Електрорушійна сила акумулятора

Електрорушійна сила Е, є основним параметром свинцевий-кислотного акумулятора. Вона визначається активністю хімічних реагентів (РЬ, РЬО2,Н2СО4, Н2О), що входять до складу електрохімічної системи акумулятора, але при цьому ніяк не залежить від кількості електроліту і активних мас на електродних пластинах, а також від їх форм і розмірів.

Величина ЭДС Еа, визначається як різниця рівноважних електричних потенціалів ц між електродами за відсутності електричного струму, що протікає через акумулятор:

Ea=ц+-ц-.Оскільки ц+>ц-, то ЭДС завжди позитивна.

Таким чином, ЭДС є стаціонарним физико-хімічним параметром, залежним від природи взаємодіючих реагентів і вказуючим на потенційну здатність акумулятора підтримувати на електродах електричну напругу в струмовому ланцюзі.

Електрорушійна сила зарядженого акумулятора зберігається достатньо продолжительно. Чисельне значення Е, може бути знайдено з теоретичної закономірності:

Е = 2,047 + КТ1па (3.1)

де Т — абсолютна температура; До — постійний коефіцієнт, що характеризує физико-хімічні властивості активних мас електродів; а — коефіцієнт, що характеризує активність електроліту.

Проте на практиці користуються емпіричною формулою для визначення ЭДС;

Е = 0,84 + [0,00075 (Т - 25) + ут], (3.2)

де вираз в квадратних дужках відповідає значенню щільності уз електроліту, приведеному до температури 25"С;

ут — щільністьелектроліту при температурі Т°С вимірювання.

Хімічна активність реагентів, зібраних в електрохімічну систему акумулятора, слабо залежить від температури, що наочно може бути показане диференціюванням виразу (3.1) по температурі: аЕ/йТ = 0,0004 (В/°С).

При зміні температури від -30 до +50°С (у робочому діапазоні для АКБ) електрорушійна сила кожного акумулятора в батареї змінюється всього на 0,04 В. На практиці такою незначною зміною нехтують і вважають, що ЭДС Е,, виражена у вольтах, залежить тільки від приведеної щільності електроліту, вираженої в г/ем3:

Е=0,84+ ут ₂₅ (3.3)

Так, якщо щільність електроліту в банках повністю зарядженої батареї при Т = 25°С рівна 1,28 г/см³, електрорушійна сила в кожному акумуляторі Е = 0,84 + 1,28 = 2,12 В, а ЭДС батареї рівна 12,72 В.

Практично електрорушійну силу акумуляторної батареї можна зміряти вольтметром з високим внутрішнім опором.

3.3. Щільність електроліту

Електроліт в автомобільному свинцево-кислотному акумуляторі — це 30%-ный розчину сірчаної кислоти Н₂S0₄ у воді Н, що дистилює.

Акумуляторна сірчана кислота, що поступає в продаж, містить 94% хімічночистої кислоти Н₂S0₄. Вона прозора, не має кольору і запаху, кипить при температурі 33°С, маєщільність у до = 1,83 г/см3. Частіше в торгову мережу поставляється електролітний розчин з щільністю узд ⁼ 1,4 г/см3 або з щільністю, потрібною для даного кліматичного регіону.

Під щільністю електролітного розчину (або кислоти) розуміють відношення маси речовини (у грамах) до займаного ним об'єму (у см3). Таким чином, щільність — це параметр електроліту, подібний до його питомої ваги. Щільність електроліту 1,10...1,30 г/ем3 відповідає масова концентрація сірчаної кислоти в 28...40%.

У справній автомобільній акумуляторній батареї щільність електроліту може знаходитися в межах від 1,07...1,3 г/см3. Розкид значень щільності електроліту в банках повністю зарядженою справною АКБ не повинен перевищувати 0,01 г/см3

Якщо батарея розряджена, значення щільності в банках АКБ може бути різним. Цезалежить від стану разряженное™ даного акумулятора, від його технічного стану, а такожвід щільності спочатку залитого в нього електроліту.

При виборі щільності електроліту для первинної заливки доводиться вибирати між тривалістю терміну служби АКБ, який із зменшенням щільності збільшується, і місткістю батареї, яка з пониженням щільності електроліту зменшується.

Крім того, із збільшенням щільності элекгролита до 1,30 г/см батарея може зберігатися при нижчій температурі (Т|.зо = -60°С) без спричинення їй збитку (без розморожування активнихмас електродів).

