) и воды (H⁺, ОH^-).

Под влиянием напряжения источника постоянного тока во внешней цепи ус-танавливается направленное движение электронов к отрицательному электроду.

Двухвалентные ионы свинца у отрицательного электрода нейтрализуются поступившими двумя электронами, превращая активную массу отрицательного электрода в металлический губчатый свинец: Pb²⁺ +2е  Pb , ионы SO₄ и 2 Н⁺ образуют серную кислоту:

SO₄ + 2Н⁺  Н₂SO₄ .

У положительного электрода под действием зарядного тока двухвалентные ионы свинца Pb²⁺ отдают электроны 2е, становясь 4-х валентными ионами свинца Pb⁴⁺ ,которые, соединяясь через промежуточные реакции с двумя иона-ми кислорода, образуют двуокись свинца PbО₂ . Ионы 2H⁺ и SO₄ образуют сер-ную кислоту, в результате чего растет плотность электролита.

Суммарная реакция зарядного процесса имеет вид

PbSO₄ + 2 Н₂O  PbО₂ + Pb + 2H₂SO₄ .

Когда процессы преобразования веществ в активных массах положительно-го и отрицательного электронов окончены, плотность электролита перестает из-меняться, то это служит признаком окончания процесса заряда аккумулятора. При дальнейшем продолжении заряда начинается процесс активного электро-литического разложения воды на Н₂ и О₂, которые выделяются у электролита создают эффект его “кипения”, что также является признаком окончания заряд-ного процесса.