История аккумуляторных батарей
| Вид материала | Документы |
- Вопросы для подготовки к зачету по дисциплине: «Электроника и электрооборудование транспортных, 36.29kb.
- Инструкция по охране труда № при монтаже аккумуляторных батарей, 362.6kb.
- Эксплуатационный ресурс герметичных свинцовых аккумуляторных батарей в составе электронного, 45.74kb.
- Система оперативного постоянного тока, 35.15kb.
- Разработка методики снижения вреда окружающей среде при обращении с отходами эксплуатации, 359.08kb.
- Реферат. Бария гексаферрит, бария карбонат, отход термического производства, утилизация,, 233.76kb.
- Моделирование солнечных батарей На основе различных полупроводников, 252.58kb.
- Рабочая программа дисциплины «история востоковедения в россии», 460.24kb.
- Краевая викторина, 339.73kb.
- Разработка импульсного преобразователя напряжения с топологией sepic, 226.39kb.
История аккумуляторных батарей.
Первый работоспособный свинцово-кислотный аккумулятор был изобретен в 1859 г. французским ученым Гастоном Планте.
Конструкция аккумулятора представляла собой электроды из листового свинца, разделенные сепараторами из полотна, которые были свернуты в спираль и помещены в сосуд с 10 % раствором серной кислоты.
Недостатком первых свинцово-кислотных аккумуляторов была их невысокая емкость. Поначалу для ее увеличения проводили большое число циклов заряда-разряда. Для достижения существенных результатов требовалось до двух лет таких тренировок. Причина недостатка была явной - конструкция пластин. Поэтому дальнейшее совершенствование конструкции свинцово-кислотных аккумуляторов было сосредоточено на совершенствование конструкции используемых в них пластин и сепараторов.
В 1880 г. К. Фор предложил методику изготовления намазных электродов путем нанесения на пластины окислов свинца. Такая конструкция электродов позволила значительно повысить емкость аккумуляторов. А в 1881 г. Э. Фолькмар предложил применять в качестве электродов намазную решетку. В том же году ученому Селлону был выдан патент на технологию изготовления решеток из сплава свинца и сурьмы.
Первоначально практическое использование свинцово-кислотных аккумуляторов было затруднено из-за отсутствия зарядных устройств - для заряда применяли первичные элементы конструкции Бунзена. То есть химический источник тока заряжался от другого химического источника - батареи гальванических элементов. Положение кардинально поменялось с появлением недорогих генераторов постоянного тока.
Именно свинцово-кислотные батареи первыми в мире из аккумуляторных батарей нашли коммерческое применение. К 1890 году во многих промышленно развитых странах был освоен их серийный выпуск. В 1900 году немецкая фирма Varta произвела первые стартерные аккумуляторы для автомобилей.
В 70-х годах XX века были созданы необслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, способные работать в любом положении. Жидкий электролит в них сменили гелиевым или адсорбированным (впитанным) сепараторами электролитом, батареи герметизировали, а для отвода газов, выделяющихся при заряде или разряде, установили клапаны. Строго говоря, абсолютная герметизация свинцово-кислотных аккумуляторов не может быть достигнута, так как нельзя обеспечить полную рекомбинацию кислорода и водорода, которые выделяются в них при заряде и хранении. Но специальными мерами выделение газов и потери воды в процессе эксплуатации удается свести к минимуму.
Были разработаны новые конструкции пластин на базе медно-кальциевых сплавов, покрытых оксидом свинца, а также на основе титановых, алюминиевых и медных решеток.
Свинцовые аккумуляторы являются наиболее распространенными среди всех существующих в настоящее время химических источников тока. Их масштабное производство определяется как относительной дешевизной используемых материалов и высокой степени автоматизации производства, так и разработкой разных вариантов этих аккумуляторов, отвечающих требованиям широкого круга потребителей.
Наилучшие образцы первых аккумуляторов, конца 19в., имели удельную энергию по массе 7-8 Вт•ч/кг при продолжительном разряде (у нынешних образцов 40-47 Вт•ч/кг).
Сейчас выпускаются герметизированный автомобильные аккумуляторы с иммобилизованным (гелеобразным или абсорбированным) электролитом, эти аккумуляторы обеспечивают работоспособность в любом пространственном положении и применяются в системах резервного и аварийного энергоснабжения, бытовой технике и т.п.
Активными веществами свинцового аккумулятора, принимающими участие в токообразующих реакциях, являются:
• на положительном электроде - двуокись свинца PbO2 (темно-коричневого цвета);
• на отрицательном электроде - губчатый свинец Pb (серого цвета);
• электролит - водный раствор серной кислоты H2SO4
В ходе разряда аккумулятора активная масса отрицательного электрода превращается из губчатого свинца в сульфат свинца, со сменой серого цвета на светло-серый, отдавая два электрона в электрическую цепь.
Pb + HSO4- → PbSO4 + H+ + 2e-
Активная масса положительного электрода по ходу разряда превращается из двуокиси свинца PbO2, так же как и активная масса отрицательного электрода, в сульфат свинца PbSO4 с изменением цвета с темно-коричневого на светло-коричневый, поглощая два електрона.
PbO2 + HSO4- + 3H+ + 2e- → PbSO4 + 2H2O
В результате разряда аккумулятора активные материалы и положительного (PbO2), и отрицательного (Pb) электродов преобразуются в сульфат свинца PbSO4. При этом на формирование сульфата свинца расходуется серная кислота, что вызывает снижение концентрации электролита и как следствие снижение его плотности. Суммарная реакция при разряде аккумулятора:
PbO2 + Pb + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O
При зарядке аккумулятора идут обратные в противоположную сторону, в ходе которых кроме всего прочего происходит образование серной кислоты, в результате чего при заряде растет плотность электролита. Суммарное уравнение процесса заряда:
2PbSO4 + 2H2O → PbO2 + Pb + 2H2SO4
Когда реакции преобразования веществ в активных массах положительного и отрицательного электродов завершены, плотность электролита перестает меняться, что служит признаком завершения заряда аккумулятора. При дальнейшем продолжении заряда протекает так называемый вторичный процесс - электролитическое разложение воды на кислород и водород. Выделяясь из электролита в виде пузырьков газа, они создают иллюзию кипения электролита, что тоже служит признаком завершения процесса заряда.
Каждый аккумулятор состоит из пространственно разделенных разноименных электродов, погруженных в раствор электролита и помещенных в прочный корпус, который устойчив к химическому воздействию электролита, механическим нагрузкам и температурным колебаниям.
Активная масса электродов обладает высокой пористость (47-60%) и у заряженных аккумуляторов на положительном электроде состоит в основном из двуокиси свинца PbO2 (85-90 %), а на отрицательном электроде - из губчатого свинца Pb (80-90 %).
Раньше для изготовления корпуса аккумуляторов использовали эбонит, который обладает относительно низкой механической прочностью. Поэтому стенки эбонитовых блоков имеют толщину 6-8 мм для аккумуляторных батарей до 90 А•ч и 9-12 мм при емкости более 100 А•ч. При переходе с эбонита на сополимер полипропилена с этиленом, удается уменьшить толщину стенок в два раза и понизить массу корпусных деталей без ухудшения их надежности.