АКУМУЛЯТОРНІ БАТАРЕЇ

На автомобілях установлюють стартерні сви'нцево-кислотні акумуляторні батареї, які складаються з трьох або шести окремих послідовно з'єднаних акумуляторів. Загальна напруга таких батарей 6 або 12 в. Акумуляторні батареї виготовляють у вигляді бака, розділеного перегородками на камери. У кожній камері знаходиться окремий свинцево-кислотний акумулятор, який складається з позитивних і негативних пластин, сепараторів, з'єднувальних містків з полюсними штирями і кришки з пробкою. Камера складеного акумулятора заповнюється електролітом.

Пластіні для свинцевих акумуляторів виготовляють у вигляді тонких решіток з свинцю з домішкою 6—8% сурми для міцності. Решітки заповнюють активною масою, що складається з окисленого свинцевого порошу, свинцевого глету і свинцевого сурику, змішаних на водному розчині сірчаної кислоти- Нові пластини формують, піддаючи тривалому заряджанню. Після формування активна маса на позитивних пластинах перетворюється на перекиснув свинцю темно-коричневого кольору, а на негативних-—на губчастий свинець світло-сірого кольору. Величина струму, який віддає акумулятор, залежить від поверхні активної маси пластин, занурених у електроліт. Пористість активної маси збільшує цю поверхню. Крім того, щоб значно збільшити поверхню, всі однойменні пластини з'єднують паралельно містками у півблоки. Півблоки негативних і позитивних пластин складають у блоки так, щоб позитивні пластини були розміщені між негативними. Щоб зменшити жолоблення крайніх позитивних пластин, негативних пластин беруть на одну більше, ніж позитивних.

Свінцево-кислотна акумуляторна батарея: 1—захисна пластини;2—кислотостійка мастика; З—пробка; 4—кришка; 5—міжелементне з'єднання; б—негативний штир; 7—позитивний штир; 8—бак батареї; 9 — блоки пластин; 10— ребра:11 — сепаратори

Баки акумуляторної батареї виготовляють з ебоніту або асфальтопекової маси з кислотостійкими вставками. Дно бака має ребра, на які спираються пластини. Це запобігає їх короткому замиканню через активну масу, яка висипається під година роботи акумулятора. Зверху бак закривають кришками з отворами для полюсних штирів і заповнення електролітом. Герметичність з'єднання кришок із стінками баків створюють заливанням кислототривкої мастики. Щоб запобігти короткому замиканню, між різнойменними пластинами вставляють прокладки, я'кі називають сепараторами. Сепараторі виготовляють із пористих кислотостійких матеріалів, наприклад: дерева, міпора, міпласта, склоповсті та ін. Сепараторі ребристим боком установлюють до позитивних пластин. Це забезпечує кращий доступ електроліту в пори активної маси, внаслідок чого збільшується ємність акумулятора під година його розряджання. Електроліт для свинцевих акумуляторів виготовляють з хімічно чистої сірчаної кислоти і дистильованої води. Змішування кислоти з водою відбувається дуже бурхливо, з виділенням тепло. Тому під година приготування електроліту треба кислоту лити у воду тонким струменем. Співвідношення кислоти і води в електроліті визначають його густиною, якові вимірюють ареометром. Свінцевій акумулятор, незалежно від кількості пластин, у зарядженому і справному стані дає струм напругою близько 2 B. Тому акумуляторна батарея з трьох послідовно сполучених акумуляторів має напругу 6в, а з шести — 12 в.

Під година заряджання і розряджання свинцевого акумулятора в активній масі і електроліті відбуваються хімічні зміни. При розряджанні активна маса обох пластин свинцевого акумулятора перетворюється на сірчанокислий свинець. При цьому частина сірчаної кислоти витрачається на утворення сірчанокислого свинцю і води. Густіна електроліту при розряджанні зменшується. При заряджанні хімічні реакції відбуваються у зворотному напрямі. При цьому кисень води витрачається на утворення перекису свинцю на позитивній пластині, а кислотний -залишок сірчанокислого свинцю обох пластин і водень води йдуть на утворення сірчаної кислоти в електроліті. Початковій склад активної маси пластин відновлюється і густина електроліту підвищується. При дальшому заряджанні відбувається тільки розклад води на кисень і водень, який супроводиться сильним газоутворенням; це свідчить про кінець заряджання. Зміни густини електроліту, які відбуваються при заряджанні і розряджанні, — найточніший показник ступеня заряджаняя або розряджання свинцевих акумуляторних батарей. Рекомендовані величини густини електроліту в кінці заряджання подані в табл. 2.

