Міністерство науки і освіти Республіки Казахстан

Актюбинский державний університет ім. К. Жубанова

Факультет: технічний.

Спеціальність: металургія.

Реферат.

З дисципліни: Фізична хімія.

На тему: Акумулятори та принцип їх роботи.

Виконав: студент Тихонов Тимур

Перевірив (а): Байманова

Актобе 2010 року.

зміст

1. Свинцево-кислотний акумулятор

2.ПРИНЦИПИ дії

3. Пристрій

4. Фізичні характеристики

5. Експлуатаційні характеристики

6. Експлуатація

7. Свинцево-кислотний акумулятор при низьких температурах

8. Зберігання

9. Знос свинцево-кислотних акумуляторів

10. Електричний акумулятор

11. Принцип дії

12. Нікель-кадмієвий акумулятор

13. Параметри

14. Області застосування

Свинцево-кислотний акумулятор - найбільш поширений на сьогоднішній день тип акумуляторів, винайдений в 1859 році французьким фізиком Гастоном Планте. Основні області застосування: стартерні батареї в автомобільному транспорті, аварійні джерела електроенергії.

Принцип дії

Принцип роботи свинцево-кислотних акумуляторів заснований на електрохімічних реакціях свинцю і діоксиду свинцю в кислотною середовищі. Під час розряду відбувається відновлення діоксиду свинцю на катоді і окислення свинцю на аноді. При заряді протікають зворотні реакції, до яких в кінці заряду додається реакція електролізу води, що супроводжується виділенням кисню на позитивних пластинах і водню - на негативному.

Хімічна реакція (зліва-направо - розряд, праворуч-ліворуч - заряд):

· Катод:

· Анод:

У підсумку виходить, що при розрядці акумулятора витрачається сірчана кислота з одночасним утворенням води (і щільність електроліту падає), а при зарядці, навпаки, вода «витрачається» на утворення сірчаної кислоти (щільність електроліту зростає). В кінці зарядки, при деяких критичних значеннях концентрації сульфату свинцю у електродів, починає переважати процес електролізу води. При цьому на катоді виділяється водень, на аноді - кисень. При зарядці не варто допускати електролізу води, в іншому випадку необхідно її долити.

Пристрій

Елемент свинцево-кислотного акумулятора складається з позитивних і негативних електродів, сепараторів (розділових грат) і електроліту. Позитивні електроди являють собою свинцеву грати, а активною речовиною є перекис свинцю (PbO2). Негативні електроди також представляють собою свинцеву грати, а активною речовиною є губчастий свинець (Pb). На практиці в свинець решіток додають сурму в кількості 1-2% для підвищення міцності. Зараз в якості легуючого компонента використовуються солі кальцію, в обох пластинах, або тільки в позитивних (гібридна технологія). Електроди занурені в електроліт, що складається з розведеною сірчаної кислоти (H2 SO4). Найбільша провідність цього розчину при кімнатній температурі (що означає найменшу внутрішній опір і найменші внутрішні втрати) досягається при його щільності 1,26 г / см³. Однак на практиці, часто в районах з холодним кліматом застосовуються і більш високі концентрації сірчаної кислоти, до 1,29 -1,31 г / см³. (Це робиться тому, що при розряді свинцево-кислотного акумулятора щільність електроліту падає, і температура його замерзання, т.о, стає вище, розряджений акумулятор може не витримати холоду.)

У нових версіях свинцеві пластини (решітки) замінюють спіненим карбоном, покритим тонкою свинцевою плівкою, а рідкий електроліт може бути желіровать силікагелем до пастоподібного стану. Використовуючи меншу кількість свинцю і розподіливши його по великій площі, батарею вдалося зробити не тільки компактною і легкою, але і значно ефективнішою - крім більшого ККД, вона заряджається значно швидше традиційних акумуляторів. [1]

Фізичні характеристики

· Теоретична енергоємність: близько 133 Вт · год / кг.

· Питома енергоємність (Вт · год / кг): 30-60 Вт · год / кг.

