Baterie plumb acid

Bateria plumb-acid  este un tip de baterie care a devenit larg răspândit datorită costului său moderat, resurselor bune (de la 500 de cicluri sau mai mult) și densității mari de putere. Aplicații principale: baterii de pornire în vehicule, surse de alimentare de urgență, surse de alimentare de așteptare. Strict vorbind, o celulă a bateriei se numește baterie , dar în mod colocvial, o baterie se numește baterie (indiferent de câte celule are).

O baterie reîncărcabilă constând din baterii plumb-acid este de asemenea abreviată ca baterie (baterie acidă) [2] .

Clasificare

AGM (din engleză.  absorbent glass mat ) - o baterie în care covorașele din fibră de sticlă care absorb electroliți sunt instalate între plăci ca separatoare. Nu numai că aceste separatoare împiedică scurtcircuitarea plăcilor în cazul în care se sparg, designul spongios al separatoarelor menține electrolitul în ele prin acțiune capilară, iar electrolitul nu se scurge din baterie sub nicio circumstanță. Astfel de separatoare de bureți, prin ținerea electrolitului, împiedică stratificarea (stratificarea) acestuia, ceea ce prelungește durata de viață a bateriei. Ciclul de recombinare a oxigenului funcționează și în bateriile AGM, care are atât avantaje, cât și dezavantaje. Datorită recombinării oxigenului în bateriile AGM, consumul de apă este mai mic decât în ​​bateriile simple [2] .

EFB (din engleza  enhanced flooded battery , improved bulk battery) - o baterie cu electrolit lichid care stropeste liber, plăci de grosime crescută în comparație cu bateriile simple (aceleași plăci ca în AGM) și cu un design mai dens al separatoarelor în comparație cu bateriile simple. Printre altele, EFB-urile au separatoare din fibră de sticlă (asemănătoare cu AGM). Bateriile EFB ocupă o poziție intermediară între bateriile simple și bateriile AGM [2] .

Istorie

Bateria cu plumb a fost inventată în 1859-1860 de Gaston Plante , angajat al laboratorului lui Alexandre Becquerel [3] . În 1878, Camille Faure și-a îmbunătățit designul propunând acoperirea plăcilor bateriei cu plumb roșu . Inventatorul rus Benardos a aplicat un strat de plumb spongios pentru a crește puterea bateriilor pe care le folosea în munca sa de sudare .

Cum funcționează

Principiul de funcționare al bateriilor plumb-acid se bazează pe reacțiile electrochimice ale plumbului și dioxidului de plumb într-o soluție apoasă de acid sulfuric .

Când o baterie de sarcină externă este conectată la electrozi, începe o reacție electrochimică de interacțiune între oxidul de plumb și acidul sulfuric, în timp ce plumbul metalic este oxidat la sulfat de plumb (în versiunea clasică a bateriei). Studiile efectuate în URSS au arătat că cel puțin ~ 60 de reacții diferite apar atunci când bateria este descărcată, dintre care aproximativ 20 se desfășoară fără participarea acidului electrolit [4] .

În timpul descărcării, dioxidul de plumb este redus la catod [4] [5] și plumbul este oxidat la anod . În timpul încărcării apar reacții inverse. Când bateria este reîncărcată, după ce sulfatul de plumb este epuizat, începe electroliza apei, în timp ce oxigenul este eliberat la anod (electrodul pozitiv) și hidrogenul la catod .

Reacții electrochimice (de la stânga la dreapta - la descărcare, de la dreapta la stânga - la încărcare):

. .

Cu un circuit extern deschis, electronii liberi se acumulează pe anod, care atrag ionii din electrolit . Într-un strat subțire în apropierea anodului, se formează un câmp electric, care împiedică accesul ionilor la electrod. Pe măsură ce sarcina negativă se acumulează, diferența de potențial pe un astfel de strat subțire crește, accesul ionilor negativi la anod încetinește, se stabilește echilibrul, iar sarcina încetează să se acumuleze pe anod. O situație similară apare la catod: sarcina pozitivă a catodului atrage ionii , împingând ionii la o parte , reacția încetinește. Când circuitul extern este închis, electronii anodici curg către catod și neutralizează sarcina pozitivă de pe acesta, ceea ce contribuie la reluarea reacțiilor chimice pe electrozi.