Табліця 2

У робочому свинцевий-кислотному акумуляторі щільність нижче 1,07 г/см3недопустима, і не тільки із-за раннього замерзання електроліту (Т _1,07 = -5°С), але і унаслідок падіння місткості акумулятора за нормальних температурних умов (Т > 10°С). Таким чином, щільність електроліту у всіх акумуляторних банках автомобільної батареї стартера повинна підтримуватися однаковою і в певних межах відповідно до заданих умов експлуатації, які значно відрізняються для різних кліматичних регіонів.

ГОСТ 16360-80 визначає кліматичні регіони по середньомісячній температурі tср°С повітря в січні. З урахуванням вимог Госту складена таблиця 3.1.

Проводити сезонну зміну щільності електроліту необхідно тільки в широтах, де середня температура січня нижча -30°С.

Електроліт готують вливанням кислоти у воду, а не навпаки. Важливо відзначити, що на початку складають електроліт в пропорції 0,42л 94%-ной кислоти і 0,65 л води, що дистилює. При цьому виходить електроліт з щільністю 1,4 г/см3 (при Т= 25°С). Далі електроліт розбавляють до потрібної щільності у воді, що дистилює. Для отримання одного літра електроліту необхідної щільності при експлуатації батареї в середніх широтах Росії 0,6 л електроліту з щільністю у25=1,40г/см3необхідно влити в 0,4 л води, що дистилює. Вийде електроліт з щільністю у25=1.24г/см3. Після повної зарядки щільність у всіх банках АКБ досягає номінального значення 1,26 г/см3. Для московського регіону цілорічна щільність в повністю зарядженій батареї декілька выше— 1,27 г/см3

Якщо необхідно підвищити щільність електроліту безпосередньо в акумуляторі, то доливають не кислоту, а електроліт з щільністю 1,4 г/см3.

При цьому проводять також вирівнювання щільності і рівня електроліту в різних банках, що роблять в процесі заряду батареї.

Вимірюють рівень за допомогою скляної мірної трубочки, а щільність електроліту — за допомогою денсиметра (аерометра) або за допомогою поплавця плотномера. Необхідна також наявність градусника.

Після вимірювання щільності і температури електроліту зміряну щільність приводять до температури +25"С по формулі у25= уT+0,0007 (Т-25) .

Різниця між щільністю повністю зарядженого акумулятора узі повністю розрядженого (ур) при температурі 25°С завжди рівна 0,16 г/см3, а

ДСр=100(уз- у25)/(уз -ур).

Тоді, якщо відома початкова щільність унповністю зарядженої акумуляторної батареї, по зміряній щільності утелектроліту можна визначити ступінь розрядженої

Дср(%) кожного акумулятора окремо:

ДСр=625(ун-ут+Ду) (3.4)

Слід пам'ятати, що сірчана кислота, що входить до складу електроліту, виключно активна хімічна речовина, здатна викликати небезпечні кислотні опіки на тілі людини. Парами кислоти можна отруїтися. Робота з електролітом вимагає особливої обережності, спеціального хімічного посуду і індивідуальних засобів захисту.

3.4. Електродна характеристика акумулятора

Відмітною властивістю свинцево-кислотного акумулятора є майже лінійна залежність ЭДС Еа від щільності у. Ця залежність називається електродною характеристикою і відображає вплив щільності електроліту на рівноважні потенціали електродів і на електрорушійну силу акумулятора при певній температурі. Графіки функцій;

<р+== Д;у);(р.= (1;у); Е,° ((у) приведені на мал. 3.2.

У діапазоні зміни щільності (1,05...1,35 г/см3) всі три функції абсолютно лінійні і не залежать від конструкції і ступеня зарядженої акумулятора.

Встановлено, що ЭДС Е, будь-якого справного свинцевий-кислотного акумулятора при щільності електроліту у = 1,30 г/см3 і температурі Т = 20°С рівна 2,1В, а при у =1,10 г/см3, ЭДС Е,=1,9В (мал. 3.2). Проте' щільність електроліту трохи зменшується при збільшенні температури (0,0007 г/см3 на один градус) і дуже помітно збільшується при підвищенні ступеня зарядженої акумулятора. Виходить так: у розрядженому акумуляторі з щільністю у = 1,30 г/см3 ЭДС Е = 2,1 В. А в зарядженому акумуляторі з щільністю уэ = 1,20 г/см3 — ЭДС Е = 2,0 В (при однаковій температурі акумуляторів Т = 20°С). Таким чином, електродна характеристика показує, що електрорушійна сила Е« не може служити метрологічним параметром для визначення ступеня зарядженої (або розрядженій) акумулятора. Як було показано раніше, таким параметром є щільність електроліту.