§ 30. Аккумуляторы

Аккумулятором называют прибор, обладающий способностью накоплять и сохранять в течение некоторого времени электрическую энергию в результате химических процессов.
В аккумуляторе, как и в гальваническом элементе, электрический ток является следствием химических процессов. Но в отличие от аккумулятора в гальваническом элементе получающиеся химические соединения не могут быть вторично разложены и приведены в первоначальное состояние током постороннего источника. Поэтому гальванические элементы называются первичными, а аккумуляторы — вторичными или обратимыми элементами. Повторные заряд и разряд не только не вредят аккумулятору, но сначала в определенных пределах даже улучшают его свойства, так как в результате этого в работе участвуют более глубокие слои пластин электродов.
В зависимости от состава электролита аккумуляторы делят на кислотные и щелочные.
Простейший кислотный аккумулятор состоит из двух свинцовых пластин (электродов), погруженных в электролит, которым служит раствор серной кислоты.
Постоянный ток постороннего источника, проходя через электролит, разлагает его на составные части. Внутри электролита возникает движение ионов: катионов — водорода H₂ к пластине, соединенной с отрицательным зажимом источника тока, и анионов — кислорода О к пластине, соединенной с положительным зажимом источника тока. В результате электролиза окисляется свинец на положительном электроде и образуется губчатый свинец на отрицательном электроде.
Таким образом, электрическая энергия преобразовывается в химическую и аккумулятор становится заряженным.
Накопленная в аккумуляторе химическая энергия может сохраняться определенное время и при надобности легко переходить в электрическую.
Если аккумулятор отключить от источника тока и замкнуть на какой-нибудь приемник энергии, то аккумулятор сам станет источником тока — подобно гальваническому элементу, у которого электродами служат пластины, отличающиеся одна от другой по химическому составу. При разряде аккумулятора на его электродах образуется сернокислый свинец РЬSO₄.
Электролитом в кислотных аккумуляторах, как указывалось выше, служит раствор серной кислоты определенной плотности. Плотностью раствора, или его удельным весом, называется число, показывающее, во сколько раз вес этого раствора больше веса воды того же объема.
Для наполнения стационарных аккумуляторов употребляют раствор серной кислоты плотностью 1,21 при 15° С. Для переносных аккумуляторов применяют раствор серной кислоты плотностью 1,26.
Плотность электролита определяют ареометром. Ареометр представляет собой стеклянную трубку, запаянную с обоих концов и имеющую внутри шкалу с делениями. В нижней расширенной части ареометра находится ртуть или дробь, в результате чего трубка плавает вертикально. Ареометр опускают в сосуд с электролитом. Чем больше плотность электролита, тем выше поднимается ареометр из жидкости. По делению ареометра, расположенному на уровне раствора, определяют плотность электролита.
При составлении раствора для аккумуляторов серную кислоту тонкой струей наливают в воду. Нельзя вливать в серную кислоту воду, так как происходит бурная реакция соединения, кислота сильно разбрызгивается и может причинить ожоги. Вода для электролита должна быть дистиллированной.
Внутреннее сопротивление аккумуляторов очень мало по сравнению с внутренним сопротивлением гальванических элементов. Это дает возможность считать напряжение на зажимах аккумуляторной батареи примерно равным ее э. д. с. Однако внутреннее сопротивление не является постоянной величиной. Оно зависит от состава пластин, расстояния между ними, плотности и температуры электролита, степени заряженности аккумулятора. Так, сопротивление разряженного аккумулятора примерно в полтора-два раза больше чем заряженного.
Э. д. с. аккумулятора зависит от плотности электролита и не зависит от его размеров и номинальной емкости. При плотностях электролита d в пределах 1,1 — 1,35 э. д. с. аккумулятора

E = 0,85 + d.

