Свинцово-кислотный аккумулятор: работа, конструкция и зарядка / разрядка

Почти все портативные и карманные устройства состоят из аккумулятора. Батарея - это накопительное устройство, в котором накапливается энергия для обеспечения ее в любое время. В современном мире электроники доступны разные типы батарей, среди которых свинцово- кислотные батареи обычно используются для источников питания высокой мощности. Обычно свинцово-кислотные батареи больше по размеру, имеют прочную и тяжелую конструкцию, они могут хранить большое количество энергии и обычно используются в автомобилях и инверторах.

Даже после конкуренции с литий-ионными аккумуляторами спрос на свинцово-кислотные аккумуляторы растет день ото дня, поскольку они дешевле и проще в обращении по сравнению с литий-ионными аккумуляторами. Согласно некоторым исследованиям рынка, рынок свинцово-кислотных аккумуляторов в Индии будет расти со среднегодовым темпом роста более 9% в течение 2018-24 годов. Таким образом, он пользуется огромным рыночным спросом в автоматизации, автомобилестроении и бытовой электронике. Хотя большая часть электромобилей оснащена литий-ионными батареями, все же есть много электрических двухколесных транспортных средств, которые используют свинцово-кислотные батареи для питания транспортного средства.

В предыдущем уроке мы узнали о литий-ионных батареях, здесь мы разберемся в работе, конструкции и применении свинцово-кислотных батарей. Мы также узнаем о характеристиках зарядки / разрядки, требованиях и безопасности свинцово-кислотных аккумуляторов.

Строительство свинцово-кислотной батареи

Что такое свинцово-кислотная батарея? Если мы сломаем название «Свинцово-кислотная батарея», мы получим свинцовую, кислотную и аккумуляторную. Свинец - это химический элемент (обозначение - Pb, атомный номер 82). Это мягкий и податливый элемент. Мы знаем, что такое кислота; он может отдавать протон или принимать пару электронов, когда реагирует. Итак, аккумулятор, который состоит из свинца и безводной свинцовой кислоты (иногда ошибочно называемой пероксидом свинца), называется свинцово-кислотным аккумулятором.

Итак, какова внутренняя конструкция?

Свинцово-кислотная батарея состоит из следующих элементов, мы можем видеть это на изображении ниже:

Свинцово-кислотная батарея состоит из пластин, сепаратора и электролита, твердого пластика с твердым резиновым корпусом.

В аккумуляторах пластины бывают двух типов: положительные и отрицательные. Положительный состоит из диоксида свинца, а отрицательный - из губчатого свинца. Эти две пластины разделены разделителем, который представляет собой изоляционный материал. Вся конструкция заключена в жесткий пластиковый корпус с электролитом. Электролита является вода и серная кислота.

Жесткий пластиковый корпус - одноклеточный. Одноэлементный магазин обычно 2,1 В. По этой причине свинцово-кислотная батарея на 12 В состоит из 6 ячеек и обычно обеспечивает 6 x 2,1 В / элемент = 12,6 В.

Итак, какова емкость накопителя для заряда?

Это сильно зависит от активного материала (количества электролита) и размера пластины. Возможно, вы видели, что емкость литиевой батареи описывается в мАч или миллиампер-часах, но в случае свинцово-кислотной батареи это ампер-час. Мы опишем это в следующем разделе.

Работа свинцово-кислотной батареи

Работа свинцово-кислотных аккумуляторов - это все о химии, и о ней очень интересно знать. В процессе зарядки и разрядки свинцово-кислотных аккумуляторов происходят огромные химические процессы. Молекулы разбавленной серной кислоты H ₂ SO ₄ при растворении кислоты распадаются на две части. Он создаст положительные ионы 2H + и отрицательные ионы SO ₄ -. Как мы уже говорили ранее, два электрода соединены как пластины, анод и катод. Анод улавливает отрицательные ионы, а катод притягивает положительные ионы. Эта связь в аноде и SO ₄ - и катоде с 2H + обменивается электронами, и который далее реагирует с H2O или с водой (разбавленная серная кислота, серная кислота + вода).

Батарея имеет два состояния химической реакции: зарядка и разрядка.

Зарядка свинцово-кислотных аккумуляторов

Как мы знаем, чтобы зарядить аккумулятор, нам нужно обеспечить напряжение, превышающее напряжение на клеммах. Таким образом, для зарядки аккумулятора 12,6 В можно подать напряжение 13 В.

Но что на самом деле происходит, когда мы заряжаем свинцово-кислотный аккумулятор?

Ну, те же химические реакции, которые мы описали ранее. В частности, когда аккумулятор соединен с зарядным устройством, молекулы серной кислоты распадаются на два иона: положительные ионы 2H + и отрицательные ионы SO ₄ -. Водород обменивается электронами с катодом и становится водородом, этот водород реагирует с PbSO ₄ на катоде и образует серную кислоту (H ₂ SO ₄) и свинец (Pb). С другой стороны, SO ₄ - обменивается электронами с анодом и превращается в радикал SO ₄. Этот SO ₄ реагирует с PbSO ₄ на аноде с образованием пероксида свинца PbO ₂ и серной кислоты (H ₂ SO ₄). Энергия накапливается за счет увеличения плотности серной кислоты и увеличения потенциального напряжения ячейки.

Как объяснялось выше, в процессе зарядки на аноде и катоде происходят следующие химические реакции.

