Які перетворення енергії відбуваються під час заряджання акумулятора. Акумулювання електричної енергії

на окисних властивостяхчотиривалентного свинцю та його переході в більш стійкий двовалентний стан заснований пристрій та дія широко застосовуваних на практиці свинцевих акумуляторів.

Електричними акумуляторами називаються прилади, що дозволяють накопичувати електричну енергію для того, щоб потім витрачати її в потрібний момент. Це накопичення енергії здійснюється шляхом пропускання через акумулятор електричного струму, через що в ньому відбувається хімічний процес, що супроводжується перетворенням електричної енергіїу хімічну; акумулятор, як то кажуть, заряджається. Зарядженим акумулятором можна користуватися як гальванічним елементом, причому та сама реакція, яка відбувалася при зарядці акумулятора, протікає в зворотному напрямкуі накопичена в акумуляторі хімічна енергія перетворюється на електричну; у міру її витрачання акумулятор розряджається.

Свинцевий акумулятор складається в найпростішому випадку з двох свинцевих гратчастих пластин, комірки яких заповнюються тістоподібною сумішшю окису свинцю з водою. Пластини поринають у прямокутну скляну банку, наповнену розведеною сірчаною кислотою уд. ваги 1,15-1,20 (22-28% H2SO4).

Внаслідок реакції

РbО + H 2 SO 4 = PbSO 4 + Н 2 O

окис свинцю перетворюється через деякий час на сірчанокислий. Якщо тепер пропускати через прилад постійний струм, з'єднавши одну пластину з негативним, а іншу - з позитивним полюсом джерела струму, акумулятор буде заряджатися, причому електроди будуть відбуватися наступні процеси:

Складаючи ці рівняння, отримуємо загальне рівнянняреакції, що відбувається під час заряджання акумулятора:

2PbSO 4 + 2Н 2 O = Pb + РbO 2 + 4Н + 2SO 4 »

Таким чином, у міру пропускання струму сірчанокислий перетворюється на катоді в пухку масу металевого свинцю, а на аноді - в темнобурий двоокис свинцю.

Коли цей процес закінчиться, акумулятор заряджений. Про закінчення зарядки свідчить початок енергійного розкладання води: у катода виділяється , у анода (акумулятор «кипить»).

При з'єднанні пластин зарядженого акумулятора провідником в останньому з'являється струм, причому електрони переміщаються від пластини, покритої свинцем, пластини, покритої двоокисом свинцю. Виникнення струму пояснюється так. З пластини, покритої свинцем, частина іонів Рb++ переходить у розчин, внаслідок чого пластина заряджається негативно. Електрони, що звільняються у свинцевої пластини, переходять до РbO 2 і відновлюють чотиривалентний двовалентний. В результаті у тієї та іншої пластини утворюються іони Рb , які з'єднуються з іонами SO 4 », що знаходяться в розчині »в нерозчинний сірчанокислий свинець, і акумулятор розряджається.

Процеси, що відбуваються при розряді акумулятора, передає наступна схема:

Склавши написані рівняння, неважко переконатися, що реакція, що відбувається при розряді акумулятора, зворотна тій, яка мала місце при його зарядці. Тому обидва процеси можуть бути виражені одним рівнянням:

зарядка

2PbSО 4 + 2Н 2 О ⇄Pb + Pb0 2 + 4Н + 2SО 4 »

розряд

При розрядженні акумулятора концентрація сірчаної кислоти зменшується, оскільки витрачаються іони Н і SO 4 і утворюється . Тому про рівень розрядження акумулятора можна судити за питомою вагою кислоти, вимірюючи його ареометром.

Напруга свинцевого акумуляторадорівнює 2 вольтам і принормальне навантаження залишається майже незмінним під час його роботи. Якщо напруга починає падати, акумулятор знову зарядити.

Ви читаєте, стаття на тему Свинцевий акумулятор

Як не формулюй назву статті, вона все одно буде правильною. Хімія та енергія - пов'язані воєдино в конструкції акумулятора.

Свинцево-кислотні акумулятори можуть працювати кілька років у режимах заряду-розряду. Вони швидко заряджаються і швидко віддають запасену енергію. Секрет цих метаморфоз у хімії, адже саме вона допомагає перетворювати електрику, але як?