Când bateria este descărcată din electrolit, se consumă acid sulfuric și se eliberează apă relativ mai ușoară, densitatea electrolitului scade. La încărcare, are loc procesul invers. La sfârșitul încărcării, când cantitatea de sulfat de plumb de pe electrozi scade sub o anumită valoare critică, procesul de electroliză a apei începe să domine. Hidrogenul și oxigenul gazos sunt eliberați din electrolit sub formă de bule - așa-numita „fierbere” în timpul supraîncărcării. Acesta este un fenomen nedorit, la încărcare trebuie evitat dacă este posibil, deoarece în acest caz apa este consumată ireversibil, densitatea electrolitului crește și există riscul unei explozii a gazelor rezultate . Prin urmare, majoritatea încărcătoarelor reduc curentul de încărcare atunci când tensiunea bateriei crește. Pierderile de apă sunt completate prin adăugarea de apă distilată la baterii la întreținerea bateriei (unele baterii auto nu au dopuri de deschidere/deșurubare) [6] .

Dispozitiv

Un element de baterie plumb-acid este format din electrozi și plăci poroase de separare realizate dintr-un material care nu interacționează cu acidul, împiedicând închiderea electrozilor (separatorilor), care sunt scufundați într- un electrolit . Electrozii sunt grile plate de plumb metalic. Pulberile de dioxid de plumb ( ) sunt presate în celulele acestor grătare - în plăcile anodice și plumbul metalic - în plăcile catodice (aici, când bateria se încarcă, electrodul său pozitiv este considerat anod, deoarece atunci când bateria este descărcată). , devine catod, - ca electrod către care este direcționată mișcarea electronilor în timpul circuitului extern). Utilizarea pulberilor crește interfața electrolit-solid, crescând astfel capacitatea electrică a bateriei.

Electrozii, împreună cu separatoarele, sunt scufundați într-un electrolit, care este o soluție apoasă de acid sulfuric . Pentru a prepara o soluție acidă se folosește apă distilată .

Conductivitatea electrică a electrolitului depinde de concentrația de acid sulfuric și la temperatura camerei este maximă la o fracție de masă de acid de 35% [7] , ceea ce corespunde unei densități electrolitului de 1,26 g/cm³. Cu cât conductivitatea electrolitului este mai mare, cu atât rezistența internă a bateriei este mai mică și, în consecință, cu atât pierderea de energie este mai mică. Cu toate acestea, în practică, în zonele cu climă rece se folosesc și concentrații mai mari de acid sulfuric, până la 1,29–1,31 g/cm³, acest lucru se datorează faptului că atunci când concentrația scade din cauza descărcării, electrolitul poate îngheța , iar când îngheață, formează gheață care poate rupe celulele bateriei și poate deteriora materialul spongios al plăcilor.

Există dezvoltări experimentale ale bateriilor, în care grilele de plumb sunt înlocuite cu plăci din filamente de fibră de carbon întrețesute , acoperite cu o peliculă subțire de plumb. În acest caz, se folosește o cantitate mai mică de plumb, distribuită pe o suprafață mare, ceea ce face posibilă ca bateria să nu fie doar compactă și ușoară, celelalte lucruri fiind egale, ci și mult mai eficientă - pe lângă o eficiență mai mare, este se încarcă mult mai repede decât bateriile tradiționale [8] .

În bateriile utilizate în UPS -uri de uz casnic, sisteme de alarmă etc., electrolitul lichid este îngroșat cu o soluție apoasă alcalină de silicați de sodiu ( ) până la o stare păstosă. Acestea sunt așa-numitele baterii cu gel (GEL), care au o durată de viață lungă. O altă versiune este cu separatoare poroase din fibră de sticlă (AGM), care permit moduri de încărcare mai severe [9] .