· Питома енергощільність (Вт · год / дм³): близько 1250 Вт · год / дм³.

· ЕРС зарядженого акумулятора = 2,11 В, робоча напруга = 2,1 В (6 секцій в результаті дають 12,7 В).

· Напруга повністю розрядженого акумулятора = 1,75 - 1,8 В (з розрахунку на 1 секцію). Нижче розряджати їх не можна.

· Робоча температура: від мінус 40 до плюс 40

· ККД: близько 80-90%

Напруга~ Заряд

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

експлуатаційні характеристики

· Номінальна ємність, показує кількість електрики, яке може віддати даний акумулятор. Зазвичай вказується в ампер-годинах, і вимірюється при розряді малим струмом (1/20 номінальної ємності, вираженої в а / ч).

· Стартерний ток (для автомобільних). Характеризує здатність віддавати сильні струми при низьких температурах. У більшості випадків змиритися при -18 ° С (0 ° F) протягом 30 секунд. Різні методики виміру відрізняються, головним чином, допускаються кінцевим напругою.

· Резервна ємність (для автомобільних). Характеризує час, протягом якого акумулятор може віддавати струм 25А. Зазвичай складає близько 100 хвилин.

експлуатація

Ареометр може бути використаний для перевірки питомої ваги електроліту кожної секції

При експлуатації «обслуговуються» акумуляторів (з їх відкриває кришками над банками) на автомобілі при русі по нерівностях неминуче відбувається просочування проводить електроліту на корпус акуумулятора. Щоб уникнути сильного саморозряду необхідно періодично нейтралізувати електроліт протиранням корпусу, наприклад слабким розчином харчової соди. Крім того, особливо в жарку погоду, відбувається випаровування води з електроліту, що збільшує його щільність і може оголити свинцеві пластини. Тому необхідно стежити за рівнем електроліту і своєчасно доливати дистильовану воду.

Такі нехитрі операції разом з перевіркою автомобіля на витік струму і періодичної підзарядкою акумулятора можуть на кілька років продовжити термін експлуатації батареї.

Свинцево-кислотний акумулятор при низьких температурах

У міру зниження навколишньої температури, параметри акумулятора погіршуються, однак на відміну від інших типів акумуляторів, свинцево-кислотні знижують їх відносно повільно, що не в останню чергу зумовило їх широке застосування на транспорті. Дуже приблизно можна вважати, що ємність знижується вдвічі при зниженні навколишньої температури на кожні 15 ° С починаючи від + 10 ° С, тобто, при температурі -45 ° С свинцево-кислотний акумулятор здатний віддати лише кілька відсотків початкової ємності.
Зниження ємності і токоотдачи при низьких температурах обумовлено, в першу чергу, зростанням в'язкості електроліту, який вже не може в повному обсязі надходити до електродів, і вступає в реакцію лише в безпосередній близькості від них, швидко виснажуючи.
Ще швидше знижуються зарядні параметри. Фактично, починаючи з, приблизно -15 ° С, заряд свинцево-кислотного акумулятора майже припиняється, що призводить до швидкої прогресуючої розрядці акумуляторів при експлуатації в режимі коротких частих поїздок (так званий, «режим доктора»). В цих поїздках акумулятор практично не заряджається, його необхідно регулярно заряджати зовнішнім зарядним пристроєм.
Вважається, що в повному обсязі заряджений акумулятор в мороз може растрескаться через замерзання електроліту. Однак розчин сірчаної кислоти у воді замерзає зовсім не так, як чиста вода - він поступово густіє, плавно переходячи в тверду форму. Такий режим замерзання навряд чи здатний викликати розрив стінок незамкнутого судини (а банку акумулятора - незамкнений обсяг). Електроліт, в масовій літературі званий «замерзлим» фактично ще можна перемішувати.
Розтріскування стінок акумулятора при морозах дійсно буває, але в основному є наслідком зміни властивостей застосовуваного для стінок матеріалу, а не розширенням електроліту при замерзанні.

