Свинцово-кислотный аккумулятор - устройство и принцип работы, разновидности

В основном свинцово–кислотные аккумуляторы используются в качестве автомобильных аккумуляторных батарей. Также применяются в резервном питании, цепи сигнала и регулирования. Электролит таких батарей имеет отрицательный температурный коэффициент, поэтому перепад температуры приводит к увеличению сопротивления и уменьшению тока. Из-за этого все испытывают проблему с запуском транспортных средств в очень холодную погоду. 

Хотя существует много типов свинцово-кислотных аккумуляторов (гелевые, AGM, усовершенствованные свинцово-кислотные), все они используют одну и ту же пару химических реакций заряда/разряда, как описано в статье. Во время разряда свинец в отрицательной пластине окисляется от свободного до степени окисления +2, образуя сульфат свинца, в то время как свинец в положительной пластине восстанавливается от степени окисления +4 до +2, переходя с диоксида свинца на сульфат свинца. Во время разряда расходуется содержащаяся в электролите серная кислота. Хотя это не является прямым результатом вышеуказанных реакций, перенос заряда внутри элемента (внутренний перенос заряда) осуществляется за счет переноса ионов водорода в электролите. Реакция перезаряда в свинцово-кислотных аккумуляторах - это электролиз воды в электролите. Это приводит к (незначительной) потере воды и ускоренной коррозии положительной пластины из-за высокой концентрации кислорода в элементе. Потери воды могут быть компенсированы путем периодического добавления деминерализованной воды в аккумуляторы для влажных аккумуляторов или, в аккумуляторах с закрытыми клапанами, посредством цикла рекомбинации кислорода. В случае дисбаланса в состоянии заряда в цепочке батарей ее можно исправить, подключив удлиненный заряд к цепочке. В элементах с высоким зарядом будет происходить реакция перезарядки, и недостаточно заряженные элементы будут перезаряжаться. 

Кислотный аккумулятор хоть и является одним из самых доступных, но очень капризный в эксплуатации. Перезаряд приводит к выкипанию электролита. Постоянный недозаряд приводит к сульфатации пластин. Другие типы аккумуляторов как правило к этим факторам не критичны. 

Свинцово-кислотный аккумулятор — вторичный электрохимический элемент (аккумуляторная батарея) со свинцовыми электродами, электролитом которых является серная кислота. Основным преимуществом свинцово-кислотных аккумуляторов является способность обеспечивать высокие импульсные токи, что предпочтительно используется, например, в электросетях. при запуске автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Еще одним преимуществом является простая, надежная конструкция и низкая цена. Свинцово-кислотный аккумулятор был открыт французским физиком Гастоном Планте в 1859 году. Свинцово-кислотный аккумулятор является вторичным электрохимическим элементом, так как после погружения свинцовых электродов в электролит с серной кислотой электроды пассивируются - покрываются слоем сульфата свинца (PbSO4). В этом состоянии батарея не может подавать электричество, поэтому она не является первичным гальваническим элементом. Как только мы подаем напряжение на электроды, на них происходят химические реакции, которые создают разную поверхность анода и катода, что вторично создает вторичный электрохимический элемент и батарея может подавать электричество. При разрядке активное вещество отрицательного и положительного электродов превращается в сульфат свинца (PbSO4), а электролит обедняется серной кислотой и обогащается водой. Таким образом, при разряде концентрация электролита уменьшается, а при заряде, наоборот, увеличивается.

Номинальным током разряда кислотных аккумуляторов считается величина, численно равная 10% емкости. Например, для аккумулятора емкостью 60 А-ч номинальным током будет ток 6 А. Наиболее частой причиной выхода кислотных аккумуляторов из строя при неправильной эксплуатации является сульфитация пластин. Сущность ее заключается в том, что сульфат свинца из мелкозернистого состояния переходит в крупнозернистое. Крупные кристаллы почти не растворяются, покрывают поверхность пластины, изолируя ее от электролита. Главные причины сульфатации: систематический недозаряд, длительное хранение в разряженном состоянии, глубокий разряд.

Автомобильная батарея является важным компонентом более чем 1 миллиарда дорожных транспортных средств, используемых в настоящее время, хотя она не участвует напрямую в движении транспортных средств. Это доминирующее применение технологии свинцово-кислотных аккумуляторов во всем мире. Технические требования гораздо более разнообразны, чем для других применений, включая высокоскоростной разряд при очень низких температурах для запуска двигателя, демпфирование напряжения системы, как в сглаживающем конденсаторе, а также неопределенный подзаряд и циклический режим с различной скоростью при низких и высоких температурах в сочетании с длительными периодами отключения, когда автомобиль не используется. Буфер бортовой электроэнергии перекрывает питание электроприборов в периоды недостаточной выработки энергии генератором и сохраняет энергию, когда выработка избытка. Хотя количество и типы электрических компонентов увеличиваются, свинцово-кислотный автомобильный аккумулятор контролируется и управляется для интеграции в стратегии обеспечения комфорта, безопасности, экономичности и экологии транспортного средства, например, с рекуперацией энергии торможения и остановкой (запуском).

Свинцово-кислотный аккумулятор был изобретен в 1860 - х годах Раймондом Гастоном Планте и был первым электрическим аккумулятором или перезаряжаемой батареей, и до сих пор является одним из наиболее часто используемых типов аккумуляторов, поскольку он обеспечивает высокую мощность по доступной цене. Положительный электрод состоит из диоксида свинца, а отрицательный — из свинца. Электролит — сильная кислота, обычно серная кислота. В первых свинцово-кислотных батареях использовался открытый стеклянный контейнер, но в современных батареях используется герметичный или вентилируемый контейнер. Каждая ячейка имеет номинальное напряжение от 1,9 до 2,1 В. При циклической зарядке обычно используется напряжение от 2,4 В до 2,5 В на элемент, в то время как в резервных приложениях, таких как ИБП и системы сигнализации, используется напряжение 2,25 В на элемент. Свинцово-кислотный аккумулятор прост и дешев в изготовлении, но из-за свинца имеет большой вес и может представлять опасность для окружающей среды. Аккумулятор также может выделять водород при перезарядке (что создает опасность взрыва), поэтому хорошая вентиляция важно, когда используется негерметичная батарея. Чаще всего свинцово-кислотный аккумулятор используется в автомобилях, лодках и источниках аварийного питания.