4.1.1 Пластины
Батареи набираются из пластин, основой которых является решетка, отлитая из свинца с примесью 6-7% сурьмы (для повышения механической прочности и увеличения текучести сплава при заливке формы). Активная масса изготовляется из свинцового порошка, окисляющегося при размоле; в активную массу положительных и отрицательных пластин вводятся различные добавки, предназначенные для увеличения пористости готовых пластин. Порошкообразные составные части замешиваются с серной кислотой и образуют пасту, которая вмазывается в ячейки решетки. Намазанные пластины подсушиваются и затем <формируются> в электролитической ванне. При формировании активная масса пластин превращается на положительных пластинах в перекись свинца PbO2, на отрицательных - в металлический губчатый свинец РЬ. Готовые пластины сушатся, причем отрицательные пластины во избежание окисления губчатого свинца должны быть высушены быстро, лучше всего в вакууме. В зависимости от потребной емкости набирают и опаивают при помощи бареток больше или меньше одноименных пластин (рис. 4,а). Так как положительные пластины при неравномерной нагрузке склонны к короблению, отрицательных пластин берут на одну больше, чтобы каждая положительная пластина находилась между двумя отрицательными и разряжалась равномерно с обеих сторон. Два комплекта разноименных пластин собираются вместе в блок (рис. 4,б), причем возможность соприкосновения разноименных пластин устраняется прокладкой между ними сепараторов.
4.1.2 Сепаратор
Сепаратор должен быть тонким и пористым, чтобы не препятствовать циркуляции электролита и прохождению электрического тока; качество сепараторов определяется его стойкостью в электролите, а также структурой и величиной пористости, которая влияет на характеристики аккумулятора - его напряжение и емкость при разрядке. Материалом для сепараторов служат дерево, стекловойлок или микропористые: эбонит и пластмасса.
Деревянные сепараторы, широко применявшиеся раньше, недостаточно стойки в электролите, вследствие чего они почти вышли из употребления и встречаются только в батареях прежнего выпуска. Деревянные сепараторы выщелачиваются, чтобы удалить из пор остатки древесных соков; их ставят в батарею влажными; последнее обстоятельство ограничивает срок хранения батареи. Стекловойлок имеет невысокую механическую прочность и поэтому употребляется лишь в комбинации с другими материалами. Наилучшим материалом для сепараторов являются микропористый эбонит -мипор и микропористые пластмассы - мипласты (изготовляются на основе полихлорвиниловой смолы) или пластипор (на основе перхлорвиниловой смолы).
Эти сепараторы более пористы, чем деревянные, более стойки в электролите и особенно при повышенной температуре. Они ставятся в батарею сухими, благодаря чему срок хранения новой батареи значительно увеличивается и хранить батарею можно в помещении с отрицательной температурой. Для облегчения циркуляции электролита сторона сепаратора, обращенная к положительной пластине, делается ребристой.
4.1.3 Сосуды
Автомобильные аккумуляторные батареи выпускаются в сосудах <моноблок>, изготовленных в виде бака с перегородками, образующими ячейки для отдельных элементов. Материалом для сосудов служит эбонит или пластмасса. Применявшаяся до настоящего времени асфальто-пековая пластмасса недостаточно кислотостойка. Чтобы частично устранить этот недостаток, применяются кислотостойкие вставки, представляющие собой тонкостенные сосуды для отдельных элементов, изготовленные из полистирола и запрессованные в ячейки моноблока. Однако кислотостойкие вставки не защищают сосуд от обливания электролитом снаружи; кроме того, асфальто-пековая пластмасса немаслостойка.
Единственным материалом для сосудов, полностью удовлетворяющим предъявляемым к ним требованиям, является эбонит; однако промышленность ставит задачу разработки новых пластмасс для аккумуляторных сосудов, равноценных по своим свойствам эбониту. Конструкция современной автомобильной аккумуляторной батареи изображена на рис. 5. Для надежного уплотнения штырей в крышку 6 заделываются свинцовые втулки 2. При сборке аккумулятора полюсный штырь 3 припаивается наглухо к верхней части свинцовой втулки, так что электролит в этом месте не просачивается. Щель между крышкой 6 и сосудом уплотняется битумной мастикой 1. По мере износа пластин 9 их активная масса постепенно осаждается на дно в виде тонкого осадка - шлама. Чтобы шлам не замкнул пластины между собой, на дне сосуда имеются ребра, на которые опираются пластины так, что внизу образуется пространство, в котором собирается выпавший шлам. Большинство современных автомобильных аккумуляторных батарей снабжены приспособлениями для автоматической установки нормального уровня электролита при доливке. Такие батареи имеют глухие пробки без отверстий, а газы выходят через вентиляционное отверстие (рис. 5). Отверстие для пробки имеет колодец, нижний обрез которого находится на высоте, соответствующей нормальному уровню электролита в сосуде. При доливании аккумулятора отверстие закрывается пробкой 4, вывернутой из элемента (пунктир на рис. 5). Благодаря этому воду можно долить лишь до нижнего обреза колодца, после чего образовавшийся воздушный мешок препятствует поступлению воды в сосуд, и она будет подниматься только в отверстии для пробки, показывая тем самым, что аккумулятор долит до надлежащего уровня.
