Свинцово-кислотные аккумуляторы.

Свинцово-кислотный аккумулятор — наиболее распространенный на сегодняшний день тип аккумуляторов, изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте. В 1878 году Камилл Фор усовершенствовал его конструкцию, покрыв пластины аккумулятора свинцовым суриком. Основные области применения: аккумуляторные батареи в автомобильном транспорте, аварийные источники электроэнергии.

Электрохимическая схема свинцового аккумулятора:

Pb |H₂SO₄ | PbO₂

Электроды (отрицательный – свинец и положительный – диоксид свинца) погружены в раствор H₂SO₄ плотностью 1,25−1,30 г/см³.

Принцип действия

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в сернокислотной среде.

Электрохимические процессы:

Анодный процесс (разряд ®):

Pb + HSO₄^- « PbSO₄ + H⁺ + 2e Е^О = -0,36В

Катодный процесс (разряд ®):

PbO₂ + HSO₄^- + 3Н⁺ + 2е « PbSO₄ + 2Н₂О Е^О = 1,69В

Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄ « 2PbSO₄ + 2Н₂О – суммарное уравнение токообразующей реакции в свинцовом аккумуляторе. В режиме «разряд» свинец и диоксид свинца переходят в нерастворимый в кислоте сульфат свинца. В режиме заряд () под действием внешнего источника тока обеспечивается обратное разряду направление перемещения электронов, что вызывает регенерацию активных масс: свинца и диоксида свинца. В соответствии с потенциалами Э.Д.С. аккумулятора составляет примерно 2В. Следует отметить, что в электрохимических процессах на электродах принимает участие серная кислота, поэтому Э.Д.С. существенно зависит от концентрации серной кислоты в растворе. При разряде имеет место расход серной кислоты, поэтому о степени разряда аккумулятора можно судить по концентрации раствора, измеряя его плотность с помощью специальных приборов – ареометров.

Устройство

Элемент свинцово-кислотного аккумулятора состоит из электродов (положительных и отрицательных) и разделительных изоляторов (сепараторов), которые погружены в электролит. Электроды представляют собой свинцовые решётки. У положительных активным веществом является диоксид свинца (PbO₂), у отрицательных активным веществом является губчатый свинец.

На самом деле электроды выполнены не из чистого свинца, а из сплава с добавлением сурьмы в количестве 1-2 % для повышения прочности и примесей. Иногда в качестве легирующего компонента используются соли кальция, в обеих пластинах, или только в положительных. Применение солей кальция вносит не только положительные, но и много отрицательных моментов в эксплуатацию свинцового аккумулятора, например, у такого аккумулятора при глубоких разрядах существенно и необратимо снижается емкость.

Особенности эксплуатации. В конце заряда, при некоторых критических значениях концентрации сульфата свинца у электродов, начинает преобладать процесс электролиза воды. При этом на катоде выделяется водород, на аноде — кислород. При заряде не стоит допускать электролиза воды, в противном случае необходимо долить воду для восполнения потерянного в ходе электролиза количества. На рисунке – аккумулятор электромобиля.

Физические характеристики:

-Теоретическая энергоёмкость (Вт·ч/кг): около 133.

-Удельная энергоёмкость (Вт·ч/кг): 30-60.

-Теоретическая удельная энергоплотность (Вт·ч/дм³): 1250.

-ЭДС заряжённого аккумулятора = 2,11 — 2,17 В,

-Рабочее напряжение = 2 В (3 или 6 секций в итоге дают стандартные 6 В или 12 В (12 В)).

-Напряжение полностью разряженного аккумулятора = 1,75 — 1,8 В (из расчета на 1 секцию). Ниже разряжать их нельзя.

-Рабочая температура: от −40 °C до +40 °C.

-КПД: порядка 80-90 %.