Кислотные и щелочные аккумуляторы

Аккумуляторная батарея служит для питания электрическим током стартера при пуске двигателя и всех потребителей электрической энергии при неработающем двигателе, а также для питания потребителей совместно с генератором на малой частоте вращения коленчатого вала двигателя. Если мощность, потребляемая включенными потребителями, превышает мощность, развиваемую генератором, аккумуляторная батарея, разряжаясь, обеспечивает питание потребителей одновременно с работающим генератором.

Аккумуляторная батарея является электрохимическим устройством, в котором электрическая энергия, поступающая в процессе зарядки от внешнего источника постоянного тока, преобразуется в химическую, а в процессе разрядки химическая энергия преобразуется в электрическую.

К современным аккумуляторам выдвигают следующие требования:

1) максимальное рабочее напряжения, которое определяется ЭДС одно аккумулятора и их количеством в последовательном соединении.

2) небольшая общая масса;

3) минимальное внутреннее сопротивление (особенно при понижении температуры);

4) максимальное количество энергии отдаваемой с единицы массы;

5) быстрое восстановления ёмкости в процессе заряда;

6) малые габаритные размеры и механическая прочность;

7) малая стоимость при массовом производстве.

1. Исторические основы происхождения аккумуляторов

В 1800 году Вольта обнаружил, что определенные жидкости могут генерировать непрерывный поток электрического тока, когда они используются как среда для погружения электродов. Это открытие привело к изобретению первого гальванического элемента, более известного под названием электрическая батарея. Вольта также обнаружил, что напряжение можно увеличить, если последовательно соединить несколько гальванических элементов. Рисунок 1.1. демонстрирует такое соединение.

Рисунок 1.1. Эксперименты Вольта с электрическими батареями в 1796 году

Металлы в батарее имеют различное сродство к электрону. Вольта заметил, что чем сильнее разнится значение сродства к электрону у металлов, используемых как материал для электрода, тем сильнее становится и потенциал напряжения между ними. Первое значение в нижеследующем списке демонстрирует сродство к привлечению электронов, второе - степень окисления. Металлы определяли напряжение батареи; они были разделены влажной бумагой, смоченной в соленой воде.

В том же году Вольта представил сконструированный им источник непрерывного электрического тока Лондонскому королевскому обществу. Эксперименты в области электричества больше не были ограничены моментальным разрядом источника электростатического тока. Нескончаемый поток электрического тока стал возможен.

Франция стала одной из первых стран, где открытия Алессандро Вольта получили официальное признание. Это было в то время, когда наука во Франции поддерживалась на самом высоком политическом уровне и новые идеи встречались с распростертыми объятиями. Будучи официально приглашенным, Вольта выступил в Институте Франции с серией лекций, на которых присутствовал и Наполеон Бонапарт.

Открытия Вольта настолько поразили мир, что в ноябре 1800 года он был приглашен Французским Национальным Институтом прочитать ряд лекций, на которых присутствовал Наполеон Бонапарт. Наполеон даже выступил в роли помощника при демонстрации таких явлений как искровой разряд, плавление стальной проволоки, разряжение “электрического пистолета” и разложение воды на элементы.

В 1800 году сэр Гемфри Дэви, изобретатель взрывобезопасной шахтной лампы, начал изучать химические эффекты электричества и выяснил, что, проходя через вещество, электрический ток вызывает его разложение. Этот процесс впоследствии был назван электролизом.

Он сделал множество новых открытий с помощью собранной им самой большой и мощной на тот момент электрической батареи, которая хранилась в запасниках Королевского института в Лондоне. Подключение к батарее угольного электрода породило первый в истории электрический свет. Очевидцы сообщали, что его угольная дуговая лампа производила «самую выдающуюся восходящую арку света из когда-либо виденных

В 1802 году Уильям Крюйкшенк создал электрическую батарею, пригодную для массового производства. Крюйкшенк расположил в длинной прямоугольной коробке спаянные между собой квадратные листы меди и цинка одинакового размера. Прорези в стенках ящика удерживали металлические листы в нужном положении. Затем ящик заполнялся электролитом - морской водой или разбавленной кислотой. Эта конструкция уже была похожа на современную батарею.