«Таїнство» перетворення енергії в акумуляторі забезпечує сукупність реагентів, серед яких є окислювач та відновник, що взаємодіють через електроліт. Відновник (губчастий свинець РЬ) має негативний заряд. Під час хімічної реакції він окислюється і його електрони мандрують до окислювача, у якого позитивний заряд. Окислювач (діоксид свинцю РЬО2) відновлюється, а результатом цього є електричний струм.

Як електроліт використовують рідину, яка погано проводить струм, але є хорошим провідником для іонів. Це водний розчин сірчаної кислоти (H2S04). У хімічній реакції відбувається процес, всім відомий зі шкільної лави. електролітична дисоціація.

У процесі реакції - позитивно заряджені іони (Н+) направляються до позитивного електрода, а негативно заряджені іони (SO42-) до негативного. Коли акумулятор розряджається, то із відновника (губчастий свинець), через електроліт до позитивного електрода, - прямують іони з позитивним зарядомРЬ2+.

Чотирьохвалентні іони свинцю (РЬ4+) перетворюються на двовалентні (РЬ4+). Однак це ще не все хімічні реакції. Коли іони кислотних залишківз негативним зарядом(SO42-) з'єднуються з позитивно зарядженими іонами свинцю (РЬ2+), то на обох електродах утворюється сульфат свинцю (РЬSО4). А це вже погано для акумулятора. Сульфатація скорочує термін служби акумулятора і поступово накопичуючись може призвести до його руйнування. Побічним ефектомхімічних реакцій у звичайних свинцево-кислотних акумуляторах є гази.

Що ж відбувається, коли акумулятор заряджають?

Електрони прямують до електрода з негативним зарядом, де виконують свою функцію – нейтралізують іони свинцю (РЬ2+). Хімічні реакції, що відбуваються в акумуляторних батареях, можна описати такою формулою:

Щільність електроліту, і його рівень в акумуляторі залежить від того, - заряджений, або розряджений акумулятор. Зміни щільності електроліту можна описати такою формулою:

Де показник розрядки акумулятора, який вимірюється у відсотках, - Cp. Щільність електроліту при повній зарядці – Рз. Щільність електроліту при повній розрядці - Pр.

Стандартна температура, за якої роблять вимірювання + 25°С, Щільність електроліту відповідно до температури + 25°С, г/см3 - Р25.
Під час хімічної реакції позитивні електроди використовують у 1,6 разів більше кислоти, ніж негативні. Коли акумулятор розряджається, обсяг електроліту зростає, а коли заряджається, навпаки - зменшується.
Таким чином, за допомогою хімічних реакцій, акумулятор приймає, а потім віддає електричну енергію.

Принцип дії. Акумуляторназивається хімічне джерелоструму, який здатний накопичувати (акумулювати) в собі електричну енергію та в міру необхідності віддавати її у зовнішній ланцюг. Накопичення в акумуляторі електричної енергії відбувається при пропусканні струму від нього

стороннього джерела (рис. 158 а). Цей процес, званий зарядом акумулятора, супроводжується перетворенням електричної енергії на хімічну, у результаті акумулятор сам стає джерелом струму. При розряді акумулятора (рис. 158 б) відбувається зворотне перетворення хімічної енергії в електричну. Акумулятор має велику перевагу в порівнянні з гальванічним елементом. Якщо елемент розрядився, він приходить у повну непридатність; акумулятор ж. після розряду може бути знову заряджений і служитиме джерелом електричної енергії. Залежно від роду електроліту акумулятори поділяють на кислотні та лужні.

На локомотивах та електропоїздах найбільшого поширенняотримали лужні акумулятори, які мають значно більший термін служби, ніж кислотні. Кислотні акумулятори ТН-450 застосовують лише на тепловозах, вони мають ємність 450 А*год, номінальну напругу - 2,2 В. Акумуляторна батарея 32 ТН-450 складається з 32 послідовно з'єднаних акумуляторів; буква Т означає, що батарея встановлена ​​на тепловозі, буква Н - тип позитивних пластин (намазні).

Пристрій.У кислотному акумуляторі електродами є свинцеві пластини, покриті так званими активними масами, які взаємодіють з електролітом при електрохімічних реакціях у процесі заряду та розряду. Активною масою позитивного електрода (анода) служить перекис свинцю PbO 2 а активною масою негативного електрода (катода) - чистий (губчастий) свинець Pb. Електролітом є 25-34%-ний водний розчин сірчаної кислоти.