зберігання

Свинцево-кислотні акумулятори необхідно зберігати тільки в зарядженому стані. При температурі нижче -20 ° C заряд акумуляторів повинен проводитися постійною напругою 2,275 В / секцію, 1 раз на рік, протягом 48 годин. При кімнатній температурі - 1 раз в 8 місяців постійною напругою 2,35 В / секцію протягом 6-12 годин. Зберігання акумуляторів при температурі вище 30 ° C не рекомендується.

Шар бруду і накипу на поверхні акумулятора створює провідник для струму від одного контакту до іншого і призводить до саморазряду акумулятора, після чого починається передчасна сульфатізація пластин і тому поверхня акумулятора необхідно підтримувати в чистоті (тобто його треба мити перед зберіганням) Зберігання свинцево-кислотних акумуляторів в розрядженому стані призводить до швидкої втрати їх працездатності.

При тривалому зберіганні акумуляторів і розряді їх великими струмами (в стартерном режимі), або при зменшенні ємності акумуляторів, потрібно проводити контрольно-тренувальні (лікувальні) цикли, тобто розряд-заряд струмами номінальної величини. [2]

Знос свинцево-кислотних акумуляторів

При використанні технічної сірчаної кислоти і недистильованих води прискорюються саморазрядка, сульфатация, руйнування пластин і зменшення ємності акумуляторної батареї.

В результаті кожної реакції утворюється нерозчинна речовина - сірчанокислий свинець PbSO4, осаждающийся на пластинах, який утворює діелектричний шар між струмовідводами і активною масою. Це один з недоліків, що впливає на термін служби свинцево-кислотної акумуляторної батареї.

Основними процесами зносу свинцево-кислотних акумуляторів є:

- сульфатация пластин, яка полягає в утворенні великих кристалітів сульфату свинцю, який перешкоджає протіканню оборотних токообразующіх процесів;

- корозія електродів, тобто електрохімічні процеси окислення і розчинення в електроліті, що викликає опадання матеріалу токоотводов;

- слабка механічна міцність або погане зчеплення активної маси з струмовідводами, що призводить до обпадання активної маси;

- оползание і осипання активної маси позитивних електродів, пов'язане з розпушуванням, порушенням однорідності.

Хоча «мертву» батарею, як правило, самому полагодити не можна, деякі джерела описують хімічні розчини та інші способи [3] здатні «десульфатізіровать» пластини. Простий спосіб передбачає використання розчину сульфату магнію (ліки) [4]. Розчин заливається в секції після чого батарею розряджають і заряджають кілька разів. Сульфат свинцю та інші залишки хімічної реакції осипаються при цьому на дно батареї, що може призвести до замикання секції тому оброблені секції бажано промити і заповнити новим електролітом номінальної щільності. Це дозволять кілька продовжити термін використання пристрою. Також можливо поєднати дві слабкі батареї паралельно. Якщо батарея має одну або кілька секцій які не працюють (тобто не дають 2.17 вольта - наприклад якщо корпус має тріщини) можливо поєднати дві (або більше) батареї послідовно: до плюсового контакту першої батареї підключаємо плюсової провід споживача, до мінусової контакту другої батареї - мінусовій провід споживача, а дві залишилися контакту батареї з'єднуються кабелем. Така батарея має сумарне напруга працюючих секцій і тому кількість працюючих секцій має бути не більше шести - тобто необхідно злити електроліт з зайвих секцій. Такий варіант підходить для транспортних засобів з просторим моторним відділенням.

Електричний акумулятор - хімічне джерело струму багаторазової дії (на відміну від гальванічного елемента, хімічні реакції, безпосередньо перетворюються в електричну енергію в них, багаторазово оборотні). Електричні акумулятори використовуються для накопичення енергії та автономного живлення різних пристроїв.

Принцип дії

Заміна акумуляторної батареї на електронавантажувачі

Принцип дії акумулятора заснований на оборотності хімічної реакції. Працездатність акумулятора може бути відновлена ​​шляхом заряду, тобто пропусканням електричного струму в напрямку, протилежному напрямку струму при розряді. Кілька акумуляторів, об'єднаних в одну електричну ланцюг, складають акумуляторну батарею. Ємність акумуляторів зазвичай вимірюють в ампер⋅часах.