Уильям Крюйкшенк, английский химик, сконструировал гальванический элемент путем соединения медных и цинковых пластин в деревянной коробке, заполненной электролитом

В 1836 году Джон Ф. Даниель, английский химик, разработал усовершенствованную модель батареи, которая генерировала более устойчивый ток, чем ранние устройства. К этому времени все электрические батареи были первичными, то есть их нельзя было зарядить. Но в 1859 году французский физик Гастон Планте изобрел первую аккумуляторную батарею. Она была основана на свинцово-кислотной системе, которая используется и по сей день.

В 1899 году ВальдмарЮнгнер из Швеции изобрел никель-кадмиевый аккумулятор (NiCd), в котором никель использовался для положительного электрода (катод), и кадмий для отрицательного (анод). Но высокая себестоимость по сравнению со свинцово-кислотным аккумулятором заметно ограничила его использование.

Два года спустя Томас Эдисон разработал альтернативную конструкцию аккумулятора, заменив кадмий железом. Но низкая удельная энергия, слабая производительность при низких температурах и высокие показатели саморазряда ограничили успех никель-железных аккумуляторов. Так было до 1932 года, когда немецкие ученые Шлехт и Аккерман смогли достичь более высокого показателя тока нагрузки, а также заметно увеличили продолжительность срока эксплуатации NiCd аккумулятора, используя технологию прессованния пластин. В 1947 году французскому ученому Нойману удалось сконструировать герметичный NiCd аккумулятор.

Рисунок 1.2. Герметичный NiCd аккумулятор

В течение многих лет никель-кадмиевые аккумуляторы были единственно возможными аккумуляторами для портативных устройств. В 1990-х экологов стали беспокоить факты загрязнения окружающей среды, вызванные неправильной утилизацией NiCd аккумуляторов; в связи с этим производители стали переходить на более экологически чистые никель-металлгидридные (NiMH) батареи. Вскоре также появилась литий-ионная технология, которая стала теснить никелевые батареи.

Большинство научно-исследовательских усилий сегодня направлены на развитие именно литий-ионной технологии. Эта технология сейчас используется для производства аккумуляторов не только для мобильных телефонов, ноутбуков, фототехники, электроинструмента и медицинского оборудования, но также и для электромобилей и спутников. Литий-ионный аккумулятор имеет ряд преимуществ, таких как высокая удельная энергия, простой процесс заряжания, низкие эксплуатационные расходы и экологическая безопасность.

2. Современное представление о кислотных и щелочных аккумуляторах

Работа на складах, в шахтах, да и просто в замкнутых помещениях зачастую невозможна без электротранспорта, поскольку требования к качеству воздуха не позволяют применять транспортные средства на двигателях внутреннего сгорания. Составной частью любого электротранспорта, определяющей его автономность, мощность и стоимость эксплуатации, является аккумулятор как источник энергии. На рынке присутствуют несколько различных систем аккумуляторов, различающихся по номинальному напряжению аккумуляторного элемента, величине допустимого разрядного и зарядного тока, поэтому еще на этапе закупки оборудования необходимо совершить взвешенный выбор, определяющий значительные капитальные затраты. Наиболее часто стоит проблема выбора между щелочными и свинцовыми аккумуляторами, которые за десятилетия с момента их разработки уже заслужили себе репутацию надежных устройств.

Для того, чтобы определиться с преимуществами и недостатками этих систем, необходимо рассмотреть процессы, происходящие в них.

2.1. Кислотные аккумуляторы

Свинцово-кислотный аккумулятор - тип аккумуляторов, получивший широкое распространение ввиду умеренной стоимости, неплохого ресурса (от 500 циклов и более), высокой удельной мощности. Основные области применения: стартерные аккумуляторные батареи в транспортных средствах, аварийные источники электроэнергии, резервные источники энергии.

Устройство кислотных аккумуляторов

Элемент свинцово-кислотного аккумулятора состоит из электродов и разделительных пористых пластин, изготовленных из материала, не взаимодействующего с кислотой, препятствующих замыканию электродов (сепараторов), которые погружены в электролит. Электроды представляют собой плоские решётки из металлического свинца. В ячейки этих решёток запрессованы порошки диоксида свинца (PbO2) - в анодных пластинах и металлического свинца - в катодных пластинах Применение порошков увеличивает поверхность раздела электролит - твердое вещество, тем самым увеличивает электрическую ёмкость аккумулятора.