Parametri electrici și de funcționare

Aplicație

Cel mai adesea, bateriile plumb-acid sunt utilizate ca parte a unei baterii cu o tensiune nominală de 4, 6 și 12 V , mai rar cu o tensiune diferită, un multiplu de 2 volți . Elementele separate de doi volți nu sunt aproape niciodată folosite. Industria produce opțiuni pentru întreținere (turnarea electrolitului, apă distilată, monitorizarea densității electrolitului, înlocuirea acestuia) și baterii care nu necesită întreținere (într-o carcasă etanșă, deversarea electrolitului este exclusă la înclinare și întoarcere). Bateriile care pot fi reparate pot fi produse încărcate uscat (fără umplute cu electrolit), ceea ce le crește durata de valabilitate și nu necesită întreținere periodică în timpul depozitării, electrolitul este umplut înainte de punerea în funcțiune a bateriei.

Caracteristici de performanță

Exploatarea

În timpul funcționării bateriilor „deservite” (cu capace de deschidere pe maluri) într-o mașină, atunci când conduceți pe drumuri accidentate, în mod inevitabil apar infiltrații de electroliți de sub capace pe carcasa bateriei. Prin filmul de electrolit conductiv electric, fără uscare, datorită higroscopicității , are loc o auto-descărcare treptată a bateriei. Pentru a evita autodescărcarea profundă, este necesar să neutralizați periodic electrolitul ștergând carcasa bateriei, de exemplu, cu o soluție slabă de bicarbonat de sodiu sau săpun de rufe diluat în apă până la consistența smântânii lichide. În plus, mai ales pe vreme caldă, apa se evaporă din electrolit; de asemenea, cantitatea de apă din electrolit scade atunci când bateria este reîncărcată datorită electrolizei sale. Pierderea de apă crește densitatea electrolitului, crescând tensiunea pe baterie. Cu o pierdere semnificativă de apă, plăcile pot fi expuse, ceea ce crește simultan autodescărcarea și provoacă sulfatarea bateriei. Prin urmare, este necesar să monitorizați nivelul electrolitului și, dacă este necesar, completați cu apă distilată.

Aceste măsuri, împreună cu verificarea vehiculului pentru scurgeri de curent parazit în echipamentul său electric și reîncărcarea periodică a bateriei, pot prelungi semnificativ durata de viață a bateriei.

Funcționarea unei baterii plumb-acid la temperaturi scăzute

Pe măsură ce temperatura mediului ambiant scade, parametrii bateriei se deteriorează, însă, spre deosebire de alte tipuri de baterii, această scădere este relativ mică pentru bateriile plumb-acid, ceea ce duce la utilizarea lor pe scară largă în transport. Din punct de vedere empiric, se crede că o baterie plumb-acid își pierde ~1% din capacitatea de ieșire pentru fiecare grad de scădere a temperaturii de la +20 °C. Adică, la o temperatură de -30 ° C , o baterie plumb-acid va prezenta aproximativ 50% capacitate.

Scăderea capacității și a curentului de ieșire la temperaturi scăzute se datorează în primul rând unei scăderi a vitezei reacțiilor chimice ( legea lui Arrhenius ). Singura modalitate de a crește capacitatea de ieșire este să încălziți bateria rece, opțional - cu un încălzitor încorporat (6ST-190TR-N).

O baterie descărcată pe vreme rece se poate umfla din cauza înghețului electrolitului de densitate scăzută (aproape de 1,10 g/cm 3 ) și a formării de cristale de gheață, ceea ce duce la deteriorarea ireversibilă a plăcilor de plumb din interiorul bateriei.

Temperaturile scăzute ale electroliților afectează negativ performanța și caracteristicile de încărcare-descărcare ale bateriei [14] :

Datorită rezistenței interne mai mari inerente bateriilor moderne de tip închis (așa-numitele „fără întreținere”, sigilate, sigilate) la temperaturi scăzute în comparație cu bateriile convenționale (tip deschis), aceste aspecte sunt și mai relevante pentru acestea [15] ] .