Пластини акумулятора можуть мати конструкцію поверхневого чи намазного типу. Пластини поверхневого типу відливають із свинцю; поверхню їх, де відбуваються електрохімічні реакції, збільшена завдяки наявності ребер, борозен тощо. п. Їх застосовують у стаціонарних акумуляторних батареях та деяких батареях пасажирських вагонів.

В акумуляторних батареях тепловозів застосовують пластини намазного типу (рис. 159 а). Такі пластини мають кістяк зі сплаву свинцю з сурмою, в якому влаштований ряд осередків, що заповнюються пастою.

Осередки пластин після заповнення пастою закривають свинцевими листами з великою кількістюотворів. Ці листи запобігають можливості випадання з пластин активної маси і не перешкоджають водночас доступу до неї електроліту.

Вихідним матеріалом для виготовлення пасти для позитивних пластин служить порошок свинцю Pb, а для негативних - порошок, перекису свинцю PbO 2 які замішуються на водному розчинісірчаної кислоти. Будова активних мас у таких пластинах пориста; завдяки цьому в електрохімічних реакціях беруть участь як поверхневі, а й глибоколежачі шари електродів акумулятора.

Для підвищення пористості та зменшення усадки активної маси в пасту додають графіт, сажу, кремній, скляний порошок, сірчанокислий барій та інші інертні матеріали, які називаються розширювачами. Вони не беруть участі в електрохімічних реакціях, але ускладнюють злипання (спікання) частинок свинцю та його оксидів та запобігають цим зменшення пористості.

Намазні пластини мають велику поверхню зіткнення з електролітом і добре їм просочуються, що сприяє зменшенню маси та розмірів акумулятора і дозволяє отримувати великі струми при розряді.

При виготовленні акумуляторів пластини піддають спеціальним зарядно-розрядним циклам. Цей процес має назву формування акумулятора. В результаті формування паста позитивних пластин електрохімічним шляхом перетворюється на перекис (двоокис) свинцю PbO 2 і набуває коричневий колір. Паста негативних пластин при формуванні переходить у чистий свинець Pb, що має пористу структуру і тому званий губчастим; негативні пластини набувають сірого кольору.

У деяких акумуляторах застосовано позитивні пластини панцирного типу. Вони кожна позитивна пластина укладено у спеціальний панцир (чохол) з ебоніту чи стеклоткани. Панцирь надійно утримує активну масу пластини від обсипання при трясці і поштовхах; для повідомлення активної маси пластин з електролітом в панцирі роблять горизонтальні прорізи шириною близько 0725 мм.

Для запобігання замиканню пластин сторонніми предметами (щупом для вимірювання рівня електроліту, пристроєм для заливки електроліту та ін) пластини в деяких акумуляторах покривають поліхлорвінілової сіткою.

Для збільшення ємності кожен акумулятор встановлюють кілька позитивних і негативних пластин; однойменні пластини з'єднують паралельно до загальних блоків, до яких приварюють вивідні штирі. Блоки позитивних та негативних пластин зазвичай встановлюють в ебонітовій акумуляторній посудині (рис. 159,б) так, щоб між кожними двома

пластинами однієї полярності були пластини іншої полярності. По краях акумулятора ставлять негативні пластини, так як позитивні пластини при установці по краях схильні до викривлення. Пластини відокремлюють одну від іншої сепараторами, виконаними з мікропористого ебоніту, поліхлорвінілу, склоповніку або іншого ізоляційного матеріалу. Сепаратори запобігають можливості короткого замикання між пластинами при їх жолобленні.

Пластини встановлюють в акумуляторній посудині так, щоб між їх нижньою частиною і дном посудини був деякий вільний простір. У цьому просторі накопичується свинцевий осад (шлам), що утворюється внаслідок відпадання активної маси пластин, що відпрацювала, в процесі експлуатації.

