Робота № 11/7. Зарядка та розрядка акумуляторів

Мета роботи. Ознайомитись з основними принципами зарядки та розрядки свинцевих та лужних акумуляторів.

Методика роботи. Пропускання електричного струму через електролітичну комірку призводить до виникнення в ній певних змін. Якщо електрохімічні процеси, що протікають, є оборотними, то можна знову отримати електричну роботу за рахунок накопичення хімічної енергії. Такі оборотні елементи називаються акумуляторами, або вторинними хімічними джерелами струму.

Будь-який оборотний елемент взагалі може бути акумулятором, але технічно придатною виявилася лише обмежена їх кількість. Акумулятори повинні мати велику ємність енергії на одиницю ваги та об'єму, великий коефіцієнт корисної дії та задовольняти цілому ряду інших вимог.

Найбільш широке практичне використання отримали свинцеві та лужні акумулятори.

Порядок роботи.

Свинцевий акумулятор. Схематично його можна зобразити таким чином:

(-) Pb | PbSO4 + H2SO4 | PbO2 | Pb (+). (1)

При розрядці акумулятора на негативному електроді протікає реакція

.

Реакція на позитивному електроді

.

При зарядці акумулятора має місце зворотний процес: перетворення сульфату відповідно в металевий свинець та діоксид свинцю. Сумарний процес зарядки та розрядки свинцевого акумулятора виражається рівнянням

. (2)

Свинцеві акумулятори мають велику електрорушійну силу та високий коефіцієнт корисної дії. Акумулятори, що продаються, мають інструкцію щодо підготовки їх до роботи та зарядки. Вони подають інформацію щодо концентрації сірчаної кислоти, допустимій силі струму при зарядці, розрядці та інші необхідні дані. Звичайно виробляють 2-, 4-, 6- та 12- вольтові акумулятори. Питома вага сірчаної кислоти коливається в межах від 1,18 до 1,28 г/мл. Характерними ознаками закінчення зарядки є такі: напруга на затискувачах досягає 2,65 - 2,75 В на кожній банці, і має місце сильне виділення газу на обох електродах (акумулятори "киплять").

Метою даної роботи є визначення ємності та коефіцієнта корисної дії свинцевого акумулятору шляхом виміру напруги та кількості електроенергії, яка витрачається при зарядці та генерується при розрядці акумулятора. Для виконання роботи можна взяти новий акумулятор або такий, що вже використовувався, але розряджений до 1,75 - 1,78 В на кожній банці. Новий акумулятор заповнюють електролітом та заряджують у відповідності до інструкції, а потім розряджають до вказаної межі. Робочу схему показано на рисунку. Як джерело постійного струму використовують селеновий випрямляч. Амперметр беруть на 5 А, а вольтметр - на 3, 6 або 9 В. При монтажі треба пам'ятати, що при зарядці акумулятора його позитивний полюс приєднують до позитивної клеми джерела струму, а негативний - до негативної. Підключення електричної схеми до випрямляча робити тільки після перевірки її викладачем.

Рис. Електрична схема для зарядки акумуляторів

При зарядці акумулятора ключ К₂ ставлять у положення 1 - 2, до клем 2 і 3 підключають випрямляч. За допомогою реостата встановлюють потрібну силу струму (визначається викладачем). Точно відмічають час початку досліду, а далі кожні 5 хв записують силу струму та напругу, а через 1,5 год виміри роблять рідше (один раз за .15-20 хв). Силу струму необхідно підтримувати постійною за допомогою реостата. Для вимірювання напруги на короткий час замикають ключ К₂. Зарядку акумулятора продовжують доти, доки ЕРС на кожній банці не досягне 2,5 В. Після цього закінчують дослід та відмічають час. На підставі отриманих результатів будують криву ЕРС - час. Через 2-4 год вимірюють густину сірчаної кислоти в акумуляторі. Для проведення розрядки акумулятора ключ К₁ встановлюють у положення 1 - 3 та відмічають час початку досліду. Так само, як і раніше, сила струму підтримується постійною за допомогою реостата, і кожні 15-20 хв відмічають її значення та напругу на клемах акумулятора. Розрядку ведуть доти, поки напруга на кожній банді акумулятора не знизиться до 1,7-1,8 В. Далі розряджати акумулятор не рекомендується. По закінченні досліду відмічають час, визначають кількість електроенергії, отриманої від акумулятора та будують криву залежності ЕРС акумулятора від часу. Через 2-4 год вимірюють густину кислоти в акумуляторі. Виходячи з реакції (2) можна підрахувати приблизно кількість отриманої при розрядці електроенергії. Необхідність витримування акумулятора протягом 2-4 год після розрядки та перед вимірюванням густини кислоти пояснюється тим, що в щілинах пластин акумулятора при розрядці накопичується вода, яка повинна встигнути продифундувати в електроліт. З цієї ж причини не можуть збігатися криві зарядки та розрядки. При зарядці в щілинах накопичується кислота, тому напруга на електродах акумулятора виявляється вищою, ніж це має бути за розрахунком. Накопичення в щілинах води, навпаки, робить напругу нижчою за теоретично розраховану.