На катоде

PbSO ₄ + 2e ^- => Pb + SO ₄ ^2-

На аноде

PbSO ₄ + 2H ₂ O => PbO ₂ + SO ₄ ^2- + 4H ^- + 2e ^-

Комбинируя вышеуказанные два уравнения, общая химическая реакция будет

2PbSO ₄ + 2H ₂ O => PbO ₂ + Pb + 2H ₂ SO ₄

Существуют различные способы зарядки свинцово-кислотного аккумулятора. Каждый метод может использоваться для определенных свинцово-кислотных аккумуляторов для конкретных приложений. В некоторых приложениях используется метод зарядки с постоянным напряжением, в других - с постоянным током, а в некоторых случаях полезна зарядка от щекотки. Обычно производитель аккумуляторов предоставляет правильный метод зарядки определенных свинцово-кислотных аккумуляторов. Зарядка постоянным током обычно не используется при зарядке свинцово-кислотных аккумуляторов.

Наиболее распространенным методом зарядки, используемым в свинцово-кислотных аккумуляторах, является метод зарядки постоянным напряжением, который является эффективным с точки зрения времени зарядки. В течение полного цикла зарядки напряжение заряда остается постоянным, а ток постепенно уменьшается с увеличением уровня заряда аккумулятора.

Разрядка свинцово-кислотных аккумуляторов

Разряд свинцово-кислотной батареи снова связан с химическими реакциями. Серная кислота находится в разбавленной форме, обычно в соотношении 3: 1 с водой и серной кислотой. Когда нагрузки подключаются поперек пластин, серная кислота снова распадается на положительные ионы 2H + и отрицательные ионы SO ₄. Ионы водорода реагируют с PbO ₂ и образуют PbO и воду H ₂ O. PbO начинает реагировать с H ₂ SO ₄ и создает PbSO ₄ и H ₂ O.

С другой стороны, ионы SO ₄ - обмениваются электронами с Pb, создавая радикал SO _4, который в дальнейшем создает PbSO _4, реагирующий с Pb.

Как объяснялось выше, в процессе разряда на аноде и катоде происходят следующие химические реакции. Эти реакции прямо противоположны реакциям зарядки:

На катоде

Pb + SO ₄ ^2- => PbSO ₄ + 2e ^-

На аноде:

PbO ₂ + SO ₄ ^2- + 4H ^- + 2e ^- => PbSO ₄ + 2H ₂ O

Комбинируя вышеуказанные два уравнения, общая химическая реакция будет

PbO ₂ + Pb + 2H ₂ SO ₄ => 2PbSO ₄ + 2H ₂ O

Из-за обмена электронами между анодом и катодом нарушается баланс электронов на пластинах. Затем электроны проходят через нагрузку, и батарея разряжается.

Во время этого разряда плотность разбавленной серной кислоты уменьшается. Кроме того, в то же время уменьшается разность потенциалов ячейки.

Фактор риска и электрические характеристики

Свинцово-кислотный аккумулятор опасен при ненадлежащем обслуживании. Поскольку аккумулятор выделяет водород во время химического процесса, он очень опасен, если не используется в вентилируемом помещении. Кроме того, неточная зарядка серьезно повреждает аккумулятор.

Каковы стандартные характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов?

К каждой свинцово-кислотной батарее прилагается таблица стандартных значений тока заряда и тока разряда. Обычно свинцово-кислотный аккумулятор на 12 В, применимый в автомобильной промышленности, может иметь диапазон от 100 Ач до 350 Ач. Этот рейтинг определяется как рейтинг разряда с 8-часовым периодом времени.

Например, батарея на 160 Ач может обеспечить ток питания 20 А в течение 8 часов диапазона. Мы можем потреблять больше тока, но делать это не рекомендуется. Потребление тока, превышающего максимальный ток разряда в течение 8 часов, приведет к снижению эффективности аккумулятора, а также может измениться внутреннее сопротивление аккумулятора, что еще больше повысит температуру аккумулятора.

С другой стороны, во время фазы зарядки мы должны быть осторожны с полярностью зарядного устройства, оно должно быть правильно подключено с полярностью батареи. Обратная полярность опасна для зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов. Готовое зарядное устройство поставляется с измерителем зарядного напряжения и зарядного тока с возможностью управления. Мы должны обеспечить большее напряжение, чем напряжение аккумулятора, чтобы зарядить аккумулятор. Максимальный ток заряда должен быть таким же, как и максимальный ток питания при 8-часовой разряде. Если мы возьмем тот же пример 12 В 160 Ач, то максимальный ток питания составляет 20 А, поэтому максимальный безопасный ток зарядки составляет 20 А.

Не следует увеличивать или обеспечивать большой зарядный ток, так как это приведет к нагреву и увеличению газообразования.

Правила обслуживания свинцово-кислотных аккумуляторов

1. Полив - это наиболее часто игнорируемая функция обслуживания залитых свинцово-кислотных аккумуляторов. Поскольку перезарядка уменьшает воду, нам нужно часто ее проверять. Меньшее количество воды вызывает окисление пластин и снижает срок службы батареи. При необходимости доливайте дистиллированную или ионизированную воду.
2. Проверьте вентиляционные отверстия, их нужно усовершенствовать резиновыми заглушками, часто резиновые заглушки слишком плотно прилегают к отверстиям.
3. Подзаряжайте свинцово-кислотные батареи после каждого использования. Длительный период без подзарядки обеспечивает сульфатирование в пластинах.
4. Не замораживайте аккумулятор и не заряжайте его более чем на 49 градусов по Цельсию. При низкой температуре окружающей среды аккумуляторы необходимо полностью заряжать, поскольку полностью заряженные аккумуляторы безопаснее, чем разряженные аккумуляторы в отношении замерзания.
5. Не разряжайте аккумулятор ниже 1,7 В на элемент.
6. Для хранения свинцово-кислотного аккумулятора его необходимо полностью зарядить, а затем слить электролит. Тогда аккумулятор высохнет и его можно будет хранить долгое время.