В Лаврус - Источники энергии
Основные черты свинцовый аккумулятор приобрел на рубеже ХIХ...ХХ веков. Вместе с ними и проблемы, часть из которых не решены по сегодняшний день. Конструкция аккумуляторов непрерывно совершенствуется. Они давно являются объектом пристального внимания изобретателей.
Критерием состояния отрасли промышленности являются экономические показатели. На рис. p001 представлен объем продаж стартерных аккумуляторов мировыми производителями.
Начиная с 1970 года выпускаются малоуходные (требующие незначительного ухода) и герметизированные (необслуживаемые) аккумуляторные батареи. В таких аккумуляторах используют электроды с малым содержанием сурьмы -- не более 3%.
С использованием сорбированного и гелеобразного электролита удалось получить герметизированный аккумулятор, который может работать в любом положении. В качестве загустителя электролита используется силикагель, алюмогель, сульфат кальция и др. Примерно в это же время были разработаны такие материалы для изготовления пластин, как медно-кальциевые сплавы покрытые оксидом свинца, титановые, алюминиевые и медные решетки.
Свинцовые аккумуляторы изготавливаются в различных исполнениях в зависимости от области применения. Основные типы -- стартерные, тяговые и стационарные аккумуляторы. Выпускаемые серийно свинцово-кислотные аккумуляторы обладают емкостью от 0,5 до 12000 Ач.
Активные вещества аккумулятора заключены в положительном и отрицательном электродах и электролите. Совокупность активных веществ, применяемых в химическом источнике тока, называется электрохимической системой.
Распространенные электрохимические системы стационарных аккумуляторов приведены в табл. t032 [7].
В аккумуляторах находящихся в эксплуатации непрерывно повторяется последовательность электрохимических преобразований. Период заряда-разряда аккумулятора называют циклом. С каждым циклом аккумуляторы изнашиваются. Долговечность аккумулятора оценивают количеством циклов.
Долговечность аккумуляторов зависит от:
ресурса заложенного в электрохимическую систему и конструкцию аккумулятора,
условий ввода в эксплуатацию;
условий эксплуатации.
Наиболее широкое применение, как более дешевые, получили свинцовые аккумуляторы. Они обеспечивают срок службы до 20 лет, что обусловлено соответствующим конструктивным исполнением.
Почти все свинцовые аккумуляторы используют так называемую баночную конструкцию. При изготовлении корпусов используются: эбонит, полипропилен, и т.п. Эти материалы стойки к длительному воздействию серной кислоты.
Блок электродов каждой аккумуляторной ячейки помещается в изолированной банке. Между электродами устанавливаются сепараторы. Крайними всегда являются отрицательные электроды (рис. p070). Горизонтальные перемычки, соединяющие одноименные пластины в банке, называются баретками.
Во всех малоуходных аккумуляторах пластины приподняты над дном. В образующемся пространстве скапливается шлам -отделившаяся от электродов активная масса. В герметизированных аккумуляторах выполненных по технологии PLT пространство под пластинами отсутствует.
Для получения достаточно больших значений напряжений или разрядных токов отдельные ячейки соединяются между собой последовательно или параллельно в батареи.
Батареей аккумуляторов называется источник тока, состоящий из нескольких параллельно или последовательно соединенных аккумуляторных ячеек. Аккумуляторы содержащие несколько последовательно соединенных банок в одном корпусе называются моноблочными.
Все европейские производители и большая часть в Азии руководствуются стандартами DIN. Перечень стандартов по стационарным аккумуляторам приведен в табл. П3 приложения. Ряд условных обозначений стационарных аккумуляторов стандартизован.
Согласно DIN VDE 0510 ч. 2 расшифровка условных обозначений аккумуляторов приведена в табл. t035.
Номинальной емкостью аккумулятора называется емкость, гарантированная заводом изготовителем при определенных условиях разряда. Зарядной емкостью называется количество электричества, сообщаемое аккумулятору при заряде. Зарядная емкость всегда несколько больше разрядной из-за необратимых процессов, протекающих при заряде и разряде.
Величина разрядной емкости аккумулятора зависит от типа и конструкции используемых пластин, количества содержащихся в них активных веществ, материала электродов, режима разряда и температуры.
