Войти
 Свинцово-кислотный автомобильный аккумулятор | |
| Удельная энергия | 35–40 Wh /kg |
|---|---|
| Плотность энергии | 80–90 Wh /L |
| Удельная мощность | 180 W /kg |
| Эффективность заряда / разряда | 50–95% |
| Энергия / цена для потребителей | 7 (sld ) до 18 (fld ) Wh / US $ |
| Скорость саморазряда | 3–20% / месяц |
| Цикличность | <350 циклов |
| Номинальное напряжение элемента | 2,1 V |
| Температурный интервал заряда | Мин. –35 ° C, макс. 45 ° C |
свинцово-кислотная батарея была изобретена в 1859 году французским физиком Гастоном Планте и представляет собой самый ранний тип перезаряжаемой батареи. Несмотря на очень низкое отношение энергии к весу и низкое отношение энергии к объему соотношение, его способность обеспечивать высокие импульсные токи означает, что элементы имеют относительно большое отношение мощности к весу. Эти особенности, наряду с их низкой стоимостью, делают их привлекательными для использования. в автомобилях для обеспечения высокого тока требуется для стартерных двигателей.
Поскольку они недороги по сравнению с новыми технологиями, свинцово-кислотные батареи широко используются, даже когда импульсный ток не важен, а другие конструкции могут обеспечить более высокие плотности энергии. В 1999 году на долю продаж свинцово-кислотных аккумуляторов приходилось 40–45% стоимости аккумуляторов, проданных во всем мире (за исключением Китая и России), что эквивалентно рыночной стоимости производства в размере около 15 миллиардов долларов. Свинцово-кислотные конструкции большого формата широко используются для хранения в резервных источниках питания в вышках сотовой связи, местах с высокой доступностью, таких как больницы, и автономных энергосистемах. Для этих ролей можно использовать модифицированные версии стандартной ячейки, чтобы сократить время хранения и снизить требования к обслуживанию. Гелевые элементы и аккумуляторы из абсорбированного стекломата широко используются в этих ролях, вместе известных как VRLA (свинцово-кислотные аккумуляторы с клапанным регулированием).
В заряженном состоянии химическая энергия аккумулятора сохраняется в виде потенциала разница между чистым свинцом на отрицательной стороне и PbO 2 на положительной стороне, плюс водная серная кислота. Электрическая энергия, вырабатываемая при разряде свинцово-кислотной батареи, может быть отнесена к энергии, выделяемой при образовании прочных химических связей молекул воды (H2O ) из ионов H кислоты кислоты и ионы O PbO 2. И наоборот, во время зарядки аккумулятор действует как устройство разделения воды.
Французский ученый Николя Готеро заметил в 1801 году, что провода, которые использовались для экспериментов по электролизу, сами по себе обеспечивают небольшое количество "вторичный" ток после отключения основного аккумулятора. В 1859 году свинцово-кислотная батарея Гастона Планте была первой батареей, которую можно было перезарядить, пропустив через нее обратный ток. Первая модель Планте состояла из двух свинцовых листов, разделенных резиновыми полосами и скрученных по спирали. Его батареи были впервые использованы для питания фонарей в вагонах поездов, когда они останавливались на станции. В 1881 году Камилла Альфонса Фор изобрела улучшенную версию, которая состояла из решетки из свинцовой сетки, в которую впрессовывалась паста из оксида свинца, образуя пластину. Такую конструкцию было проще производить в серийном производстве. Первым производителем (с 1886 г.) свинцово-кислотных аккумуляторов был Анри Тюдор.
. В этой батарее вместо жидкости используется гелевый электролит, что позволяет использовать батарею в различных положениях без утечки. Гелевые электролитные батареи для любого положения были впервые использованы в 1930-х годах, а в конце 1920-х годов портативные радиоприемники-чемоданы позволяли использовать аккумулятор в вертикальном или горизонтальном положении (но не в перевернутом положении) из-за конструкции клапана. В 1970-х годах была разработана свинцово-кислотная аккумуляторная батарея с регулируемым клапаном (VRLA, или «герметичная»), включая современные типы абсорбирующего стекломата (AGM), позволяющие работать в любом положении.
