Реферат на тему свинцовые аккумуляторы

Обновлено: 05.07.2024

Химические источники тока (ХИТ) – это устройства, вырабатывающие электрическую энергию за счёт прямого преобразования химической энергии окислительно-восстановительных реакций.
Первые ХИТ были созданы в XIX в. (Вольтов столб, 1800г.; элемент Даниела — Якоби, 1836г.; Лекланше элемент, 1865г., и др.). До 60-х гг. XIX в. ХИТ были единственными источниками электроэнергии для питания электрических приборов и для лабораторных исследований.
Основу ХИТ составляют два электрода (один — содержащий окислитель, другой — восстановитель), контактирующие с электролитом. Между электродами устанавливается разность потенциалов — электродвижущая сила (ЭДС), соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции.

Содержание

Химические источники тока (общее понятие) 3
Свинцовые (кислотные) аккумуляторы. 6
. История создания. 6
. Электрохимические и другие физико-химические процессы. 7
а) Токообразующие реакции 7
б) Особенности разряда и заряда 9
2.3. Конструкция и технология свинцовых аккумуляторов 11
а) Конструкция электродов 11
б) Конструкция аккумуляторов 13
2.4. Характеристики 14
а) Общие разрядные и зарядные характеристики 14
2.5. Дальнейшее совершенствование свинцовых аккумуляторов 17
3. Pb – металл, входящий в состав электрода ХИТ 21
Список литературы 27

Вложенные файлы: 1 файл

Аккумулятор.doc

Министерство образования и науки РФ

Уфимский государственный авиационный технический университет

Кафедра общей химии

Контролируемая самостоятельная работа студента по химии

«Химические источники тока.

студент 1 курса

Химические источники тока (общее понятие) 3

Свинцовые (кислотные) аккумуляторы. 6

. История создания. 6
. Электрохимические и другие физико-химические процессы. 7

а) Токообразующие реакции 7

б) Особенности разряда и заряда 9

2.3. Конструкция и технология свинцовых аккумуляторов 11

а) Конструкция электродов 11

б) Конструкция аккумуляторов 13

2.4. Характеристики 14

а) Общие разрядные и зарядные характеристики 14

2.5. Дальнейшее совершенствование свинцовых аккумуляторов 17

3. Pb – металл, входящий в состав электрода ХИТ 21

Список литературы 27

1. Химические источники тока (общее понятие).

Первые ХИТ были созданы в XIX в. (Вольтов столб, 1800г.; элемент Даниела — Якоби, 1836г.; Лекланше элемент, 1865г., и др.). До 60-х гг. XIX в. ХИТ были единственными источниками электроэнергии для питания электрических приборов и для лабораторных исследований.

Основу ХИТ составляют два электрода (один — содержащий окислитель, другой — восстановитель), контактирующие с электролитом. Между электродами устанавливается разность потенциалов — электродвижущая сила (ЭДС), соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции. Действие ХИТ основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно разделённых процессов: на отрицательном электроде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят по внешней цепи (создавая разрядный ток) к положительному электроду, где участвуют в реакции восстановления окислителя.

В зависимости от эксплуатационных особенностей и от электрохимической системы (совокупности реагентов и электролита) ХИТ делятся на:

- гальванические элементы (обычно называются просто элементами), которые, как правило, после израсходования реагентов (после разрядки) становятся неработоспособными, и

- аккумуляторы, в которых реагенты регенерируются при зарядке — пропускании тока от внешнего источника.

Такое деление условно, так как некоторые элементы могут быть частично заряжены. К важным и перспективным ХИТ относятся топливные элементы (электрохимические генераторы), способные длительно непрерывно работать за счёт постоянного подвода к электродам новых порций реагентов и отвода продуктов реакции. Конструкция резервных химических источников тока позволяет сохранять их в неактивном состоянии 10—15 лет.