Совершенствование свинцовых аккумуляторов идет по пути изыскания новых сплавов для решеток, облегченных и прочных материалов корпусов (сополимер пропилена и этилена) и улучшения качества сепараторов.
2.1.1. СЕПАРАТОРЫ
Во всех аккумуляторах между электродами устанавливаются изолирующие пластины. Они выполняются в виде:
разделителей;
пористых сепараторов;
мембран.
Разделители используются для отделения электродов друг от друга. Они изготавливаются в виде прокладок или решеток из перфорированного или гофрированного синтетического диэлектрика (рис. p009). Разделители имеют отверстия диаметром от 1 до 5 мм.
Пористые сепараторы, кроме непосредственного разделения пластин, удерживают активную массу электродов и препятствуют росту дендритов (дендриты -- незавершенные в своем развитии кристаллы, по форме напоминающие ветвистое дерево, папоротник, хвою и т.п.) при заряде аккумулятора.
В некоторых типах аккумуляторов пористый сепаратор удерживает электролит за счет капиллярных сил вблизи поверхности электродов. Диаметр пор таких сепараторов находится в интервале от 0,001 до 200 мкм. Такой вид сепараторов имеет наибольшее распространение в современных моделях аккумуляторов.
Мембраны (набухающие сепараторы) изготавливаются из материалов без геометрически четко выраженной системы пор. В отличие от пористых сепараторов в них ярко выражены силы взаимодействия между определенными видами ионов и молекул.
Сепараторы изготавливают из диэлектрических материалов с ребрами, гофрированными или тиснеными для предупреждения плотного прилегания к электродам. Размер сепаратора всегда больше размера пластины аккумулятора. В первых аккумуляторах в качестве сепараторов использовались керамические сосуды или перегородки. До второй мировой в качестве сепараторов использовался шпон (шпон -- тонкий лист древесины, получаемый лущением кряжей различных пород дерева).
Длительное время сепараторы изготавливали из мипора -вулканизированного натурального каучука с присадками. В современных аккумуляторах широкое применение нашел мипласт, получаемый спеканием порошкообразной поливинилхлоридной смолы.
В Англии разработан материал порвик, изготавливаемый из поливинилхлоридной смолы. Отечественный аналог -- поровинил. Юмикрон -- материал для сепараторов разработанный в Японии -выпускается в виде тонкой пленки или тисненых "вафлеобразных листов" (рис. p010).Наиболее дешевыми материалами для сепараторов являются картон и бумага на основе целлюлозы и асбеста (асбест [гр. asbestos] -- группа минералов (серпентин, амфиболы) волокнистого строения; огнестойкий, кислотостойкий, и неэлектропроводный материал).
В качестве дополнительных разделителей, в комбинации с сепараторами, применяются нетканные маты. Они изготавливаются из полипропилена или стекловолокна с добавлением связующих веществ.
В современных моделях аккумуляторов используют многослойные сепараторы. Использование нескольких слоев одного вида сепараторов более выгодно, так как в этом случае дефекты в одном из слоев защищены другими и рост дендритов затруднен при переходе от слоя к слою.
Если в аккумуляторах используются многослойные сепараторы из разных материалов, то каждый из них выполняет определенную функцию. Так же используются сочетания простых разделителей с мембранами.
В ряде случаев в аккумуляторах используют конверты-сепараторы. Конверт-сепаратор полностью окружает один из электродов аккумулятора для ограничения возможного проникновения нежелательных веществ или распространения дендритов в обход сепаратора по краям электродов.
2.1.2. ЭЛЕКТРОЛИТ
В качестве электролита для аккумуляторных батарей применяют раствор серной кислоты в дистиллированной воде. Для различных климатических и температурных условий, в которых батарее предстоит работать, используют электролит различной плотности.
Плотность электролита зависит от концентрации раствора серной кислоты -- чем больше концентрация раствора, тем больше плотность электролита и от температуры раствора -- чем выше температура, тем ниже плотность.
Концентрация или плотность электролита является точным критерием степени разряженности аккумулятора. В качестве точки отсчета, для определения текущей степени разряженности аккумулятора, принимается нормативная плотность электролита, т.е. плотность, приобретенная после первого полного заряда.