В начале 2011 года было обнаружено, что свинцово-кислотные батареи действительно используют некоторые аспекты относительности для работы, и в меньшей степени жидкометаллические и жидко-солевые батареи, такие как Ca –Sb и Sn – Bi также используют этот эффект.
Полностью разряжены: две идентичные пластины сульфата свинца и разбавленный раствор серной кислоты В разряженном состоянии оба положительная и отрицательная пластины становятся сульфатом свинца (II) (PbSO. 4), а электролит теряет большую часть своей растворенной серной кислоты и становится в основном водой. Процесс разряда вызывается выраженным снижением энергии, когда 2 H (водн.) (Гидратированные протоны) кислоты реагируют с ионами O PbO 2 с образованием прочных связей OH в H 2 <148.>O (примерно -880 кДж на 18 г воды). Этот сильно экзергонический процесс также компенсирует энергетически невыгодное образование ионов Pb (aq) или сульфата свинца (PbSO. 4(s)).
Высвобождение двух проводящих электронов дает свинцовый электрод отрицательный заряд.
По мере того, как электроны накапливаются, они создают электрическое поле, которое притягивает ионы водорода и отталкивает ионы сульфата, что приводит к образованию двойного слоя у поверхности. Ионы водорода экранируют заряженный электрод от раствора, что ограничивает дальнейшую реакцию, если заряд не может вытекать из электрода.
с использованием металлической проводимости PbO. 2.
Чистая энергия, высвобождаемая на моль (207 г) Pb (ов), преобразованного в PbSO. 4(s), составляет прибл. 400 кДж, что соответствует образованию 36 г воды. Сумма молекулярных масс реагентов составляет 642,6 г / моль, поэтому теоретически ячейка может производить два фарада заряда (192 971 кулон ) из 642,6 г реагентов, или 83,4 ампер-часов на килограмм (или 13,9 ампер-часов на килограмм для 12-вольтовой батареи). Для 2-вольтового элемента это составляет 167 ватт-часов на килограмм реагентов, но на практике свинцово-кислотный элемент дает только 30-40 ватт-часов на килограмм батареи из-за массы воды и других составных частей.
Полностью перезаряжена: положительная пластина из диоксида свинца, отрицательная пластина из свинца и концентрированный водный раствор серной кислоты В полностью заряженном состоянии отрицательная пластина состоит из свинца, а положительная пластина - из свинца. диоксид свинца. В растворе электролита более высокая концентрация водной серной кислоты, которая хранит большую часть химической энергии.
При перезарядке с высокими зарядными напряжениями в результате электролиза воды образуется газ кислород и водород, который выделяется и потерянный. Конструкция некоторых типов свинцово-кислотных аккумуляторов позволяет проверять уровень электролита и доливать чистую воду для замены всего, что было потеряно таким образом.
Из-за понижения точки замерзания электролит с большей вероятностью замерзнет в холодной среде, когда аккумулятор разряжен. и, соответственно, низкая концентрация серной кислоты.
Во время разряда H., образующийся на отрицательных пластинах, перемещается в раствор электролита и затем расходуется на положительных пластинах, в то время как HSO. 4потребляется на обеих пластинах.. Во время зарядки происходит обратное. Это движение может быть электрически управляемым потоком протонов или механизмом Гроттуса, или диффузией через среду, или потоком жидкой электролитической среды. Поскольку плотность электролита выше, когда концентрация серной кислоты выше, жидкость будет стремиться циркулировать за счет конвекции. Следовательно, элемент с жидкой средой имеет тенденцию быстро разряжаться и быстро заряжаться более эффективно, чем аналогичный гелевый элемент.
A ареометр можно использовать для проверки удельного веса каждой ячейки как меры ее состояния заряда. Поскольку электролит участвует в зарядке-разряде реакция, эта батарея имеет одно важное преимущество перед другими химическими элементами: относительно просто определить состояние заряда, просто измерив удельный вес электролита; удельный вес падает по мере разряда батареи. Некоторые конструкции батарей включают простой ареометр, использующий цветные плавающие шарики с разной плотностью. При использовании в дизель-электрических подводных лодках удельный вес регулярно измерялся и записывался на доске в диспетчерской, чтобы указать, как долго лодка может оставаться под водой.
