Кислотные аккумуляторы

В кислотном аккумуляторе электродами являются свинцовые пластины, покрытые так называемыми активными массами, которые взаимодействуют с электролитом при электрохимических реакциях в процессе заряда и разряда. Активной массой положительного электрода (анода) служит перекись свинца PbO2, а активной массой отрицательного электрода (катода) – чистый (губчатый) свинец Pb. Электролитом является (25÷34) % раствор серной кислоты.

Пластины аккумулятора могут иметь конструкцию поверхностного или намазанного типа. Пластины поверхностного типа отливают из свинца: поверхность их, на которой происходят электрохимические реакции, увеличена благодаря наличию рёбер, борозд и т. п. Их применяют в стационарных аккумуляторных батареях и некоторых батареях пассажирских вагонов.

В аккумуляторных батареях тепловозов применяют пластины намазанного типа (рис. 64). Они имеют остов из сплава свинца с сурьмой, в котором устроен ряд ячеек, заполняемых пастой: для положительных пластин это порошок свинца Pb, а для отрицательных – порошок перекиси свинца PbO2, замешанные на водном растворе серной кислоты. Чтобы повысить пористость и уменьшить усадку активной массы в пасту добавляют графит, сажу, кремний, сернокислый барий и другие инертные материалы, называемые расширителями. Для предотвращения выпадания из пластин активной массы их ячейки после заполнения пастой закрывают свинцовыми листами с большим количеством отверстий, которые не препятствуют доступу к пластинам электролита. Намазанные пластины имеют большую поверхность соприкосновения с электролитом и хорошо им пропитываются, что способствует уменьшению массогабаритов аккумуляторов и позволяет получить при разряде большие токи. Для предотвращения замыкания пластин посторонними предметами (щупом для измерения уровня электролита, устройством для его заливки и др.) пластины в некоторых аккумуляторах покрывают поливинилхлоридной сеткой.

Рис. 64. Устройство пластин (а) и общий вид (б) кислотного аккумулятора:

1 – блок намазанных отрицательных пластин; 2 – выводные штыри; 3 – блок панцирных положительных пластин; 4 – панцирь; 5 – активная масса; 6 – отверстие с пробкой для залива электролита; 7 – крышка; 8 – эбонитовый сосуд; 9 – пространство для осаждения шлама.

Для увеличения ёмкости в каждый аккумулятор устанавливают несколько положительных и отрицательных пластин; одноимённые соединяют в общие блоки, к которым приваривают выводные штыри. Эти блоки обычно устанавливают в эбонитовом или пластмассовом корпусе так, чтобы между каждыми двумя пластинами одной полярности располагались пластины другой полярности. Пластины отделяют друг от друга сепараторами из поливинилхлорида, стекловойлока или другого изоляционного материала для предотвращения замыкания между ними.

При разряде аккумулятора положительные ионы водорода и отрицательные ионы кислотного остатка SO4ˉ, на которые распадаются молекулы серной кислоты H2SO4 электролита, направляются соответственно к положительному и отрицательному электродам и вступают в электрохимические реакции с активными массами. Между электродами возникает разность потенциалов около 2 В, обеспечивающая прохождение электрического тока при замыкании внешней цепи. В результате электрохимических реакций образуется сернокислый свинец PbSO4 (сульфат свинца), в который превращаются поверхностные слои активной массы обоих электродов, и некоторое количество воды, которая понижает концентрацию серной кислоты. Разряд обычно ведут до того момента, когда в сернокислый свинец перейдёт около 35 % активной массы.

Заряд разряженного аккумулятора проводят, присоединяя его к источнику постоянного тока с напряжением большим напряжения аккумулятора. При заряде положительные ионы водорода перемещаются к отрицательному электроду, а отрицательные ионы сернокислого остатка SO4ˉ - к положительному электроду и вступают в химическое взаимодействие с сульфатом свинца PbSO4, покрывающим оба электрода. В результате сульфат свинца PbSO4 растворяется и на электродах вновь образуются активные массы: перекись свинца PbO2 на положительном электроде и губчатый свинец Pb – на отрицательном. Электрохимические реакции при разряде и заряде аккумулятора могут быть выражены уравнением

PbO2 + Pb + H2SO4 ←заряд - разряд→ 2PbSO4 + 2H2O.