Рисунок 2.1. Устройство кислотного аккумулятора

Электроды вместе с сепараторами погружены в электролит, представляющий собой водный раствор серной кислоты. Для приготовления раствора кислоты применяют дистиллированную воду.

Электрическая проводимость электролита зависит от концентрации серной кислоты и при комнатной температуре максимальна при массовой доле кислоты 35%, что соответствует плотности электролита 1,26 г/см?. Чем больше проводимость электролита, тем меньше внутреннее сопротивление аккумулятора, и, соответственно, ниже потери энергии на нём. Однако, на практике в районах с холодным климатом применяются и более высокие концентрации серной кислоты, до 1,29?1,31 г/см?, это связано с тем, что при снижении концентрации из-за разряда электролит может замёрзнуть, а при замерзании образуется лёд, который может разорвать банки аккумулятора и повреждает губчатый материал пластин.

В аккумуляторах, применяемых в бытовых ИБП, систем охранной сигнализации и др. жидкий электролит загущают водным щелочным раствором силикатов натрия (Na2Si2O4) до пастообразного состояния. Это так называемые гелевые аккумуляторы (GEL), имеющие длительный ресурс. Другой вариант исполнения ? с пористыми сепараторами из стеклоткани (AGM), допускающими более жёсткие режимы заряда.

Принцип действия кислотных аккумуляторов

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в водном растворе серной кислоты.

При подключении к электродам аккумулятора внешней нагрузки начинается электрохимическая реакция взаимодействия оксида свинца и серной кислоты, при этом металлический свинец окисляется до сульфата свинца (в классическом варианте аккумулятора). Проведённые исследования показали, что при разряде аккумулятора протекает как минимум ~60 различных реакций, порядка 20 из которых протекают без участия кислоты электролита.

Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на катоде и окисление свинца на аноде. При заряде протекают обратные реакции. При перезаряде аккумулятора, после исчерпания сульфата свинца, начинается электролиз воды, при этом на аноде выделяется кислород, а на катоде -водород.,

Химические процессы, происходящие при работе кислотных аккумуляторов

Положительный электрод заряженного аккумулятора содержит диоксид свинца PbO2, а отрицательный – губчатый свинец. Электролитом является раствор серной кислоты. Процесс, протекающий при разряде аккумулятора, можно описать уравнением

PbO2 + Pb + 2 H2SO4 = 2 PbSO4 + 2 H2O.

При зарядке процесс протекает в обратном направлении

2 PbSO4 + 2 H2O = PbO2 + Pb + 2 H2SO4,

и в конце заряда на электродах кроме основных реакций образования активных веществ начинают протекать побочные – выделение водорода на отрицательном электроде и кислорода – на положительном. Напряжение полностью заряженного аккумулятора составляет 2,07…2,11 В.

Как видно из уравнений, описывающих химические процессы заряда/разряда, в процессе разряда концентрация кислотного электролита уменьшается, а при зарядке наоборот – увеличивается. Из этого следует, при снижении температуры электролит разряженного аккумулятора может замерзнуть, что приведет к разрушению батареи. Снижение концентрации и соответствующее увеличение сопротивления электролита при разряде приводит к уменьшению энергоэффективности аккумулятора в конце разряда, что подтверждает рисунок 2.2.

Рисунок 2.2. Химические процессы заряда/разрядакислотных аккумуляторов

Также стоит отметить, что конечный продукт разряда обоих электродов – это неэлектропроводный сульфат свинца, а значит, при разряде на величину емкости, большую определенного значения, увеличивается вероятность отслоения кристаллов сульфата и необратимого снижения емкости аккумулятора.

Особенности кислотных аккумуляторов

Но научно-технический прогресс не стоит на месте, а поэтому развитие и совершенствование получили конструктивные элементы свинцово-кислотных аккумуляторов. Прежде всего, это состав и конструкция электродов. Свинец мягкий материал, поэтому для придания прочности в сплав электродов малообслуживаемых батарей обычно добавляют сурьму, а для сокращения газовыделения в герметизированных аккумуляторах, где нет возможности восполнения уровня электролита – кальций.

Существуют различные сплавы электродов по составу. Тут может присутствовать, и селен, и олово, и даже серебро. По типу производят следующие типы электродов:

· большой поверхности (электрод «Планте»);

· трубчатый (панцирный);

· стержневой;

· намазной (решетчатый).