С начала ХХв. производство ХИТ непрерывно расширяется в связи с развитием автомобильного транспорта, электротехники, растущим использованием радиоэлектронной и другой аппаратуры с автономным питанием. Промышленность выпускает ХИТ, в которых преимущественно используются окислители PbO2, NiOOH, MnO2 и др., восстановителями служат Pb, Cd. Zn и др. металлы, а электролитами — водные растворы щелочей, кислот или солей.

Основные характеристики ряда ХИТ приведены в таблице. Лучшие характеристики имеют разрабатываемые ХИТ на основе более активных электрохимических систем. Так, в неводных электролитах (органических растворителях, расплавах солей или твёрдых соединениях с ионной проводимостью) в качестве восстановителей можно применять щелочные металлы. Топливные элементы позволяют использовать энергоёмкие жидкие или газообразные реагенты.

Характеристики химических источников тока

Тип источника тока

Разряд-
ное напря-
жение, В

Удельная энергия, Вт·ч/кг

Удельная мощность, Вт/кг

Срок службы, циклы

Кадмиево- и железо-никелевые щелочные

Топливные элементы

Ресурс работы, ч

* A — серийное производство, Б — опытное производство, В — в стадии разработки (характеристики ожидаемые).

2. Свинцовые (кислотные) аккумуляторы.

Свинцовый аккумулятор является наиболее распространенным в настоящее время вторичным ХИТ. Мировое производство только одних стартерных батарей превышает 100 млн. шт. в год. Ежегодно на изготовление свинцовых аккумуляторов расходуется 2 млн. тонн свинца, т. е. более половины всего мирового производства. Широкое распространение этих аккумуляторов обусловлено их дешевизной, надежностью в работе и хорошими показателями. Они обладают высоким и стабильным напряжением, мало меняющимся с температурой и с токами нагрузки. Ресурс аккумуляторов составляет несколько сотен зарядно-разрядных циклов, а для некоторых типов превышает тысячу циклов.

На основе свинцовых аккумуляторов выпускают стартерные (емкостью от 5 до 200 А-ч), тяговые (от 40 до 1200 А-ч) и стационарные батареи (от 40 до 5000 А-ч). Свинцовые аккумуляторы используются также для различных радиоэлектронных устройств и для аппаратуры связи.

2.1 История создания

Первый действующий образец свинцового аккумулятора, созданный в 1859 г. французским исследователем Г. Планте, состоял из двух свинцовых листов, разделенных полотняным сепаратором, свернутых в спираль и вставленных в банку с серной кислотой. При первом заряде на положительном электроде электрохимически образовывался поверхностный слой двуокиси свинца. Для увеличения емкости аккумулятора проводился многократный его заряд и разряд; при этом происходило развитие поверхности электродов. Такую операцию Планте назвал формированием электродов. В 1880 г. К- Фор предложил изготавливать электроды путем намазки на свинцовые листы пасты из окислов свинца и серной кислоты. За счет этого была значительно повышена емкость электродов. В 1881 г. Э. Фолькмар предложил использовать в качестве основы пастированных пластин не листы, а свинцовую решетку; впоследствии, по патенту Дж. Селона, свинцовая решетка была заменена решеткой из более жесткого свинцово-сурьмяного сплава.

В 80-х годах XIX в. в промышленно развитых странах уже было налажено серийное производство свинцовых аккумуляторов. Этому способствовало распространение электрических генераторов, вырабатывающих электроэнергию для заряда аккумуляторов (до этого аккумуляторы заряжались от батарей первичных элементов). В первой половине XX в. технология изготовления свинцовых аккумуляторов была усовершенствована, что привело к улучшению их характеристик. Начиная с 1920 г. в отрицательных электродах стали применяться расширители, что способствовало резкому повышению ресурса.

В 70-е годы были созданы новые варианты аккумуляторов, не требующих ухода при эксплуатации, а также герметизированные аккумуляторы.