Розряд та заряд.При розряді акумулятора (рис. 160 а) позитивні іони H 2 + і негативні іоникислотного залишку
S0 4 -, на які розпадаються молекули сірчаної кислоти H 2 S0 4 електроліту 3, спрямовуються відповідно до позитивного
1 і негативному електродам 2 і вступають в електрохімічні реакції з їх активними масами. Між електродами виникає
різниця потенціалів близько 2, що забезпечує проходження електричного струму при замиканні зовнішнього ланцюга. В результаті
електрохімічних реакцій, що виникають при взаємодії іонів водню з перекисом свинцю PbO 2 позитивного
електрода та іонів сірчанокислого залишку S0 4 - зі свинцем Pb негативного електрода, утворюється сірчанокислий свинець PbS0 4 (сульфат свинцю), який перетворюються поверхневі шари активної маси обох електродів. Одночасно при цих реакціях утворюється кілька води, тому концентрація сірчаної кислоти знижується, т. е. щільність електроліту зменшується.

Акумулятор може розряджатися теоретично до повного перетворення активних мас електродів на сірчанокислий свинець та виснаження електроліту. Проте практично розряд припиняють набагато раніше. Сірчанокислий свинець, що утворюється при розряді, являє собою сіль. білого кольору, що погано розчиняється в електроліті і має низьку електропровідність. Тому розряд ведуть не до кінця, а тільки до того моменту, коли сірчанокислий свинець перейде близько 35% активної маси. У цьому випадку сірчанокислий свинець, що утворився, рівномірно розподіляється у вигляді дрібних кристаликів в активній масі, що залишилася, яка зберігає ще достатню електропровідність, щоб забезпечити напругу між електродами 1,7-1,8 В.

Розряджений акумулятор піддають заряду, тобто приєднують до джерела струму з напругою, більшою за напругу акумулятора. При заряді (рис. 160 б) позитивні іони водню переміщуються до негативного електрода 2, а негативні іони сірчанокислого залишку S0 4 - - позитивного електрода 1 і вступають в хімічна взаємодіяз сульфатом свинцю PbS0 4 , що покриває обидва електроди. У процесі електрохімічних реакцій сульфат свинцю PbS0 4 розчиняється і на електродах знову утворюються активні маси: перекис свинцю PbO 2 на позитивному електроді і губчастий свинець Pb - на негативному. Концентрація сірчаної кислоти у своїй зростає, т. е. щільність електроліту збільшується.

Електрохімічні реакції при розряді та заряді акумулятора можуть бути виражені рівнянням

PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4? 2PbSO 4 + 2H 2 O

Читаючи це рівняння зліва направо, отримуємо процес розряду, справа наліво - процес заряду.

Номінальний розрядний струм чисельно дорівнює 0,1С НОМ, максимальний під час запуску дизеля (стартерний режим) - приблизно 3С НОМ, зарядний струм - 0,2С НОМ, де З НОМ - номінальна ємність.

Повністю заряджений акумулятор має е. д. с. близько 2,2 В. Так само приблизно і напруга на його затискачах, так як внутрішній опіракумулятора дуже мало. При розряді напруга акумулятора досить швидко падає до 2, а потім повільно знижується до 1,8-1,7 В (рис. 161), при цьому напрузі розряд припиняють щоб уникнути пошкодження акумулятора. Якщо розряджений акумулятор залишити на деякий час у бездіяльності, то напруга його знову відновлюється до середнього значення 2 В. Це явище має назву «відпочинку» акумулятора. При навантаженні подібного акумулятора, що «відпочив», напруга швидко знижується, тому вимірювання напруги акумулятора без навантаження не дає правильного судженняпро рівень розряду.

При заряді напруга акумулятора швидко піднімається до 2,2, а потім повільно підвищується до 2,3 і, нарешті, знову досить швидко зростає до 2,6-2,7 В. При 2,4 починають виділятися бульбашки газу, що утворюється в результаті розкладання води на водень та кисень. При 2,5 В обидва електроди виділяють сильний струмінь газу, а при 2,6-2,7 В акумулятор починає ніби кипіти, що служить ознакою закінчення заряду. При відключенні акумулятора від джерела зарядного струму напруга швидко знижується до 2,2 В.

Догляд за акумуляторами.Кислотні акумулятори швидко втрачають ємність або навіть приходять у повну непридатність при

неправильної експлуатації. Вони відбувається саморозряд, у результаті вони втрачають свою ємність (приблизно 0,5- 0,7 % на добу). Для компенсації саморозряду непрацюючі акумуляторні батареї необхідно періодично заряджати. При забрудненні електроліту, а також кришок акумуляторів, їх висновків та міжелементних з'єднань відбувається підвищений саморозряд, що швидко виснажує батарею.