Каждый из этих типов монтируется в определенные серии аккумуляторных батарей в зависимости от условий эксплуатации. Это может быть и короткие режимы разрядов большими токами, и длительные разряды малыми токами и т.д.

Развитие получили и корпуса свинцовых аккумуляторов по материалу изготовления. В течение продолжительного времени корпус аккумуляторов изготавливался из дерева. Однако, реакции, происходящие в моменты окисления электродов, и кислотная среда батарей приводили к быстрому разрушению органической оболочки.

Сейчас корпуса изготовляют из полипропилена (РР), акрило-бутадиен-стирола (ABS) и стирол-акрил-нитрила (SAN). Всех их объединяет то, что они ударопрочные, различает степень огнестойкости, степень прозрачности материалов и состав синтетических добавок для придания стойкости к различным условиям эксплуатации.

Полюсные выводы также подверглись модернизации. Изготовляют их и в виде клеммного соединения, и конусного вида, и под различные диаметры болтов как внутреннего типа, так и под болты с гайкой, и сварного типа.

Электролит тоже имеет различную плотность в зависимости от назначения аккумулятора. Для буферного режима эксплуатации он в пределах 1,24 кг/л, для циклического и стартерного, где идет повышенная нагрузка – в пределах 1,28 кг/л.

Но самое главное совершенство в конструкции получили разнообразие типов свинцово-кислотных аккумуляторов по типам герметизации. Сегодня в эксплуатации на объектах еще можно встретить так называемые обслуживаемые батареи (полностью открытые типы). В основном наибольшую популярность получили на объектах малообслуживаемые (заливные) аккумуляторы и герметизированные, которые, в свою очередь, разделяются на AGM-технологию со стекловолокнистым сепаратором и GEL-технологию, где электролит находится в загущенном состоянии.

2.2. Щелочные аккумуляторы

Своё название щелочные аккумуляторы получили от вида электролита, необходимого для их работы. Основными разновидностями электролита, используемыми в щелочных аккумуляторах, являются едкий калий (КОН) и едкий натрий (NaOH). При сравнении щелочных аккумуляторов с кислотными батареями, очевидно, что аккумуляторы, работающие на электролите, имеют некоторые преимущества.

Особенности работы щелочных аккумуляторов делают их незаменимыми в некоторых производственных отраслях.

Устройство щелочных аккумуляторов

Наибольшее распространение в качестве тяговых среди щелочных аккумуляторов получили никель-кадмиевые и никель-железные элементы. В обоих типах положительный электрод содержит нестехиометрический оксид-гидроксид никеля NiOOH с добавками графита и окиси бария. Каждая из добавок улучшает качество работы аккумулятора. Графит увеличивает электропроводность электрода, а окись бария увеличивает срок работы аккумулятора.

Отрицательный электрод содержит либо смесь кадмия с железом, либо губчатое железо. Массы отрицательных электродов каждого вида щелочного аккумулятора имеют различный состав. У металлогидридного аккумулятора отрицательный электрод изготовлен из порошкообразного железа и его окислов. В основной состав отрицательного электрода входит также сернистое железо и сернокислый никель. Если батарея никель-кадмиевая, то отрицательный электрод состоит из смеси порошков железа и кадмия. В качестве электролита преимущественно используют раствор едкого калия (20 %), в который добавлен моногидрат лития, увеличивающий срок эксплуатации щёлочного аккумулятора. Необходимое количество – 20-30 г/литр раствора.

Электролитом служит раствор щелочи – гидроксид натрия или калия. Таким образом, среди аккумуляторов, работающих при помощи щелочного раствора (электролита), наиболее часто используются два их вида – никель-кадмиевый и никель-металлогидридный.

Рисунок 2.3. Устройство щелочных

аккумуляторов

Химические процессы, происходящие при работе щелочного аккумулятора

Разряд аккумулятора сопровождается протеканием реакций

2 Ni(OOH) + Cd + 2 Н2О = 2 Ni(OH)2 + Cd(OH)2

или

2 Ni(OOH) + Fe + 2 Н2О = 2 Ni(OH)2 + Fe(OH)2.

При зарядке на электродах проходят процессы в обратном направлении.

При использовании щелочного аккумулятора, то есть, при его разряде, гидроокись никеля положительного электрода вступает в реакцию с ионами электролита. Результатом данной реакции становится образование Ni(OH)2 - гидрата закиси никеля. Одновременно подобный процесс происходит на отрицательном электроде, только на нём образуются гидраты окисей кадмия и железа. Разность потенциалов, составляющая около 1,45 вольта, обеспечивается протеканием тока по контурам внешней и внутренней сети.