2.2 Электрохимические и другие физико-химические процессы

а) Токообразующие реакции

Заряженный отрицательный электрод свинцового аккумулятора содержит губчатый свинец, положительный — двуокись свинца РbО2; электролитом служит раствор серной кислоты. Токообразующие реакции описываются уравнениями:

(при используемых концентрациях серная кислота диссоциирует практически только на ионы Нˉ и HSO7ˉ)

Напряжение разомкнутой цепи (в вольтах) свинцового аккумулятора совпадает с термодинамическим значением ЭДС и равно при 25 °С:

(с точностью ±0,002 В), где aH2SO4 — активность серной кислоты и aH2O — активность воды.

Зависимости активностей серной кислоты и воды, а также значений ЭДС от концентрации серной кислоты приведены в табл. 9.1. В данной главе будут использованы массовые доли (проценты) g — количество серной кислоты (в граммах) в 100 г раствора. Часто концентрацию раствора серной кислоты определяют путем измерения его плотности.

Активность серной кислоты и воды и термодинамические значения ЭДС свинцового аккумулятора в растворах серной кислоты разной концентрации (при 25 °С)

Свинцово-кислотный аккумулятор — наиболее распространенный на сегодняшний день тип аккумуляторов, изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте. Основные области применения: стартерные батареи в автомобильном транспорте, аварийные источники электроэнергии.

Принцип действия

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в сернокислотной среде. Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на катоде и окисление свинца на аноде. При заряде протекают обратные реакции, к которым в конце заряда добавляется реакция электролиза воды, сопровождающаяся выделением кислорода на положительном электроде и водорода — на отрицательном.

Химическая реакция (слева-направо — разряд, справа-налево — заряд):

Элемент свинцово-кислотного аккумулятора состоит из положительных и отрицательных электродов, сепараторов (разделительных решеток) и электролита. Положительные электроды представляют собой свинцовую решётку, а активным веществом является перекись свинца (PbO₂ ). Отрицательные электроды также представляют собой свинцовую решётку, а активным веществом является губчатый свинец (Pb). На практике в свинец решёток добавляют сурьму в количестве 1-2 % для повышения прочности. Сейчас в качестве легирующего компонента используются соли кальция, в обеих пластинах, или только в положительных (гибридная технология). Электроды погружены в электролит, состоящий из разбавленной серной кислоты (H₂ SO₄ ). Наибольшая проводимость этого раствора при комнатной температуре (что означает наименьшее внутреннее сопротивление и наименьшие внутренние потери) достигается при его плотности 1,26 г/см³. Однако на практике, часто в районах с холодным климатом применяются и более высокие концентрации серной кислоты, до 1,29 −1,31 г/см³. (Это делается потому, что при разряде свинцово-кислотного аккумулятора плотность электролита падает, и температура его замерзания, т.о, становится выше, разряженный аккумулятор может не выдержать холода.)

В новых версиях свинцовые пластины (решетки) заменяют вспененным карбоном, покрытым тонкой свинцовой пленкой, а жидкий электролит может быть желирован силикагелем до пастообразного состояния. Используя меньшее количество свинца и распределив его по большой площади, батарею удалось сделать не только компактной и легкой, но и значительно более эффективной - помимо большего КПД, она заряжается значительно быстрее традиционных аккумуляторов. [1]

Физические характеристики

· Теоретическая энергоемкость: около 133 Вт·ч/кг.

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

· Удельная энергоплотность (Вт·ч/дм³): около 1250 Вт·ч/дм³.

· ЭДС заряженного аккумулятора = 2,11 В, рабочее напряжение = 2,1 В (6 секций в итоге дают 12,7 В).

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

· Рабочая температура: от минус 40 до плюс 40

· КПД: порядка 80-90%

Напряжение	~ Заряд
12.70 V	100 %
12.46 V	80 %
12.24 V	55 %
12.00 V	25 %
11.90 V	0 %

Эксплуатационные характеристики

· Номинальная ёмкость , показывает количество электричества, которое может отдать данный аккумулятор. Обычно указывается в ампер-часах, и измеряется при разряде малым током (1/20 номинальной емкости, выраженной в а/ч).

· Стартерный ток (для автомобильных). Характеризует способности отдавать сильные токи при низких температурах. В большинстве случаев замеряется при -18°С (0°F) в течение 30 секунд. Различные методики замера отличаются, главным образом, допускаемым конечным напряжением.