Открытый аккумулятор. напряжение цепи также может использоваться для измерения степени заряда. Если соединения с отдельными элементами доступны, то можно определить состояние заряда каждой ячейки, что может дать представление о состоянии батареи в целом, в противном случае можно оценить общее напряжение батареи.
Зарядка аккумулятора IUoU - это трехступенчатая процедура зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов. Номинальное напряжение свинцово-кислотного аккумулятора составляет 2 В на каждую ячейку. Для одиночного элемента напряжение может колебаться от 1,8 В при полной нагрузке до 2,10 В в разомкнутой цепи при полной зарядке.
Напряжение холостого хода варьируется в зависимости от типа батареи (например, заливные элементы, гелеобразный электролит, абсорбированный стекломат ) и колеблется от 1,8 В до 2,27 В. Напряжение выравнивания и напряжение зарядки для сульфатированных элементов, может находиться в диапазоне от 2,67 В до почти 3 В. (только до тех пор, пока не будет протекать ток заряда). Конкретные значения для данной батареи зависят от конструкции и рекомендаций производителя и обычно даются при базовой температуре 20 ° C (68 ° F).), требующие регулировки под условия окружающей среды.
Внутренний вид небольшой свинцово-кислотной батареи с мотоцикла с электрическим стартером Свинцово-кислотный аккумулятор можно продемонстрировать, используя листовые свинцовые пластины для двух электродов. Однако такая конструкция производит всего около одного ампера для пластин размером примерно с открытку и всего в течение нескольких минут.
Гастон Планте нашел способ обеспечить гораздо большую эффективную площадь поверхности. В конструкции Планте положительная и отрицательная пластины были сформированы из двух спиралей свинцовой фольги, разделенных листом ткани и свернутых в спираль. Изначально элементы имели низкую емкость, поэтому требовался медленный процесс «формирования» для коррозии свинцовой фольги, образования диоксида свинца на пластинах и придания им шероховатости для увеличения площади поверхности. Первоначально в этом процессе использовалось электричество от первичных батарей; когда генераторы стали доступны после 1870 года, стоимость производства батарей сильно снизилась. Пластины Планте все еще используются в некоторых стационарных приложениях, где на пластинах имеются механические канавки для увеличения площади поверхности.
В 1880 году Камилла Альфонс Фор запатентовал метод покрытия свинцовой сетки (которая служит проводником тока) пастой из оксидов свинца, серной кислоты и воды с последующим отверждением. фаза, в которой пластины подвергались мягкому нагреву в среде с высокой влажностью. В процессе отверждения паста превратилась в смесь сульфатов свинца, которая прилипла к свинцовой пластине. Затем во время первоначального заряда батареи (называемого «формированием») отвержденная паста на пластинах превращалась в электрохимически активный материал («активную массу»). Технология Faure значительно сократила время и стоимость производства свинцово-кислотных аккумуляторов и дала значительное увеличение емкости по сравнению с батареей Planté. Метод Фора все еще используется сегодня, только с постепенными улучшениями в составе пасты, отверждении (которое по-прежнему осуществляется паром, но теперь это очень строго контролируемый процесс), а также в структуре и составе сетки, на которую наносится паста.