Електричні та експлуатаційні характеристики акумулятора залежать від матеріалу електродів і складу електроліту. Зараз найбільш поширені такі акумулятори:

свинцево-кислотні (Lead Acid) 2,1 автомобілі, електронавантажувачі, штабелери, електротягачі, аварійне електропостачання, джерела безперебійного живлення нікель-кадмієві (NiCd) 1,2 заміна стандартного гальванічного елемента, будівельні електроінструменти, тролейбуси. нікель-метал-гидридні (NiMH) 1,2 заміна стандартного гальванічного елемента, електромобілі літій-іонні (Li-ion) 3,6 мобільні пристрої, будівельні електроінструменти, електромобілі літій-полімерні (Li-pol) 3,7 мобільні пристрої, електромобілі нікель-цинкові (NiZn) 1,6 заміна стандартного гальванічного елемента

У міру вичерпання хімічної енергії напруга і струм падають, акумулятор перестає діяти. Зарядити акумулятор (батарею акумуляторів) можна від будь-якого джерела постійного струму з великим напруженням при обмеженні струму. Стандартним вважається зарядний струм (в амперах) в 1/10 номінальної ємності акумулятора (в ампер⋅часах). Багато типів акумуляторів мають різні обмеження, які необхідно враховувати при зарядці і подальшої експлуатації, наприклад NiMH-акумулятори чутливі до перезаряду, літієві - до перерозряду, напрузі і температурі. NiCd- і NiMH-акумулятори мають так званий ефект пам'яті, що полягає в зниженні ємності, в разі коли зарядка здійснюється при повному обсязі розрядженому акумуляторі. Також ці типи акумуляторів мають помітним саморазрядом, тобто вони поступово втрачають заряд, навіть не будучи підключеними до навантаження. Для боротьби з цим ефектом може застосовуватися крапельна підзарядка.

Нікель-кадмієвий акумулятор (NiCd) - вторинний хімічний джерело струму, в якому анодом є гідрат закису нікелю Ni (OH) 2 з графітовим порошком (близько 5-8%), електролітом - гідроксид калію KOH щільністю 1,19-1,21 з добавкою гідроксиду літію LiOH (для освіти нікелатов літію і збільшення ємності на 21-25%), катод - гідрат закису кадмію Cd (OH) 2 або металевий кадмій Cd (у вигляді порошку). ЕРС нікель-кадмиевого акумулятора близько 1,37 В, питома енергія близько 45 - 65 Вт · год / кг. Залежно від конструкції, режиму роботи (тривалі або короткі розряди) і чистоти застосовуваних матеріалів, термін служби складає від 100 до 3500 циклів заряд-розряд.

параметри

· Теоретична енергоємність: 237 Вт · год / кг.

· Питома енергоємність: 45-65 Вт · год / кг.

· Питома енергощільність: 50-150 Вт · год / дм³.

· Питома потужність: 150..500 Вт / кг.

· ЕРС = 1,37 В.

· Робоча напруга = 1,2 В.

· Нормальний струм зарядки = 1/4 ємності, час зарядки = 6 годин.

· Саморозряд: 10% в місяць.

· Робоча температура: -15 ... + 40 ° С.

На відміну від звичайних, одноразових, елементів живлення, NiCd-акумулятор тримає напругу «до останнього», а потім, коли збільшують споживання електроенергії буде вичерпана, напруга швидко знижується. Це призводить до проблем при використанні батарей, що складаються з великої кількості елементів. Недорогий контролер апаратури, що використовує акумулятори, може «не помітити» переразряда одного елемента, в результаті чого різко падає ресурс батареї в цілому.