· Резервная емкость (для автомобильных). Характеризует время, в течение которого аккумулятор может отдавать ток 25А. Обычно составляет порядка 100 минут.

Эксплуатация

Ареометр может быть использован для проверки удельного веса электролита каждой секции

Такие нехитрые операции вместе с проверкой автомобиля на утечку тока и периодической подзарядкой аккумулятора могут на несколько лет продлить срок эксплуатации батареи.

Свинцово-кислотный аккумулятор при низких температурах

По мере снижения окружающей температуры, параметры аккумулятора ухудшаются, однако в отличие от прочих типов аккумуляторов, свинцово-кислотные снижают их относительно медленно, что не в последнюю очередь обусловило их широкое применение на транспорте. Очень приблизительно можно считать, что емкость снижается вдвое при снижении окружающей температуры на каждые 15°С начиная от +10°С, то есть, при температуре -45°С свинцово-кислотный аккумулятор способен отдать лишь несколько процентов первоначальной емкости.
Снижение емкости и токоотдачи при низких температурах обусловлено, в первую очередь, ростом вязкости электролита, который уже не может в полном объеме поступать к электродам, и вступает в реакцию лишь в непосредственной близости от них, быстро истощаясь.
Еще быстрее снижаются зарядные параметры. Фактически, начиная с, примерно -15°С, заряд свинцово-кислотного аккумулятора почти прекращается, что приводит к быстрой прогрессирующей разрядке аккумуляторов при эксплуатации в режиме коротких частых поездок (так называемый, "режим доктора"). В этих поездках аккумулятор практически не заряжается, его необходимо регулярно заряжать внешним зарядным устройством.
Считается, что не полностью заряженный аккумулятор в мороз может растрескаться из-за замерзания электролита. Однако раствор серной кислоты в воде замерзает совсем не так, как чистая вода - он постепенно густеет, плавно переходя в твердую форму. Такой режим замерзания вряд ли способен вызвать разрыв стенок незамкнутого сосуда (а банка аккумулятора - незамкнутый объем). Электролит, в массовой литературе называемый "замерзшим" фактически еще можно перемешивать.
Растрескивание стенок аккумулятора при морозах действительно бывает, но в основном является следствием изменения свойств применяемого для стенок материала, а не расширением электролита при замерзании.

Свинцово-кислотные аккумуляторы необходимо хранить только в заряженном состоянии. При температуре ниже −20 °C заряд аккумуляторов должен проводиться постоянным напряжением 2,275 В/секцию, 1 раз в год, в течение 48 часов. При комнатной температуре — 1 раз в 8 месяцев постоянным напряжением 2,35 В/секцию в течение 6-12 часов. Хранение аккумуляторов при температуре выше 30 °C не рекомендуется.

Слой грязи и накипи на поверхности аккумулятора создает проводник для тока от одного контакта к другому и приводит к саморазряду аккумулятора, после чего начинается преждевременная сульфатизация пластин и поэтому поверхность аккумулятора необходимо поддерживать в чистоте (то есть его надо мыть перед хранением) Хранение свинцово-кислотных аккумуляторов в разряженном состоянии приводит к быстрой потере их работоспособности.

При длительном хранении аккумуляторов и разряде их большими токами (в стартерном режиме), или при уменьшении ёмкости аккумуляторов, нужно проводить контрольно-тренировочные (лечебные) циклы, то есть разряд-заряд токами номинальной величины. [2]

Износ свинцово-кислотных аккумуляторов

При использовании технической серной кислоты и недистиллированной воды ускоряются саморазрядка, сульфатация, разрушение пластин и уменьшение емкости аккумуляторной батареи.

В результате каждой реакции образуется нерастворимое вещество - сернокислый свинец PbSO4, осаждающийся на пластинах, который образует диэлектрический слой между токоотводами и активной массой. Это один из недостатков, влияющий на срок службы свинцово-кислотной аккумуляторной батареи.