Pentru funcționarea vehiculelor la temperaturi foarte scăzute, sunt proiectate modele de baterii cu încălzire electrică internă [16] .

Depozitare

Bateriile cu plumb-acid trebuie depozitate numai în stare încărcată. La temperaturi sub -20 °C , bateriile trebuie reîncărcate cu o tensiune constantă de 2,45 volți pe celulă o dată pe an, timp de 48 de ore. La temperatura camerei - 1 dată în 8 luni cu o tensiune constantă de 2,35 volți pe celulă timp de 6-12 ore. Nu se recomandă depozitarea bateriilor la temperaturi peste 30°C .

Un strat de murdărie, săruri și o peliculă de electrolit pe suprafața carcasei bateriei creează un conductor pentru curent între electrozi și duce la autodescărcarea bateriei, cu o descărcare profundă, sulfatarea plăcilor începe cu formarea unui sulfat mai dens, care apoi reacționează mai puțin și mai greu decât sulfatul format în timpul descărcării normale de funcționare, care este motivul pierderii capacității. Prin urmare, suprafața bateriei trebuie păstrată curată. Depozitarea bateriilor plumb-acid într-o stare descărcată duce la o pierdere rapidă a performanței acestora.

Cu depozitarea pe termen lung a bateriilor și descărcarea acestora cu curenți mari (în modul de pornire) sau cu o scădere a capacității bateriei, este necesar să se efectueze cicluri de control și antrenament, adică descărcare-încărcare cu curenți de valoare nominală. .

La pregătirea bateriei pentru depozitarea pe timp de iarnă, ceea ce este important pentru vehiculele care nu sunt folosite în sezonul rece, experții din cel mai vechi laborator al NIIAE recomandă următoarele acțiuni:

1. Încărcați bateria corect și complet. 2. Aplicați unsoare pe borna pozitivă a bateriei (este permis doar vaselina tehnică, deoarece are aciditate neutră și în niciun caz nu trebuie să folosiți litol, grăsime etc., deoarece au o ușoară aciditate și în timp astfel de lubrifianți corodează bornele de ieșire ale bateriei), deoarece filmul de electrolit este capabil să absoarbă umiditatea din atmosferă, ceea ce poate duce la creșterea autodescărcării. 3. Depozitați bateriile la rece la o temperatură de 0-10 ° C, deoarece autodescărcarea este mult mai scăzută la temperaturi scăzute. Apa înghețată deteriorează plăcile bateriilor, așa că nu depozitați bateriile la temperaturi sub 0 °C.

Dacă trebuie să călătoriți pe vreme rece, ar trebui să mutați bateria într-o cameră încălzită și în 7-9 ore (de exemplu, peste noapte) va ajunge într-o stare potrivită pentru pornirea motorului.

Uzura bateriilor plumb-acid

Când se utilizează acid sulfuric tehnic și apă nedistilată, se accelerează autodescărcarea, sulfatarea , distrugerea plăcilor și scăderea capacității bateriei [17] .

Principalele procese de uzură ale bateriilor plumb-acid sunt:

Deși o baterie care s-a defectat din cauza distrugerii fizice a plăcilor nu poate fi reparată acasă, soluții chimice și alte metode au fost descrise în literatură pentru a „desulfata” plăcile. O metodă simplă, dar plină de eșec complet al bateriei, implică utilizarea unei soluții de sulfat de magneziu [4] . În secțiuni se toarnă o soluție de sulfat de magneziu, după care bateria este descărcată și încărcată de mai multe ori. Sulfatul de plumb și alte reziduuri ale reacției chimice cad pe fundul cutiilor, acest lucru poate duce la un scurtcircuit al elementului, de aceea este indicat să clătiți cutiile tratate și să le umpleți cu un nou electrolit de densitate nominală. Acest lucru vă permite să prelungiți oarecum durata de viață a dispozitivului.