Решетка, разработанная Faure, была из чистого свинца с соединительными стержнями, расположенными под прямым углом. Напротив, современные сетки структурированы для повышения механической прочности и улучшения прохождения тока. В дополнение к разным сеткам (в идеале, все точки на пластине находятся на одинаковом расстоянии от силового проводника) современные процессы также накладывают один или два тонких стекловолоконных коврика поверх сетки для более равномерного распределения веса. И хотя Фор использовал чистый свинец для своих решеток, в течение года (1881 г.) они были заменены сплавами свинец - сурьма (8–12%), чтобы придать конструкциям дополнительную жесткость. Однако решетки с высоким содержанием сурьмы имеют более высокое выделение водорода (которое также ускоряется с возрастом батареи) и, следовательно, большеевыделение газа и более высокие затраты на обслуживание. Эти проблемы были выявлены У. Б. Томасом и У. Э. Харингом в Bell Labs в 1930-х годах и в конечном итоге привели к разработке сплавов свинец-кальций для сетки в 1935 году для батарей резервного питания в телефонной сети США. Связанные с этим исследования несколько лет спустя привели к разработке решетчатых сплавов свинец-селен в Европе. И свинцово-кальциевые, и свинцово-селеновые решетчатые сплавы все еще добавляют сурьму, хотя и в гораздо меньших количествах, чем в старых решетках с высоким содержанием сурьмы: свинцово-кальциевые решетки содержат 4–6% сурьмы, а сетки свинцово-селеновые - 1-2%. Эти металлургические усовершенствования придают решетке большую прочность, что позволяет ей нести больший вес, т.е. более активный материал, и поэтому пластины могут быть толще, что, в свою очередь, способствует продлению срока службы батареи, поскольку имеется больше материала, доступного для удаления, прежде чем батарея станет непригодной для использования. Сетки из сплава с высоким содержанием сурьмы до сих пор используются в батареях, предназначенных для частого использования на велосипеде, например в приложениях для запуска двигателей, где необходимо компенсировать частое расширение / сжатие пластин, но где выделение газа не является значительным, поскольку токи заряда остаются низкими. С 1950-х годов аккумуляторы, предназначенные для нечастых циклических нагрузок (например, резервные аккумуляторы), все чаще имеют решетки из свинцово-кальциевых или свинцово-селеновых сплавов, поскольку они имеют меньше выделения водорода и, следовательно, меньшие затраты на техническое обслуживание. Сетки из свинцово-кальциевого сплава дешевле в производстве (таким образом, ячейки имеют более низкие начальные затраты), имеют меньшую скорость саморазряда и меньшие требования к поливу, но имеют немного меньшую проводимость, механически слабее (и, следовательно, требуют большего количества сурьмы. для компенсации), и они более подвержены коррозии (и, следовательно, имеют более короткий срок службы), чем элементы с решетками из свинцово-селенового сплава.
Эффект разомкнутой цепи - это резкое сокращение срока службы батареи, которое наблюдалось при замене сурьмы кальцием. Это также известно как эффект отсутствия сурьмы.
Современные пасты содержат технический углерод, блан фикс (сульфат бария ) и лигносульфонат. Blanc fixe действует как затравочный кристалл для реакции свинец – сульфат свинца. Blanc fixe должен быть полностью растворен в пасте, чтобы она была эффективной. Лигносульфонат предотвращает образование твердой массы отрицательной пластиной во время цикла разряда, вместо этого позволяя формировать длинные игольчатые дендриты. Длинные кристаллы имеют большую площадь поверхности и легко возвращаются в исходное состояние при зарядке. Технический углерод противодействует эффекту ингибирования образования, вызванному лигносульфонатами. Диспергатор сульфированного нафталина конденсата является более эффективным расширителем, чем лигносульфонат, и ускоряет образование. Этот диспергатор улучшает диспергирование сульфата бария в пасте, сокращает время гидроизоляции, создает более устойчивую к разрушению пластину, уменьшает количество мелких частиц свинца и, таким образом, улучшает характеристики обработки и склеивания. Увеличивает срок службы батареи за счет увеличения напряжения в конце заряда. Для сульфированного нафталина требуется от одной трети до половины количества лигносульфоната, и он стабилен при более высоких температурах.
После высыхания пластины укладывают друг на друга с помощью подходящих сепараторов и помещают в контейнер для ячеек. Затем чередующиеся пластины образуют чередующиеся положительный и отрицательный электроды, которые в ячейке позже подключаются друг к другу (отрицательный к отрицательному, положительный к положительному) параллельно. Сепараторы предотвращают соприкосновение пластин друг с другом, что в противном случае привело бы к короткому замыканию. В затопленных и гелевых ячейках разделители представляют собой изолирующие рейки или стойки, ранее из стекла или керамики, а теперь из пластика. В ячейках AGM разделителем является сам стеклянный мат, а стойка пластин с разделителями сдавливается вместе перед вставкой в ячейку; попав в камеру, стеклянные маты немного расширяются, эффективно фиксируя пластины на месте. В многоэлементных батареях элементы затем соединяются друг с другом последовательно либо через соединители, проходящие через стенки ячеек, либо с помощью перемычки через стенки элементов. Все внутриячейные и межэлементные соединения сделаны из того же свинцового сплава, что и в сетях. Это необходимо для предотвращения гальванической коррозии.