Батарея акумулятора повинна бути завжди чистою, а висновки для запобігання окисленню покриті тонким шаром технічного вазеліну. Періодично потрібно перевіряти рівень електроліту та рівень зарядженості акумуляторів. Акумулятори повинні періодично заряджатися. Зберігання незаряджених акумуляторів неприпустиме. При неправильній експлуатації акумуляторів (розряд нижче 1,8-1,7 В, систематичному недозаряді, неправильному проведенні заряду, тривалому зберіганні незарядженого акумулятора, зниженні рівня електроліту, надмірної щільності електроліту) відбувається пошкодження їх пластин, зване сульфатацією. Це явище полягає в переході дрібнокристалічного сульфату свинцю, що покриває пластини при розряді, в нерозчинні крупнокристалічні хімічні сполуки, які при заряді не переходять у перекис свинцю РbO 2 і свинець РЬ. При цьому акумулятор стає непридатним для експлуатації.

Явище поляризації, шкідливе в гальванічних елементах, знаходить, проте, корисне застосування. У 1895 р. Планте показав, що е. д. с. поляризації можна використовувати для практичного отримання електричного струму. Він побудував елемент із двома свинцевими електродами, зануреними в розчин сірчаної кислоти. Елемент у такому вигляді не має ще е. д. с., так як обидва його електроди однакові. Якщо, однак, через такий елемент пропускати відомий часток, то його електродах виділяються продукти електролізу, які входять у хімічну реакцію з електродами. Завдяки цьому електроди виявляються різними за хімічного складу, і з'являється певна е. д. с. - Саме, е. д. с. поляризації, рівна приблизно 2 В. Елемент у такому стані є вже сам джерелом струму і при замиканні на будь-який ланцюг може створювати в ній протягом деякого часу електричний струм. Отже, появи е. д. с. в елементі Планті через нього необхідно пропускати протягом певного часу струм від стороннього джерела. Цей процес називається зарядкою елемента.

Елемент Планте і подібні до нього, що використовують явище поляризації, називаються вторинними елементами або акумуляторами, оскільки в них можна запасати (акумулювати) енергію. Після витрат енергії акумулятора його можна знову зарядити пропусканням струму і повторювати цей процес багато разів.

З енергетичної точки зору справа така. Реакції, що протікають в акумуляторі при його зарядці і що роблять спочатку однакові електроди хімічно різними, є реакціями, які можуть здійснюватися лише при зливі енергії. Цю енергію доставляє генератор, з якого ми змушуємо іони переміщатися у розчині і виділятися на відповідних електродах. Навпаки, при розрядженні акумулятора в ньому відбуваються реакції, що йдуть з виділенням енергії. Ці реакції є джерелом е. д. с. акумулятора. Таким чином, при зарядці акумулятора відбувається перетворення електричної енергії на приховану хімічну енергію, а при його розрядці – зворотний перехід хімічної енергії на енергію електричного струму.

Пристрій сучасного акумулятора свинцевого показано на рис. 124. Він складається з низки позитивних та негативних пластин, що знаходяться в банку з водним розчином (15-20%) сірчаної кислоти. Всі позитивні пластини з'єднані між собою, як і всі негативні, завдяки чому в невеликій посудині можна мати велику площу електродів, розділених тонким шаром електроліту, тобто мати елемент з надзвичайно малим внутрішнім опором.

Рис. 124. Свинцевий акумулятор

Негативні пластини складаються з чистого металевого свинцю, поверхня якого зроблена дрібнопористою для збільшення діючої площі електродів (губчастий свинець). Позитивні пластини мають більше складна будова, показане на рис. 125. При їх виготовленні спочатку відливають (або штампують) раму зі свинцю, з багатьма осередками на кшталт бджолиних стільників, і в них впресовують спеціальну масу, що складається з оксидів свинцю та сполучних речовин.