Кроме того, на положительном электроде в процессе зарядки происходит побочный процесс выделения кислорода. На отрицательном электроде побочный процесс выделения водорода начинает протекать после набирания: на железе – 50 % емкости, а на кадмии – 80 % емкости. Напряжение свежезаряженных аккумуляторов составляет 1,25…1,45 В.

Принцип работы щелочного аккумулятора

Как указывалось выше, при зарядке щелочного аккумулятора происходит обратный химический процесс – при воздействии тока положительные электроды окисляются, превращая гидрат закиси никеля в гидроокись никеля. Отрицательный электрод при этом восстанавливается, в его массе образуется кадмий и железо.

Главная особенность этих процессов в том, что вещества, образующиеся в процессе электрохимических реакций, в реакцию друг с другом не вступают. Они практически не растворяются в электролите. Благодаря такому поведению веществ расход электролита отсутствует, а его плотность не изменяется. Сравнительная характеристика щелочных аккумуляторов приводится в таблице 2.1.

Таблица2.1.

Сравнительная характеристика щелочных аккумуляторов

Поскольку в процессах заряда/разряда щелочных аккумуляторов электролит не расходуется, то его концентрация не изменяется, что приводит к большей морозоустойчивости щелочных аккумуляторов. Однако большее разложение воды по сравнению с кислотным аккумулятором требует реализации циклов рекомбинации с участием выделяющихся газов и регулярного долива воды. Также щелочь чрезвычайно интенсивно поглощает углекислый газ из окружающей среды, что приводит к снижению электропроводности электролита из-за карбонизации и необходимости периодической замены электролита. Кроме этого, щелочной электролит имеет меньшую электропроводность и более высокую стоимость.

Вещества, образующиеся при разряде электродов, имеют достаточно высокую проводимость, поэтому щелочные аккумуляторы менее чувствительны к превышению токов заряда/разряда и не склонны к осыпанию с электродов, в результате чего аккумуляторы имеют большой ресурс и выдерживают до 2000…3000 циклов разряд/заряд (для свинцовых кислотных тяговых аккумуляторов – порядка 1500 циклов). Такие аккумуляторы с щелочным электролитом могут переносить даже кратковременные короткие замыкания, тогда как свинцовый аккумулятор практически гарантированно выйдет из строя. Вместе с тем, гидроксид никеля имеет склонность к переходу в другие модификации, что приводит к появлению такого фактора, как «эффект памяти» – после перерывов в процессе разряда или неполного разряда емкость аккумулятора снижается, поэтому такие аккумуляторы требуют вначале полного «доразряда». Также свежеобразованный оксид-гидроксид имеет повышенную активность, поэтому в первый час после окончания процесса зарядки батарея может потерять до 10 % своей емкости.

2.3. Аккумуляторы по новым технологиям

Совершенствование конструкций свинцово-кислотных аккумуляторных батарей продолжается и сегодня. Например, в сплав электродов аккумуляторных батарей, выполненных по технологии AGM многие производители стали добавлять углеродный композит, называемый карбоном. Это позволило добиться снижения процесса сульфатации при частичном разряде, улучшения разрядных характеристик, увеличения цикличности использования, срока службы в буферном режиме и сроков хранения без подзаряда, сокращения сроков ускоренного заряда (повышенным напряжением) и уменьшения при этом тепловыделения.

При всех этих конструктивных отличиях общий принцип работы и протекания электрохимических процессов внутри батарей остается прежним.

Будущее автономного энергопитания во многом зависит от совершенствования аккумуляторов - они должны весить меньше, заряжаться быстрее и при этом производить больше энергии.

Тем временем, в России впервые создан прототип проточного окислительно-восстановительного аккумулятора. Пресс-служба МГУ имени М.В. Ломоносова распространила сообщение о том, что сотрудникам химического факультета университета в сотрудничестве со специалистами из Сколтеха удалось создать первый в России прототип проточного окислительно-восстановительного аккумулятора.

Считается, что такие аккумуляторы позволят решить проблему накопления большого количества электроэнергии. Потребность в этом вызвана ростом выработки электроэнергии из возобновляемых источников, поскольку для «зеленой» энергетики характерна неравномерность выработки, не совпадающая с неравномерностью потребления.