В процессе заряда и разряда аккумулятора плотность электролита не остается постоянной, в связи с этим изменяется как его э. д. с., так и напряжение на его зажимах.
При заряде кислотного аккумулятора напряжение его сравнительно быстро возрастает до 2,2 в (рис. 27), затем медленно достигает 2,3 в, после чего довольно быстро возрастает до 2,6 в и, наконец, медленно увеличивается до 2,7 — 2,8 в и выше не поднимается.

По достижении напряжения 2,2 в у отрицательной пластины аккумулятора начинают выделяться пузырьки водорода, а при 2,3 в около положительной пластины появляются пузырьки кислорода. При 2,5 в около обеих пластин происходит обильное выделение газов, а когда напряжение повышается до 2,6 — 2,75 в, аккумулятор, как говорят, начинает «кипеть».
При заряде аккумулятора происходит увеличение плотности электролита, в результате этого напряжение на зажимах аккумулятора повышается. При напряжении 2,4 — 2,5 в аккумулятор полностью зарядится (заканчивается процесс восстановления активной массы пластин). Дальнейший процесс заряда вызывает электролиз воды, при котором пластины аккумулятора покрываются пузырьками водорода и кислорода, что уменьшает активную поверхность пластин, увеличивая внутреннее сопротивление аккумулятора, вследствие чего повышается напряжение на его зажимах.
Так как бурное выделение кислорода и водорода разрушает пластины, то в конце заряда следует уменьшить силу зарядного тока.
При разряде кислотного аккумулятора напряжение на его зажимах быстро падает до 2 — 1,95 в (см. рис. 27), затем медленно понижается до 1,85 — 1,8 в и после этого снова быстро уменьшается до нуля.
При разряде кислотного аккумулятора плотность его электролита уменьшается. Когда напряжение на аккумуляторе достигает значения 1,8 в (при кратковременном разряде 1,75 в), то это значит, что запасенная в нем при заряде энергия израсходована и при дальнейшем разряде на обеих пластинах образуется нерастворимый слой сернокислого свинца, являющегося плохим проводником тока. Если продолжать разряд, то напряжение аккумулятора быстро уменьшается до нуля. Если же после этого аккумулятор отключить от нагрузки, то его напряжение вновь увеличится примерно до 2 в, так как электролит проникает в глубь пластин в поры активной массы. Однако при включении такого аккумулятора на нагрузку напряжение на его зажимах опять быстро уменьшится до нуля.
Практически разряд доводят только до 1,8 в, так как при разряде ниже 1,8 в аккумулятор постепенно приходит в негодность. В этом случае его пластины частично покрываются белым налетом крупнокристаллического сернокислого свинца, который представляет собой настолько плохой проводник, что заряд аккумулятора до номинальной емкости становится невозможным. Это явление называется сульфатацией пластин аккумулятора.
Количество электричества, которое аккумулятор может отдать при разряде определенным током до наинизшего допустимого напряжения, называется его емкостью. Она равна произведению разрядного тока в амперах на продолжительность времени разряда в часах и выражается в ампер-часах.
Емкость аккумулятора зависит от количества активной массы, величины разрядного тока и температуры. Под номинальной емкостью понимают то количество электричества, которое отдает полностью заряженный аккумулятор при 10-часовом режиме разряда и температуре + 25° С. Следовательно, аккумулятор отдает номинальную емкость, разряжаясь в течение 10 ч током, численно равным 0,1 величины его номинальной емкости. При увеличении разрядного тока емкость аккумулятора уменьшается, так как поверхность пластин покрывается сернокислым свинцом и затрудняет доступ электролита к внутренним слоям активной массы. При понижении температуры увеличивается вязкость электролита, что также затрудняет его доступ к внутренним слоям активной массы и уменьшает емкость аккумулятора.
В отключенном состоянии заряженный аккумулятор постепенно теряет часть запасенной им емкости. Эго явление носит название саморазряда. Саморазряд аккумулятора ускоряется с повышением температуры и плотности электролита.
Положительные пластины кислотных аккумуляторов изготовляют преимущественно поверхностного типа из свинца с глубокими бороздами для увеличения поверхности.
Отрицательные пластины кислотных аккумуляторов выполняются коробчатыми. Они представляют собой решетку, в ячейках которой помещается активная масса (свинцовый глет). Активная масса закрывается сеткой.
Положительные пластины имеют темно-коричневый цвет, отрицательные — светло-серый.
Для увеличения емкости аккумулятора несколько одноименных пластин соединяют параллельно (рис. 28). Каждая группа положительных и отрицательных пластин работает, как одна большая пластина, площадь которой равна сумме площадей параллельно соединенных пластин. Так как положительные пластины должны находиться между отрицательными, число отрицательных пластин всегда на одну больше числа положительных. При этом условии обе стороны положительных пластин вступают во взаимодействие с электролитом (при односторонней работе положительные пластины коробятся и если они коснутся отрицательных пластин, то может произойти короткое замыкание).