4.1.4 Исполнение батарей
Новые батареи могут выпускаться заводом в различном состоянии. Заряженные после формирования и высушенные на воздухе пластины в процессе сборки и хранения частично теряют свой заряд из-за окисления губчатого свинца отрицательных пластин кислородом воздуха, которое происходит особенно быстро в присутствии влаги и следов серной кислоты. Чтобы уменьшить это вредное влияние, заряженные после формирования пластины нередко подвергают частичному разряду. Этот так называемый защитный разряд превращает поверхностные слои губчатого свинца отрицательных пластин в сернокислый свинец и тем самым затрудняет доступ кислорода воздуха к остальной массе губчатого свинца. Батареи, собранные из таких пластин, условно называются незаряженными, и для введения их в эксплуатацию требуется первый заряд большой продолжительности - 25-50 ч (в зависимости от срока ее хранения). В настоящее время преимущественно выпускаются сухозаряженные батареи, способные длительно сохранять сообщенный им на заводе заряд. Отрицательные пластины, заряженные после формирования, быстро высушиваются, лучше в инертной атмосфере, и собираются с сепараторами из мипора и мипласта, которые ставятся сухими. Собранная батарея герметизируется прокладкой уплотнительных резиновых шайб под пробками и тщательным выполнением сосуда и крышек. Такие сухозаряженные батареи могут храниться до двух лет и при вводе в эксплуатацию требуют лишь короткой подзарядки от 5 до 8 ч. В случае крайней необходимости такие батареи после заливки и 3-часовой выдержки (для пропитки пластин и сепараторов электролитом) могут быть поставлены прямо на автомобиль.
Аккумуляторные батареи, применяемые в системе электрооборудования, являются источниками электрической энергии, обеспечивающими питание потребителей при неработающем двигателе внутреннего сгорания или при недостаточной мощности, развиваемой генератором. Тип и конструкция аккумуляторной батареи определяются условиями ее разряда в стартерном режиме при пуске двигателя. Поскольку эти режимы наиболее тяжелые (максимальный ток и мощность), автомобильные аккумуляторные батареи называются стартерными. Стартерный аккумулятор представляет собой химический источник тока, т. е. устройство, в котором происходит непосредственное преобразование энергии химической реакции двух реагентов (окислителя и восстановителя) в электрическую энергию. Причем он является так называемым вторичным химическим источником тока, допускающим многоразовое использование. После разряда производится его повторный заряд путем пропускания тока от внешней зарядной цепи в обратном направлении. При этом из продуктов реакции разряженного аккумулятора регенерируются исходные активные материалы. Таким образом, при заряде в аккумуляторе с некоторым КПД, зависящим от физико-химических процессов, аккумулируется энергия от внешнего источника. В отличие от аккумуляторов первичные химические источники тока (гальванические элементы) допускают лишь однократный разряд и в дальнейшем не восстанавливаются. К стартерным аккумуляторным батареям предъявляются следующие основные требования: максимальное рабочее напряжение, которое определяется ЭДС одного аккумулятора батареи и их количеством в последовательном соединении; минимальная общая масса; минимальное внутреннее сопротивление (особенно при пониженных температурах); малое изменение напряжения в процессе разряда; максимальное количество энергии, отдаваемой с единицы массы; быстрое восстановление емкости в процессе заряда; малые габариты и большая механическая прочность; надежность и простота обслуживания в эксплуатации; малая стоимость при массовом производстве.
Наиболее полно перечисленным требованиям удовлетворяют свинцово-кислотные аккумуляторы, получившие самое широкое распространение в качестве стартерных для автомобилей. Помимо них в различных областях техники также применяются щелочные аккумуляторы: никель-кадмиевые, никель-железные, никель-цинковые, серебряно-цинковые и т. д. Щелочные аккумуляторы имеют на 20¸25 % меньшую ЭДС по сравнению со свинцово-кислотными и немного меньший КПД. В качестве электролита в них используется 35 %-ный раствор едкого кали (КОН) в дистиллированной воде. По сравнению с электролитом свинцово-кислотных батарей 30%-ный раствор кислоты H2SO4 при одинаковых температурах он имеет меньшую удельную проводимость, что приводит к более высокому внутреннему сопротивлению щелочного аккумулятора. В свинцово-кислотном аккумуляторе плотность электролита однозначно связана со степенью его заряженности при заданной температуре, что используется для контроля степени заряженности с помощью денсиметров (ареометров). В щелочных аккумуляторах такой однозначной зависимости не существует, поэтому определение степени его эаряженности затруднено. Кроме того, они более сложны в эксплуатации, так как требуют большего объема технического обслуживания и разнообразных контрольных операций, связанных с частой заменой электролита (никель-железные батареи), периодическим уравнительным доразрядом (никель-цинковые), добавкой в электролит специальных присадок при смене времен года, а также более точным контролем процесса заряда (особенно момента его окончания). Некоторые щелочные аккумуляторы (серебряно-цинковые, никель-кадмиевые и др.) имеют большую стоимость или используют дефицитные реагенты, что не позволяет организовать их массовое производство.