Читая это уравнение слева направо, получаем процесс разряда, справа налево – процесс заряда. Полностью заряженный аккумулятор имеет ЭДС около 2,2 В. При разряде напряжение довольно быстро падает до 2 В, а затем медленно понижается до (1,8÷1,7) В (рис. 65), при этом напряжении разряд прекращают во избежание повреждения аккумулятора. Если разряженный аккумулятор оставить на некоторое время в бездействии, то напряжение его снова восстановится до 2 В («отдых»).

При заряде напряжение аккумулятора быстро поднимается до 2,2 В, а затем медленно повышается до 2,3 В и, наконец, снова довольно быстро возрастает до (2,6÷2,7) В. Неработающие аккумуляторные батареи необходимо периодически подзаряжать, т. к. в них происходит саморазряд (потеря ёмкости). При неправильной эксплуатации аккумуляторов [разряд ниже (1,8÷1,7) В, систематический недозаряд, понижение уровня и плотности электролита] происходит повреждение их пластин, называемое сульфатацией. Сульфатация – переход мелкокристаллического сульфата свинца, покрывающего пластины при разряде, в нерастворимые крупнокристаллические соединения, которые при заряде не переходят в перекись свинца PbO2 и свинец Pb. При этом аккумулятор становится непригодным для эксплуатации.

При заряде напряжение аккумулятора быстро поднимается до 2,2 В, а затем медленно повышается до 2,3 В и, наконец, снова довольно быстро возрастает до (2,6÷2,7) В. Неработающие аккумуляторные батареи необходимо периодически подзаряжать, т. к. в них происходит саморазряд (потеря ёмкости). При неправильной эксплуатации аккумуляторов [разряд ниже (1,8÷1,7) В, систематический недозаряд, понижение уровня и плотности электролита] происходит повреждение их пластин, называемое сульфатацией. Сульфатация – переход мелкокристаллического сульфата свинца, покрывающего пластины при разряде, в нерастворимые крупнокристаллические соединения, которые при заряде не переходят в перекись свинца PbO2 и свинец Pb. При этом аккумулятор становится непригодным для эксплуатации.

Рис. 65. Кривые напряжения кислотного аккумулятора при заряде и разряде.

Кислотные аккумуляторы применяют только на тепловозах. Тепловозная аккумуляторная батарея 32ТН-450 состоит из32 последовательно соединённых аккумуляторов ёмкостью 450 А×ч [Т – тепловозная; Н – тип положительных пластин (намазанные)].

4.2.3. Щёлочные аккумуляторы

Наиболее распространены никель-железные и никель–кадмиевые щёлочные аккумуляторы. В них активная масса положительного электрода в заряженном состоянии состоит из гидрата окиси никеля NiOOH, к которому добавляют графит (увеличивает электропроводность) и окись бария (увеличивает срок службы). Активная масса отрицательного электрода никель-железного аккумулятора состоит из порошкового железа Fe и его окислов с добавкой сернокислого никеля и сернистого железа, а никель-кадмиевого аккумулятора – из смеси порошков кадмия Cd и железа Fe. Электролитом служит 20% раствор едкого калия KOH с примесью моногидрата лития (20÷30) г/л (увеличивает срок службы).

Промышленность выпускает никель-железные (НЖ) и никель-кадмиевые (НК) аккумуляторы. Оба электрода в них изготовляют в виде стальных никелированных рамок (рис. 66), в пазы которых впрессованы наполненные активной массой пакеты (ламели) из никелированной жести с большим количеством мелких отверстий для доступа электролита к активной массе. В аккумуляторах НК каждая отрицательная пластина расположена между двумя положительными, а в аккумуляторах НЖ каждая положительная пластина – между двумя отрицательными. Для предотвращения короткого замыкания между пластинами устанавливают сепараторы из эбонитовых стержней или поливинилхлоридных сеток. Пластины и электролит помещают в жестяной никелированный корпус, имеющий приваренную крышку с отверстиями для выводных штырей, выхода газов и для заливки электролита. Для придания корпусу механической прочности его стенки выполняют гофрированными.