Стационарные кислотные аккумуляторы изготовляют в стеклянных или керамических сосудах. Аккумуляторы больших емкостей имеют сосуды деревянные, выложенные внутри свинцом или кислотостойким изоляционным материалом.
Кислотные аккумуляторы применяют в электротехнических установках стационарного типа и на автотранспорте.
В качестве переносных аккумуляторов используются преимущественно щелочные аккумуляторы.
Сосуды щелочных аккумуляторов сваривают из тонкой листовой стали и с наружной стороны никелируют. В центре крышки сосуда имеется отверстие для заливки аккумуляторов электролитом.
Э. д. с. щелочных аккумуляторов зависит от состояния активной массы пластин. Температура и плотность электролита мало влияет на э. д. с. и только при низких температурах, близких к нулю, э. д. с. аккумулятора резко изменяется. Напряжение в конце заряда аккумулятора приблизительно равно 1,8 в, по окончании заряда 1,5 — 1,55 в; э. д. с. разряженного аккумулятора 1,27 — 1,3 в. Напряжение в конце разряда щелочных аккумуляторов зависит от режима разряда и составляет 1,1 в при восьмичасовом, 1 в при пятичасовом, 0,8 в при трехчасовом и 0,5 в при одночасовом разряде.
Внутреннее сопротивление щелочного аккумулятора значительно больше внутреннего сопротивления кислотного.
Достоинством щелочных аккумуляторов является то, что они не требуют тщательного ухода. Эти аккумуляторы не боятся сотрясений, могут длительно оставаться в разряженном состоянии, выносят короткие замыкания, которые для кислотных аккумуляторов представляют собой большую опасность.
Саморазряд у щелочных аккумуляторов меньше, чем у кислотных.
Благодаря высоким эксплуатационным показателям за последние годы нашли широкое применение серебряно-цинковые аккумуляторы.
Работу аккумулятора характеризуют его отдача по емкости и отдача по энергии.
Количество электричества q, полученное аккумулятором во время заряда, называется емкостью аккумулятора при заряде:

q = I_зT,

где I_з — ток при заряде, а;
Т — продолжительность заряда, ч.
Количество электричества q´, отданное аккумулятором во время разряда; называется емкостью аккумулятора при разряде. Если обозначить разрядный ток I_p, а продолжительность разряда t, то емкость аккумулятора при разряде

Отношение емкости при разряде к емкости при заряде называется отдачей η₁ аккумулятора по емкости или по количеству электричества:

Среднее значение η₁ для кислотных аккумуляторов 0,85, а для щелочных 0,65.
Если обозначить среднее значение напряжения аккумулятора при его заряде U_з и время заряда Т, то при зарядном токе I_з электрическая энергия или работа, затраченная на заряд аккумулятора, будет:

A₁ = U_зI_зT.

Соответственно электрическая энергия, полученная от разряда аккумулятора при среднем напряжении U_p и разрядном токе I_p в течение t ч, составит:

A₂ = U_pI_pt.