Привычные свинцово-кислотные и литий-ионные аккумуляторы малопригодны для решения этой задачи из-за присущих им недостатков: в первом случае - ограниченной емкости и большого объема, а во втором - высокой стоимости и склонности к перегреву.

Перспективным вариантом считаются проточные окислительно-восстановительные батареи, в которых для хранения электроэнергии используют емкости с жидким электролитом. Жидкий электролит прокачивается через ядро из положительной и отрицательной полуячеек, разделенных мембраной. Для заряда насосы прокачивают электролит через ячейки, где он заряжается в результате электрохимической реакции и возвращается обратно в емкость для хранения. При возникновении потребности в электроэнергии заряженный электролит снова прокачивается через ячейку и в ходе обратной реакции возвращает накопленную электроэнергию.

Важное преимущество проточного аккумулятора заключается в том, что его емкость определяется исключительно объемом резервуаров, а выходная мощность - площадью мембраны и количеством ячеек в стеке. В результате проточные батареи хорошо масштабируются и могут отдавать энергию с исключительно высокой скоростью.

Рисунок 2.4. Источник питания проточного окислительно-восстановительного аккумулятора

Считается, что такие аккумуляторы позволят решить проблему накопления большого количества электроэнергии.

3. Практическое применение, недостатки и достоинства

Чаще всего свинцово-кислотные аккумуляторы применяются в составе аккумуляторной батареи с номинальным напряжением 4, 6 и 12 В, реже с другим кратным 2 напряжением. По-отдельности почти не применяются. Промышленностью выпускаются варианты обслуживаемых (заливание электролита, дистиллированной воды, контроль плотности электролита, его замена) и не обслуживаемых в герметичном корпусе (исключается проливание электролита при изменений положения, переворачиваний) аккумуляторных батарей. Обслуживаемые аккумуляторные батареи могут выпускаться сухозаряженными (без залитого электролита), что увеличивает их срок хранения и не требует периодического обслуживания при хранении, заливка производится перед вводом в эксплуатацию.

Преимущества свинцово-кислотных аккумуляторов:

1) Недорогие и простые в изготовлении - с точки зрения затрат на Вт·ч, SLA является наименее дорогими. Например, аккумулятор 12В емкостью 3.2 А·ч, имеющий размеры 134x67x60мм, стоит порядка 400 рублей.

2) Зрелая, надежная и хорошо освоеная технология - при правильном использовании, SLA достаточно долговечны

3) Низкий саморазряд - скорость саморазряда является одной из самой низких в аккумуляторных системах (3-20% в месяц)

4) Низкие требования к обслуживанию - нет эффекта памяти, нет необходимости доливать электролит

5) Способность к большой токоотдаче. Для упомянутого выше аккумулятора с C = 3.2 Ачтокоотдача составляет не менее 16А. Аккумулятор отдает большой пусковой ток в нагрузку, при этом не просаживая напряжение питания.

6) Недорогие и простые в изготовлении - с точки зрения затрат на Вт·ч, SLA является наименее дорогими. Например, аккумулятор 12В емкостью 3.2 А·ч, имеющий размеры 134x67x60мм, стоит порядка 400 рублей.

7) Зрелая, надежная и хорошо освоеная технология - при правильном использовании, SLA достаточно долговечны

8) Низкий саморазряд - скорость саморазряда является одной из самой низких в аккумуляторных системах (3-20% в месяц)

9) Низкие требования к обслуживанию - нет эффекта памяти, нет необходимости доливать электролит

10) Способность к большой токоотдаче. Для упомянутого выше аккумулятора с C = 3.2 Ачтокоотдача составляет не менее 16А. Аккумулятор отдает большой пусковой ток в нагрузку, при этом не просаживая напряжение питания.

