Аккумуляторы

Химические источники тока, предназначенные для многократного использования, называются аккумуляторами. Они способны превращать накопленную химическую энергию в электрическую (при разрядке), а электрическую – в химическую, создавая запас ее в процессе зарядки.

При зарядке аккумулятор работает как электролизер, при разрядке – как гальванический элемент. Аккумуляторы различаются между собой химической природой электродов и электролита, а также конструкцией. Наиболее часто употребляемыми являются два типа аккумуляторов: кислотные (свинцовые) и щелочные.

Свинцовый аккумулятор.Готовый к применению свинцовый аккумулятор состоит из решетчатых свинцовых пластин, одни из которых заполнены диоксидом свинца, а другие – металлическим губчатым свинцом. Пластины погружены в 32-39%-ный раствор H₂S0₄ (р = 1,24 – 1,30 г/мл); при этой концентрации удельная электрическая проводимость раствора серной кислоты максимальна. Оксид свинца взаимодействует с серной кислотой:

РЬО + H₂S0₄ ® PbS0₄ + Н₂0.

Чтобы зарядить аккумулятор, надо одну из свинцовых пластин соединить с отрицательным, а другую – с положительным полюсом источника постоянного электрического тока и пропустить ток.

Процессы, проходящие при зарядке:

отрицательный электрод (катод)

положительный электрод (анод)

Суммируя эти два уравнения, получим уравнение реакции, протекаю­щей при зарядке аккумулятора:

2PbS0₄ + 2Н₂0 ®РЬ + РЬ0₂ + 2 H₂S0₄.

Вещества РЬ и РЬ0₂, образующиеся при зарядке, называют активной массой. Образуется также серная кислота, причем концентрация ее увеличи­вается, и Е_э аккумулятора растет. В конце заряда напряжение достигает значения, достаточного для элек­тролиза воды, тогда начинается выделение водорода и кислорода («кипение» аккумулятора), что служит признаком окончания зарядки аккумулятора.

На аноде

На катоде

При работе (разряде) свинцового аккумулятора проходят реакции:

отрицательный электрод (анод):

положительный электрод (катод):

Суммируя два уравнения, получим уравнение реакции, протекающей при работе (разрядке) аккумулятора:

Диаметрально противоположные процессы при зарядке и разрядке за­писываем одним уравнением:

 

Количество энергии, которое аккумулятор может накопить и отдать обратно, называется емкостью аккумулятора.Емкость аккумулятора измеряется в ампер-часах.

Е_э свинцового аккумулятора немного больше 2 В. Разрядка аккумулятора ниже (1,8 - 1,85 В), кроме того длительное хранение в разряженном состоянии, приводит к сульфатации (укрупнение кристаллов сульфата свинца, которые при заряде аккумулятора не превращаются в первоначальные активные вещества РЬ, РЬ0₂). Особенно опасным для аккумулятора является разрядка до напряжения, близкого к нулю. Объясняется это тем, что образующийся сульфат свинца занимает больший объем, чем активные массы, поэтому происходит вспучивание и частичное выпадение массы из пластин.

Длительное хранение аккумулятора в заряженном состоянии также вредно отражается на его работе. Происходит саморазряд, сущность которого состоит в том, что появляются местные токи, приводящие к бесполезному расходу активной массы, а, следовательно, и снижению количества энергии, которую можно получить от данного аккумулятора. Причиной саморазрядки свинцового аккумулятора является взаимодействие между отрицательным электродом (губчатым свинцом) и серной кислотой с выделением водорода. Этот процесс с чистым свинцом не происходит, а происходит при наличии примесей, более электроположительных, чем свинец, металлов (сурьма, медь и т.д.) образующих гальванические пары, например, РЬ - Си, где свинец – анод, а медь – катод:

анодный процесс

катодный процесс

В результате этих процессов идет окисление свинца (расходуется активная масса) и расходуется электролит (выделяется Н₂).

Второй причиной саморазряда является замыкание клем, когда образуется гальвонопара РЬ0₂/РЬ (в месте соприкосновения активной массы с поверхностью свинцовой решетки), работающая по схеме:

 

Причиной саморазрядки аккумулятора может быть так же наличие примесей в электролите. Поэтому, чтобы установить возможную причину саморазрядки, проводят анализ аккумуляторной кислоты. Для устранения причины загрязнения электролита при его приготовлении пользуются химически чистой серной кислотой и дистиллированной водой.