Аккумуляторы глубокого разряда имеют другую геометрию положительных электродов. Положительный электрод представляет собой не плоскую пластину, а ряд цилиндров илиемкость и производительность аккумулятора, поскольку недостаток кислоты в верхней части ограничивает активацию пластины. Расслоение также способствует коррозии верхней половины пластин и сульфатированию внизу.
Периодическая перезарядка создает газообразные продукты реакции на пластине, вызывая конвекционные токи, которые смешивают электролит и устраняют расслоение. Механическое перемешивание электролита имело бы тот же эффект. Батареи в движущихся транспортных средствах также подвержены разбрызгиванию и разбрызгиванию ячеек при ускорении, торможении и поворотах транспортного средства.
Свинцово-кислотный аккумулятор автомобиля после взрыва, показывающий хрупкое разрушение концов корпуса Чрезмерный заряд вызывает электролиз с выделением водорода и кислорода. Этот процесс известен как «отравление газом». Влажные элементы имеют открытые вентиляционные отверстия для выпуска любого выделяемого газа, а батареи VRLA полагаются на клапаны, установленные на каждом элементе. Каталитические крышки доступны для затопленных ячеек для рекомбинации водорода и кислорода. Ячейка VRLA обычно рекомбинирует любые водород и кислород, образующиеся внутри ячейки, но неисправность или перегрев могут вызвать скопление газа. В этом случае (например, при перезарядке) клапан стравливает газ и нормализует давление, создавая характерный кислотный запах. Однако клапаны могут выйти из строя, например, в случае скопления грязи и мусора, что приведет к повышению давления.
Накопившиеся водород и кислород иногда воспламеняются в результате внутреннего взрыва. Сила взрыва может привести к взрыву корпуса аккумулятора или к отлету его верхней части, разбрызгивая кислоту и фрагменты корпуса. Взрыв в одной ячейке может воспламенить любую горючую газовую смесь в остальных ячейках. Точно так же в плохо вентилируемом помещении подключение или отключение замкнутой цепи (например, нагрузки или зарядного устройства) к клеммам аккумулятора также может вызвать искры и взрыв, если из элементов был выпущен какой-либо газ.
Отдельные элементы в батарее также могут закоротить, что приведет к взрыву.
Ячейки батарей VRLA обычно разбухают при повышении внутреннего давления, что является предупреждением для пользователей и механиков. Деформация варьируется от ячейки к ячейке и максимальна на концах, где стенки не поддерживаются другими ячейками. Такие находящиеся под избыточным давлением батареи следует тщательно изолировать и утилизировать. Персонал, работающий рядом с батареями, подверженными риску взрыва, должен защищать свои глаза и открытые участки кожи от ожогов из-за распыления кислоты и огня, надевая защитную маску, комбинезон и перчатки. Использование очков вместо лицевого щитка жертвует безопасностью, оставляя лицо уязвимым для возможной летучей кислоты, осколков корпуса или батареи и тепла от потенциального взрыва.
Согласно отчету 2003 года, озаглавленному «Выведение свинца», составленным Environmental Defense и Экологическим центром Анн-Арбора., Мичиган, батареи транспортных средств на дороге содержали приблизительно 2 600 000 метрических тонн (2 600 000 длинных тонн; 2 900 000 коротких тонн) свинца. Некоторые соединения свинца чрезвычайно токсичны. Длительное воздействие даже крошечных количеств этих соединений может вызвать повреждение мозга и почек, нарушение слуха и проблемы с обучением у детей. В автомобильной промышленности ежегодно используется более 1 000 000 метрических тонн (980 000 длинных тонн; 1 100 000 коротких тонн) свинца, из которых 90% приходится на обычные свинцово-кислотные автомобильные аккумуляторные батареи. В то время как переработка свинца является хорошо развитой отраслью, более 40 000 метрических тонн (39 000 длинных тонн; 44 000 коротких тонн) ежегодно попадает на свалки. Согласно федеральному реестру токсичных выбросов, еще 70 000 метрических тонн (69 000 длинных тонн; 77 000 коротких тонн) выбрасываются в процессе добычи и производства свинца.