Рис. 125. Позитивна пластина свинцевого акумулятора

У незарядженому стані обидва електроди покриті шаром сірчанокислого свинцю (). При зарядці іони переміщаються до одного електрода і перетворюють його на перекис свинцю за рівнянням

а іони H+ відновлюють другий електрод у металевий свинець за рівнянням

З'єднання стає анодом, а Pb – катодом зарядженого акумулятора. При розрядці струм по зовнішньому ланцюгу йде від Pb, а всередині акумулятора іони і рухаються в напрямках, зворотних їх руху при зарядці, і реакції на електродах протікають у зворотному напрямку. У повністю розрядженому акумуляторі обидва електроди знову складалися б з . У робочих умовах не доводять акумулятор до повної розрядки і знову заряджають його, коли напруга на електродах падає приблизно до 1,8 В. залишається незмінним. Після тривалої розрядки напруга акумулятора знову падає; розрядку його слід припинити, коли напруга впаде до 1,85.

Крім свинцевих акумуляторів, існують і інші. Нині широко використовуються залізонікелеві акумулятори («лужні» акумулятори). У них електродами є залізо та нікель, а електролітом – 20%-ний розчин їдкого лугу (КОН або NaOH). У зарядженому стані нікелеві пластини покриті шаром окису нікелю () і є позитивним полюсом, а металеве залізо – негативним; е. д. с. цих акумуляторів дорівнює 1,4-1,1 В. Залізонікелеві акумулятори характеризуються великою стійкістю: механічні струси і недбалість у догляді, що може викликати шкідливі хімічні реакції, для цих елементів набагато менш небезпечні, ніж для свинцевих.

Різні акумулятори характеризуються максимальною кількістюелектрики, яку можна одержати від них без нової зарядки. Цю кількість електрики прийнято виражати в ампер-годинниках (А×ч) і називати ємністю акумулятора. Так, наприклад, переносні акумулятори, що застосовуються для автомобілів, зазвичай мають ємність 40 А×ч. Це означає, що вони можуть давати струм 1 А протягом 40 год або струм 2 А протягом 20 год і т. д. При цьому, звичайно, розрядний струм не повинен перевищувати деякої максимальної сили(Для свинцевого акумулятора приблизно 1 А на кожен квадратний дециметр поверхні позитивних пластин), так як в іншому випадку пластини швидко руйнуються. Чим більше площапластин акумулятора, тим більше продуктів електролізу може бути утримано на пластинах, а значить, і тим більший заряд можна отримати від акумулятора при розрядці, тобто тим більша його ємність.

79.1. Батарея акумуляторів ємності 20 А×год живить лампочку, що споживає струм 0,25 А. Скільки часу може горіти лампочка без нової зарядки акумуляторів?

Акумулятори грають у сучасній електротехніці важливу роль. Так, наприклад, на електричних станціях з нерівномірним навантаженням часто встановлюють, окрім генераторів постійного струму, ще й батареї акумуляторів (буферні акумулятори). При малому навантаженні станції частина енергії, що виробляється генераторами, витрачається на зарядку акумуляторів, а періоди великого навантаження ці акумулятори живлять мережу паралельно з генераторами. Електростанції, що використовують енергію вітру, завжди бувають забезпечені акумуляторами, які заряджаються в ті періоди, коли є вітер, а потім уже витрачають запасну енергію в міру потреби та незалежно від метеорологічних умов.

Акумулятори широко застосовують всіх підводних судах (крім підводних суден з атомним двигуном). При надводному плаванні акумулятори заряджаються від генератора постійного струму, а при зануренні під воду всі механізми рухаються виключно від акумуляторів. Акумулятори з успіхом застосовуються в електричних вантажних візках, так званих електрокарах, які повинні працювати короткі проміжки часу і робити часті зупинки і тому невигідна установка двигунів внутрішнього згоряння, що безперервно поглинають паливо; в автомобілях (запалювання у моторах, освітлення); для живлення рудничних ламп та ще у багатьох важливих промислових машинах та приладах. Дуже поширені акумулятори в лабораторній практиці, де вони є добрими джереламипостійного струму, а також радіотехніки.

Незважаючи на великі переваги акумуляторів, які у багатьох випадках витіснили гальванічні елементи, останні все ще мають ряд важливих застосувань: як еталони напруги (нормальні елементи, § 75), для живлення радіоприймачів, кишенькових ліхтарів, мікрокалькуляторів тощо.