Основными процессами износа свинцово-кислотных аккумуляторов являются:

- сульфатация пластин, заключающаяся в образовании крупных кристаллитов сульфата свинца, который препятствует протеканию обратимых токообразующих процессов;

- коррозия электродов, т.е. электрохимические процессы окисления и растворения в электролите, что вызывает осыпание материала токоотводов;

- слабая механическая прочность или плохое сцепление активной массы с токоотводами, что приводит к опаданию активной массы;

- оползание и осыпание активной массы положительных электродов, связанное с разрыхлением, нарушением однородности.

Электри́ческий аккумуля́тор — химический источник тока многоразового действия (в отличие от гальванического элемента, химические реакции, непосредственно превращаемые в электрическую энергию в них, многократно обратимы). Электрические аккумуляторы используются для накопления энергии и автономного питания различных устройств.

Принцип действия

Замена аккумуляторной батареи на электропогрузчике

Принцип действия аккумулятора основан на обратимости химической реакции. Работоспособность аккумулятора может быть восстановлена путём заряда, то есть пропусканием электрического тока в направлении, обратном направлению тока при разряде. Несколько аккумуляторов, объединенных в одну электрическую цепь, составляют аккумуля́торную батаре́ю . Ёмкость аккумуляторов обычно измеряют в ампер⋅часах.

Электрические и эксплуатационные характеристики аккумулятора зависят от материала электродов и состава электролита. Сейчас наиболее распространены следующие аккумуляторы:

Тип	ЭДС (В)	Область применения
свинцово-кислотные (Lead Acid)	2,1	автомобили, электропогрузчики, штабелеры, электротягачи, аварийное электроснабжение, источники бесперебойного питания
никель-кадмиевые (NiCd)	1,2	замена стандартного гальванического элемента, строительные электроинструменты, троллейбусы.
никель-металл-гидридные (NiMH)	1,2	замена стандартного гальванического элемента, электромобили
литий-ионные (Li‑ion)	3,6	мобильные устройства, строительные электроинструменты, электромобили
литий-полимерные (Li‑pol)	3,7	мобильные устройства, электромобили
никель-цинковые (NiZn)	1,6	замена стандартного гальванического элемента

По мере исчерпания химической энергии напряжение и ток падают, аккумулятор перестаёт действовать. Зарядить аккумулятор (батарею аккумуляторов) можно от любого источника постоянного тока с бо́льшим напряжением при ограничении тока. Стандартным считается зарядный ток (в амперах) в 1/10 номинальной ёмкости аккумулятора (в ампер⋅часах). Многие типы аккумуляторов имеют различные ограничения, которые необходимо учитывать при зарядке и последующей эксплуатации, например NiMH-аккумуляторы чувствительны к перезаряду, литиевые — к переразряду, напряжению и температуре. NiCd- и NiMH-аккумуляторы имеют так называемый эффект памяти, заключающийся в снижении ёмкости, в случае когда зарядка осуществляется при не полностью разряженном аккумуляторе. Также эти типы аккумуляторов обладают заметным саморазрядом, то есть они постепенно теряют заряд, даже не будучи подключенными к нагрузке. Для борьбы с этим эффектом может применяться капельная подзарядка.

Никель-ка́дмиевый аккумуля́тор (NiCd) — вторичный химический источник тока, в котором анодом является гидрат закиси никеля Ni(OH)₂ с графитовым порошком (около 5–8 %) , электролитом — гидроксид калия KOH плотностью 1,19-1,21 с добавкой гидроксида лития LiOH (для образования никелатов лития и увеличения ёмкости на 21–25 %), катод — гидрат закиси кадмия Cd(OH)₂ или металлический кадмий Cd (в виде порошка). ЭДС никель-кадмиевого аккумулятора около 1,37 В, удельная энергия около 45 — 65 Вт·ч/кг. В зависимости от конструкции, режима работы (длительные или короткие разряды) и чистоты применяемых материалов, срок службы составляет от 100 до 3500 циклов заряд-разряд.