Reciclare

Reciclarea pentru acest tip de baterie joacă un rol important, deoarece plumbul conținut în baterii este un metal greu toxic și provoacă daune grave atunci când este eliberat în mediu. Plumbul și sărurile sale trebuie reciclate pentru a fi reutilizabile.

Plumbul de la bateriile uzate este folosit pentru topirea artizanală, de exemplu, la fabricarea greutăților pentru unelte de pescuit , a împușcăturii de vânătoare sau a greutăților. Extracția artizanală a plumbului din baterii dăunează grav atât mediului, cât și sănătății topitoriilor, deoarece plumbul și compușii săi sunt transportați în întreaga zonă cu fum și fum [19] [18] .

Vezi și

Note

  1. Kurzukov N. I., Yagnyatinsky V. M. Baterii reîncărcabile. Scurtă referință // M .: OOO „Editura de carte „La volan””. - 2008. - 88 p., ill. ISBN 978-5-9698-0236-0 . (pag. 15).
  2. 1 2 3 RUVDS, 15/07, 2021 .
  3. Bertrand Gille Histoire des techniques. — Gallimard, col. „La Pleiade”, 1978, ISBN 978-2070108817 .
  4. 1 2 3 4 5 6 7 8 Baterii cu plumb. Exploatarea: adevăr și ficțiune. Arhivat pe 25 octombrie 2011 la Wayback Machine
  5. N. Lamtev. Baterii de casă. Moscova: Editura de Stat pentru Probleme Radio, 1936. . Preluat la 21 octombrie 2011. Arhivat din original la 5 noiembrie 2014.
  6. Cum se deschide o baterie de mașină: punerea în funcțiune a bateriei  (rusă) , AkkumulyatorAvto.ru  (2 august 2017). Arhivat din original pe 12 august 2018. Preluat la 12 august 2018.
  7. Conductivitate electrică x soluții apoase de acid sulfuric și coeficient de temperatură la . chemport.ru. Preluat la 1 iulie 2018. Arhivat din original la 1 iulie 2018.
  8. http://auto.lenta.ru/news/2006/12/19/battery/ Arhivat 9 ianuarie 2007 la Wayback Machine Americanii au ușurat și au redus bateriile
  9. Baterii pentru alimentare neîntreruptibilă. Articole ale companiei „OOO New System” (link inaccesibil) . aegmsk.ru. Preluat la 12 august 2018. Arhivat din original la 12 august 2018. 
  10. 1 2 Baterie plumb acid. Dispozitivul și principiul de funcționare al bateriei. . www.eti.su Preluat la 1 iulie 2018. Arhivat din original la 1 iulie 2018.
  11. GOST 26881-86 Metodă de testare a bateriilor cu plumb . Data accesului: 15 octombrie 2011. Arhivat din original pe 6 noiembrie 2014.
  12. O scurtă trecere în revistă analitică a metodelor existente de estimare a capacității HIT și a dispozitivelor care implementează aceste metode (link inaccesibil) . Preluat la 21 octombrie 2011. Arhivat din original la 4 martie 2016. 
  13. GOST R 53165-2008, 2009 .
  14. Manual, 1983 , p. 70.
  15. Transport feroviar. - 2011. Nr 12. - p.35. (link indisponibil) . Data accesului: 13 decembrie 2015. Arhivat din original pe 22 decembrie 2015. 
  16. Manual, 1983 , p. 21-23.
  17. Bateriile cu plumb: adevăr și ficțiune (după Alex_Soroka) . Transport electric . Preluat la 27 octombrie 2021. Arhivat din original la 27 octombrie 2021.
  18. 1 2 Kochurov, 2009 .
  19. Otrăvirea cu plumb | Portalul medical ProfMedik . profmedik.ru (22 februarie 2016). Consultat la 4 februarie 2017. Arhivat din original pe 5 februarie 2017.

Literatură

Link -uri