Предпринимаются попытки разработать альтернативы (особенно для использования в автомобилях) из-за опасений по поводу экологических последствий неправильной утилизации и операций по плавке свинца , среди прочего. Альтернативы вряд ли вытеснят их для таких приложений, как запуск двигателя или системы резервного питания, поскольку батареи, хотя и тяжелые, но дешевы.
Рабочий, перерабатывающий расплавленный свинец на предприятии по переработке аккумуляторов Свинцово-кислотный переработка аккумуляторов - одна из самых успешных программ переработки в мире. В Соединенных Штатах Америки 99% всего свинца в аккумуляторных батареях было переработано в период с 2014 по 2018 год. Эффективная система контроля загрязнения является необходимостью для предотвращения выбросов свинца. Чтобы соответствовать стандартам выбросов для плавильных заводов свинца, необходимо постоянное совершенствование установок по переработке аккумуляторов и конструкций печей.
Химические добавки использовались с тех пор, как свинцово-кислотные батареи стали коммерческим продуктом, для уменьшения накопления сульфата свинца на пластинах и улучшения состояния аккумулятора при добавлении к электролиту вентилируемого свинцово-кислотный аккумулятор. Такие методы лечения редко бывают эффективными, если вообще когда-либо.
Для таких целей используются два соединения: соли Эпсома и EDTA. Соль Эпсома снижает внутреннее сопротивление слабой или поврежденной батареи и может немного продлить срок ее службы. ЭДТА можно использовать для растворения сульфатных отложений на сильно разряженных пластинах. Однако растворенный материал больше не может участвовать в нормальном цикле заряда-разряда, поэтому батарея, временно восстановленная с помощью EDTA, будет иметь сокращенный срок службы. Остаточный EDTA в свинцово-кислотном элементе образует органические кислоты, которые ускоряют коррозию свинцовых пластин и внутренних соединителей.
Активные материалы изменяют физическую форму во время заряда / разряда, что приводит к росту и деформации электродов, а также к выпадению электрода в электролит. После того, как активный материал выпал из пластин, его нельзя восстановить на месте с помощью какой-либо химической обработки. Точно так же внутренние физические проблемы, такие как треснувшие пластины, корродированные соединители или поврежденные разделители, не могут быть восстановлены химическим путем.
Коррозия внешних металлических частей свинцово-кислотной батареи возникает в результате химической реакции клемм, наконечников и разъемов батареи.
Коррозия на положительной клемме вызвана электролизом из-за несоответствия металлических сплавов, используемых при производстве клеммы аккумулятора и кабельного соединителя. Белая коррозия обычно представляет собой кристаллы свинца или сульфата цинка. Алюминиевые соединители разъедают сульфат алюминия. Медные соединители образуют синие и белые кристаллы коррозии. Коррозию клемм аккумулятора можно уменьшить, нанеся на клеммы вазелин или имеющийся в продаже продукт, предназначенный для этой цели.
Если аккумулятор переполнен водой и электролитом, тепловое расширение может вытеснить часть жидкости. вентиляционных отверстий на верхней части батареи. Этот раствор может затем вступить в реакцию со свинцом и другими металлами в разъеме аккумулятора и вызвать коррозию.
Электролит может просачиваться через пластиковую прокладку, где клеммы аккумулятора проникают в пластиковый корпус.
Кислотные пары, которые испаряются через вентиляционные колпачки, часто вызванные перезарядкой, и недостаточная вентиляция батарейного отсека могут привести к накоплению паров серной кислоты и реакции с открытыми металлами.
энергетический портал  | На Викискладе есть материалы, связанные с свинцово-кислотными аккумуляторами. |