К недостаткам свинцово-кислотных аккумуляторов относятся:

1) Не могут храниться в разряженном состоянии

2) Высокая чувствительность к изменению температуры - влияет и на продолжительность работы и на срок жизни аккумулятора

3) Низкая плотность энергии - слабая весо-энергетическая плотность аккумулятора ограничивает область применения стационарными и колесными приложениями, поэтому их целесообразно использовать только в больших и средних по размерам роботах (если уж говорить о роботах)

4) Позволяет только ограниченное количество полных циклов разряда - хорошо подходит для резервных приложений, в которых происходят только случайные глубокие разряды

5) Экологически вредные - электролит и содержание свинца делают их небезопасными для окружающей среды

6) Транспортные ограничения для заливных свинцово-кислотных батарей - в случае аварии может произойти утечка кислоты

7) Не могут храниться в разряженном состоянии

8) Высокая чувствительность к изменению температуры - влияет и на продолжительность работы и на срок жизни аккумулятора

9) Низкая плотность энергии - слабая весо-энергетическая плотность аккумулятора ограничивает область применения стационарными и колесными приложениями, поэтому их целесообразно использовать только в больших и средних по размерам роботах (если уж говорить о роботах)

10) Позволяет только ограниченное количество полных циклов разряда - хорошо подходит для резервных приложений, в которых происходят только случайные глубокие разряды

11) Экологически вредные - электролит и содержание свинца делают их небезопасными для окружающей среды

12) Транспортные ограничения для заливных свинцово-кислотных батарей - в случае аварии может произойти утечка кислоты

Как и любой источник питания, щелочные АКБ обладают преимуществами и недостатками, определяющими сферы применения изделий. Материалы анода и катода обладают повышенной электрической проводимостью, что позволяет повышать ток в цепи разрядки/зарядки выше номинального значения без риска разрушения активной массы.

Щелочные аккумуляторные батареи обладают ресурсом до 3 тыс. циклов (в 2 раза выше, чем у свинцово-кислотных АКБ).Конструкция допускает кратковременное короткое замыкание, губительное для кислотных батарей.

Дополнительным плюсом щелочных элементов является повышенная механическая прочность элементов конструкции, лишенных пластичного свинца. Пластины установлены в специальных стальных рамках.Для изготовления корпусов используется лист из углеродистой стали, дополнительно защищающий детали от повреждений.

Недостатки щелочных источников тока:

1) При подключении к зарядному блоку частично разряженного аккумулятора наблюдается снижение емкости (“эффект памяти”). Процесс является обратимым, при проведении тренировочных циклов емкость восстанавливается до исходных параметров. В основе процесса лежит способность гидроксида никеля образовывать разные модификации вещества.

2) Обратимость процесса снижения емкости имеет одновременно и плюсы, и минусы. После восстановления гидроксид никеля обладает повышенной активностью, что приводит к ускорению процессов саморазряда. Восстановленный кадмиевый аккумулятор теряет за 1 час до 10% емкости. Но в процессе нормальной эксплуатации эффект исчезает.

3) Разброс напряжения элементов, установленных в банке. Для обеспечения равномерной емкости необходимо использовать специальные зарядные устройства.

4) Повышенный расход электроэнергии при зарядке, КПД составляет не более 55%.

5) Необходимость периодического обслуживания с заменой электролита, для выполнения работ требуется квалифицированный персонал. Увеличенный объем работ ограничивает использование щелочных батарей для автомобиля.

6) При подключении к зарядному блоку частично разряженного аккумулятора наблюдается снижение емкости (“эффект памяти”). Процесс является обратимым, при проведении тренировочных циклов емкость восстанавливается до исходных параметров. В основе процесса лежит способность гидроксида никеля образовывать разные модификации вещества.

7) Обратимость процесса снижения емкости имеет одновременно и плюсы, и минусы. После восстановления гидроксид никеля обладает повышенной активностью, что приводит к ускорению процессов саморазряда. Восстановленный кадмиевый аккумулятор теряет за 1 час до 10% емкости. Но в процессе нормальной эксплуатации эффект исчезает.

8) Разброс напряжения элементов, установленных в банке. Для обеспечения равномерной емкости необходимо использовать специальные зарядные устройства.

9) Повышенный расход электроэнергии при зарядке, КПД составляет не более 55%.

10) Необходимость периодического обслуживания с заменой электролита, для выполнения работ требуется квалифицированный персонал. Увеличенный объем работ ограничивает использование щелочных батарей для автомобиля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для питания приборов электрооборудования при малой частоте вращения коленчатого вола или при неработающем двигателе используется химический источник тока - аккумуляторная батарея.

Аккумуляторная батарея обладает свойством после разряда восстанавливать свою способность отдавать ток во внешнюю цепь, если через нее пропустить ток в обратном направлении, т. е произвести ее заряд.

