9.6. Аккумуляторы

Это устройства, в которых электрическая энергия превращается в химическую, а химическая – снова в электрическую. В аккумуляторах под воздействием внешнего источника тока накапливается (аккумулируется) химическая энергия, которая затем переходит в электрическую. Процессы накопления химической энергии получили название зарядааккумуляторов, процессы превращения химической энергии в электрическую -разрядааккумулятора. При заряде аккумулятор работает как электролизер, при разряде – как гальванический элемент.

В процессе разряда и заряда изменяется состав активных масс аккумулятора и соответственно Э.Д.Си напряжение. Разрядное напряжение уменьшается, а зарядное напряжение возрастает во времени.

В настоящее время наиболее распространенными являются свинцовые аккумуляторы, в которых в качестве электролита используется раствор H₂SO₄ (32–39 %, d = 1,24 - 1,30 г/см³), поэтому они еще называются кислотными. Состоит он из решетчатых свинцовых пластин, погруженных вH₂SO₄. Решетки вначале заполняются оксидом свинца, который при взаимодействии с H₂SO₄превращается вPbSO₄. Пластины, содержащие губчатый свинец служат анодами(-), а диоксид свинца – катодами(+).

При разрядеаккумулятора в нем протекают окислительно-восстановительные реакции:

Анод: Pb + SO- 2 ePbSO- окисление

Катод: PbO + SO+ 4H + 2ē PbSO₄+ 2HO –

- восстановление.

Электроны, отдаваемые металлическим свинцом РbпринимаютсяPbОпри восстановлении. Электроны по внешней цепи передаются отPbкPbО

2

Pb |HSO| PbО

Суммарная реакция в аккумуляторе:

Pb + PbO+ 4H⁺+ 2SO= 2PbSO+ 2HO

Значение ЭДС аккумулятора равно разности потенциалов электродов и рассчитывается по уравнению:

E = E_PbO / _PbSO - E_PbSO/ _Pb = E+ln,

где E= E/- E/ = 1,68 B - (-0,36) B = 2,04 B.

При заряде:

Анод: PbSO + 2 e Pb + SO

Катод: PbSO - 2 e + 2HO PbO + SO+ 4H

Суммарная реакция:

2 PbSO + 2HO Pb + PbO + 4H+2 SO

В результате заряда активная масса одного электрода превращается из PbSOвPb, а активная масса второго электрода изPbSOвPbO.

При заряде напряжение выше ЭДСи растет в течение заряда. В конце заряда напряжение достигает значения достаточного для электролизаводы и тогда начинается выделение водорода и кислорода:

2H+ 2 eH; HO – 2 eO+ 2H

В конце заряда происходит только электролиз воды («кипит»).

При разряде аккумулятора процессы идут в обратном направлении, при этом падает его ЭДСи напряжение. Однако, при напряжении ниже1,7 В(пл.HSO1,17 г/см³) происходит быстрое и необратимое падение напряжения. На электродах образуется неактивная пленкаPbSO, изолирующая активную массу от электролита. Поэтому ниже, чем1,7 Вразряд производить не следует.

Свинцовый аккумулятор обладает существенными достоинствами: высоким к.п.д. (около 80 %), высокойЭ.Д.С.и относительно малым ее изменением при разряде, простотой и невысокой ценой.

Недостатки:невысокая удельная энергия(20 - 30 Вт∙ч/кг), саморазряд аккумулятора при хранении и малый срок службы (2 - 5 лет). Свинцовые аккумуляторы широко используются на электростанциях, телефонных узлах, на железных дорогах, подводных лодках, самолетах, автомобилях, электрокарах и других устройствах.

Кроме кислотных широко применяются и щелочныеаккумуляторы. Наиболее распространенные из них никель-кадмиевые и никель - железные аккумуляторы. Положительный электрод содержит гидрооксид никеля, отрицательный электрод - оответственно кадмий или железо. Электролит –20 - 23,0 %растворКОН. Суммарные реакции можно записать:

NiOOH + Cd + 2HONi (OH)+Cd (OH);

E = 1,45 B

NiOOH + Fe + 2HO Ni (OH)+ Fe (OH);

E= 1,48 B

К достоинствам относится большой срок службы (до 10 лет).

К недостаткам: невысокие к.п.д (60 - 65 %)иЭ.Д.С.

Для электромобилей разрабатываются различные аккумуляторы. У свинцовых – из-за малой удельной энергии - малый пробег 60 км. Никель – цинковые – удельная энергия50 Вт∙ч/кг – 150 км.