Розрахунок ємності акумулятора. Кількість електроенергії, яку здатен віддати акумулятор, або ємність акумулятора, виражають в ампер-годинах. Її обчислення полягає у визначенні добутку сили струму в амперах на час роботи акумулятора в годинах. Вона може бути розрахована також із кількості міді, що виділилась на катоді кулонометра, включеного в досліджуваний ланцюг (рисунок). Кількість електричної енергії, накопиченої акумулятором, виражається через ватт-години і може бути визначена множенням ємності в ампер-годинах на середню ЕРС.

Розрахунок коефіцієнта корисної дії за струмом. Коефіцієнт корисної дії акумулятора являє собою відношення кількості електрики, отриманої при розрядці Q₁, до кількості електрики Q₂ витраченої на зарядку:

. (3)

Якщо під час процесів зарядки та розрядки акумулятора сила струму залишалася сталою, то коефіцієнт корисної дії дорівнює відношенню часу розрядки τ₁ до часу зарядки τ₂.

. (4)

Якщо сила струму не є постійною, коефіцієнт корисної дії можна визначити графічно. Для процесів розрядки та зарядки будують графіки в координатах час - сила струму. Загальна кількість електрики є пропорційною площі, що обмежена осями координат сила струму - час та кривою. Величину цієї площі можна знайти або шляхом підрахунку квадратних міліметрів на міліметровому папері, або зважування. В останньому разі можна вирізати контур, що обмежений координатними осями та кривою, зважити його на аналітичних терезах та отриману вагу розділити на вагу 1 см² цього ж паперу. Коефіцієнт корисної дії буде дорівнювати відношенню площ. Якщо скористатися мідним кулонометром для визначення кількості електрики, то η буде дорівнювати відношенню кількості міді, що виділилась при розрядці та зарядці.

Розрахунок коефіцієнта корисної дії за енергією. Коефіцієнт корисної дії може бути розраховано графічно. Для цього будують графіки для розрядки та зарядки акумулятора в координатах ЕРС - час, за сталого зарядного та розрядного струму. Площа, обмежена осями координат та кривою, є пропорційною кількості електричної енергії, що витрачено відповідно при розрядці та. зарядці акумулятора. Коефіцієнт корисної дії за енергією дорівнює відношенню обох площ.

Лужні акумулятори. Лужні акумулятори в деяких випадках є більш зручними, ніж свинцеві. Термін роботи їх довший, ніж у свинцевих. Вони більш стійкі по відношенню до поштовхів та струсів. Розряджати їх можна струмом більшої сили, вони не бояться навіть нетривалого короткого замикання. На довгий час їх можна залишати розрядженими. Однак лужні акумулятори мають меншу електрорушійну силу та менший коефіцієнт корисної дії. На практиці знайшли використання два види лужних акумуляторів: кадмієво-нікелеві та залізо-нікелеві. Звичайно вони укомплектовані з батарей, що містять від трьох до тридцяти двох банок.

Кадмієво-нікелевий акумулятор являє собою ланцюг

(-) Cd | Cd(OH)₂ | KOH | Ni(OH)₃ Ni (+). (5)

При розрядженні на негативному електроді має місце реакція

.

На позитивному електроді

.

При зарядці усі вказані реакції протікають у зворотному напрямку. У сумарному вигляді процес зарядки та розрядки можна представити рівнянням

. (6)

У залізо-нікелевому акумуляторі негативним електродом є залізо. При розрядці залізо перетворюється на Fe(OH)₂, інші процеси залишаються такими, як і в кадмієво-нікелевому акумуляторі.

При зарядці лужних акумуляторів ЕРС на електродах швидко зростає до 1,65 В і далі повільно піднімається до 1,8 В. ЕРС зарядженого акумулятора через 1-2 год після зарядки падає до 1,65 В. При розрядці вона швидко знижується до 1,25 В і далі повільно опускається до 1,0 В. Розрядку лужних акумуляторів не рекомендується вести до ЕРС нижче 1,10 В.

При зарядці лужних акумуляторів на електродах відразу після початку процесу спостерігається виділення газів завдяки розкладу води. Густина електроліту, як це видно із рівняння (6), при зарядці не змінюється. Постійне збільшення напруги, виділення газів раніш закінчення зарядки та постійна густина електроліту ускладнюють визначення кінця зарядки лужного акумулятора. Тому головною ознакою кінця зарядки лужного акумулятора є кількість електричної енергії, яка визначається силою зарядного струму та часом його пропускання.

Для виконання роботи беруть акумулятор типу НКН-10 або НКН-2,2. Якщо акумулятори не були у використанні, то їх уводять у дію відповідно до інструкції заводу. Якщо акумулятор вже був у роботі, то перевіряють заповнення його електролітом і у разі необхідності додають свіжий. Розчин KOH повинен мати питому вагу 1,21 г/см. Далі з'ясовують стан акумулятора: заряджений він чи ні. Напруга зарядженого чи розрядженого акумулятора часто буває однаковою і дорівнює 1,27 В. Для вирішення питання про стан акумулятора треба його увімкнути в ланцюг з нормальним навантаженням (тобто розрядний струм повинен бути не більше 5 А). Якщо акумулятор розряджений, напруга на його клемах швидко падає до 1 В, якщо він заряджений - вона не знижується нижче 1,25 В. Після цього складають електричну схему, як показано на рисунку, та заряджають акумулятор. Величина сили струму вказується викладачем (як правило у межах від 2 до 6 А). Усі вимірювання та розрахунки є такими самими, як і у випадку свинцевого акумулятора.

Література: [27].