Работа на складах, в шахтах, да и просто в замкнутых помещениях зачастую невозможна без электротранспорта, поскольку требования к качеству воздуха не позволяют применять транспортные средства на двигателях внутреннего сгорания. Составной частью любого электротранспорта, определяющей его автономность, мощность и стоимость эксплуатации, является аккумулятор как источник энергии. Как раз за счет этого щёлочные аккумуляторы находят применение в устройствах систем аварийного электроснабжения, в оборудовании локомотивов и вагонов для пассажиров. Их используют в устройствах электропогрузчиков, электроинструментах и портативных электроинструментах. Телефоны и фотоаппараты также оборудуются щёлочными батареями.

За всю историю развития свинцового аккумулятора принцип действия остался прежний. И сегодня при производстве свинцово-кислотных аккумуляторных батарей в корпус монтируют разнополярные электроды, разделенные сепаратором, заливают водный раствор серной кислоты (электролит) и соединяют однополярные электроды между собой с выводными борнами для подключения к источнику питания или зарядному устройству.

На рынке присутствуют несколько различных систем аккумуляторов, различающихся по номинальному напряжению аккумуляторного элемента, величине допустимого разрядного и зарядного тока, поэтому еще на этапе закупки оборудования необходимо совершить взвешенный выбор, определяющий значительные капитальные затраты. Наиболее часто стоит проблема выбора между щелочными и свинцовыми аккумуляторами, которые за десятилетия с момента их разработки уже заслужили себе репутацию надежных устройств.

Преимущества свинцово-кислотных аккумуляторов:

1. Недорогие и простые в изготовлении - с точки зрения затрат на Вт·ч, SLA является наименее дорогими. Например, аккумулятор 12В емкостью 3.2 А·ч, имеющий размеры 134x67x60мм, стоит порядка 400 рублей.

2. Зрелая, надежная и хорошо освоеная технология - при правильном использовании, SLA достаточно долговечны

3. Низкий саморазряд - скорость саморазряда является одной из самой низких в аккумуляторных системах (3-20% в месяц)

К недостаткам свинцово-кислотных аккумуляторов относятся:

5. Высокая чувствительность к изменению температуры - влияет и на продолжительность работы и на срок жизни аккумулятора

6. Низкая плотность энергии - слабая весо-энергетическая плотность аккумулятора ограничивает область применения стационарными и колесными приложениями, поэтому их целесообразно использовать только в больших и средних по размерам роботах (если уж говорить о роботах)

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Акимов С.О., Чижков Ю.П. «Электрооборудование автомобилей». Учебник для вузов. М. ЗАО КЖИ «За рулем» 2001.

2. В России впервые создан прототип проточного окислительно-восстановительного аккумулятора [Электронный ресурс] / :междунар. науч. пед. Интернет-журнал. - Электрон. журн. - М., 20013. - Режим доступа:https://www.ixbt.com/news/2020/01/17/v-rossii-vpervye-sozdan-prototip-okislitelnovosstanovitelnogo-akkumuljatora.html (17.04.2021)

3. Голубев И.Р., Новиков Ю.В. Окружающая среда и транспорт. М.: Транспорт, 2001

4. Инструкция по эксплуатации щелочных тяговых никель – железных аккумуляторовых батарей типа ТЖН – 300 – 500, Минтопэнерго Украины, ОАО "Укрэнергоуголь", Донецкий филиал, г.Донецк 2007г.

5. История возникновения электрических батарей [Электронный ресурс] / :междунар. науч. пед. Интернет-журнал. - Электрон. журн. - М., 20016. - Режим доступа: https://best-energy.com.ua/support/ battery/684-bu-101 (18.04.2021)

6. История развития аккумуляторных батарей [Электронный ресурс] / :междунар. науч. пед. Интернет-журнал. - Электрон. журн. - М., 20013. - Режим доступа: https://wybor-battery.com/stati/tendencii-razvitiya-akkumulyatornyh-batarej/ (20.04.2021)

7. Родичев В.А., Родичева Г.И. Все об автомобилях. М.: Высшая школа, 2002

8. Симов А.И.. Охрана труда на предприятиях автомобильного транспорта. М.: Транспорт, 2002

Кислотные и щелочные аккумуляторы

Кислотные и щелочные аккумуляторы

Похожие работы на - Кислотные и щелочные аккумуляторы