Щелочные аккумуляторы.Промышленность выпускает также щелочные аккумуляторы. Наиболее распространенные из них кадмиево – никелевые (КН) и железо – никелевые(ЖН). Эти аккумуляторы выпускаются с ламельными электродами. В них активные массы заключены в ламели – плоские коробочки с отверстиями. Активная масса положительных пластин заряженного аккумулятора в основном состоит из гидратированного оксида никеля (III) Ni₂0₃ • Н₂0 или NiO(OH). Кроме того, в ней содержится графит, добавляемый для увеличения электропроводности.

Активная масса отрицательных пластин аккумуляторов КН состоит из смеси губчатого кадмия с порошком железа, а аккумуляторов ЖН – из порошка восстановленного железа. Электролитом служит 20 – 23% раствор КОН, содержащий небольшое количество LiOH, для увеличения электропроводности.

Суммарные реакции в наиболее простом виде можно записать уравнениями:

 

 

Следует отметить, что кадмий является высокотоксичным металлом, поэтому в будущем необходима замена КН аккумуляторов на другие, не дающих вредных выбросов в окружающую среду. Например, созданы цинково – никелевые аккумуляторы, в которых отрицательным электродом служит цинк, а положительным – гидроксид никеля. Однако этот аккумулятор имеет пока малый срок службы.

Среди щелочных аккумуляторов особо следует отметить серебряно-цинковые аккумуляторы. В этих аккумуляторах, обладающих хорошими электрическими характеристиками и имеющими малую массу и объем, электродами служат оксиды серебра Ag₂0, AgO (катод) и губчатый цинк (анод), электролитом служит раствор КОН.

При работе аккумулятора цинк окисляется, превращаясь в ZnO и Zn(OH)₂, а оксид серебра восстанавливается до металла. Суммарную реакцию, протекающую при разрядке аккумулятора, можно приближенно выразить уравнением:

AgO + Zn ® Ag + ZnO.

При зарядке аккумулятора процессы на электродах «обращаются»: цинк восстанавливается, серебро - окисляется - вновь получаются вещества, необходимые для работы аккумулятора, что можно выразить одним уравне­нием:

 

 

Напряжение заряженного серебряно-цинкового аккумулятора около 1,85В. При снижении напряжения до 1,25В аккумулятор заряжают. К недостаткам этого аккумулятора следует отнести его большую стоимость, но этот недостаток компенсируется большим и надежным сроком службы (до 10 лет).

Сравнивая кислотные и щелочные аккумуляторы можно сделать вывод: как кислотные аккумуляторы, так и щелочные, имеют достоинства и недостатки.

К достоинствам свинцового аккумулятора относятся: высокий КПД (около 80 %), высокая ЭДС и относительно малое изменение ее при разрядке; простота конструкции и невысокая цена. Недостатки – саморазряд аккумулятора при хранении и малый срок службы (2 – 5 лет).

К достоинствам кадмиево-никелевых и железо-никелевых аккумуляторов относятся большой срок службы (до 10 лет) и высокая механическая прочность, к недостаткам – невысокие КПД и ЭДС.

Аккумуляторы имеют широкое применение, как постоянные источники тока.

Свинцовые аккумуляторы широко используются на автомобилях и других транспортных средствах, сельскохозяйственных и дорожных машинах (стартерные аккумуляторы), а также на электростанциях, телефонных станциях и других объектах. Следует отметить, что свинец очень токсичен, поэтому при производстве аккумуляторов и переработке отработавших срок аккумуляторов должна применяться герметическая аппаратура и полная автоматизация процессов.

Железо – никелевые аккумуляторы применяются для питания электрокар, погрузчиков и рудничных электровозов.

Кадмиево – никелевые аккумуляторы (они дороже, чем ЖН) используют для питания аппаратуры связи, радиоприемников, магнитофонов и различной электронной аппаратуры. Однако, как указывалось выше, из-за токсичности кадмия в будущем ожидается замена КН аккумуляторов на другие – экологически более чистые.

Серебряно – цинковые аккумуляторы применяются в космических кораблях и лабораториях.