Рис.66. Полублоки положительных и отрицательных пластин (а) и общий вид (б) никель-кадмиевого аккумулятора НКН-100 для электроподвижного состава:

1 – отрицательные пластины; 2 – соединительный мостик; 3 – выводной штырь; 4 – положительные пластины; 5 – отверстие с пробкой для заливки электролита; 6 – крышка; 7 – сепаратор; 8 – корпус; 9 – резиновый чехол.

При разряде щелочного аккумулятора гидрат окиси никеля NiOOH на положительном электроде, взаимодействуя с ионами электролита, переходит в гидрат закиси никеля Ni(OH)2, а железо или кадмий отрицательного электрода превращаются соответственно в гидрат окиси железа Fe(OH)2 или гидрат окиси кадмия Cd(OH)2. Между электродами возникает разность потенциалов 1,45 В, обеспечивающая протекание тока во внешней цепи и внутри аккумулятора. При заряде аккумулятора под действием электрической энергии от внешнего источника происходит окисление активной массы положительных пластин, сопровождаемое гидрата закиси никеля Ni(OH)2 в гидрат окиси никеля NiOOH. В то же время активная масса отрицательных пластин восстанавливается с образованием железа Fe или кадмия Cd. Электрохимические реакции при разряде и заряде никель-железного аккумулятора могут быть выражены уравнением

2NiOOH + 2KOH + Fe ←заряд - разряд→2Ni(OH)2 + 2KOH + Fe(OH)2;

для никель кадмиевого

2NiOOH + 2KOH + Cd ←заряд - разряд→2Ni(OH)2 + 2KOH + Cd(OH)2.

Положительным качеством щелочного аккумулятора является то, что компоненты, образующиеся в процессе заряда и разряда, практически не растворимы в электролите и не вступают в какие либо химические реакции. Электролит при этом не расходуется, поэтому плотность его не изменяется. Это позволяет обходиться сравнительно небольшим количеством электролита, что делает эти аккумуляторы более компактными, чем кислотные.

Полностью заряженный аккумулятор имеет ЭДС 1,45 В. При разряде напряжение аккумулятора довольно быстро падает до 1,3 В, а затем медленно уменьшается до 1 В (рис. 67); при этом напряжении разряд следует прекращать. При заряде напряжение с 1,55 В быстро поднимается до 1,75 В, а затем медленно повышается до 1,8 В. Заряд ведут до тех пор, пока не будет сообщено требуемое количество ампер-часов (согласно паспортным данным).

Рис. 67. Кривые напряжения щелочного аккумулятора при заряде и разряде.

Щелочные аккумуляторы имеют ряд преимуществ перед кислотными. Они могут длительное время находиться в полузаряженном или даже в разряженном состоянии, что совершенно недопустимо для кислотных. Кроме того щелочные аккумуляторы не выходят из строя вследствие действия низких температур, имеют большую перегрузочную способность, большую механическую прочность, больший срок службы и хранения. Однако щелочные аккумуляторы имеют ряд недостатков: напряжение при разряде значительно ниже (почти на 40%), чем у кислотного, его напряжение при разряде падает гораздо быстрее и при очень интенсивном разряде резко уменьшается.

Щелочные аккумуляторы широко применяют на электроподвижном составе, тепловозах и пассажирских вагонах. На тепловозах устанавливают аккумуляторную батарею 46ПНЖ-550, состоящую из 46 последовательно соединённых никель-железных аккумуляторов ёмкостью 550 А×ч [Т – тепловозная; П – панцирные положительные пластины (каждая пластина помещена в специальный чехол – панцирь)]. На электровозах применяют батарею 42НК125, состоящую из 42 последовательно соединённых никель-кадминвых аккумуляторов ёмкостью 125 А×ч, а на электропоездах – батарею 90НК-55, состоящую из 90последовательно соединённых никель-кадмиевых аккумуляторов ёмкостью 55 А×ч, на электровозах ЧС – батареи 40NKT-120 и 40NKT-160, состоящие из 40 последовательно соединённых никель-кадмиевых аккумуляторов ёмкостью 120 и 160 А×ч. Номинальное напряжение всех щелочных аккумуляторов 1,2 В.