Електроди нікель-кадмієвих акумуляторів виготовляються як штампуванням з листа, так і пресуванням з порошку. Пресовані електроди технологічно дешевше і володіють більш високими показниками заявленої ємності, в зв'язку з чим все акумулятори «побутового» призначення - пресовані. Однак пресовані системи схильні до так званого «ефекту пам'яті». Ефект пам'яті проявляється, коли акумулятор піддають зарядці раніше, ніж він реально розрядиться. В електро-хімічної системі акумулятора з'являється «зайвий» подвійний електричний шар і його напруга знижується на 0.1В. Типовий контролер апарату, що використовує акумулятор, інтерпретує це зниження напруги як розрядку батареї і повідомляє, що батарея «погана». Реального зниження енергоємності при цьому не відбувається, і хороший контролер може забезпечити повне використання ємності акумулятора. Проте, в типовому випадку, контролер спонукає користувача виробляти все нові і нові цикли зарядки. А це і призводить до того, що користувач своїми руками, з кращих спонукань, «вбиває» батарею. Тобто, можна сказати, що батарея виходить з ладу не стільки від «ефекту пам'яті» пресованих електродів, скільки від «ефекту безпам'ятства» недорогих контролерів.

Акумулятор, розряджається и заряджається Слабкий Струм (например, в пульті дістанційного керування телевізором), швидко втрачає Ємність и користувач считает его Вийшла з ладу. Так само і акумулятор, тривалий час стояв на зарядці (наприклад, в системі безперебійного живлення) втратить ємність, хоча напруга буде правильним. Тобто, використовувати нікель-кадмієвий акумулятор в буферному режимі не можна. Проте, один цикл глибокої розрядки і подальша зарядка повністю відновлять ємність акумулятора.

При систематичних недозарядке NiCd акумулятори втрачають первісну ємність, але перезарядити вони не бояться, а навпаки, підвищують свою активність. Тому їх краще перезаряджати, ніж недозаряжать.

При зберіганні NiCd акумулятори також втрачають ємність, хоча і зберігають вихідну напругу. Щоб уникнути невірної разбраковки при знятті акумулятора зі зберігання, рекомендується зберігати їх в розрядженому вигляді, тоді після першої ж зарядки акумулятор буде повністю готовий до використання.

області! застосування

Малогабаритні нікель-кадмієві акумулятори використовуються в різній апаратурі як заміна стандартного гальванічного елемента, особливо, якщо апаратура споживає великий струм. Так як внутрішній опір нікель-кадмиевого акумулятора на порядок-два нижче, потужність видається більш стабільною і без перегріву.

Нікель-кадмієві акумулятори застосовуються на електрокарах, трамваях і тролейбусах (для харчування ланцюгів управління), річкових і морських судах. Широко застосовуються в авіації в якості бортових акумуляторних батарей літаків і вертольотів. Використовуються як джерела живлення для акумуляторних шуруповертів, гвинтоверти і дрилі.

Незважаючи на розвиток інших електро-хімічних систем і посилення вимог щодо екологічності, нікель-кадмієві акумулятори залишаються безальтернативним вибором для високонадійних рішень з великою питомою потужністю, наприклад, ліхтарі для дайвінгу.

Література.

· Акумулятори // Енциклопедичний словник Брокгауза і Ефрона: В 86 томах (82 т. І 4 доп.). - СПб .: 1890-1907.

· Історія створення перших акумуляторів

· Порівняння характеристик NiCd, NiMH, Lead acid, Li-ion, Li-ion polymer і alkaline акумуляторних батарей (англ.)

· Battery University (англ.) Все про гальванічних елементах і акумуляторах.

· Акумулятори та акумуляторні батареї на Dig.by

· ГОСТ 15596-82 Джерела струму хімічні. Терміни та визначення

• ↑ auto.lenta.ru/news/2006/12/19/battery/ Американці полегшили і зменшили акумулятори
• ↑ Дасоян М. А. Сучасна теорія свинцевого акумулятора. - Л .: «Енергія», 1975. С. 312
• ↑ Відновлення кислотних акумуляторів змінним струмом
• ↑ How to Fix a 12 Volt Rechargeable Battery | eHow.com
• Хрустальов Д. А. Акумулятори. М: Смарагд, 2003.