Отношение энергии, полученной от аккумулятора при его разряде, к энергии, затраченной на его заряд, называется отдачей аккумулятора по энергии. Обозначив это отношение буквой η₂, получим:

Среднее значение η₂ для кислотных аккумуляторов 0,65, а для щелочных 0,45.
В зависимости от материала электродов щелочные аккумуляторы могут быть кадмиево-никелевые, железо-никелевые, серебряно-цинковые, золото-цинковые и газовые.
Применение в массовом масштабе золото-цинковых аккумуляторов ограничивается вследствие их высокой стоимости.
Газовые аккумуляторы отличаются легкостью и дешевизной, но технология их производства недостаточно разработана.
Наиболее широкое распространение получили кадмиево-никелевые (КН) и железо-никелевые (ЖН) аккумуляторы, электролитом которых служит раствор едкого кали в воде (плотность электролита 1,2). По своему устройству и электрическим данным аккумуляторы КН и ЖН незначительно отличаются друг от друга. Активную массу запрессовывают в брикеты (пакеты), а затем из брикетов собирают отдельные пластины. У аккумуляторов типа ЖН отрицательных пластин на одну больше, чем положительных. У аккумуляторов типа КН положительных пластин на одну больше, чем отрицательных. Один из полюсов аккумулятора соединяется с сосудом (у ЖН — отрицательный, а у КН — положительный полюс).
В кадмиево-никелевых аккумуляторах активная масса положительных пластин состоит из гидрата окиси никеля и графита, который способствует лучшей проводимости. Активная масса отрицательных пластин состоит из гидроокиси кадмия и железа.
В настоящее время широко используют аккумуляторы с пористыми пластинами из порошкообразного никеля. В аккумуляторах с пористыми пластинами внутреннее сопротивление в 10 раз меньше внутреннего сопротивления обычного аккумулятора. Поэтому они допускают большие разрядные токи и могут работать в кратковременном режиме.
В железо-никелевых аккумуляторах активной массой положительных пластин является гидрат закиси никеля, смешанный с графитом, а отрицательных пластин — специально приготовленный железный порошок.
Серебряно-цинковый аккумулятор представляет собой пластмассовый сосуд, в котором помещены положительные и отрицательные электроды, составленные из отдельных пластин. Отрицательные электроды, изготовленные из пластин окиси цинка, помещены в защитные пакеты из материала, который хорошо пропускает электролит, но задерживает металлические частицы. Положительные пластины изготовлены из чистого серебра. Электроды жестко соединены с выводными зажимами, надежно удерживающими пластины внутри сосуда. При таком креплении отпадает надобность в поддерживающих сепараторах и решетках, которыми обычно фиксируют положение пластин в аккумуляторах различных типов.
Электролитом серебряно-цинковых аккумуляторов служит водный раствор едкого кали. Для нормальной работы аккумулятора необходимо небольшое количество электролита, что позволяет использовать аккумулятор полусухим и эксплуатировать его в любом положении (вертикальном или горизонтальном). Трубка, через которую сосуд сообщается с окружающей средой, водонепроницаема и открывается только на время заряда. При заряде аккумулятор должен находиться в вертикальном положении. Э. д. с. полностью заряженного аккумулятора равна 1,82 — 1,86 в, напряжение при разряде — примерно 1,5 в.
Достоинством серебряно-цинковых аккумуляторов является малое внутреннее сопротивление и небольшой вес. Аккумуляторы этого типа значительно легче (в 4 — 6 раз) и меньше по объему, чем кислотные.
Серебряно-цинковые аккумуляторы достаточно хорошо работают при температуре до — 59° С, т. е. до замерзания электролита. Верхний предел температуры + 80° С. Они хорошо переносят относительно большие перепады давления окружающей среды.
Особенно заметны преимущества серебряно-цинковых аккумуляторов перед аккумуляторами других типов при кратковременных разрядах, так как они допускают большие разрядные токи. Например, через аккумулятор емкостью 0,5 а · ч может проходить кратковременно ток до 600 а.
Для составления аккумуляторной батареи несколько элементов соединяют последовательно, параллельно и смешанно.