· Теоретическая энергоёмкость: 237 Вт·ч/кг.

· Удельная энергоёмкость: 45–65 Вт·ч/кг.

· Удельная энергоплотность: 50–150 Вт·ч/дм³.

· Удельная мощность: 150..500 Вт/кг.

· Рабочее напряжение = 1,2 В.

· Нормальный ток зарядки = 1/4 ёмкости, время зарядки = 6 часов.

· Саморазряд: 10 % в месяц.

· Рабочая температура: −15…+40 °С.

Электроды никель-кадмиевых аккумуляторов изготавливаются как штамповкой из листа, так и прессованием из порошка. Прессованные электроды технологически дешевле и обладают более высокими показателями заявленной емкости, в связи с чем все аккумуляторы "бытового" назначения — прессованные. Однако прессованные системы подвержены так называемому "эффекту памяти". Эффект памяти проявляется, когда аккумулятор подвергают зарядке раньше, чем он реально разрядится. В электро-химической системе аккумулятора появляется "лишний" двойной электрический слой и его напряжение снижается на 0.1В. Типичный контроллер аппарата, использующего аккумулятор, интерпретирует это снижение напряжения как разрядку батареи и сообщает, что батарея "плохая". Реального снижения энергоемкости при этом не происходит, и хороший контроллер может обеспечить полное использование емкости аккумулятора. Тем не менее, в типичном случае, контроллер побуждает пользователя производить все новые и новые циклы зарядки. А это и приводит к тому, что пользователь своими руками, из лучших побуждений, "убивает" батарею. То есть, можно сказать, что батарея выходит из строя не столько от "эффекта памяти" прессованных электродов, сколько от "эффекта беспамятства" недорогих контроллеров.

Аккумулятор, разряжаемый и заряжаемый слабыми токами (например, в пульте дистанционного управления телевизором), быстро теряет ёмкость и пользователь считает его вышедшим из строя. Так же и аккумулятор, длительное время стоявший на подзарядке (например, в системе бесперебойного питания) потеряет емкость, хотя напряжение будет правильным. То есть, использовать никель-кадмиевый аккумулятор в буферном режиме нельзя. Тем не менее, один цикл глубокой разрядки и последующая зарядка полностью восстановят ёмкость аккумулятора.

При систематических недозарядках NiCd аккумуляторы теряют первоначальную ёмкость, но перезарядов они не боятся, а наоборот, повышают свою активность. Поэтому их лучше перезаряжать, чем недозаряжать.

При хранении NiCd аккумуляторы также теряют ёмкость, хотя и сохраняют выходное напряжение. Чтобы избежать неверной разбраковки при снятии аккумулятора с хранения, рекомендуется хранить их в разряженном виде, тогда после первой же зарядки аккумулятор будет полностью готов к использованию.

Области применения

Малогабаритные никель-кадмиевые аккумуляторы используются в различной аппаратуре как замена стандартного гальванического элемента, особенно, если аппаратура потребляет большой ток. Так как внутреннее сопротивление никель-кадмиевого аккумулятора на порядок-два ниже , мощность выдается стабильнее и без перегрева.

Никель-кадмиевые аккумуляторы применяются на электрокарах, трамваях и троллейбусах (для питания цепей управления), речных и морских судах. Широко применяются в авиации в качестве бортовых аккумуляторных батарей самолётов и вертолётов. Используются как источники питания для аккумуляторных шуруповёртов, винтовёртов и дрелей.

Несмотря на развитие других электро-химических систем и ужесточение требований по экологичности, никель-кадмиевые аккумуляторы остаются безальтернативным выбором для высоконадежных решений с большой удельной мощностью, например, фонари для дайвинга.

· Аккумуляторы // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.). — СПб.: 1890—1907.

· История создания первых аккумуляторов

· Сравнение характеристик NiCd, NiMH, Lead acid, Li-ion, Li-ion polymer и alkaline аккумуляторных батарей(англ.)

· Battery University(англ.) Все о гальванических элементах и аккумуляторах.

Читайте также: